Казахстан является одной из крупных нефтяных держав мира. Площадь перспективных нефтегазоносных районов республики равна 1700 тыс. км2, что составляет более 62% всей территории. На данный момент открыто 160 нефтегазовых месторождений, примерно 60 находятся в стадии разведки. Разведанные запасы составляют 7, 1 млрд. тонн нефти, 0, 7 млрд.тонн газового конденсата и 1,7 трлн. кубометров газа. Предполагается, что в 2010 году уровень добычи нефти в республике достигнет 100 млн. тонн в год [1].
Общая ежегодная добыча нефти в мире составляет 3 млрд. тонн [2]. Среди стран мирового сообщества Казахстан по производству нефти занимает 26 место [3].
Наиболее существенный ущерб человеческой деятельностью, связанной с развитием нефтегазовой промышленности, наносится воздушной среде, без которой невозможно сушествование жизни на Земле [4, 5, 6], поэтому вопросы загрязнения атмосферного воздуха настоящее время является актуальными.
Загрязнение воздуха на нефтегазовых месторождениях напрямую зависит от интенсивности их разработки.
Загрязнителями окружающей среды на нефтегазовых месторождениях в первую очередь являются компоненты добываемого сырья - углеводороды, меркаптаны и сероводород.
Выходящие из скважины при ее испытании и эксплуатации углеводороды, сероводород и меркаптаны сжигают на специальном факеле, который размещают не ближе 100 м от скважины. При сжигании сероводорода образуются окислы серы, скапливающиеся в приземном слое атмосферы, а также много других продуктов загрязняющих окружающую среду.
Компонентом неполного сгорания углеводородов является сажа. Источниками выброса в воздух токсических веществ являются выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания строительной, буровой техники, автотранспорта факельные установки сжигания попутных газов. Преимущественно это окислы серы, азота и углерода, формальдегид, бенз(а)пирен и др.
Основная масса (до 60%) загрязняющих окружающую среду веществ на Карашыганакском нефтегазоконденсатном месторождении, как показали исследования У. И. Кенесариева и соавт. [12-17], приходится на сернистый ангидрид, кроме того, 35- 40% находится на окись углерода, 3-5% - на двуокись азота. Выброс несгоревших углеводородов вставляет 3%, мене 1% составляет сажа.
Основным компонентом пластовых газов чаще всего является метан (на Карашыганаке 63-76%). На других месторождениях метана в пластовых газах еще больше.
Оставшаяся часть смеси приходится на более тяжелые углеводороды - этан, пропан, пентан, а также меркаптаны, сероводород и твердые парафины [18, 19, 20, 104]. В атмосферуЗападного Казахстана ежегодно выбрасывается 84 тыс. тонн загрязняющих веществв том числе СН4-57 тыс. тонн, СО - 9, 8 тыс. тонн, NOx - 0. 8 тыс. тонн, SO2 - 0, 2 тыс. тн.
С гигиенической точки зрения наибольший интерес представляет атмосферная химия сероводорода. Попадая в атмосферный воздух, этот газ вступает в реакцию с кислородом и озоном, образуя сернистый газ. Этот газ соединяется с водой образует сернистую кислоту, постоянно окисляясь, превращается в сернистую кислоту.
Приокислении сероводорода в воздушной среде образуется сернистый газ, при окисленив воде - элементарная сера .
В воздухе в процессе окисления исходные концентрации сероводорода существенно «каются. На расстоянии 2, 5 км от источника выброса его содержание в воздухе уменьшается почти вдвое, а на расстоянии 20 км. - до 88%. Это снижение более значительно, чем у других загрязнителей, и, возможно, объясняется большим удельным весом, а, следовательно, меньшим рассеиванием газа. Основная же причина падения концентрации сероводорода в воздухе - его окисление, что приводит к тому, что он сохраняется в воздухе не более двух дней.
Сероводород относится к ядам раздражающего и общетоксического действия, вызывая в экстремально высоких концентрациях мгновенную смерть. Это может быть уже при концентрации сероводорода в воздухе 1000 мг/м3. Сероводород - сильный нервный яд, вызывающий смерть от остановки дыхания. Реагируя с железом, входящим в состав дыхательных ферментов - цитохромов, сероводород, подобно цианистому водороду, приводит к тканевой аноксии. Порог ощущений запаха сероводорода для человека - 0, 012-0, 03 мг/м3. Незначительный, но явно ощутимый запах отмечается при концентрации 1, 4-2, 3 мг/м3, значительный запах при 4 мг/л, при 7-11 мг/л - запах тягостный даже для привыкших к нему. При более высоких концентрациях - запах менее сильный и неприятный, что объясняют изменением чувствительности обонятельного анализатора вследствие действия сероводорода. Привыкание наступает только к запаху, привыкания к раздражающему действию на дыхательные пути и глаза не наступает. У отдельных лиц развивается повышенная чувствительность к запаху сероводорода [25]. Токсический эффект сероводорода усиливается при совместном действии с нефтяными газами. В организме быстро окисляется до сульфата, который выводится с мочой [25].
Сернистый газ, двуокись серы. Бесцветный газ с резким раздражающим запахом. Порог восприятия запаха - 3 мг/м3, у наиболее восприимчивых - 0, 87 мг/м3. Непосредственно во время воздействия раздражение глаз вызывает концентрация 50 мг/м3, раздражение в горле - 20-30 мг/м3, кашель - 50мг/м3. Концентрацию 120 мг/м3 можно выдержать 3 минуты, 300 мг/м3 - всего одну минуту. Речь и глотание при воздействии высоких концентраций сернистого газа затруднены, при длительном воздействии - рвота. Смертельные исходы при остром отравлении сернистым газом встречается редко.
При хроническом отравлении ухудшается обоняние, понижается вкусовое восприятие. Возникают хронические заболевания дыхательных путей с астмоподобными приступами. Реже встречаются желудочно-кишечные расстройства и конъюнктивит. Зубы разрушаются.
Основной путь поступления в организм SO2 - ингаляционный. Сернистый газ обнаруживается во время интоксикации и через некоторое время после нее в крови и внутренних органах.
Токсическое действие сернистого газа усиливается при комбинированном действии с аэрозолем H2SO4 [26], сероводородом, фтористым водородом [27].
Простое суммирование эффекта происходит при действии SO2 и фенола [28], SO2 и СО [29, 30]. Токсический эффект сернистого газа ослабляется аммиаком.
Окислы азота встречаются в промышленности и в воздухе населенных мест в виде смеси NO, N2O3, NO2, N2O4. При особых условиях может образоваться N2O. При взаимодействии с водой NO, N2O3, и N2O4 растворяются в ней с образованием азотной кислоты - HNO3 и малоустойчивой азотистой кислоты HNO2 * N0 и NO2 содержатся в нитрогазах в различных соотношениях - от 91% N0 и 9% NO2, соответственно, 48 и 52%. В смеси N0 и NO2 образуется некоторое количество N2O3 - краснобурого газа с точкой кипения 3, 5°С. В жидком состоянии N2O3 имеет синий цвет.
В зависимости от содержания в смеси различных окислов характер действия окислов люта на организм меняется. В основном отравление протекает по раздражающему или нитритному типу действия. При контакте окислов азота с влажной поверхностью легких образуются азотная и азотистая кислоты, поражающие альвеолярную ткань, что может привести к отеку легких и сложным рефлекторным расстройствам. С другой стороны, при отравлении окислами азота в крови образуются нитриты и нитраты. Нитриты, действуя вепосредственно на артерии, вызывают расширение сосудов и снижение кровяного давления. Нитриты превращают оксигемоглобин в метгемоглобин. Повреждение эритроцитов приводит к появлению метгемоглобина в моче и к кислородной недостаточности, чему способствует и отек легких.
Окислы азота образуются при сгорании ископаемого топлива (уголь, нефть, газ), при работе двигателей внутреннего сгорания, при бактериальном разложении силосного материала, при производстве азотной и серной кислот. Ежегодно в атмосферу городов выбрасывается более 50 млн. тонн окислов азота с продуктами сгорания и 25 млн. тонн с выбросами химической промышленности [32, 33]. Естественные фоновые концентрации 0,4- 9.4 мкг/м3 для оксида азота (IV) и 0,0-7,4 мкг/м3 для оксида азота (II).
В городах среднегодовые уровни для оксида азота (II) 49-95 мкг/м, для оксида азота (IV) среднемесячные концентрации в разных городах 60-115, среднегодовые 10- 90, максимальные суточные от 100 до 400, максимально часовые до 800 мкг/м.
Динамика концентрации окислов азота в городском воздухе в течение суток тесно связана с интенсивностью движения транспорта и солнечного излучения. С нарастанием интенсивности автомобильного движения (с 6 до 8 часов утра) концентрации первичного загрязнителя - окисла азота (II) заметно увеличиваются. Восход солнца влечет за собой накопление в атмосфере оксида азота (IV) вследствие фотохимического окисления окисла азота (II). В цепь сложных фотохимических реакций вовлекаются и озон, и углеводороды. В последнем случае в атмосфере накапливаются пероксиды, способные при неблагоприятных погодных условиях вызывать химические ожоги [34].
При концентрации 120 мг/м3 окислов азота в воздухе (в пересчете на N02) возникает раздражение в зеве, при 200 мг/м3 — кашель. 200-300 мг/м3 считаются опасными при кратковременном воздействии. При многочасовом воздействии переносимыми являются концентрации не выше 70 мг/м.
Частота случаев заболеваний верхних дыхательных путей среди детей, живущих в районе суперфосфатного завода, в 17 раз выше, чем живущих в 10 км от завода. концентрации окислов азота при этом в 34 раза превышали предельно допустимые [34].
Каждый из окислов азота имеет свои особенности токсического действия.
Окисел азота (I), закись азота, веселящий газ. В высоких концентрациях вызывает удушье вследствие вытеснения кислорода из легких. В смеси с кислородом вызывает наркоз.
Окисел азота (II), окись азота. Кровяной яд, приводит оксигемоглобин в метгемоглобин и оказывает, по-видимому, прямое действие на центральную нервную систему.
У людей, работающих 3-5 лет при концентрациях двуокиси азота 0, 8-5 мг/м, выявлены воспалительные изменения слизистой оболочки десен, хронические бронхиты, эмфизема легких, пневмосклероз, осложненный астмоидными приступами, бронхоэктазии и т. д. [33].
Окись углерода. Встречается везде, где существуют условия для неполного сгорания вешеств, содержащих углерод. Окись углерода (угарный газ) вытесняет кислород из о'ксигемоглобина, образуя карбоксигемоглобин, вследствие более высокого средства гемоглобина к окиси углерода, чем к кислороду.
Способность угарного газа связываться со многими ферментами с нарушением метаболических процессов объясняет наличие токсического эффекта (особенно при длительном отравлении малыми дозами), когда содержание карбоксигемоглобина в крови не превышает нормального. Индивидуальные различия в чувствительности к острым и хроническим отравлениям угарным газом довольно амхки. Особенно чувствительны молодые люди и беременные женщины. Интоксикацию тяжело переносят алкоголики, а также люди, страдающие заболеваниями дыхательной и сердечно-сосудистой систем, неврастенией, сахарным диабетом, заболеваниями печени. При резкой анемии смертельный исход возможен даже тогда, когда только 20% гемоглобина связано с угарным газом.
При вдыхании небольших концентраций угарного газа (до 1000 мг/м3) человек ощущает тяжесть в голове, сильную боль во лбу и висках, чувство сдавливания головы, головокружение, шум в ушах; покраснение кожи и ощущение жжения кожи, лица, дрожь, чувство слабости и страха, жажда, учащение пульса, пульсация височных артерий, тошнота, рвота. В дальнейшем при сохранении сознания - оцепенелость, слабость и безучастность или даже ощущение приятной истомы) из-за которых человек вскоре не может выйти из зоны поражения. Слабость в ногах свидетельствует о распространении действия угарного газа на спинной мозг. Сонливость и оцепенение нарастают, возможна спутанность сознания и повышения температуры до 38-40°С. В редких случаях при тяжелых отравлениях сознание сохраняется до самой смерти. Возможно наступление комы, которая длится 1-2 дня. Возникают судороги и одышка, которая сохраняется иногда неделями. В редких случаях после короткой потери сознания возникает быстрое и, по-видимому, полное выздоровление. Но не всегда однократное острое отравление проходит бесследно. Больше всего при отравлении угарным газом страдает центральная нервная система, и именно со стороны ЦНС долго сохраняются признаки перенесенного отравления (головные боли, головокружения, в тяжелых случаях - повторяющиеся обмороки и т. п. ).
Описаны хронические отравления угарным газом при длительном (2-3 месяца) периоде заботы в контакте с СО при концентрации его 10-50 мг/м3. Появляется шум в голове, зозникают головные боли, головокружение, повышенная утомляемость, ослабление памяти и внимания, апатия, раздражительность, исхудание, потеря аппетита, бессонница ночью и сонливость днем, навязчивый страх, чувство сердечной тоски, боли в области сердца, в груди, в боках, в подложечной области, боли в суставах, неврологические боли, потливость, учащенные позывы к мочеиспусканию, иногда - обмороки. Возникают более серьезные заболевания сердечно-сосудистой системы, чем при острых отравлениях. Возможно появление признаков поражения нервной системы.
Среди загрязнителей воздушной среды на нефтегазовых месторождениях видное место занимают углеводороды, прежде всего представители класса алканов, предельных углеводородов, отвечающих общей формуле СпН2п+2 (метан, этан, бутан, пропан, пентан, гексан и. т. д. ).
Алканы - химически наименее активные среди органических веществ, обладают сильным наркозным действием [36]. В связи с их малой растворимостью в воде и в крови требуется весьма высокое содержание их в воздухе, чтобы создались токсичные концентрации в крови. Поэтому в обычных условиях низкие алканы физиологически мало активны. Углеводороды, содержащие 5-8 атомов углерода, оказывают умеренное раздражающее действие на дыхательные пути. Высшие члены этого гомологического ряда более опасны при действии на кожные покровы, а не при ингаляции паров.
При хроническом отравлении человека низшими углеводородами не возникает тяжелых органических поражений. Изменения под действием алканов характеризуются гипотонией, брадикардией, повышенной утомляемостью, бессонницей, понижением тонуса капилляров, явлениями функциональных неврозов, преобладанием тонуса парасимпатической нервной системы.
Метан СН4 широко распространен и после углекислого газа является основным переносчиком углерода в природе. Метан - главная составная часть природных газов, содержится также в нефтяных газах. Метан непрерывно образуется в природе в процессе разложения клетчатки, происходящего при действии бактерий («метановое брожение»), значительные его количества находятся на дне болот (болотный газ)
«Древесный газ», получающийся при сухой перегонке дерева, и газы, образующийся при нагревании торфа и углей («светильный газ»), также содержит большие количества метана.
Токсическое действие метана в обычных условиях определяется главным образом недостатком кислорода.
Случаи острого отравления метаном у человека редки. Накопление метана в воздухе до 25-30%, что соответствует снижению содержания кислорода с 21 до 15-16%, сопровождается отчетливыми признаками кислородного голодания: учащение пульса, увеличение объема молния, ослабление внимания, нарушение координации движений. При концентрации рудничного газа (метана) 80-90% уже после 5-6 вдохов наступает потеря сознания с исчезновением всех рефлексов.
Большую опасность при отравлении метаном представляют поражения нервной системы, обусловленные затяжным течением гипоксической комы, нарушением окислительно-восстановительных процессов [40].
Метан - эндогенный продукт человека и животных. Находится в составе кишечных газов (до 50% общего количества их). Выделяется с выдыхаемым воздухом [41, 42]. За счет эндогенного образования концентрация метана в герметизированном помещении может превысить ПДК для рабочей зоны (300 мг/м в пересчете на С. ).
Этан С2Н6 - как и метан, бесцветный газ без запаха, спутник метана и природных и попутных газах. На нефтехимических производствах этан (наряду с метаном, пропаном, бутаном, изобутаном и пентаном) выделяется в окружающую среду при термической и «аналитической переработке нефти и ее гидролизе. Выделяется из газовых и нефтяных скважин.
Этан способен вызывать наркоз. В эксперименте на мышах концентрация этана 22 мг/м не оказывала раздражающего действия [43].
Как и метан, этан является продуктом жизнедеятельности человека и животных. Образуется в печени, является также кишечным газом. Выделяется с выдыхаемым воздухом, однако количество этана в организме незначительно. Принято считать, что в организме этан не метаболизирует.
Пропан С3Н2. Бесцветный газ без запаха. Встречается в больших количествах в природных и попутных газах. Получают при переработке нефти и природных газов. Вдыхание смеси из 90% пропана и 10% кислорода вызывает у кошек полный наркоз.
При отравлениях пропаном в крови, моче, спинномозговой жидкости обнаруживают не только пропан, но и пропен [44]. Некоторые производные пропана метаболизируют в организме до СО2. В малых количествах выделяется с выдыхаем воздухом.
Бутан С4Н10. Бесцветный газ без запаха. Встречается в составе природных и попутных газов в количестве 1, 0-8, 8%. В нефти, поступающей на нефтеперерабатывающие заводы, содержится 1% газов, но из этого количества на долю бутана по массе приходится 65%, на долю изобутана - 15%. Получают при термической и каталитической переработке нефти. Бутан вызывает наркоз а в высоких концентрациях - острые отравления с явлениями аноксии, нарушениями функций нервной (гипоксия мозга) и сердечно-сосудистой (гипоксия мозга) систем.
Из бытовых газов отравления бутаном представляют наибольшую опасность именно вследствие развития поражений такого рода [45]. Для человека минимальная концентрация, влияющая на электрическую активность мозга, 280 мг/м3 [46]. Отравления, связанные с вдыханием самого бутана, протекают при явлениях аноксии, с развитием неврологических симптомов и нарушением сердечной деятельности [47].
Пентан,C5H12. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Пентан и его изомеры (Изопентан, неопентан) выделяются из нефтепродуктов: бензина, топлив, масел. Пентан и изопентан обнаруживаются в воздухе герметизированных помещений [48].
Порог запаха пентана для наиболее чувствительных лиц 217 мг/м3, минимальная концентрация, влияющая на электрическую активность мозга - 130 мг/м3. Признаки отравления: головная боль, сонливость, головокружение. Концентрация пентана 14900 мг/м3при ингаляции 10 минут не вызывает перечисленных симптомов. Через кожу пентан всасывает слабо, является у человека и животных эндогенным продуктом обмена веществ. Меркаптаны, или тиоловые спирты, и сульфиды можно рассматривать как производные сероводорода, в котором водород заменен либо на алкильную, либо на арильную группу. 'Меркаптаны образуются при частичном алкилировании сероводорода, а также при взаимодействии галогеналкилов с кислыми сульфидами калия или натрия. Меркаптаны представляют собой газы (метилмеркаптан), летучие жидкости (этилмеркаптан), имеющий специфический, очень сильный и крайне неприятный запах гнилого лука. По запаху можно с-пределить уже 1/46000000 мг метилмеркаптана. Даже при сжигании меркаптанов образуются токсичные окислы серы, а при растворении меркаптанов в щелочах - меркаптиды, в котором водород SH - группы заменяется металлом. Особенно легко меркаптиды образуются с окислами свинца и ртути [8, 51, 52]. Благодаря своему неприятному запаху меркаптаны в очень низких концентрациях вызывают у человека тошноту и головные боли.В высоких концентрациях они поражают центральную нервную систему, что может повлечь за собой судороги, развитие паралича и привести к летальному исходу от остановки дыхания. Патогенез отравлений сходен с таковым сероводорода: при воздействии меркаптана з концентрации 20 мг/л белые крысы погибают в течение 14 минут, а при затравке этилмеркаптаном в той же концентрации крысы гибнут на протяжении 2 часов.
Эффектом полной суммации обладают [50]:
- аммиак, сероводород;
- аммиак, сероводород, формальдегид;
- аммиак, формальдегид;
- азота диоксид и оксид, мазутная зола, серы диоксид;
- азота диоксид, гексан, углерода оксид, формальдегид;
- азота диоксид, гексен, серы диоксид, углерода оксид;
- азота диоксид, серы диоксид;
- азота диоксид, серы диоксид, углерода оксид, фенол;
- сероводород, формальдегид;
- серы диоксид и трехокись серы, аммиак и оксиды азота.
Таким образом, если в воздухе находятся несколько веществ однонаправленного действия, организму может быть нанесен вред гораздо больший, чем при действии только. оного вещества.
Все объекты нефтегазодобывающей промышленности являются источниками интенсивного загрязнения окружающей среды. Это загрязнение является довольно специфичным, поскольку отличается от загрязнений другими предприятиями. При этом существует вероятность возникновения неуправляемых процессов, особенно при высоком содержании в сырье сероводорода [53].
Естественно возникает вопрос о степени экологической опасности загрязнений окружающей среды предприятиями нефтегазодобывающей промышленности.
Степень экологической опасности зависит, в первую очередь, от состава добываемого углеводородного сырья. Углеводороды обнаруживаются при сжигании топлива с недостаточным количеством воздуха, при неудовлетворительном их смешении до горения и во время горения, а также при чрезмерном охлаждении пламени до завершения реакции -чтения. 90% углеводородов попадает в атмосферу из резервуаров, а 8% - за счет потери при нефтяного газа, более 9% - при транспортировке и хранении [55, 56, 57].
Несмотря на наличие мощных источников загрязнения воздуха углеводородами, до настоящего времени отсутствует объективная их оценка и контроль за степенью загрязнения. Это обусловлено, в первую очередь, значительным количеством веществ, обнаруживаемых в атмосфере, относящихся к этому классу загрязнителей воздушного бассейна [58, 59, 60, 61]. Установлено, что большая часть выделенных углеводородов (75%) попадает в атмосферу, - в воду, 5% - в почву [62].
Особо опасными в смысле загрязнения окружающей среды являются месторождения, которых содержит значительные количества сернистых соединений, особенно сероводорода. Отмечается, что дальнейшее увеличение объемов добычи будет сопровождаться ростом выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Список использованной литературы:
- Алибекова Г.Н. Современное состояние государственного санитарного надзора за объектами нефтегазовой и нефтеперерабатывающей промышленности в Республике Казахстан.-Атырау,2005.
- Мумликов Р.Р,Аукешева Б.К. Проблемы охраны окружающей среды при освоении нефтегазовых месторождений Прикаспия//Нефть и газ.-2000.
- Ручникова О.Н.,Вайсман Я.И. Экологически безопасная утилизация твердых нефтеотходов//Защита окружающей среды в нефтегазовых комплексах.