Влияние выбросов факельных установок ООО "Пермнефтегазпереработка" на фитоценозы Чернушинского района Пермского края

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние выбросов факельных установок ООО «Пермнефтегазпереработка» на фитоценозы Чернушинского района Пермского края

Введение

нефтяной факельный фитоценоз луговой

Нефть и нефтепродукты - энергоресурс, который позволяет решить многие проблемы, связанные с улучшением качества жизни населения в мире. Поэтому нефтеперерабатывающие предприятия (НПП) - это важнейший социально - экономический фактор развития страны. Однако НПП относятся к отрасли с высоким риском опасности загрязнения природной среды (Орлов Д.С., 2002).

Основным источником загрязнения атмосферного воздуха при добыче и переработке нефти являются факельные установки, на которых сжигают нефтяные попутные газы (ПГ). Известно, что на одну тонну сгоревшего в факеле попутного газа приходится в среднем 50-80 кг выбросов различных вредных веществ в зависимости от физико-химических свойств и состава газа. Факелы на нефтяных месторождениях являются источником хронического многолетнего загрязнения атмосферы на обширных территориях (Васильев А.А., 2004).

С 2005 года Россия лидирует среди 20 нефтедобывающих стран, изрядно загрязняющих окружающую среду за счет сжигания попутных газов в факелах (Елдышев Ю.Н., 2007).

Промышленные выбросы в атмосферу представляют собой опасность для населения городов и населенных пунктов, находящихся в зоне влияния источников. Выбросы в виде сухих или мокрых осадков оседают на поверхность почвы, растительности и водных объектов, тем самым снижают плодородие почвы, качество водоемов и качество сельскохозяйственной продукции (Дюкарев А.Г., 2001).

Индикаторами загрязнения атмосферы факельными выбросами являются, главным образом, растительные сообщества. Они отличаются высокой чувствительностью и стабильностью ответной реакции на воздействия внешних факторов (Старкова Т.Е., 2006). Сжигание попутных газов негативно сказывается на функционировании естественных и искусственных фитоценозов, находящихся в зоне влияния.

Цель дипломной работы - определение влияния сжигания нефтяных попутных газов в факельных установках на естественные и искусственные фитоценозы.

Задачи исследования:

1. Проанализировать литературные данные о составе выбросов факельных установок.

2. Изучить распространение загрязняющих веществ в атмосфере.

3. Выявить влияние нефтепродуктов на агрохимические показатели почвы.

4. Охарактеризовать влияние выбросов на естественные луговые фитоценозы по мере удаления от факела.

5. Определить фитотоксичность почвы, загрязненной остаточными количествами нефтепродуктов.

6. Определить экономический ущерб от сжигания ПГ в факельных установках.

1. Компоненты выбросов факельных установок и их влияние на фитоценозы (литературный обзор)

1.1 Химический состав выбросов факельных установок

Качественный состав выбросов определяется, прежде всего, профилем производства и его технологиями. Поэтому для каждого предприятия характерен определенный объем выбросов и их состав (Орлов Д.С., 2002).

Нефтяные попутные газы - углеводородные газы, сопутствующие нефти и выделяемые при ее сепарации. В зависимости от месторождения содержание метана в нефтяных газах колеблется в пределах 35-50%, этана - 7-20%, пропана - 15-20%, бутана - 7-10%, пентана - 3-7%. Кроме углеводородных газов содержатся примеси инертных газов, углекислого газа и соединения серы (Ерохин Г.Н., 2003).

Газ первых ступеней сепарации сбрасывается в факельные установки, где идет процесс сжигания попутных газов (Васильев А.А., 2004).

В результате сжигания ПГ в факелах в атмосферу попадает около 16 млрд. т выбросов, из них 15 млрд. т приходится на диоксид углерода, а 1 млрд. т - на наиболее распространенные компоненты: оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, ПАУ (бенз(а) пирен), сажу, пыль, тяжелые металлы в продуктах переработки нефти и другие (Грушко Я.М., 1986).

Первичные загрязнители, попадая в атмосферу, подвергаются физическим и химическим превращениям под влиянием различных природных и антропогенных факторов, а также могут взаимодействовать между собой, в результате чего будут образовываться вторичные загрязнители (Пьянкова В.И., 2003). Так из углеводородов под воздействием оксида азота и солнечной радиации образуются гораздо более токсичные фотохимические загрязнители - озон, альдегиды и другие (Зайков Г.Е., 1991).

В результате факельного сжигания газа в атмосферу выбрасывается все больше парниковых газов (сегодня - почти 100 тыс. т в год) (Елдышев Ю.Н., 2007). Растущие концентрации углекислого газа в атмосфере могут привести к глобальному потеплению. Эмиссия в атмосферу многих газов (СО2, СО, СН4, оксидов азота) приводит к появлению парникового эффекта.

Диоксид углерода (углекислый газ) для растений - основа фотосинтеза. Уровень содержания СО2, обычный для атмосферы 0,04%, не обеспечивает максимальную продуктивность растений. Положительное влияние на увеличение продуктивности оказывает концентрация СО2 до 2%, но при достижении 8% наблюдается ингибирующий эффект (Орлов Д.С., 2002).

В.А. Большаков (1994), Г. Фелленберг (1997) и Н.В. Гуськова (2004) считают, что монооксид углерода (угарный газ) образуется при неполном сгорании углеродсодержащих веществ. Время пребывания в атмосфере - от 1 месяца до 5 лет. Угарный газ участвует в образовании фотохимического смога на начальных стадиях, а также может образовывать высокотоксичные соединения - карбонилы, обладает способностью окислять оксид углерода до диоксида углерода и связывать в фотосинтезном цикле. Также он вызывает уменьшение проницаемости клеточных мембран. Возможно, поэтому процесс поглощения растениями минеральных солей под влиянием СО подавляется. В высоких концентрациях угарный газ резко подавляет активность фермента цитохромоксидазы, регулирующей дыхание. Оксид углерода вызывает быстрое исчезновение в растениях фосфорных эфиров, сахаров, индуцирует замедление роста, усиливает корнеобразование.

Оксиды азота и серы являются источниками появления в атмосфере азотистой и азотной, сернистой и серной кислот, которые приводят к возникновению кислотных дождей. Для образования кислот необходимо наличие паров воды в атмосфере и кислорода (Родер У.А., 1985). Время пребывания SO2 в атмосфере составляет 2 недели, а NOx - от 10 часов до 4 суток (Гуськова Н.В., 2004).

Высокие концентрации оксида азота в воздухе можно встретить лишь вблизи источника выброса, так как под воздействием света оксид азота (ЙЙ) окисляется до оксида азота (ЙV):

NO > NO2

По мере удаления от источника выброса все больше NO переходит в NO2. При растворении в воде образуются азотистая и азотная кислоты:

NO2+H2O > HNO2 + HNO3 (Исидоров В.А., 2001).

Диоксид серы - широко известное загрязняющее воздух вещество, фитотоксичность которого в течение многих лет является объектом изучения (Мэннинг У.Дж., 1985). В естественных условиях возможно сочетание острого и хронического воздействия SO2.

Для острого поражения двудольных травянистых растений и лиственных деревьев типично появление некротических участков в основном между жилок листа. Поглощение большого количества вещества при кратковременном воздействии вызывает быструю аккумуляцию внутриклеточного сульфита, который мешает процессам метаболизма, происходящим в клетках мезофилла. Разрушенные участки ткани выглядят сначала серовато-зелеными, как бы смоченными водой, но затем становятся сухими и меняют цвет на красновато-коричневый. Кроме того, могут появиться точки цвета бледной слоновой кости. Некроз краев листьев встречается довольно редко, так как он развивается при воздействии в узком диапазоне концентраций. Крупные некротические участки сливаются, образуя полосатость между жилками. Пораженная некрозом ткань листа становится хрупкой, рвется и выпадает из окружающей ткани, листья приобретают перфорированную форму (Трешоу М., 1988).

Хроническое повреждение может явиться результатом действия двух механизмов: после попадания в листья SO2 реагирует с водой, образуя ион сульфита (SO3), который затем окисляется в сульфат. При низкой скорости аккумуляции это не превысит способность клеток удалять SO3 окислением. Сульфит, который считается в 30 раз токсичнее сульфата, может обесцветить хлорофилл даже при сублетальной концентрации после кратковременной фумигации SO2 (Артамонов В.И., 1986).

Диоксид серы является фотосинтезным ядом для растений, в результате чего уменьшается парциальное давление углекислого газа в клетках из-за снижения его растворимости в подкисленной воде, возникает конкуренция диоксида серы и диоксида углерода при поступлении в клетку и в хлоропласты, возрастает сопротивление устьиц диффузии диоксида, подавляется нециклическое фотосинтезное фосфорилирование. Диоксид серы нарушает процессы дыхания и транспорта органических веществ. У растений тормозятся процессы созревания пыльцы, повреждаются рыльца пестиков в цветках плодовых культур (Большаков В.А., 1994).

Оксиды азота в 1,5-5 раз менее токсичны, чем диоксид серы.

В небольших количествах диоксид азота (NO2) может служить источником минерального питания для растений и стимулировать физиологические процессы. NO2 восстанавливается в хлоропластах растений и в качестве NH2-группы включается в состав аминокислот, т.е. идет процесс детоксикации.

Главным направлением действия NO2 является азотный метаболизм. Даже в концентрации 0,01 мг/м³ NO2 вызывает уменьшение содержания белкового азота, тогда как количество небелкового увеличивается. Однако достоверных и типичных признаков повреждения растений этими веществами или растений-биоиндикаторов обнаружено не было (Фелленберг Г., 1997).

Острое воздействие оксидов азота может быть сходным с острым воздействием SO2. Характерный признак действия на растения этого фитотоксиканта - периферическое повреждение листьев, скручивание их вовнутрь, некроз и отмирание листовых пластинок. Прямой контакт растений с NOX можно сразу определить зрительно по пожелтению или побурению листьев и игл. Причиной такого изменения окраски является превращение хлорофиллов a и b в феотифины и разрушение каратиноидов.

Оксиды азота могут воздействовать на растения также косвенно с помощью кислотных осадков и путем фотохимического образования окислителей, таких, как озон (О₃). Озон значительно токсичнее оксидов азота при действии на растительность. Чувствительные виды растений уже после часовой обработки озоном при концентрации 0,05 - 0,1 мг/м³ проявляются признаки угнетения. Озон изменяет структуру клеточных мембран, в результате чего отмирают клетки мезофилла листьев, на поверхности образуются полости, в которых происходит полное отражение света - серебристая пятнистость листьев (Фелленберг Г., 1997).

Углеводороды и другие летучие органические соединения (ЛОС) переходят в воздух в виде паров. В состав ЛОС входят алканы (пропан, н-бутан), ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол), альдегиды, кетоны (формальдегид, ацетон) и органические кислоты (Состояние и охрана…, 2007).

При низких температурах и в случаях относительно небольшого количества кислорода реакции пиролиза могут вызвать изменения в расположении атомов веществ, приводящие к образованию полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в процессе сжигания ПГ (Гуськова Н.В., 2004). ПАУ принадлежат к гомологическому ряду бензола и различаются числом бензольных колец в структуре молекулы. Большую опасность представляет бенз(а) пирен, который считается индикатором загрязнения окружающей среды различными ПАУ (Габов Д.Н., 2007).

Предельные углеводороды не представляют опасности как самостоятельные загрязняющие вещества (ЗВ), а обуславливают мощность фотохимического смога (Исидоров В.А., 2001). Фитотоксичность ароматических углеводородов в настоящее время изучена недостаочно. Известно, что они активно поглощаются растениями и локализуются в хлоропластах и цитоплазме. Могут оказывать влияние на рост и другие физиологические процессы растений. При увеличении концентрации вызывают деструкцию клеток корня растений. Определенные концентрации предельных ароматических углеводородов (ПАУ) приводят к возникновению у растений различных аномалий, в том числе опухолей (Артамонов В.И., 1986).

Высокое содержание бенз(а) пирена в почве и в снеге обнаружено на расстоянии 1 км от предприятий - источников выбросов, по мере удаления от них содержание бенз(а) пирена снижается (Пьянкова В.И., 2003). Наибольшие концентрации бенз(а) пирена сопряжены с верхним слоем почвы, богатым органикой, нейтральной и щелочной реакцией среды (Ровинский Ф.Л., 1988). На подфакельных площадках его концентрация превышает фоновые значения в тысячу раз (Иларионов С.А., 2004).

Растения способны усваивать бенз(а) пирен как корнями, так и листьями. Усвоенный корнями углеводород транспортируется к листьям, при этом некоторая его часть подвергается химическим превращениям. Углеродные атомы бенз(а) пирена включаются в состав различных метаболитов растительной клетки, а часть выделяется в виде углекислого газа. О его фитотоксичности данных не обнаружено, но высокое загрязнение почвы ведет к постепенному накоплению его в растениях, в том числе и сельскохозяйственных культурах. Это неблагоприятно для теплокровных животных и человека, так как бенз(а) пирен является канцерогенным веществом (Ровинский Ф.Л., 1988, Зильберман М.В., 2005).

К вредным выбросам, загрязняющим атмосферу при сжигании ПГ в факельных установках, относятся также пыль, газы, пары, сажа, которые прямо или косвенно отражаются на условиях жизни человека. Техногенные выбросы тяжелых металлов (в частности, никеля) могут поступать в атмосферу в виде тонких аэрозолей. Находящиеся в воздухе пыль и аэрозоли, как правило, не вступают в какие-либо особые химические реакции, но в сочетании с другими факторами могут нанести существенный ущерб здоровью человека (Фелленберг Г., 1997).

Поступление тяжелых металлов в растения может происходить как за счет поглощения из почвы вследствие повышения в ней содержания доступных растениям соединений тяжелых металлов, так и воздушным путем с пылью, оседающей на листья и стебли (Орлов Д.С., 2002).

В пределах растения распределение никеля отчетливо увеличивается в акропетальном направлении и в среднем составляет 0,6%, а максимальное содержание - 1,6% обнаруживается в старых листьях. Одна из причин торможения роста растений - ослабление интенсивности фотосинтеза, другая причина обусловлена изменениями в регуляторной системе растений. Уродства, возникающие под действием никеля, обусловлены именно накоплением фенольных соединений (Трешоу М., 1988).

Пылевидные частицы, содержащиеся в воздухе во взвешенном состоянии, оседают на наземных органах растений под действием гравитационных и электрических сил или прилипания (Артамонов В.И., 1986).

Пыль удерживается на растениях тем прочнее, чем гуще волоски (трихомы) на поверхности листа. Гигроскопическая пыль может всасывать из листьев воду через эпидермис и таким образом понижать степень гидратации цитоплазмы, необходимую для нормального обмена веществ, что в ряде случаев приводит к усыханию листьев. Отложения пыли препятствуют нормальному процессу фотосинтеза, т.к. они очень сильно отражают солнечный свет в спектральной области (400 - 750 нм), столь необходимый для осуществления этого процесса. Напротив, поглощая инфракрасное излучение, пыль способствует перегреву листьев. Температура листьев повышается на 2 - 4 ⁰С, а иногда на 8 - 10 ⁰С по сравнению с незапыленными листьями, что понижает уровень сахаров в тканях, темпы накопления сухого вещества и роста растений, уменьшает их урожай, ухудшает качество растениеводческой продукции (Артамонов В.И., 1986, Фелленберг Г., 1997).

Анализ литературы по данному вопросу показал, что оксиды углерода оказывают негативное влияние на фитоценозы при высоких концентрациях ЗВ. Предельные (С1-С5) углеводороды, как самостоятельные ЗВ, не представляют опасности для фитоценозов. О фитотоксичности бенз(а) пирена говорить сложно, так как фитотоксический эффект не описан в исследуемой литературе. Бнз(а) пирен кумулируется в почвах и растениях, что неблагоприятно для теплокровных животных и человека, т.к. он является канцерогенным веществом. Отмечены данные о фитотоксичности ароматических углеводородов, но этот вопрос изучен недостаточно.

Основными загрязняющими веществами, отрицательно влияющими на фитоценозы, являются оксиды азота и диоксид серы. Нефть с месторождений Пермского края на 75% состоит из воды и прочих примесей, большое количество из которых составляют соединения серы (Пермская нефть…, 2003). Это обуславливает преобладание в факельных выбросах диоксида серы над оксидами азота (Дюкарев А.Г., 2001, Васильев А.А., 2004).

1.2 Распространение загрязняющих веществ в атмосфере

Протяженность зоны загрязнения и направление движения потока загрязняющих веществ зависит от высоты факельной установки, характера выбросов в атмосферу, метеорологических условий, рельефа территории и растительного покрова.

Самыми значительными факторами, влияющими на распространение ЗВ, являются метеорологические условия: направление движения воздуха и скорость ветра, количество и продолжительность штилей, инверсии температур, влажность воздуха и осадки, интенсивность солнечной радиации (Николаевский В.С., 1979).

Штили и высокая относительная влажность воздуха создают температурные инверсии, в результате чего ЗВ концентрируются у поверхности земли. Высокие температура и давление воздуха, интенсивная солнечная радиация увеличивают вертикальную диффузию воздуха, что увеличивает угол раскрытия факела. Это, в свою очередь, приводит к разбавлению ЗВ в атмосфере. В летний период солнечная активность выше, чем в зимний период. Летом концентрации ЗВ у поверхности земли ниже. Периоды продолжительных туманов отрицательно влияют на загрязнение приземных слоев воздуха. Атмосферное загрязнение зависит также от времени суток: летом в утренние и ночные часы концентрация ЗВ выше, днем - ниже, зимой инверсия сохраняется в течение дня.

Существует также взаимосвязь между расчлененностью рельефа, характером движения воздушных масс и распределением ЗВ. На равнинных территориях ЗВ распространяются на значительные расстояния и отрицательное действие их меньше, чем на холмистой территории, где воздушный обмен затруднен (Десслер Х.Г., 1981, Трешоу М., 1988).

На распространение загрязнения влияет и такой немаловажный фактор, как лесистость территории. Лес снижает скорость ветра и повышает турбулентность, особенно на границе с полем. В результате на полях скапливается больше ЗВ, чем в глубине леса. Лес играет роль накопителя. Газообразная примесь, занесенная ветром вглубь леса, дрейфует там со значительно меньшей скоростью. Смена направления ветра приводит к выносу ранее накопленных примесей из леса, поэтому в данной ситуации лес является вторичным источником загрязнения (Бояршинов М.Г., 2000).

1.3 Влияние факельных выбросов на фитоценозы

Влияние загрязнения воздуха на растения происходит путем прямого и косвенного воздействия токсичных газов.

Прямое действие проявляется путем проникновения газов через устьичный аппарат, что может вызвать различные повреждения и нарушения в метаболизме растений. Величина отверстий устьиц и интенсивность света влияют на процесс повреждения растений малыми газовыми примесями. Они могут вызывать «видимые» повреждения (некроз тканей), которые подразделяются на острые и хронические. «Невидимые повреждения» проявляются в снижении фотосинтеза, в преждевременном старении, снижении роста и более сильной подверженности к вторичным повреждениям (Артамонов В.И., 1986).

Косвенное воздействие проявляется путем выпадения загрязненных атмосферных осадков (кислотные дожди), когда проникновение происходит через корневую систему. Кроме этого, кислотные осадки влияют на почву и почвенно-биотический комплекс (ПБК), ухудшая условия жизнедеятельности растений (Герасимова М.И., 2003).

Наиболее существенными факторами действия вредных веществ на растения являются вид, концентрация вредных веществ, длительность их воздействия, относительная восприимчивость растений к дымам и газам, стадии физиологического развития растений.

Как правило, антропогенный фактор является тем регулирующим условием, который на фоне абиотических факторов может привести к смене облика фитоценозов, снижению их хозяйственной ценности (Большаков В.А., 1994, Старкова Т.Е., 2006).

Почвенно-биотический комплекс и почва

Диоксид серы и оксиды азота являются источниками кислотных дождей, под влиянием которых происходит подкисление почв. При подкислении почв изменяются структурные и физико-химические показатели почв. Например, происходит уплотнение и образование почвенной корки, в результате чего снижается влагопоглотительная способность почвы, нарушается газообмен. Изменяется содержание элементов в обменной и водорастворимой форме, становятся подвижными такие элементы, как марганец, алюминий, железо, цинк, кадмий. Повышение обменной кислотности приводит к связыванию фосфора в виде труднорастворимых солей. Кислотные осадки способствуют выщелачиванию кальция, калия и магния вниз по профилю почвы (Флоринский М.А., 1992, Минеев В.Г., 1993, Богомазов Н.П., 1996).

В условиях высокого загрязнения нефтепродуктами происходят изменения в соотношении отдельных групп и фракций гумусовых кислот, ослабляется структурообразующая способность гумуса (Гришина Л.А., 1990, Акентьева Л.И., 1992).

В небольших концентрациях соединения серы и азота являются источниками минерального питания, что благоприятно для почв, бедных данными элементами (Флоринский М.А., 1992, Минеев В.Г., 1993).

Компоненты выбросов влияют на естественные микробиологические комплексы почв, свойственные данному типу почв.

Легкие компоненты нефти в низких концентрациях практически не действуют на почвенную микробиоту; если же доза повышается, наблюдается токсический эффект для микроорганизмов, микроскопических почвенных животных и высших растений (Иларионов С.А., 2004).

С увеличением подкисления почвы снижается активность микроорганизмов-деструкторов, а также изменяется видовой состав микробиоты. В зависимости от уровня загрязнения, уменьшается количество аммонифицирующих и нитрифицирующих бактерий, уменьшается численность актиномицетов, но увеличивается их видовое разнообразие. Количество почвенных грибов и бацилл не изменяется. Наличие в почве нефтепродуктов приводит к резкому увеличению численности нефтеокисляющих микроорганизмов, развиваются пурпурные несерные бактерии, особенно если в почве ощущается недостаток источников азота или фосфора. Снижается биологическая активность почвы, нарушается деструкционный распад органического вещества (Гришина Л.А., 1990, Флоринский М.А., 1992, Богомазов Н.П., 1996, Каменщикова В.И., 2000, Драчук С.В., 2002, Широких А.Г., 2004).

Почвенные водоросли разных групп проявляют различную чувствительность к загрязнению среды нефтепродуктами. Нефтяное загрязнение влияет на видовое разнообразие почвенных водорослей. В загрязненных почвах обитают водоросли семейств Chlamydomonadaceae, Chlorococcaceae и Oscillatoriaceae. Авторы связывают их способность противостоять различным внешним воздействиям со свойством некоторых из них образовывать слизь и наличием защитных функций протопласта (Каменщикова В.И., 2000, Иларионов, С.А., 2004).

Влияние атмосферных осаждений зависит от свойств почвы. Негативное влияние осаждений сильно сказывается на почвах с низкой буферностью, которая напрямую зависит от содержания органического вещества и илистой фракции почв (Глазовская М.А., 1990, Гришина Л.А., 1990, Давыдова Н.Д., 2002).

На сельскохозяйственных землях отрицательное влияние можно снизить, применяя известкование, внесение удобрений и другие приемы агротехники (Минеев В.Г., 1993).

Естественные фитоценозы

Факельные выбросы отрицательно влияют на компоненты луговых и лесных фитоценозов. В лесах большое отрицательное влияние испытывают древесная растительность и эпифитные лишайники.

Под влиянием газопылевых выбросов происходит нарушение, и даже полное уничтожение естественных фитоценозов. Зона максимального загрязнения почвенного покрова, угнетения и гибели растений вследствие газопылевых выбросов имеет протяженность до 5-10 км от источника выбросов, а нередко до нескольких десятков километров (Болтнева Л.И., 1978).

Лесные фитоценозы

Для изучения влияния загрязнения воздушного бассейна на анатомо-морфологические показатели древесных растений обследуются древесные и кустарниковые насаждения. Диагностика повреждений (густоты кроны, наличие на стволе мертвых сучьев, степень повреждения листьев) и оценка их относительного состояния показали, что увеличивается негативное влияние на изучаемые виды растений (Шаркова С.Ю., 2007).

В лесном сообществе наиболее чувствительными компонентами к загрязнению атмосферного воздуха являются древесные породы и эпифитные лишайники.

Хроническое многолетнее загрязнение территории факельными выбросами приводит к постепенной деградации лесных насаждений. Прежде всего, гибнут хвойные деревья, затем лиственные, гибнут главные лесообразующие породы, формируются насаждения из второстепенных пород, снижается бонитет, полнота и прирост деревьев (Шиков Л.С., 2000).

Большую чувствительность к химическому загрязнению хвойных пород объясняет длительный цикл смены листьев. Наиболее подвержены загрязнению елово-пихтовые леса, т.к. цикл смены хвои ели составляет 6-7 лет, а хвои сосны - 3-4 года. Исследователи отмечают, что первоначально повреждается хвоя старших возрастов, но по мере приближения к источнику выбросов появляются повреждения на однолетней хвое и хвое текущего года. На иглах просматриваются хлоротические пятна, или листья приобретают красно-коричневую окраску от кончика к основанию (Николаевский В.С., 1979, Мэннинг У.Дж., 1985). В зоне загрязнения нарушается распределение массы хвои по вертикали дерева вследствие обесхвоивания верхнего и среднего ярусов, появляется суховершинность. Одновременно усиливается разрастание нижних ветвей, находящихся зимой под снегом, который защищает их от загрязнения (Дюкарев А.Г., 2001, Тарханов С.М., 2004).

Зимой хвойные деревья повреждаются сильнее, чем летом, но повреждение становится видимым только весной (Десслер Х.Г., 1981).

У древесных растений в зависимости от возраста различная чувствительность к SO2. Хвойные породы очень чувствительны до ранней стадии зрелости. У ели может уменьшиться длина и масса шишек, масса 1000 семян и их способность к прорастанию. У ели, пихты и сосны обнаружено отрицательное влияние SO2 на оплодотворение (Трешоу М., 1988).

Из лиственных пород наиболее чувствительны мелколиственные, чем широколиственные породы. Чувствительность деревьев увеличивается в ряду: тополь - дуб - клен - береза - липа. При увеличении концентрации ЗВ у липы мелколистной и березы повислой отмечается снижение биохимической активности в 3-5 и в 2-3 раза соответственно (Терехина В.Г., 1988, Москаленко Н.Н., 1992).

Аэротехногенное загрязнение проявляется в поражении листовых пластин уже в начальный период вегетации растений (первая декада июня). Оно выражается в появлении «медной росы» (у липы), искривлении листовых пластин (у каштана и рябины). Наиболее чувствительными породами являются каштан и липа, у которых листья при поражении ЗВ имеют до 50-60% хлоротично-некротическую поверхность, тогда как у тополя только 10% (Шаркова С.Ю., 2007).

Лиственные деревья относительно чувствительны к влиянию SO2 на ранней стадии развития, с возрастом становятся более устойчивыми (Трешоу М., 1988).

Пигментация поражений антоцианами и образование в результате этого темно-зеленых, пурпурных или красных пятен является общим симптомом поражения древесных растений озоном. У многих видов древесных растений под действием озона окраска пятен на листьях постепенно изменяется, и на верхней стороне листа появляются характерные пятна бронзового цвета. Более старые листья повреждаются озоном сильнее, чем молодые (Артамонов В.И., 1986, Трешоу М., 1988).

Кислые выбросы факельных установок ослабляют устойчивость древесных растений к вредителям, болезням и неблагоприятным абиотическим факторам (Артамонов В.И., 1986).

В настоящее время общепринято, что в качестве ранних индикаторов чистоты атмосферного воздуха необходимо использовать эпифитные лишайники, т.к. все процессы жизнедеятельности, роста и размножения их в большей степени зависят от состава воздуха (Шкараба Е.М., 2001).

Лишайники имеют ряд преимуществ перед мхами и высшими растениями: очень устойчивы к замораживанию, способны переносить холодные периоды в неактивном состоянии и переходить в активное состояние при изменении условий окружающей среды, могут фотосинтезировать при отрицательных температурах.

Несмотря на удивительную выносливость лишайников к неблагоприятным факторам среды, многие виды очень чувствительны к изменениям состава атмосферы и могут служить индикаторами малейшего загрязнения воздуха. Неустойчивость лишайников к загрязнению объясняется их слабой регенеративной способностью. Ткани лишайников растут очень медленно, и в условиях долговременного воздействия ЗВ их отравление продолжается до полной гибели всего слоевища.

Показателями загрязнения воздуха будет служить уменьшение видового состава, наличие или отсутствие чувствительных видов, снижение проективного покрытия, наличие морфологических отклонений в слоевище. При загрязнении атмосферного воздуха происходит редукция плодоношения.

Авторы отмечают наибольшую чувствительность к SO2 следующих видов лишайников: Гипогимния вздутая (Hypogymnia physodes), Пармелия бороздчатая (Parmelia saxatilis), Фисция сизая (Physcia caesia), Ксантория постенная (Xanthoria parietina) (Гудериан Р., 1979, Шкараба Е.М., 2001, Бязров Л.Г., 2002).

Луговые фитоценозы

Луг, как естественный фитоценоз, представляет собой биогеоценоз с исторически сложившимся составом травостоя, с присущим ему биологическим круговоротом (Горчаковский П.Л., 1999).

Естественные луговые фитоценозы поликомпонентны, в их состав входит много видов злаков, бобовых и разнотравья. Экологические ниши в них заполнены исторически сложившимся набором видов, что создает преграду для внедрения растений, этим фитоценозам обычно не свойственных. Естественные луга - саморегулирующиеся системы; от культурных они выгодно отличаются богатством флористического состава, пригнанностью составляющих их видов растений к местному комплексу природных условий и друг к другу, а, следовательно, и большей устойчивостью по отношению к внешним воздействиям.

Как и другие типы растительности, а иногда и в большей мере, луга подвержены антропогенным изменениям. Это приводит к глубоким преобразованиям растительного мира: обеднению генетических ресурсов, постепенному стиранию самобытных, исторически обусловленных региональных черт флоры, уменьшению флористического богатства и экологического разнообразия растительных сообществ (Горчаковский П.Л., 1999).

Искусственные фитоценозы

Искусственные фитоценозы часто однообразны по составу компонентов, набор видов в них невелик, стандартен и нередко случаен. Это малоустойчивые по отношению к внешним воздействиям системы (Горчаковский П.Л., 1999).

Агрофитоценозы испытывают на себе, как и естественные фитоценозы, отрицательное воздействие атмосферного воздуха. Сельскохозяйственные растения обладают разной устойчивостью к токсикантам.

Наиболее чуткими биоиндикаторами загрязнения атмосферы диоксидом серы являются бобовые культуры (клевер, люцерна, кормовые бобы). Среди зерновых злаковых культур наиболее устойчивы озимая рожь, ячмень, озимая пшеница, затем яровая пшеница. Крестоцветные культуры более устойчивы, чем бобовые растения (Десслер Х.Г., 1981, Жунгиету Г.И., 1991, Фелленберг Г., 1997, Каплин В.Г., 2001).

Действие ЗВ зависит от вида и концентрации, длительности воздействия, относительной восприимчивости видов, сортов растений, фазы роста и развития. Многолетние злаковые травы второго года жизни больше повреждаются, чем первого года. Чувствительность хлебных злаков возрастает на стадии трех листочков и перед цветением, для многолетних злаковых трав в первый год жизни критическими могут оказаться фазы выхода в трубку, колошения, созревания и отавы (Николаевский В.С., 1979, Артамонов В.И., 1986, Трешоу М., 1988). Для устойчивых растений характерен менее продолжительный период цветения (Николаевский В.С., 1979).

Немаловажным фактором действия ЗВ является удаление от факела. Изучен тот факт, что высота клевера лугового первого года жизни уменьшается по мере приближения к факелу (Старкова Т.Е., 2006).

Поражение растений токсикантами (диоксидами серы и азота) проявляется в виде некроза, но нередко симптомы поражения отсутствуют. Нарушаются основные процессы метаболизма, роста, репродуктивного развития растений. Соединения серы, накапливающиеся в зеленой массе пшеницы, угнетают растения, при этом происходит уменьшение площади листьев и массы растений. Угнетение происходит при содержании соединений серы более чем 0,65% от сырой массы. Высокое содержание в почве соединений серы снижает энергию прорастания семян и всхожесть сельскохозяйственных растений (Трешоу М., 1988, Акентьева Л.И., 1992).

Дымовые выбросы способствуют снижению урожайности в результате уменьшения числа продуктивных стеблей на 1 м² и средней массы колоса у зерновых культур (Акентьева Л.И., 1992). Отмечается изменение в элементах структуры урожайности яровой пшеницы. В направлении от факела с 15% повторяемостью ветров она имеет более короткий колос, низкую озерненность и, соответственно, меньшую продуктивность колоса (Старкова Т.Е., 2006). У многолетних трав негативное воздействие проявляется в уменьшении биологической продуктивности, в частности, у люцерны меняется морфологическое строение корней, уменьшается число боковых корней и их длина. Наблюдается снижение качества урожая сельскохозяйственных культур (Николаевский В.С., 1979, Гришина Л.А., 1990, Киреева Н.А., 2007).

Диоксид азота в концентрации 0,08 мг/м³ и больше задерживает рост и развитие овощных культур, снижает их урожайность и товарный вид (Большаков В.А., 1994).

Кислые выбросы факельных установок ослабляют устойчивость искусственных фитоценозов к повреждению вредителями, активизируют размножение и рассеивание патогенных микроорганизмов, или происходит ингибирование развития болезней (Ставишенко И.В., 2002).

В условиях высокого загрязнения увеличивается засоренность посевов (Бузмаков С.А., 2003).

1.4 Подходы к решению проблемы утилизации нефтяных попутных газов

Сокращение факельного сжигания ПГ стало бы конкретным и весомым вкладом в смягчение проблемы изменения климата и перехода к низкоуглеродной экономике (Елдышев Ю.Н., 2007).

При переработке нефтяных ПГ получают следующие продукты: товарный природный газ, используемый в качестве газового, промышленного и бытового топлива; стабильный газовый конденсат; одоронт (смесь меркаптанов, используемая для одорирования газа в газовых сетях). Для коммунально-бытового потребления выпускаются три марки сжиженных углеводородных газов: СПБТЗ - смесь пропан-бутановая техническая зимняя; СПБТЛ - смесь пропан-бутановая техническая летняя; БТ - бутан технический. Кроме того, из ПГ можно с успехом извлекать широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) - ценнейшего сырья для производства многих продуктов нефтехимии: каучуков, пластмасс, моторного топлива (в том числе бензина с высоким значением октанового числа) (Елдышев Ю.Н., 2007, Рябов В.Г., 2007).

Процесс добычи нефти на месторождениях должен также включать несколько направлений менеджмента, в том числе и экологическое, которое будет сопровождаться экологическими управленческими мероприятиями (Мирцхулава Г.Д., 2007).

Зарубежный и отечественный опыт позволяет наметить подходы к решению проблемы утилизации и переработки ПГ.

В последние годы в ряде стран мира пытаются серьезно сократить объемы сжигаемого в факелах ПГ, например, снова закачивая его в нефтяные скважины для увеличения их отдачи, сжижая для поставки на международные рынки, отводя в трубопроводы или используя в местах добычи для выработки энергии.

Нефтяная компания «ЛУКОЙЛ» представила уникальную технологию воздействия на пласт - ПГ в смеси с водой под давлением свыше 250 Атм закачивают в скважину, повышая ее отдачу, по меньшей мере в 1,5 раза.

В Министерстве Природных Ресурсов РФ к весьма перспективным относят зарубежные технологии синтеза из ПГ жидких углеводородов непосредственно «на месте», позволяющие перерабатывать запасы ПГ даже на тех месторождениях, где прежде «возиться» с ПГ считалось экономически нецелесообразно из-за удаленности от потребителей и дороговизны транспортировки.

Предлагается утилизация ПГ на месте месторождения, ведь даже если месторождение дает менее 1 млн м³ ПГ в год, то этого топлива хватит для газогенераторного привода станка-качалки.

В мире давно действует система мер, доказавшая свою эффективность: нужно незамедлительно создать систему учета, увеличить экологические штрафы, ужесточить требования к недропользователям. Для этого необходимо установить в обязательном порядке расходомеры на все факела; установить штрафы, сопоставимые с реальной стоимостью сырья и урона окружающей среде; ввести налог на сжигаемый ПГ. Можно последовать примеру Канады и вообще запретить сжигание ПГ.

Пока же Росприроднадзор не в состоянии навести порядок в утилизации газа: штраф не превышает 40 тыс. руб., а оштрафовать нарушителя можно не чаще одного раза в два года. Кроме того, поскольку ПГ считается сопутствующим продуктом, то его объемы, в отличие от нефти и других ценных ресурсов, вообще не регламентированы, а системы его утилизации даже в новых проектах просто-напросто не предусмотрены.

Все это усугубляется невысоким уровнем экологической безопасности большинства технологических процессов и, наоборот, слишком высоким моральным и физическим износом основного оборудования, неразвитостью природоохранной системы (Елдышев Ю.Н., 2007).

Таким образом, можно сделать вывод о том, что компоненты факельных выбросов оказывают негативное влияние, как на естественные, так и на искусственные растительные сообщества. Протяженность зоны загрязнения и направление движения потока загрязняющих веществ зависит от высоты факельной установки, характера выбросов в атмосферу, метеорологических условий, рельефа территории и растительного покрова.

Наиболее существенными факторами действия вредных веществ на растения являются вид, концентрация вредных веществ, длительность их воздействия, относительная восприимчивость растений к дымам и газам, стадии физиологического развития растений.

Наиболее опасным токсикантом в выбросах является диоксид серы, который преобладает над оксидами азота. Наиболее чуткими биоиндикаторами загрязнения атмосферы диоксидом серы являются бобовые культуры (клевер, люцерна, кормовые бобы). Косвенное влияние диоксида серы на растения заключается в том, что он является источником кислотных дождей, под влиянием которых происходит подкисление почв. Высокое содержание в почве соединений серы снижает энергию прорастания семян и всхожесть сельскохозяйственных растений. Прямое поражение растений проявляется в виде некротических участков в основном между жилок листа.

Подходы к решению проблемы переработки и утилизации нефтяных ПГ уже давно существуют, но в нашей стране пока не востребованы.

2. Место и методики исследований

2.1 Место и объекты исследований

Исследования проведены в Чернушинском районе Пермского края на территории ГКС «Константиновка» и ГКС «Павловка», на которых установлены факела для сжигания нефтяных ПГ (прил. 1,2). Данная территория принадлежит ООО «Пермнефтегазпереработка», основной задачей которого является сбор и переработка нефтяного ПГ и его наиболее полное использование как одного из важных компонентов природных ресурсов края. Предприятие зарегистрировано Пермской районной Администрацией 26 ноября 1998 года. Оно является переработчиком нефтяного газа с нефтяных месторождений Пермского края; жирного газа с установок ООО «Лукойл-ПНОС»; смеси легких углеводородов (СЛУ) с ООО «Лукойл-ПНОС»; широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) прочих поставщиков (Проект общей…, 2005).

Исследования проведены в 2007 году на ГКС «Константиновка» и ГКС «Павловка».

За контроль принята незагрязненная территория, расположенная в 5 км от нефтепромысла.

Объекты исследования - почва с подфакельных площадок, загрязненная нефтепродуктами; луговые фитоценозы, находящиеся в зоне влияния факельной установки.

Проведено три опыта:

Опыт №1 - Влияние содержания углеводородов в почве на изменение агрохимических показателей в зависимости от удалённости от ГКС (2 декада октября 2007 г.).

Варианты опыта: расстояние от факела 5, 35, 100 и 500 метров, контроль.

Повторность опыта трехкратная.

Опыт №2 - Исследование видового состава луговых фитоценозов (2 декада июля 2007 г.).

Варианты опыта: расстояние от факела 5, 100 и 500 метров, контроль.

Повторность опыта четырехкратная.

Опыт №3 - Определение фитотоксичности нефтезагрязненной почвы (2 декада марта 2008 г.).

Варианты опыта: 5, 35 и 100 метров, контроль.

Повторность опыта трехкратная.

Обоснованность выбора данных расстояний заключается в том, что на расстоянии 5 м от факельной установки присутствуют явные признаки загрязнения почвы; 35 м - граница обволовки факела; 100 м - удаленность от границы СЗЗ (50 м); 500 м - зона интенсивного загрязнения (ЗИЗ).

2.2 Климатические факторы места исследований

Чернушинский район расположен на крайнем юге Пермского края. Район исследования характеризуется умеренно-континентальным климатом с холодной многоснежной зимой, влажным теплым летом, хорошо выраженной весной и осенью. Среднегодовая температура воздуха составляет +1,4⁰ С. Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца года составляет +24,5⁰ С, средняя температура наиболее холодного месяца года составляет -15,6⁰ С (Малеев К.И., 2003).

В связи с господством атлантических и континентальных воздушных масс сильно развита циклоническая деятельность: почти во все месяцы теплой части года температура может падать до отрицательных значений, а в холодное время года - быть плюсовой. Территория относится к зоне избыточного увлажнения, максимальное количество осадков приходится на июль-август, минимальное - на январь-март. Среднегодовая сумма осадков составляет 633 мм (Проект общей…, 2005).

Основной климатический фактор, на основании которого построена схема исследования - это направление ветра, которое определяет характер распространения загрязняющих веществ. В Чернушинском районе господствуют ветры южного направления (24%) (табл. 1). Немаловажным фактором также является скорость ветра. Максимальная скорость ветра наблюдается зимой - 2,9 м/сек, минимальная летом - 2,2 м/сек.

Таблица 1. Среднегодовая повторяемость направлений ветров, % (МС г. Чернушка, 2007)

Направление ветров	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Повторяемость ветров, %	8	15	5	8	24	19	11	10

Почвы Чернушинского района характеризуются низким содержанием гумуса (2-4%), реакция среды близкая к нейтральной (6), сумма обменных оснований высокая (20-30 мг-экв/100 г.), гидролитическая кислотность низкая (2-3 мг-экв/100 г.), содержание обменного фосфора и калия среднее (50-100 и 80-120 мг/кг) соответственно.

По территории протекает несколько малых рек. Животный и растительный мир типичен для хорошо освоенной части южной тайги.

Чернушинский район относится к району южно-таежных пихтво-еловых лесов. Леса в значительной степени сведены человеком, территория превращена в пашни. На глинистых и суглинистых почвах преобладают также елово-пихтовые леса, в подлеске - рябина, черемуха, ива козья, в кустарниковом ярусе - шиповник, жимолость пушистая. В лесу наблюдается богатый травяной покров: сныть, вейник, звездчатка. Довольно широко распространены здесь суходольные луга, которые возникли на месте старых вырубок и гарей. Видовой состав растительности этих лугов бедный: щучка дернистая, мятлик луговой, манжетка, ромашка и другие виды. Производительность лугов низкая (Коротаев Н.Я., 1962).

Таким образом, метеорологические условия Чернушинского района благоприятствуют негативному влиянию выбросов на фитоценозы.

В связи с господством атлантических и континентальных воздушных масс сильно развита циклоническая деятельность: почти во все месяцы теплой части года температура может падать до отрицательных значений, а в холодное время года - быть плюсовой. Территория относится к зоне избыточного увлажнения. Штили и высокая относительная влажность воздуха создают температурные инверсии, в результате чего ЗВ концентрируются у поверхности земли, что неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности растений. На распространение загрязнения влияет и такой немаловажный фактор, как лесистость территории. Лес снижает скорость ветра и повышает турбулентность, особенно на границе с полем. В Чернушинском районе леса в значительной степени сведены человеком, территория превращена в пашни.

2.3 Методики исследований

Отбор почвенных образцов для химического анализа проведен методом конверта на глубину пахотного по ГОСТу 28168 - 89.

Анализ загрязнения почвы остаточными количествами нефтепродуктов проведен методом колоночной хроматографии, весовым определением концентрации углеводородов в пробе (Эрнестова Л.С., 1980).

Определены некоторые агрохимические показатели в почве:

1. Почвенная кислотность по модификации ЦИНАО по ГОСТу 26483 - 85;

2. Подвижные соединения фосфора по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО по ГОСТу 26207 - 84;

3. Гумус по методу Тюрина по ГОСТу 26423 - 85.

Исследование и описание видового состава луговых фитоценозов проведено по методике геоботанического исследования природных кормовых угодий (1983). На учетных площадках площадью 1 м² описаны: видовой состав растений; плотность (шт./м²); обилие (балл); фенологическая фаза развития; ярус, жизненность (балл); высота травянистых видов растений (см). Виды растений определены по П.Ф. Маевскому (2006).

Фитотоксичность нефтезагрязненной почвы определена по Международному стандарту ИСО 11269-2. Для проведения исследований согласно этой методике выбраны два вида растений различных категорий: категория 1 (однодольные растения) - пшеница яровая (Tritikum aestivum) сорта Иргина; категория 2 (двудольные растения) - салат (Lactuca sativa) сорта Лолло Россо (Фомин Г.С., 2001).

Фитотоксический эффект нефтезагрязненной почвы определен по признаку всхожести семян пшеницы и салата (из 20 шт.) и рассчитан по формуле:

Ф, % = N_к - N_в / N_к Ч 100 (1)

где

N_к - число всхожих семян в контроле;

N_в - число всхожих семян в варианте.

Почва является фитотоксичной, если фитотоксичность > 20% (Орлов Д.С., 2002).

Измерения, характеризующие влияние остаточных количеств нефтепродуктов на нормальный рост и развитие культур, проведены по четырем признакам:

1. длина надземной части растений пшеницы сорта Иргина и салата сорта Лолло-Россо;

2. масса надземной части растений пшеницы сорта Иргина и салата сорта Лолло-Россо;

3. длина корневой системы пшеницы сорта Иргина и салата Лолло-Россо;

4. масса корневой системы пшеницы сорта Иргина и салата Лолло-Россо.

Результаты исследований обработаны методом дисперсионного анализа по В.Н. Перегудову (Пискунов А.С., 2004).

3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1 Влияние факельных выбросов на агрохимические показатели почвы

Влияние факельных выбросов на агрохимические показатели почвы изучено в зависимости от концентрации в ней углеводородов (табл. 2).

Таблица 2. Агрохимические показатели почвы в зависимости от концентрации в ней углеводородов и расстояния от факела (2007)

ГКС	Расстояние от факела, м	Концентрация углеводородов, г/кг	Агрохимические показатели
			рН	Р2О5, мг/кг	Гумус, %
Константиновка	5 35 100 500	50,3 5,7 2,8 1,1	4,0 4,6 5,7 6,7	85 79 62 75	4,3 3,7 3,1 3,2
Павловка	5 35 100 500	22,9 2,0 0,4 0,02	5,5 7,1 7,1 7,0	83 75 71 64	2,9 2,4 2,2 2,5
Контроль	5000	0,0007	6,9	75	2,1

Анализ полученных данных показал, что превышение ПДК углеводородов в почве (5 г/кг) обнаружено на расстоянии 5 метров от факела на обеих ГКС (в 10 и в 4 раза) соответственно. На ГКС «Константиновка» на расстоянии 35 метров от факела наблюдается незначительное превышение ПДК углеводородов, которое составило 5,7 мг/кг. В пределах установленных санитарно-защитных зон (50 м) превышение ПДК нефтепродуктов не обнаружено, как и в зоне интенсивного загрязнения (480 м). Превышение ПДК может зависеть от качественного и количественного состава выбросов загрязняющих веществ, от метеорологических условий, от условий рассеивания нефтепродуктов в воздухе и в почве.

Исследуемая почва по классификации Кирсанова относится к типу почв с низким содержанием фосфора (41-80 мг/кг); по показателю почвенной кислотности - в пределах от слабо-кислой до нейтральной (рН 5-7); по содержанию гумуса - почва с низким содержанием гумуса (2-4%).

При высокой концентрации углеводородов в почве на расстоянии 5 метров от факельной установки содержание гумуса и подвижного фосфора в ней увеличиваются. На ГКС «Константиновка» содержание гумуса увеличивается с 3,2 (500 м) до 4,3% (5 м), подвижных соединений фосфора - с 75 до 85 мг/кг; на ГКС «Павловка» гумус изменяется по мере приближения к факелу в пределах 2,5-2,9%, фосфор - 64-83 мг/кг. На расстоянии 5 метров от факела на обеих ГКС исследуемая почва переходит к классу со средним содержанием фосфора (81-120 мг/кг), на одном участке (ГКС «Константиновка», 5 м) - к классу со средним содержанием гумуса (4-6%).

По мере приближения к факелу кислотность увеличивается с 6,7 до 4,0 на ГКС «Константиновка» и с 7,0 до 5,5 на ГКС «Павловка». На ГКС «Константиновка» на расстоянии 5 от факела почва кислая (рН 4,1-4,5), на расстоянии 35 метров от факела - среднекислая (рН 4,6-5,0). На ГКС «Павловка» на расстоянии 5 метров от факела почва является слабокислой (рН 5,1-5,5).