Биохимическое поведение нефти в водной среде

При выбросе нефти в окружающую среду происходит ее контакт с атмосферой или почвенными и природными водами рек и морей.

Нефть, вступившая в контакт с окружающей средой, быстро перестает существовать в исходном виде.

Почти все компоненты сырой нефти имеют плотность менее 1 г/см3.

Часть компонентов нефти переходит в растворенное состояние. В среднем 2—5% (иногда до 15%) сырой нефти растворяется в воде.

Легколетучие фракции испаряются. В газовую фазу переходит от 10 до 40% нефти ее исходного количества. В основном идет растворение низкомолекулярных алканов, циклоалканов и бензолов.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) типа антрацена и пирена практически не переходят в газовую фазу и подвергаются сложной трансформации в результате окисления, биодеградации и фотохимических процессов.

В водной среде происходит фракционирование нефти и нефтепродуктов, в результате которого они могут существовать в нескольких агрегатных состояниях, в том числе: поверхностные пленки (слики); эмульсии типа «нефть в воде» или «вода в нефти»; взвешенные формы в виде плавающих на поверхности и в толще воды мазутно-нефтяных агрегатов; осажденные на дне твердые и вязкие компоненты; аккумулированные в водных организмах соединения.

Многолетние наблюдения за состоянием Балтийского моря

показали, что 3,6 % суммарного количества нефти находится в виде пленки, в донных осадках аккумулировано 15 %, в эмульгированном и растворенном состоянии находится соответственно 64 и 17 % нефти.

При попадании в морскую акваторию 1 т нефти, она уже через 10 мин распространяется по поверхности в радиусе 50 м и толщиной слоя до 10 мм. Затем происходит ее быстрое последующее растекание до площади 12 км2 с образованием пленки толщиной менее 1 мм.

В течение первых нескольких суток после разлива нефти значительная ее часть переходит в газовую фазу. Улетучивается до 75 % легкой фракции идо40%и5—10% средних и тяжелых фракций соответственно.

Нефть в виде пленки дрейфует по направлению ветра со скоростью, составляющей 3 — 4% скорости ветра. По мере утончения пленки и при достижении ею критической толщины около 0,1 мм она начинает разбиваться на отдельные фрагменты, которые распространяются затем на более обширные площади. Часть нефти

Рис. 8.4. Биогеохимические процессы трансформации и переноса нефти

в море

растворяется — концентрация нефти под пленкой составляет 0,1 — 0,4 мг/л.

Образование нефтяных эмульсий определяется составом нефти. Наиболее устойчивые эмульсии типа «вода в нефти» содержат от 30 до 80 % воды и могут существовать в морской акватории более 100 сут.

Эмульсии типа «нефть в воде» представляют собой диспергированные в воде капельки нефти. Они малоустойчивы, во времени происходит их дальнейшее диспергирование вплоть до образования микроскопических капель. При этом ускоряются процессы разложения.

Химические превращения нефти на поверхности и в толще воды начинают проявляться не ранее чем через сутки после поступления ее в море. Они носят окислительный характер и часто сопровождаются фотохимическими реакциями. Конечные продукты окисления — гидроперекиси, фенолы, карбоксильные кислоты, кетоны и альдегиды — имеют повышенную растворимость в воде и высокую токсичность.

Часть нефти (до 10 — 30%) сорбируется на твердых частицах взвесей, присутствующих в воде, и осаждается на дно. Эти процессы происходят в большей степени в узкой прибрежной полосе и на мелководье. Одновременно протекает процесс биоседиментации, т.е. извлечения эмульгированной нефти планктонами и осаждение ее на дно с остатками организмов.

Известно около 100 видов бактерий и грибов, способных использовать компоненты нефти для роста и развития. Способность углеводородов к биодеградации зависит от строения их молекул. Соединения парафинового ряда обладают этой способностью в большей степени, чем ароматические и нафтеновые соединения.

Нефтяные агрегаты в виде смолисто-мазутных композиций образуются из сырой нефти после испарения и растворения ее легких фракций и химической и микробной трансформации. На образование этих агрегатов уходит 5—10% разлитой нефти и до 20 — 50% отстоенной нефти из балластных и промывочных вод. Основу мазутных композиций составляют асфальтены и тяжелые фракции нефти. Время жизни нефтяных агрегатов исчисляется от месяца до года, после чего они разрушаются.

Итогом рассмотренных процессов является то, что нефть в водной среде быстро теряет свои первоначальные свойства. Происходит рассеивание и распад ее компонентов вплоть до исчезновения исходных и промежуточных соединений и образования углекислого газа и воды.

Таким образом происходит самоочищение водной экосистемы от углеводородов, если токсическая нагрузка на нее не превышает допустимые пределы.

При эксплуатации газовых и нефтяных месторождений в северных акваториях следует ожидать более сложной картины преобразования и трансформации исходного сырья (рис. 8.5).

Для этих условий характерно:

• повышение вязкости сырой нефти при низких температурах;

Рис. 8.5. Поведение нефти при разливах в морских ледовых условиях

адсорбция компонентов нефти на поверхности льда и накопление ее в пористых наслоениях и пустотах ледового покрова; замедление бактериального и фотохимического распада углеводородов в условиях пониженных температур.

Именно эти процессы будут определять последствия возможных нефтяных разливов на арктическом и дальневосточном шельфах России.