Временные методические рекомендации по контролю загрязнения почв. Часть II.


Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды

Институт экспериментальной метеорологии

Временные методические рекомендации по контролю загрязнения почв

Часть II

Под редакцией канд. физ.-мат. наук С. Г. МАЛАХОВА

МОСКВА. МОСКОВСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ГИДРОМЕТЕОИЗДАТА - 1984

Вторая часть "Временных методических рекомендаций по контролю загрязнения почв включает в себя описание контроля загрязнения почв нефтепродуктами, а также комплекс методов, позволяющих оценивать изменения агрохимических и биологических свойств почвы под влиянием загрязняющих веществ. К последним относятся методы определения ферментативной активности, интенсивности дыхания почвы, содержания в почве углерода, фосфора, азота и сульфатов.

Рекомендации предназначены для лабораторий контроля загрязнения почв Госкомгидромета СССР как части Общегосударственной службы наблюдения и контроля загрязнения почв. Они будут полезны работникам лабораторий других ведомств, занимающихся определением уровней загрязнения почв, а также научным работникам и специалистам, работающим над проблемой охраны почв от загрязнений или интересующихся ею.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие рекомендации являются продолжением (второй частью) "Временных методических рекомендаций по контролю загрязнения почв", изданных в 1983 г. Гидрометеоиздатом.

В первую часть Рекомендаций вошли методики отбора проб почвы, методики определения в этих пробах хлорорганических и фосфорорганических пестицидов, гербицидов (2,4-Д-симтриазинов), валовых количеств металлов, форм соединений металлов, фторидов, методика определения рН почвы и выпадений. В первой части кратко описана методика определения выпадений металлов из атмосферы. Кроме того, отдельно даны рекомендации по метрологическому обеспечению проводимых измерений (по методике внутреннего и внешнего контроля достоверности результатов измерений).

Настоящая (вторая) часть Рекомендаций включает методику определения содержания в почвах нефтепродуктов. Основное же внимание уделено методам оценок последствий загрязнения почв - методам оценок изменения основных агрохимических и биологических свойств почвы под влиянием антропогенного загрязнения. Во второй части приведены методики определения содержания в почвах углерода, подвижного фосфора, аммиачного азота, нитратного азота, обменных сульфатов, методики измерения ферментативной активности почв.

В составлении отдельных разделов второй части методических рекомендаций принимали участие: сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова канд. геогр. наук Ю.И. Пиковский, сотрудники ИЭМ: канд. хим. наук Л.С. Эрнестова (раздел IV), канд. биол. наук Э.И. Гапонюк (разделы V и VI), м.н.с. Н.П. Кремленкова (раздел V и VI).

Общая редакция осуществлена канд. физ.-мат. наук С.Г. Малаховым.

РАЗДЕЛ IV. КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

IV.1. Введение

Загрязнением почв нефтью (Н) и нефтепродуктами (НП) считается увеличение концентраций этих веществ до такого уровня, при котором:

нарушается экологическое равновесие в почвенной системе;

происходит изменение морфологических, физико-химических и химических характеристик почвенных горизонтов;

изменяются водно-физические свойства почв;

нарушается соотношение между отдельными фракциями органического вещества почвы, в частности между липидной и гумусовой составляющими;

создается опасность вымывания из почвы Н и НП и вторичного загрязнения грунтовых и поверхностных вод.

Уровень допустимой концентрации Н и НП в почвах, при котором не наблюдается перечисленных выше явлений, не везде одинаков. Он будет различаться в зависимости от:

почвенно-климатической зоны;

типа почвы;

состава Н и НП, попавших в почву.

В среднем нижний предел концентраций Н и НП в загрязненной почве изменяется от 0,1 до 1,0 г/кг. Критерием также может служить концентрация выше 0,05 мг/л Н и НП в воде, профильтрованной через загрязненную почву.

Контроль за загрязнением почв нефтью и нефтепродуктами осуществляется вблизи наиболее вероятных мест импактного загрязнения:

нефтепромыслов, нефтепроводов, нефтеперерабатывающих заводов, нефтехранилищ. Основные задачи контроля состоят в следующем:

определение источника и центра разлива Н и НП;

определение потока нефти по площади и по глубине почвенного профиля;

определение направления движения потока и возможного ареала дальнейшего загрязнения;

идентификация продуктов загрязнения;

установление характера сопутствующего загрязнения почв (минеральными солями, токсичными металлами, канцерогенными веществами);

установление степени и характера трансформации почв и растительности, загрязненности вод;

определение возможности самоочищения почв и эффективности мероприятий по ликвидации последствий загрязнения;

оценка ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству. Основной метод контроля - изучение морфологии почвенного профиля, определение содержания Н и НП в образцах почв и грунтовых вод.

В настоящем разделе дана краткая характеристика главных потенциальных источников загрязнения почв Н и НП, приводятся методика отбора проб, методика диагностики нефтяных загрязнений в почвах и определения концентраций нефти и нефтепродуктов.

IV.2. Характеристика нефти и продуктов ее переработки

Нефть - маслянистая жидкость, представляющая собой сложный природный раствор органических соединений, в основном углеводородов. В углеводородах растворены высокомолекулярные смолисто-асфальтеновые вещества, а также низкомолекулярные кислород-, азот- и серусодержащие органические соединения. Кроме того, в нефти растворены и некоторые неорганические вещества: вода, соли, сероводород, соединения металлов и других элементов.

Нефть в природе довольно разнообразна. По внешнему виду она различается по цвету (от почти бесцветной до темно-коричневой) и вязкости (от весьма подвижной до густой малоподвижной). Соотношение компонентов, входящих в состав нефти, определяет ее тип, физические свойства, состав. Изменение состава и свойств нефти отражается прежде всего на удельном весе, который колеблется от 0,80 до 0,95. Нефть с большим или меньшим удельным весом встречается редко.

В составе нефти различают следующие классы углеводородов:

алифатические (метановые);

циклические насыщенные (нафтеновые);

циклические ненасыщенные (ароматические).

Имеются также смешанные (гибридные) углеводороды: метано-нафтеновые, нафтеново-ароматические.

Среди метановых углеводородов в нефти имеются газообразные, жидкие и твердые. Газообразные (метан, этан, бутан и др.) растворены в жидких углеводородах и выделяются при изменении давления. Твердые высокомолекулярные углеводороды (парафины) также находятся в растворенном состоянии. Их попадание в почву особенно опасно, так как, имея низкую температуру застывания, парафины прочно закупоривают все каналы, по которым происходит обмен веществ между почвой и растением, почвой и атмосферой.

Нефть с преобладанием метановых углеводородов относится к метановому типу. Среди ее разновидностей выделяется высокопарафинистая нефть (содержание парафина более 6 %), парафинистая (1,5-6,0 %) и малопарафинистая (менее 1,5 %).

Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех типах нефти, но нефть с преобладанием этого класса углеводородов встречается редко. Среди ароматических углеводородов преобладают низкомолекулярные структуры (бензол, толуол, ксилол, нафталины). В подчиненном количестве имеются гомологи 3-6-кольчатых углеводородов (полициклические ароматические углеводороды - ПАУ). В некоторых разновидностях нефти ПАУ содержат значительное количество 3,4-бенз(а)пирена и других канцерогенных углеводородов.

Высокомолекулярные ароматические структуры, содержащие также кислород, серу, азот, представляют смолы и асфальтены. Смолы - вязкие вещества, асфальтены - твердые. Те и другие растворены в жидких углеводородах. Высокое содержание смол и асфальтенов в нефти определяет увеличение ее удельного веса и вязкости. Такие нефти малоподвижны, но могут создать устойчивый очаг загрязнения в почве.

Смолистые нефти не содержат, как правило, твердых парафинов, а высокопарафинистые нефти - заметного количества смолисто-асфальтеновых веществ. Нафтеновые нефти содержат минимальное количество тех и других.

Существенное значение имеет содержание серы в нефти. Кроме элементной серы, в нефти присутствуют некоторые специфические сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды, тиофаны), дающие специфический запах. Присутствие сернистых соединений увеличивает токсичность нефти.

По содержанию серы нефть бывает малосернистая (менее 0,5 %), сернистая (0,5-2,0%), высокосернистая (более 2,0%).

Нефть разделяется на фракции по температуре кипения смесей различных углеводородов. Углеводороды, вскипающие до 200 °С, относятся к бензиновой, вскипающие в интервале 200-300 °С, - керосиновой, от 300 до 400 °С - газоилевой фракциям.

Нефть, богатая бензиновой фракцией, быстрее испаряется, и ее воздействие на природную среду относительно кратковременно. Углеводороды, вскипающие при высоких температурах, довольно устойчивы и очищение от них компонентов природной среды проходит с трудом.

В табл. IV.2.1 отмечены некоторые свойства разных типов нефти. Тип нефти зависит от многих условий, связанных с формированием и существованием ее скоплений. В одном и том же районе можно встретить разные типы нефти. Часто наблюдается определенная зональность по площади и по толще нефтеносных пород в изменении состава нефти.

Из нефти получают несколько тысяч различных продуктов, которые делятся на следующие основные группы:

топлива (бензины, лигроины, керосины, реактивные, дизельные, котельные, газотурбинные топлива);

нефтяные масла;

парафины, церуины, вазелины;

нефтяные битумы;

осветительные керосины;

растворители;

прочие нефтепродукты (кокс, сажа, смазки, органические кислоты и др.).

Таблица IV.2.1

Классификация нефти по углеводородному составу и некоторым физико-химическим свойствам (по А.Ф. Добрянскому)

Свойства нефти

Классы нефти

Ароматические, ароматическо-нафтеновые

нафтеновые, нафтеново-ароматические

метано-нафтеновые

метановые

Удельный вес при 20 °С

0,9-0,95

0,87-0,91

0,83-0,87

0,80-0,83

Вязкость при. 50 °С

2-10

1-3

1-2

1-1,5

Групповой состав углеводородов:

метановые

0-10

5-20

20-40

40-55

нафтеновые

46-60

50-60

45-60

35-45

ароматические

35-55

20-40

10-25

5-10

Выход бензиновых фракций, 200 °С

5-15

10-25

25-35

30-45

Нефтепродукты состоят из тех же компонентов сырой нефти, отделенных друг от друга и полученных из них путем термокаталитических химических реакций. Топлива, например, - это жидкие углеводородные продукты. Они различаются по температуре кипения:

начало кипения - 200 °С - бензины (авиационные, автомобильные топлива);

200 - 300 °С - керосины, лигроины (тракторные, реактивные топлива);

>300 °С - мазуты, газойли (котельные, газотурбинные топлива).

Нефтяные битумы, наоборот, - это твердые продукты, лишенные углеводородной составляющей. Они применяются в строительстве, производстве изоляционных материалов, резины и др.

Парафины, церезины - это твердые углеводороды, находящие применение в нефтехимии, пищевой промышленности, медицине.

Масла - вязкие продукты, состоящие из высокомолекулярных углеводородов. Применяются для смазок, гидропередач, изоляций и других целей.

Природную среду загрязняют в широких масштабах, главным образом, сырая нефть, топлива, масла, нефтяные битумы, сажа. Наиболее распространены первые две группы веществ, самые подвижные из всех. Через атмосферу широко распространяется сажа.

Токсичность разных типов нефти и нефтепродуктов не одинакова.

Легкие фракции нефти и легкие нефтепродукты (бензины, керосины) обладают наиболее сильным токсическим действием на живые организмы. Но влияние этих продуктов происходит непродолжительное время вследствие быстрого испарения, биодеградации и рассеяния.

Тяжелые фракции нефти и тяжелые нефтепродукты сильного токсического действия на организм не оказывав, но они значительно ухудшают свойства почв, затрудняют газо- и водообмен в почвах, затрудняют дыхание и питание растений. Эти компоненты очень устойчивы и могут сохраняться в почвах в течение длительного времени (годы, десятки лет).

Важное свойство нефти и нефтепродуктов - растворимость. Сами нефти и нефтепродукты хорошо растворяют различные неорганические и органические вещества, среди которых могут находиться весьма токсичные соединения. Например, из неорганических веществ - это сера, сернистые соединения и другие. Из органических - канцерогенные углеводороды и многие другие токсичные и ядовитые вещества.

Нефть и нефтепродукты при комнатных и более низких температурах в воде практически не растворяются. В среднем их растворимость составляет сотые доли процента. Но уже этого достаточно, чтобы резко ухудшить качество воды. Обычно нефтяные компоненты образуют с водой эмульсию, которую трудно разрушить. Чаще всего нефть плавает на поверхности воды в виде пленки, обволакивает взвешенные частицы и оседает с ними на дно.