Науково-теоретичні основи системного підходу до підвищення рівня екологічної безпеки нафтовидобувних територій

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розвʼязанню науково-теоретичної проблеми зниження рівня техногенного навантаження на довкілля від обʼєктів нафтового видобування, зокрема у районах активного буріння та освоєння свердловин, що призводить до деструктивних впливів на всі компоненти навколишнього природного середовища, особливо під час аварійних ситуацій, які супроводжуються розливами нафти і нафтопродуктів. Розроблено науково-методологічні основи системного підходу до оцінювання впливу відходів нафтовидобування на довкілля та екологічно безпечного поводження з ними, що забезпечує зниження техногенного навантаження на навколишнє природне середовище від нафтовидобувної промисловості. Удосконалено методологічну основу системного підходу до вирішення проблеми техногенного навантаження на навколишнє природне середовище під час видобування нафти та науково-практичні підходи до створення нафтодеструктивних консорціумів мікроорганізмів із використанням біоінформаційних баз даних. Розроблено науково-методологічний підхід до дослідження та впровадження технології очищення нафтозабруднених ґрунтів методами біоремедіації, що дозволило підвищити рівень екологічної безпеки відповідних територій за рахунок скорочення часу ліквідації забруднення та підвищення ефективності процесу. Біотехнологічний метод знезараження нафтозабруднених ґрунтів стає все більш популярним і корисним у наш час завдяки своїм перевагам і позитивним характеристикам перед фізико-хімічними методами. Висока ефективність розкладання нафтових вуглеводнів різними штамами бактерій пояснюється здатністю конкретного живого організму включати ці речовини в метаболічні процеси клітини. Чисельні дослідження показують, що арени, нафтенові, парафінові вуглеводні доступні практично для всієї аборигенної мікрофлори. Теоретично обґрунтовано підходи до моделювання біоремедіації нафтозабруднених обʼєктів, що зводяться до визначення складу нафтодеструктивних консорціумів із застосуванням біоінформаційних баз даних, що забезпечує ефективну біоаугментацію. Біостимуляція необхідна для підвищення ефективності розроблених біопрепаратів, тому науково обґрунтовано застосування анаеробного дигестату відповідно до методологічної основи системного підходу. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено ефективність застосування анаеробного дигестату як біостимулятора у складі бактеріальних препаратів на підставі наявності в ньому необхідного комплексу поживних речовин для нафтодеструктивних мікрорганізмів, що задовольняє вимогам екологічної безпеки щодо комплексного поводження з відходами. У пробах забрудненого нафтою ґрунту виявлено такі хімічні речовини: н-алкани, фтор, антрацен, фенантрен, пірен, толуол, ксилол, бензол, інші HВ. Досліджено залежність ступеню деградації нафти від часу експозиції τ та початкової концентрації нафти Ci. Результати досліджень показали, що максимальний ступінь деградації нафти на рівні 80 % встановлено за Ci в межах 4–8 г/кг і τ = 70 діб. Поліциклічні ароматичні вуглеводні, виявлені в забруднених пробах ґрунту, мають різні реакційні модулі біохімічного катаболізму. Більшість досліджених перетворень включають різні ферментні системи, а отже, і різні штами мікроорганізмів, що обґрунтовує ефективність консорціуму. Визначено, що до групи найбільш продуктивних бактерій і грибів у цьому контексті належать Pseudoxanthomonas spadix, Pseudomonas aeruginosa, Rhodococcus opacus, Acinetobacter baumannii, Bacillus cereus, Actinomyces sp., Mycobacterium flavescens. Експерименти з оброблення нафтозабруднених ґрунтів показали збільшення біодеградації у разі застосування біоаугментації. Результати експерименту свідчать, що 100 % концентрації нафти було засвоєно через 20, 25 та 35 днів для зразків ґрунту з вихідними концентраціями вуглеводнів на рівні 5, 10 та 15 г/кг відповідно. Розроблено схему деградації ароматичних сполук, наведену з комбінованими схемами реакційних модулів біодеструкції ароматичних сполук. Досліджені реакції складаються з трьох основних модулів дигідроксилювання ароматичного кільця, за яким слідують модуль мета- або орто-розщеплення та ко-дигідроксилювання та розщеплення ароматичного кільця разом із модулем попередньої обробки для перетворення метильної групи в карбоксильну групу на ароматичному кільці. Аналіз шляхів деградації ароматичних сполук показав, що основний модуль деструкції включає руйнування толуолу та бензоату, орто-розщеплення катехолу та мета-розщеплення катехолу, руйнування ксилолу, нафталіну, фталату. Моделювання консорціуму бактерій, що розкладають нафтопродукти, здатних до біоаугментації проводилось на основі модуля реакцій деградації ароматичних сполук, дослідження різних ферментних систем, які каталізують певні реакції, та визначення бактерій, здатних продукувати відповідні ферменти. Ідентифікація повного геному бактерій за допомогою IslandViewer 4 дозволила створити консорціум нафтодеструктивних бактерій, що складається з таких штамів: Pseudoxanthomonas spadix BD-a59, Rhodococcus jostii RHA1, Rhodococcus aetherivorans IcdP1, Pseudomonas putida ND6, Pseudomonas stutzeri 19SMN4, Pseudomonas fluorescens UK4, Acinetobacter lactucae OTEC-02, Bacillus cereus F837/76.7.9. Співвідношення між зазначеними штамами мікроорганізмів у консорціумі було встановлено на рівні 20 % : 20 % : 15 % : 10 % : 10 % : 5 % : 5 % : 15 %. Системний підхід передбачає дослідження нафтовидобувної діяльності як системного цілого, тому була проведена декомпозиція процесу на взаємоповʼязані складові з метою виділення ключових факторів впливу на всіх стадіях процесу. Визначено, що на етапі проведення сейсморозвідувальних робіт основним екодестабілізуючим чинником є шум, по відношенню до якого китоподібні і ластоногі виступають як найбільш чутливі реципієнти. Буріння свердловин та видобування нафти супроводжуються забрудненням середовища існування морських гідробіонтів нафтою, буровим шламом, буровими стічними водами, важкими металами, радіоактивними елементами. Запропоновано методологію впливу нафти на водні екосистеми відповідно до системного підходу, що полягає у визначенні факторів, які впливають на поведінку та долю нафтових сполук, застосуванні методів математичного моделювання для дослідження процесу розтікання нафтової плівки на поверхні води та методу оцінки впливових концентрацій хімічних речовин на біоту, зокрема методу ансамблевої оцінки. Для прогнозування рівня навантаження розроблено систему індикаторів та сигнальних показників якості, що враховує як фізико-хімічні властивості абіотичної компоненти екосистеми, так і параметри еколого-трофічних груп біоти. Розроблено технологію поводження з буровими відходами, що полягає у збиранні відходів буріння, регулюванні рН та обробленні коагулянтами і флокулянтами, розділенні відходів на тверду і рідку фази у полі дії відцентрових сил, що апаратурно здійснюється в центрифузі чи декантері. Встановлено залежність ефективності седиментації від дози коагулянту і флокулянту під час реалізації розробленої технології розділення бурового шламу під впливом відцентрових сил, зокрема науково обґрунтовано дози алюміній сульфату та поліакріламіду на рівні 30 % та 0,1–0,2 % за основною речовиною відповідно. Реалізація розробленого способу забезпечує повторне використання освітленої та очищеної води у технологічному процесі, зокрема під час приготування бурового розчину, нафтової фази для одержання палива або як додатку до паливних сумішей, утилізацію механічної фракції з одержанням будівельних конструкцій, тим самим знижує техногенне навантаження на довкілля під час буріння нафтових свердловин. Сформовано науково-методичні підходи до застосування теорії нечіткої логіки в екологічних дослідженнях, зокрема під час проведення математичного моделювання безпеки системи «видобування нафти – бурові відходи – вплив на навколишнє середовище» та екологічного ризику. Запропоновано науково-методичний підхід до моделювання фільтрації нафти через пористе середовище, що забезпечило прогнозування глибини та площі забруднення ґрунту, та зниження екологічного ризику від аварійних розливів нафти. Розроблено науково-теоретичні підходи до застосування програмного забезпечення ANSYS у розвʼязанні проблем екологічної безпеки, зокрема з метою математичного моделювання процесу поширення нафти через пористе середовище, що дозволило розробити комплекс науково обґрунтованих заходів з локалікації та ліквідації аварійних розливів. Доведено збільшення коефіцієнта проникнення вуглеводнів із збільшенням вологості ґрунту. Попередня обробка результатів експерименту показала, що при незмінному складі середовища швидкість проникнення вуглеводнів для систем нафта – вологий ґрунт та нафта – сухий ґрунт нелінійно залежить від часу. Отримано регресійні моделі для кривих залежності глибини проникнення нафти від часу для досліджуваних зразків в умовах сухого та вологого ґрунту. Візуалізація за допомогою компʼютерного моделювання показала розподіл нафтових вуглеводнів у ґрунті у вертикальному та горизонтальному напрямках. Доведено суттєву різницю в швидкостях вертикального та горизонтального проникнення вуглеводнів, що узгоджується з експериментальними даними. Науково-методологічною основою дослідження є модифікований детермінований та ймовірнісний підхід до визначення ризику надзвичайної ситуації за допомогою методів нечіткої логіки у вигляді нейронних мереж. Для апробації розробленої методики проаналізовано дані про аварійні розливи нафти в Сумській області за період 2017–2021 років. У результаті дослідження встановлено, що значущість антропогенних порушень природного середовища на всіх рівнях оцінюється за такими параметрами: просторовий масштаб; шкала часу; інтенсивність. У разі інциденту з розливом нафти статистика дослідження дала повну оцінку впливу 6, що вказує на вплив низької значущості, вплив відчувається, але величина впливу є досить низькою (з або без помʼякшення) і в межах прийнятного стандарту рецептори мають низьку чутливість. У випадках індивідуальних оцінок під час визначення екологічного ризику отримано такі результати: часовий параметр – вплив середньої тривалості, просторовий параметр – локальний вплив, інтенсивність – помірний вплив. Розроблено спосіб розділення відходів буріння нафтових свердловин з подальшою утилізацією окремих фракцій, що включає збирання відходів буріння, регулювання рН та оброблення коагулянтами і флокулянтами, розділення відходів на тверду і рідку фази з наступним використання рідкої фази та утилізацією твердої фази відходів. Запропонована технологія забезпечує підвищення екологічної безпеки і зниження впливу на довкілля від відходів, що утворюються під час буріння та експлуатації свердловин на нафту і газ, та призначається для ефективного розділення бурових нафтовмісних відходів у полі дії відцентрових сил з одержанням окремих фракцій, придатних для подальшої роздільної утилізації. Основні принципи технології захищені патентом України на корисну модель. Розроблено спосіб біоремедіації нафтозабруднених ґрунтів біологічним методом із внесенням науково обґрунтованої композиції препарату нафтоокиснювальних бактерій та речовин, зокрема як біостимулятор використовують дигестат після анаеробного зброджування органічних відходів, буферний стабілізатор – фосфогіпс, сорбент або розпушувач – монтморилоніт або солома та компостовані відходи тваринництва і птахівництва. Реалізація розробленого способу дозволяє знизити техногенне навантаження на довкілля у результаті відновлення порушених земель і ґрунтів, забруднених нафтою та нафтопродуктами, та забезпечує інтенсифікацію процесу деградації вуглеводнів біологічним способом, що сприяє одержанню екологічно безпечного субстрату та виключає його токсичність для живих організмів за рахунок деградації та/або іммобілізації небезпечних хімічних речовин. Отримано патент України на корисну модель. Розроблено технологію одержання гранульованого біостимулятора на основі анаеробного дигестату, що входить до складу нафтодеструктивного біопрепарату. При цьому під час гранулювання додається фосфогіпс як вʼяжуче для формування оболонки, що додатково вирішує проблему утилізації промислових відходів. Сушіння одержаних гранул проводять у малогабаритних багатоступінчастих сушарках з псевдозрідженим шаром, які працюють за рахунок електроенергії, виробленої з біогазу, що дозволяє комбінувати біогазові установки та установки для виробництва гранульованого біостимулятора. Такий підхід забезпечує зниження техногенного навантаження на навколишнє середовище від нафтовидобувної галузі, відповідає вимогам екологічної безпеки щодо поводження з промисловими відходами та задовільняє кілька Цілей сталого розвитку. Практична значущість роботи підтверджена результатами промислових випробувань розроблених екологічно безпечних технологій, патентами на корисну модель та актами впровадження у виробничий і навчальний процеси.

The dissertation is devoted to solving the scientific and applied problem of reducing the level of man-made load on the environment from oil production facilities, in particular in areas of active drilling and development of wells, accompanied by destructive effects on all components of the environment, especially during emergencies. oil and oil products spills. The scientific and methodological bases of the system approach to the assessment of the impact of oil production wastes on the environment and ecologically safe treatment with them have been developed, which provides reduction of man-caused load on the environment from the oil industry. The methodological basis of the system approach to solving the problem of man caused load during oil production and scientific and practical approaches to the creation of oil-destructive consortia of microorganisms using bioinformation databases have been improved. A scientific and methodological approach to the study and implementation of technology for cleaning oil-contaminated soils by bioremediation, which increased the level of environmental safety of the areas by reducing the time of elimination of pollution and increase the efficiency of the process. Biotechnological method of disinfection of oil-contaminated soils is becoming increasingly popular and useful today due to its advantages and positive characteristics over physico-chemical methods. The high efficiency of decomposition of petroleum hydrocarbons by different strains of bacteria is due to the ability of a particular living organism to include these substances in the metabolic processes of the cell. Numerous studies show that arenes, naphthenic, paraffin are available for almost all aboriginal microflora. Approaches to modeling bioremediation of oil-contaminated objects are theoretically substantiated, which are reduced to determining the composition of oil destructive consortia with the use of bio-information databases, which provides effective bio-augmentation. Biostimulation is necessary to increase the effectiveness of the developed biological products, so the use of anaerobic digestate in accordance with the methodological basis of the system approach is scientifically substantiated. The effectiveness of anaerobic digestion as a biostimulator in bacterial preparations is theoretically substantiated and experimentally confirmed on the basis of the lack of the necessary complex of nutrients for oil-destructive microorganisms, which meets the requirements of environmental safety for integrated waste management. The following chemicals were found in samples of oil-contaminated soil: n alkanes, fluorine, anthracene, phenanthrene, pyrene, toluene, xylene, benzene, and other HB. The dependence of the oil degradation rate on the holding time τ and the initial oil concentration Ci has been studied. The research results showed that the maximum rate of oil degradation at the level of 80 % was set at Ci in the range of 4–8 g/kg and τ = 70 days. Polycyclic aromatic compounds found in contaminated soil samples have different reaction modules of biochemical catabolism. Most of the transformations studied include different enzyme systems and, consequently, different strains of microorganisms, which justifies the effectiveness of the consortium. It has been determined that the most productive bacteria and fungi in this context include Pseudoxanthomonas spadix, Pseudomonas aeruginosa, Rhodococcus opacus, Acinetobacter baumannii, Bacillus cereus, Actinomyces sp., Mycobacterium flavescens. Experiments on the treatment of oil-contaminated soils have shown an increase in biodegradation with the use of bioaugmentation. The results of the experiment show that 100 % of the oil concentration was absorbed after 20, 25 and 35 days for soil samples with initial hydrocarbon concentrations of 5, 10 and 15 g/kg, respectively. The scheme of degradation of aromatic compounds developed with the combined schemes of reaction modules of biodegradation of aromatic compounds is developed. The reactions studied consist of three main ring dihydroxylation modules, followed by a meta- or ortho-cleavage and aromatic ring co-dihydroxylation and cleavage module together with a pretreatment module to convert the methyl group to the carboxyl group on the aromatic ring. Analysis of the degradation pathways of aromatic compounds showed that the main modulus of destruction includes the destruction of toluene and benzoate, ortho cleavage of catechol and meta-cleavage of catechol, destruction of xylene, naphthalene, phthalate. The simulation of a consortium of bacteria that decompose petroleum products capable of bioaugmentation was based on the module of aromatic compounds degradation reactions, studies of various enzyme systems that catalyze certain reactions, and identification of bacteria capable of producing relevant enzymes. Identification of the complete genome of bacteria using IslandViewer 4 allowed to create a consortium of oil-destroying bacteria consisting of the following strains: Pseudoxanthomonas spadix BD-a59, Rhodococcus jostii RHA1, Rhodococcus aetherivorans IcdP1, Pseudomonas putida ND6, Pseudomonas stutzeri 19SMN4, Pseudomonas fluorescens UK4, Acinetobacter lactucae OTEC-02, Bacillus cereus F837/76.7.9. The ratio between these strains of microorganisms in the consortium was set at 20 % : 20 % : 15 % : 10 % : 10 % : 5 % : 5 % : 15 %. The systems approach involves the study of oil production as a system as a whole, so the process was decomposed into interrelated components in order to identify key impact factors at all stages. It is determined that at the stage of seismic surveys the main ecodestabilizing factor is noise, in relation to which cetaceans and pinnipeds act as the most sensitive recipients. Well drilling and oil production are accompanied by pollution of marine aquatic habitats with oil, drilling mud, drilling wastewater, heavy metals, and radioactive elements. The methodology of oil impact on aquatic ecosystems in accordance with a systematic approach, which is to determine the factors influencing the behavior and fate of petroleum compounds, the use of mathematical modeling methods to study the spread of oil film on the water surface and the method of estimating the impact of chemicals on biota. in particular the method of ensemble evaluation. To predict the level of load, a system of indicators and signal quality indicators has been developed, which takes into account both the physicochemical properties of the abiotic component of the ecosystem and the parameters of ecological and trophic groups of biota. The technology of drilling waste management has been developed, which consists in collecting drilling waste, pH adjustment and treatment with coagulants and flocculants, separation of waste into solid and liquid phases in the field of action of centrifugal forces, which is carried out in a centrifuge or decanter. The dependence of sedimentation efficiency on the dose of coagulant and flocculant during the implementation of the developed technology of drilling mud separation under the influence of centrifugal forces was established, in particular, the doses of aluminum sulfate and polyacrylamide at 30 % were scientifically substantiated and 0.1–0.2 % for the main substance, respectively. The implementation of the developed method provides reuse of clarified and purified water in the technological process, in particular during the preparation of drilling mud, oil phase for fuel or as an additive to fuel mixtures, utilization of mechanical fraction to obtain building structures, thereby reducing man-made load on the environment drilling of oil wells. Scientific and methodological approaches to the application of fuzzy logic theory in environmental research, in particular during the mathematical modeling of safety of the system “oil production – drilling waste – environmental impact” and environmental risk. A scientific and methodological approach to modeling oil filtration through a porous medium is proposed, which provided prediction of the depth and area of soil contamination and reduction of environmental risk from accidental oil spills. Scientific and theoretical approaches to the use of ANSYS software in solving environmental safety problems have been developed, in particular for the purpose of mathematical modeling of oil distribution through a porous environment, which allowed to develop a set of scientifically sound measures for localization and elimination of emergency spills. An increase in the penetration coefficient of hydrocarbons with increasing soil moisture has been proved. Preliminary processing of the experimental results showed that with a constant composition of the medium, the penetration rate of hydrocarbons for oil – wet soil and oil – dry soil systems is nonlinearly dependent on time. Regression models for the curves of oil penetration depth versus time for the studied samples in dry and wet soil conditions were obtained. Computer-aided visualization showed the distribution of petroleum hydrocarbons in the soil in the vertical and horizontal directions. A significant difference in the rates of vertical and horizontal penetration of hydrocarbons is proved, which is consistent with experimental data. The scientific and methodological basis of the study is a modified deterministic and probabilistic approach to determining the risk of an emergency using the methods of fuzzy logic in the form of neural networks. To test the developed methodology, data on emergency oil spills in the Sumy region for the period 2017–2021 were analyzed. As a result of the research it is established that the significance of anthropogenic disturbances of the natural environment at all levels is assessed by the following parameters: spatial scale; time scale; intensity. In the case of an oil spill incident, study statistics gave a full impact assessment of 6, indicating a low significance effect, the impact is felt, but the magnitude is quite low (with or without mitigation) and within acceptable standards or receptors have low sensitivity. In the case of individual assessments in determining the environmental risk, the following results were obtained: time parameter – the impact of medium duration, spatial parameter – local impact, intensity – moderate impact. A method of separation of oil well drilling waste with subsequent utilization of individual fractions has been developed, including drilling waste collection, pH adjustment and treatment with coagulants and flocculants, separation of waste into solid and liquid phases followed by liquid phase and solid waste disposal. The proposed technology improves environmental safety and reduces environmental impact from waste generated during drilling and operation of oil and gas wells, and is designed to effectively separate oil-containing drilling waste in the field of centrifugal forces to obtain separate fractions suitable for further separate disposal. The basic principles of technology are protected by the patent of Ukraine for a utility model. A method of bioremediation of oil-contaminated soils by biological method with the introduction of a scientifically sound composition of oil-oxidizing bacteria and substances, in particular, as a biostimulator using digestate after anaerobic fermentation of organic waste, buffer stabilizer – phosphogypsum and sorbents The implementation of the developed method reduces the man-made load on the environment as a result of restoration of disturbed lands and soils contaminated with oil and oil products, and intensifies the process of degradation of hydrocarbons by biological means, which contributes to environmentally friendly substrate. immobilization of hazardous chemicals. Ukraineʼs patent for a utility model was obtained. The technology of obtaining granular biostimulator on the basis of anaerobic digestate, which is a part of oil-destructive biological product, has been developed. During granulation, phosphogypsum is added as a binder to form a shell, which further solves the problem of industrial waste disposal. Drying of the obtained granules is carried out in small multi-stage fluidized bed dryers, which operate on the basis of electricity produced from biogas, which allows combining biogas plants and plants for the production of granular biostimulants. This approach reduces the man-made burden on the environment from the oil industry, meets environmental safety requirements for industrial waste management and meets several Sustainable Development Goals. The practical significance of the work is confirmed by the results of industrial tests of developed environmentally friendly technologies, utility model patents and acts of implementation in production and training processes.