Сжечь, утопить, впитать или съесть

29 мая на норильской ТЭЦ-3 под резервуаром с дизельным топливом просел фундамент, и в окружающую среду вытекло его содержимое. Около шести тысяч тонн нефтепродуктов попало в грунт, а 15 тысяч тонн — в реки. Редакция N + 1 поговорила с экологами, геологами, химиками и биологами о том, как разбираются с утечками нефти и что происходит с пострадавшими территориями потом.

3 июня в Красноярском крае объявили ЧС федерального масштаба. К 5 июня в пяти километрах от впадения реки Амбарной, на акваторию которой пришлась большая часть загрязнения, в озеро Пясино установили боновые заграждения, чтобы течение прибивало нефтепродукты вдоль заграждения к берегу, откуда спасатели насосами откачивают водно-нефтяную эмульсию.

«В первые дни нужно успеть как можно больше собрать, иначе потом будет поздно, — говорит руководитель программы по экологической ответственности бизнеса WWF России Алексей Книжников. — Дизельное топливо довольно быстро испаряется, и там через неделю и так мало что останется на воде».

По разным оценкам, из разлитого топлива собрано пока лишь несколько сотен тонн, это тысячные доли от общего объема утечки.

При разливах нефти и нефтепродуктов на водных поверхностях, помимо механического сбора, для ликвидации последствий применяют широкий арсенал методов. Среди них сжигание, химические дисперсанты и сорбенты, натуральные сорбенты из шелухи и опилок, а также грибы и бактерии.

Жечь и выкачивать

Сейчас на месте аварии дизтопливо из рек выкачивают механически. Для этого используются насосы-скиммеры (от английского skim, "скользить"/"снимать пенку«), которые «сгребают» верхний слой воды и перекачивают ее в отдельные резервуары. Но механические средства редко позволяют собрать больше 20% разлитой в воде нефти или топлива.

Несколько дней назад губернатор Красноярского края бросил фразу, что «термическая утилизация — это единственный возможный способ максимально быстро закончить ликвидацию». Затем Росприроднадзор заверил, что сжигать топливо в Норильске не будут — но разлившуюся нефть действительно иногда сжигают: так, например, делали при разливе нефти после аварии танкера Torrey Canyon в 1967 году и аварии Exxon Valdez у берегов Аляски в 1989-м.

Сбор с помощью насосов и сжигание эффективны на первых порах, когда пленка на поверхности воды достаточно толстая: оценки разнятся от трех миллиметров до нескольких сантиметров. Когда пленка тоньше, сбор с помощью насосов становится малоэффективным и экономически невыгодным, а поджиг — невозможным физически из-за охлаждающего действия воды.

Идею поджога Книжников не одобряет. «Это перевод загрязнения из воды в воздух», — подчеркнул собеседник N + 1. Этой же позиции придерживаются и другие эксперты, с которыми говорила редакция.

Утопить

Когда толщина нефтяной пленки становится меньше трех миллиметров — из-за широкого распространения загрязнений или после эффективной их откачки на первых порах после аварии — механический метод становится малоэффективным, а термический и вовсе невозможным: охлаждающий эффект от воды препятствует непрерывному горению нефтепродуктов. В таких случаях применяют сорбенты и дисперсанты.

Дисперсанты — это химические реагенты, принцип действия которых основан на связывании нефтепродуктов в агрегаты, которые затем опускаются в толщу воды. Этот метод эффективен для борьбы с разливами нефти в открытом море, он позволяет разбить нефтяную пленку на поверхности воды, чтобы не дать ей добраться до побережья и не навредить тамошним экосистемам. Его регулярно применяли при разливах нефти последние полвека, от катастрофы Torrey Canyon в 1967 до ликвидации последствии аварии в Мексиканском заливе в 2010, когда взорвалась нефтяная платформа Deepwater Horizon, и нефть непрерывно поступала в акваторию залива.

Однако дисперсанты сами по себе токсичны, как и образованные с нефтью комплексы, которые опускаются на дно. Их применение на мелководье или в реках особенно опасно для экосистем — использование дисперсантов компанией British Petroleum в 2010 году обернулось затем для нее дополнительным иском от жителей побережья, пострадавшего от разлива нефти из скважины. На момент аварии не было известно о токсичности применённого дисперсанта Corexit 9500, однако после учёные доказали его вред для устриц, водных рачков (модельных организмов токсикологических исследований) и потенциальную опасность для здоровья людей.

«Это такая полумера, — говорит младший научный сотрудник химического факультета МГУ Андрей Иванов. — Потому что нефть попадает в живые организмы, осаждается на дне».

Впитать

Сорбенты действуют по принципу губки. Среди самых дешевых, например, шелуха семян риса или подсолнечника, крошка древесного угля или опилки. В то же время, их емкость невелика: по словам Иванова, один грамм таких сорбентов впитывает не более 5 граммов нефтепродуктов.

Другой класс сорбентов — полимерные — обладают гораздо большей сорбционной емкостью. Например, грамм пенополиуретана (он же поролон) может собрать около 50 граммов нефтепродукта. Ученые, в том числе и российские, ищут сорбенты с еще более высокой ёмкостью. В идеале же использовать такие сорбенты, нефть из которых можно потом отжать и использовать.

«Мы разработали сорбент на базе терморасширенного графита, который собирает порядка 80 граммов нефти на грамм сорбента. Это очень хорошие показатели, — говорит Иванов. — Ведутся разработки по добавлению в сорбент магнитных частиц — железа, магнетита, феррита. Так можно удалять нефть с помощью магнита, а потом есть способы выдавить эту нефть из пенографита путем простого сжатия».

Чтобы уменьшить стоимость сорбента и увеличить его емкость, ученые создают также комбинированные сорбенты.

Заведующая кафедрой технологии синтетического каучука Казанского национального исследовательского технологического университета Любовь Зенитова рассказывает, что уже более десяти лет ее научная группа разрабатывает сорбент на основе пенополиуретана, поры которого на 60 процентов заполнены отходами сельскохозяйственного производства — шелухой риса и гречихи.

Такой сорбент получается не только емким и дешевым в сравнении с чистым поролоном, но и не уходит на дно, «наевшись» нефти. Это свойство облегчает сбор отработанного сорбента, который необходимо затем утилизировать.

Иногда сорбенты — как полимерные, так и природные — объединяют с микробиологическими препаратами для утилизации нефти. В этом случае препарат впитывает нефтепродукты, а микроорганизмы тут же начинают их перерабатывать. Такие сорбенты можно затем собрать, вывезти, и биологическая утилизация нефти будет идти в каком-то другом месте.

Скормить микробам

«Когда 90-95 процентов от общего объема загрязнения отработано, можно использовать микробов, чтобы полностью очистить то или иное местообитание, добиться стопроцентного эффекта», — говорит сотрудник кафедры микробиологии биологического факультета МГУ Илья Серёжкин.

Непосредственно микробиологические препараты бывают двух типов:

• жидкая биомасса

• порошки с высушенными микроорганизмами.

Биомассу распыляют на поверхность загрязнения — ее легко распределить максимально равномерно, и такие препараты часто применяют на болотах. Но они обладают рядом недостатков, признает Серёжкин: биомассу сложно доставлять к месту использования, нужна предварительная адаптация микроорганизмов, необходимо наращивать большое количество биомассы близ места аварии, что не всегда возможно, потому что для этого требуются лабораторные условия и биологический реактор со средой.

Гораздо удобнее применять высушенные микроорганизмы. Для их приготовления микробную биомассу высушивают с помощью сорбентов или такими биотехнологическими методами, как олеофобное или распылительное высушивание — и получают легкий порошок со спорами микробов и живыми клетками. Такие препараты компактны, они долго хранятся (от полугода до двух лет), их удобно хранить, доставлять и применять.

Биохимический цикл микробного преобразования нефтепродуктов достаточно сложен. Один из основных компонентов нефти и нефтепродуктов — это алканы, длинные цепочки, состоящие из углерода и водорода. Микроорганизмы постепенно отщепляют от этой цепочки функциональные группы и используют их для синтеза собственных молекул. Так происходит до последнего атома водорода в цепи. Если всю сложную последовательность биохимического цикла алканов промотать до конечного пункта, то на выходе — в идеальных условиях — получаются продукты полного окисления органических соединений: углекислый газ и вода.

Под «микробами» в этом контексте обычно подразумевают бактерий. Но и некоторые виды грибов тоже способны переваривать углеводороды, правда быстро нарастить их биомассу биотехнологическим путем сложнее. Однако существуют патенты микробиологических препаратов по очистке водных поверхностей, в составе которых присутствуют микромицеты или дрожжевые грибы рода Candida, близкие родственники которых обитают в составе микрофлоры слизистых человека.

Что делать с грунтом

Весь арсенал упомянутых методов справедлив для сбора углеводородов с поверхности воды. Если же разлив произошёл на грунт, и нефтепродукты в него просочились, то собрать их гораздо сложнее.

Как рассказывает доцент геологического факультета МГУ Ия Григорьева, долгое время считалось, что загрязнения такого рода не проходят глубже почвенно-растительного горизонта, то есть остаются в верхних 20-50 сантиметрах грунта. Однако исследования, по словам ученой, показали, что нефтепродукты по трещинам, скважинам и порам могут просачиваться значительно глубже.

Эту же точку зрения высказывает и другая собеседница N + 1, Любовь Зенитова. По ее словам, основные загрязнения грунта нефтью случаются вокруг мест ее добычи. В России большая их часть расположена среди болот Западной Сибири, зачастую в труднодоступных местах. Чтобы ликвидировать загрязнения там, как правило, применяют сорбенты. Причем недостаточно, чтобы сорбент хорошо впитывал. Он также должен быть легким, компактым, легко утилизируемым и морозостойким.

Таких инструментов немного. Среди них — вспененный полипропилен, который наносится на поверхность из установок, как монтажная пена. Такие установки могут быть передвижными, их можно подвесить к вертолетам, а сорбирующий материал занимает мало места. Нанесенная на поверхность полимерная пена напоминает пористое эластичное одеяло, укрывающее поверхность и впитывающее из него загрязнения.

Не нарушать изоляцию

По словам Григорьевой, в Арктике разлитая на поверхность земли нефть проходит через верхние горизонты грунта, а затем упирается в слой вечной мерзлоты, под который проникнуть уже не может. Встретившись с ледяным щитом, пятно нефтепродуктов скапливается над ним и образует линзу, которая затем начинает растекаться под землей горизонтально.

«Какая-то часть будет адсорбирована [почвенными] частицами, — рассказывает Григорьева, — но можно грунт промыть. Промыть и, если где-то будет канава или еще что-то, то можно собрать туда эту линзу и потом её откачать».

Снимать поверхность грунта непосредственно в месте разлива — затея не из лучших, отмечает геолог. Как правило, под верхним слоем грунта находится упорный слой мерзлотных пород или глины, через который нефтепродукты просочиться не могут. Если его повредить, загрязняющие вещества пойдут ниже, в слои песка и оттуда начнут распространяться горизонтально, достигая источников воды.

«Одна капля нефти делает непригодной ни для питья, ни для рыб, ни для чего бы то ни было живого 25 литров воды. То есть допускать, чтобы этот нефтепродукт свободно перемещался, [...] нельзя». — говорит Григорьева.

Того же мнения придерживаются и специалисты из Института проблем нефти и газа СО РАН. Они отмечают, что в условиях вечной мерзлоты, где произошла норильская авария, выжигать, засыпать неочищенные земли песком или снимать верхний почвенный слой нежелательно, а следует сначала использовать сорбенты, а после — микробиологические препараты на основе местной почвенной микрофлоры.

А затем присматривать

Последний этап ликвидации разливов нефтепродуктов — экологический мониторинг. В норильской катастрофе в окружающую среду попало дизельной топливо, в котором, в отличие от сырой нефти, содержится много ароматических углеводородов. Многие из них, в частности, бензольные соединения, — канцерогены.

Ароматические соединения плохо растворяются в воде и легко изымаются вместе с нефтепродуктами. Однако учитывая масштаб катастрофы, следует ожидать, считает Алексей Книжников, что большое их количество попадет по течению рек ниже установленных бонов.

В первую очередь от них пострадают водные организмы, и этого негативного влияния не избежать.

«Река Амбарная, и озеро [Пясино] уже очень длительное время находились под негативным воздействия от разных источников загрязнения со стороны комбината. Там и тяжелые металлы, там и прорывы трубопроводов были, — говорит Книжников. — Ихтиофауна этого озера в угнетенном состоянии. Там раньше водился осетр, таймень, проводились рыбалки. Они и до сих пор там проводятся, но эту рыбу было не рекомендовано есть. [...] Теперь она будет крайне опасна».

Система экологического мониторинга необходима для контроля распространения таких веществ. С ее помощью можно выявить отсроченные негативные эффекты аварий и разработать комплекс мер, чтобы их предотвратить. Систему мониторинга, по мнению Книжникова, нужно развернуть на долгий срок — около двух лет — на большие территории, начиная от места аварии и вплоть до Карского моря.

Экологический мониторинг включает и экспедиции, и регулярный отбор проб грунта и воды для химического, микробиологического и гидробиологического анализа, и контроль популяций растений и животных. Универсальных мониторинговых мер не существует: необходимо учесть географические особенности, природу и объем загрязнения. Важно учитывать и бюджет: долгосрочный мониторинг на большой территории с использованием широкого арсенала методов — мера крайне затратная.

Но чем глобальнее мониторинг, тем качественнее можно выявить даже неочевидные экологические последствия катастроф.