georesГеоресурсыGeoresources1608-50431608-5078Georesursy LLC10.18599/grs.2024.2.11geores-273Research ArticleСТАТЬИRESEARCH ARTICLESМоделирование процесса очистки подземных вод от растворенных нефтепродуктов при использовании биотехнологических методовHydrogeological Modeling of Groundwater Treatment from Dissolved Hydrocarbons Using Biotechnological SolutionsМаксимовичН. Г.MaksimovichN. G.

Николай Георгиевич Максимович – кандидат геол.- минерал. наук, доцент, заслуженный эколог рФ, заместитель директора по научной работе естественнонаучного института

614990, Пермь, ул. Генкеля, д. 4

Nikolay G. Maksimovich – Cand. Sci. (Geology and Mineralogy), Assistant Professor, Honored Ecologist of Russian Federation, Deputy Director for Science of Natural-Science Institute

4, Genkel st., Perm, 614990

ДеменевА. Д.DemenevA. D.

Артем Дмитриевич Деменев – кандидат геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник лаборатории геологии техногенных процессов естественнонаучного института

614990, Пермь, ул. Генкеля, д. 4 

Artem D. Demenev – Cand. Sci. (Geology and Mineralogy), Senior Researcher, Laboratory of Technogenic Processes Geology, Natural-Science Institute

4, Genkel st., Perm, 614990

ХмурчикВ. Т.KhmurchikV. T.

Вадим Тарасович Хмурчик – доктор геол.-минерал. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геологии техногенных процессов естественнонаучного института

614990, Пермь, ул. Генкеля, д. 4

Vadim T. Khmurchik – Dr. Sci. (Geology and Mineralogy), Leading Researcher, Laboratory of Technogenic Processes Geology, Natural-Science Institute

4, Genkel st., Perm, 614990

БерезинаО. А.BerezinaO. A.

Ольга Алексеевна Березина – кандидат географ. наук, доцент кафедры картографии и геоинформатики, Пермский государственный национальный исследовательский университет

614068, Пермь, ул. Букирева, д. 15

Olga A. Berezina – Cand. Sci. (Geography), Assistant Professor, Chair of Cartography and Geoinformatics Department

15, Bukirev st., Perm, 614068

МухаметдиновА. В.MukhametdinovA. V.

Мухаметдинов Артем Владимирович – главный специалист отдела геологии

197046, Санкт-Петербург, ул. Чапаева, д. 15А

Artem V. Mukhametdinov – Chief Specialist, Geology Department

15А, Chapaev St., St. Petersburg, 197046

Пермский государственный национальный исследовательский университетРоссияPerm State National Research UniversityRussian FederationPerm State National Research UniversityRussian FederationООО «спб-гипрошахт»РоссияSpb-Giproshakht LLCRussian Federation202408072024262124–134Copyright © Максимович Н.Г., Деменев А.Д., Хмурчик В.Т., Березина О.А., Мухаметдинов А.В., 20242024Максимович Н.Г., Деменев А.Д., Хмурчик В.Т., Березина О.А., Мухаметдинов А.В.Maksimovich N.G., Demenev A.D., Khmurchik V.T., Berezina O.A., Mukhametdinov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.geors.ru/jour/article/view/273

Развитие нефтяной промышленности сопровождается определенным техногенным воздействием на окружающую среду. По различным оценкам ежегодные потери только на этапе транспортировки могут достигать 15% от добываемых объемов углеводородов, что сопровождается образованием более 510 млн т загрязненных грунтов. На предприятиях нефтедобычи и нефтепереработки могут возникать трудно прогнозируемые аварийные ситуации, также приводящие к загрязнению окружающей среды. При этом очистка подземных вод от растворенных нефтепродуктов является одной из сложных задач при реализации природоохранных мероприятий и проектов. Выделяют два основных подхода к очистке от нефтяного загрязнения: ex situ, т.е. на специальных полигонах и in situ, т.е. на месте загрязнения. Применение методов очистки на месте может быть значительно дешевле и эффективнее. Использование подобных методов должно основываться на детально проработанной стратегии их реализации. Математическое моделирование позволяет достаточно достоверно определять и обосновывать проведение гидрогеологических исследований, а также получать параметры для разработки проектных решений. В работе исследована возможность применения методов математического моделирования для процесса очистки подземных вод биотехнологическим способом с дозированной подачей кислорода в загрязненный водоносный горизонт. сопоставлены результаты натурных наблюдений и модельные данные. установлено, что разработанная геомиграционная модель на базе мгновенной аэробной деградации углеводородов в целом адекватно описывает динамику снижения загрязнителя в подземных водах при сравнении с натурными измерениями. Для оценки эффективности проводимых мероприятий на модели дополнительно выполнены прогнозные расчеты с использованием разного количества очистных скважин и расстоянием между ними. сделан вывод о том, что математическое моделирование на предварительном этапе дает возможность подобрать наиболее оптимальную схему очистки подземных вод еще до сооружения технологического комплекса, что впоследствии значительно снижает затраты при реализации подобных проектов.

The development of the oil industry is accompanied by a technogenic impact on the environment. According to various estimates, annual losses of hydrocarbons can reach 15% of the produced volumes at the transportation stage alone. These losses are accompanied by the formation of more than 510 million tons of contaminated soil. Emergency situations, which are difficult to predict, may arise at oil production and oil refining enterprises. That situations also lead to environmental pollution. The remediation of groundwater from dissolved petroleum products is one of the difficult tasks. There are two main approaches to remediation of oil pollution: ex situ, i.e. at special sites, and in situ, i.e. at the site of contamination. Using in situ techniques can be significantly cheaper and more effective. The applying of in situ techniques should be based on a well-developed strategy for implementing environmental protection measures. Mathematical modeling allows one to reliably determine and justify hydrogeological studies and to obtain parameters for the development of designed solutions. This article studies the possibility of mathematical modeling methods applying for the biotechnological process of groundwater remediation used a dosed supply of oxygen into a contaminated aquifer.

The results of field observations and model data were compared. During the research, it was established that the developed geomigration model, which uses a package of instantaneous aerobic degradation of hydrocarbons, adequately describes the dynamics of pollutant reduction in groundwater when compared with field measurements. To assess the effectiveness of the measures taken, forecast calculations were additionally performed on the model with different numbers of treatment wells and the distance between them. The data obtained allowed us to conclude that the development of mathematical modeling at the preliminary stage makes it possible to select the most optimal scheme for groundwater treatment even before the construction of the technological complex, which can significantly reduce costs when implementing such projects.

очистка подземных водрастворенные нефтепродуктыгидрогеологические моделированиебиотехнологииприродоохранные мероприятияgroundwater remediationwater-dissolved oil productshydrogeological modelingbiotechnologyenvironmental measuresReferencesЖернов И.е., Шестаков В.М. (1971). Моделирование фильтрации подземных вод. М.: Недра. 226 с.Anderson M.P., Woessner W.W., Hunt R.J. (2015). Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport. Acad. Press, 630 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-21563-7Коронелли Т.В. (1996). Принципы и методы интенсификации биологического разрушения углеводородов в окружающей среде. Прикладная биохимия и микробиология, 32(6), c. 579–585.Baldwin B.R., Biernacki A., Blair J., Purchase M.P., Baker J.M., Sublette K., Davis G., Ogles A. (2010). Monitoring gene expression to evaluate oxygen infusion at a gasoline-contaminated site. Environmental Science & Technology, 44(17), pp. 6829–6834. https://doi.org/10.1021/es101356tМаксимович Н.Г., Хмурчик В.Т., Мещерякова о.Ю. (2009). опыт очистки подземных вод от нефтяного загрязнения биологическими методами. Промышленная безопасность и экология, (4), c. 34–36.Baldwin B.R., Nakatsu C.H., Nies L. (2008). Enumeration of aromatic oxygenase genes to evaluate monitored natural attenuation at gasoline-contaminated sites. Water Research, 42(3), pp. 723–731. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.07.052оборин А.А., Хмурчик В.Т., Иларионов с. А., Маркарова М.Ю., Назаров А.В. (2008). Нефтезагрязненные биогеоценозы (Процессы образования, научные основы восстановления, медико-экологические проблемы). Пермь: Изд-во уро рАН, 511 с.Bear J., Cheng A.H.-D. (2010). Modeling Groundwater Flow and Contaminant Transport. Dordrecht: Springer, XXI, 834 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6682-5Поташев К.А., Малов П.В., Бреус И.П. (2011). учет биодеградации в математических моделях транспорта органических загрязнителей в природных пористых средах. обзор современной литературы. Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки, 153(3), с. 144–170.Carey G.R., McBean E.A., Feenstra S. (2014). DNAPL source depletion: 2. Attainable goals and cost-benefit analyses. Remediation, 24(4), pp. 79–106. https://doi.org/10.1002/rem.21406Пряничникова В.В. (2018). Электрохимический способ ликвидации последствий нефтяного загрязнения грунтов: Дис. … канд. техн. наук. уфа, 162 с.Coronelli T.V. (1996) Principles and methods of intensification of biological degradation of hydrocarbons in the environment. Applied Biochemistry and Microbiology, 32(6), pp. 579–585. (In Russ.)румынин В.Г. (2020). Теория и методы изучения загрязнения подземных вод. сПб.: Наука, 559 с.Demenev A., Maksimovich N., Khmurchik V., Rogovskiy G., Rogovskiy A., Baryshnikov A. (2022). Field test of in situ groundwater treatment applying oxygen diffusion and bioaugmentation methods in an area with sustained total petroleum hydrocarbon (TPH) contaminant flow. Water, 14(2), 192. https://doi.org/10.3390/w14020192соколов Э.М., Максимович Н.Г., Мещерякова о.Ю. (2015). Формирование нефтяного загрязнения сульфатного массива в карстовых районах и методы его ликвидации. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, (2), c. 79–89.Garg S., Newell C.J., Kulkarni P.R., King D.C., Adamson D.T., Renno M.I., Sale T. (2017). Overview of natural source zone depletion: Processes, controlling factors, and composition change. Groundwater Monitoring & Remediation, 37(3), pp. 62–81. https://doi.org/10.1111/gwmr.12219Anderson M.P., Woessner W.W., Hunt R.J. (2015). Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport. Acad. Press, 630 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-21563-7Gaur V.K., Gupta S., Pandey A. (2022). Evolution in mitigation approaches for petroleum oil-polluted environment: Recent advances and future directions. Environmental Science and Pollution Research, 29, pp. 61821–61837. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16047-yBaldwin B.R., Biernacki A., Blair J., Purchase M.P., Baker J.M., Sublette K., Davis G., Ogles A. (2010). Monitoring gene expression to evaluate oxygen infusion at a gasoline-contaminated site. Environmental Science & Technology, 44(17), pp. 6829–6834. https://doi.org/10.1021/es101356tHarbaugh A.W. (2005). MODFLOW-2005, the U.S. Geological Survey modular ground-water model – the Ground–Water Flow Process: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A16. https://doi.org/10.3133/ tm6A16Baldwin B.R., Nakatsu C.H., Nies L. (2008). Enumeration of aromatic oxygenase genes to evaluate monitored natural attenuation at gasoline-contaminated sites. Water Research, 42(3), pp. 723–731. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.07.052Juwarkar A.A., Misra R.R., Sharma J.K. (2014). Recent trends in bioremediation. Parmar N., Singh A. (Eds.) Geomicrobiology and Biogeochemistry. Soil Biology, Vol. 39. Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 81–100. https://doi.org/10.1007/978-3-642-41837-2_5Bear J., Cheng A.H.-D. (2010). Modeling Groundwater Flow and Contaminant Transport. Dordrecht: Springer, XXI, 834 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6682-5Kavanaugh M.C., Arnold W.A., Beck B.D., Chin Y., Chowdhury Z., Ellis D.E., Illangasekare T.H., Johnson P.C., Mehran M., Mercer J.W., Pennell K.D., Rabideau A.J., Shapiro A.M., Siegel L.M., Walsh W.J., Ehlers L.J., Johnson S.E., Schaffer K., Aquilino J., Deguzman E., Hall A. (2013). Alternatives for managing the nation’s complex contaminated groundwater sites. Washington, DC: Nat. Acad. Press, 422 p. https://doi.org/10.17226/14668Carey G.R., McBean E.A., Feenstra S. (2014). DNAPL source depletion: 2. Attainable goals and cost-benefit analyses. Remediation, 24(4), pp. 79–106. https://doi.org/10.1002/rem.21406Logeshwaran P., Megharaj M., Chadalavada S., Bowman M., Naidu R. (2018). Petroleum hydrocarbons (PH) in groundwater aquifers: An overview of environmental fate, toxicity, microbial degradation and risk-based remediation approaches. Environmental Technology & Innovation, 10, pp. 175–193. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.02.001Demenev A., Maksimovich N., Khmurchik V., Rogovskiy G., Rogovskiy A., Baryshnikov A. (2022). Field test of in situ groundwater treatment applying oxygen diffusion and bioaugmentation methods in an area with sustained total petroleum hydrocarbon (TPH) contaminant flow. Water, 14(2), 192. https://doi.org/10.3390/w14020192Maksimovich N., Meshcheriakova O., Khmurchik V. (2019). Bacterial processes in oil-polluted karst environments in Perm region (Russian Federation). Shakoor A., Cato K. (Eds.) IAEG/AEG Annual Meeting Proceedings. Springer, Cham., Vol. 3, pp. 103–107. https://doi.org/10.1007/978-3-319-93130-2_15Garg S., Newell C.J., Kulkarni P.R., King D.C., Adamson D.T., Renno M.I., Sale T. (2017). Overview of natural source zone depletion: Processes, controlling factors, and composition change. Groundwater Monitoring & Remediation, 37(3), pp. 62–81. https://doi.org/10.1111/gwmr.12219Maksimovich N.G., Khmurchik V.T. (2015). Remediation of oil-polluted groundwater aquifers at karst region. Lollino G., Arattano M., Rinaldi M., Giustolisi O., Marechal J.C., Grant G. (Eds.) Engineering Geology for Society and Territory. Springer, Cham., Vol. 3. pp. 417–419. https://doi.org/10.1007/978-3-319-09054-2_86Gaur V.K., Gupta S., Pandey A. (2022). Evolution in mitigation approaches for petroleum oil-polluted environment: Recent advances and future directions. Environmental Science and Pollution Research, 29, pp. 61821–61837. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16047-yMaksimovich N.G., Khmurchik V.T., Meshcheryakova O.Y. (2009). Experience of groundwater purification from oil pollution by biological methods. Industrial safety and ecology, 4, pp. 34–36. (In Russ.)Harbaugh A.W. (2005). MODFLOW-2005, the U.S. Geological Survey modular ground-water model – the Ground–Water Flow Process: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A16. https://doi.org/10.3133/tm6A16McHugh T.E., Kulkarni P.R., Newell C.J., Connor J.A., Garg S. (2014). Progress in remediation of groundwater at petroleum sites in California. Groundwater, 52(6), pp. 898–907. https://doi.org/10.1111/gwat.12136Juwarkar A.A., Misra R.R., Sharma J.K. (2014). Recent trends in bioremediation. Parmar N., Singh A. (Eds.) Geomicrobiology and Biogeochemistry. Soil Biology, Vol. 39. Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 81–100. https://doi.org/10.1007/978-3-642-41837-2_5Naeem U., Qazi M.A. (2020). Leading edges in bioremediation technologies for removal of petroleum hydrocarbons. Environmental Science and Pollution Research, 27(9), pp. 27370–27382. https://doi.org/10.1007/ s11356-019-06124-8Kavanaugh M.C., Arnold W.A., Beck B.D., Chin Y., Chowdhury Z., Ellis D.E., Illangasekare T.H., Johnson P.C., Mehran M., Mercer J.W., Pennell K.D., Rabideau A.J., Shapiro A.M., Siegel L.M., Walsh W.J., Ehlers L.J., Johnson S.E., Schaffer K., Aquilino J., Deguzman E., Hall A. (2013). Alternatives for managing the nation’s complex contaminated groundwater sites. Washington, DC: Nat. Acad. Press, 422 p. https://doi.org/10.17226/14668Nwachukwu M.A. (2014). Prospective techniques for in-situ treatment and protection of aquifers: A sustainable hydrology review. International Journal of Water Resources and Environmental Engineering, 6(4), pp. 131–143. https://doi.org/10.5897/IJWREE2013.0458Logeshwaran P., Megharaj M., Chadalavada S., Bowman M., Naidu R. (2018). Petroleum hydrocarbons (PH) in groundwater aquifers: An overview of environmental fate, toxicity, microbial degradation and risk-based remediation approaches. Environmental Technology & Innovation, 10, pp. 175–193. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.02.001Oborin A.A., Khmurchik V.T., Ilarionov S. A., Markarova M.Y., Nazarov A.V. (2008). Oil polluted biogeocenoses (Processes of formation, scientific bases of restoration, medico-ecological problems). Perm: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 511 p. (In Russ.)Maksimovich N., Meshcheriakova O., Khmurchik V. (2019). Bacterial processes in oil-polluted karst environments in Perm region (Russian Federation). Shakoor A., Cato K. (Eds.) IAEG/AEG Annual Meeting Proceedings. Springer, Cham., Vol. 3, pp. 103–107. https://doi.org/10.1007/978-3-319-93130-2_15Ossai I.C., Ahmed A., Hassan A., Hamid F.S. (2020). Remediation of soil and water contaminated with petroleum hydrocarbon: A review. Environmental Technology & Innovation, 17, 100526. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100526Maksimovich N.G., Khmurchik V.T. (2015). Remediation of oil-polluted groundwater aquifers at karst region. Lollino G., Arattano M., Rinaldi M., Giustolisi O., Marechal J.C., Grant G. (Eds.) Engineering Geology forPotashev K.A., Malov P.V., Breus I.P. (2011). Accounting for biodegradation in mathematical models of transport of organic pollutants in natural porous media. Review of modern literature. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta Seriya Estestvennye Nauki, 153(3), pp. 144–170. (In Russ.)Society and Territory. Springer, Cham., Vol. 3. pp. 417–419. https://doi.org/10.1007/978-3-319-09054-2_86Pryanichnikova, V.V. (2018). Electrochemical method of liquidation of consequences of oil pollution of soils. Cand. teсh. sci. diss. Ufa, 162 p. (In Russ.)McHugh T.E., Kulkarni P.R., Newell C.J., Connor J.A., Garg S. (2014). Progress in remediation of groundwater at petroleum sites in California. Groundwater, 52(6), pp. 898–907. https://doi.org/10.1111/gwat.12136Robertson W.D., Cherry J.A. (1997). Long term performance of the Waterloo denitrification barrier. International Containment Technology Conference: Proceedings, pp. 691–696.Naeem U., Qazi M.A. (2020). Leading edges in bioremediation technologies for removal of petroleum hydrocarbons. Environmental Science and Pollution Research, 27(9), pp. 27370–27382. https://doi.org/10.1007/s11356-019-06124-8Rumanin V.G. (2020). Theory and methods for studying groundwater pollution. St. Petersburg: Nauka, 559 pp. (In Russ.)Nwachukwu M.A. (2014). Prospective techniques for in-situ treatment and protection of aquifers: A sustainable hydrology review. International Journal of Water Resources and Environmental Engineering, 6(4), pp. 131–143. https://doi.org/10.5897/IJWREE2013.0458Sokolov E.M., Maksimovich N.G., Meshcheryakova O.Y. (2015). Formation of oil pollution of sulfate massif in karst areas and methods of its elimination. Izvestiya Tula State University. Ser. Earth Sciences, 2, pp. 79–89. (In Russ.)Ossai I.C., Ahmed A., Hassan A., Hamid F.S. (2020). Remediation of soil and water contaminated with petroleum hydrocarbon: A review. Environmental Technology & Innovation, 17, 100526. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.100526Suthersan S., Koons B., Schnobrich M. (2015). Contemporary management of sites with petroleum LNAPL presence. Groundwater Monitoring & Remediation, 35(1), pp. 23–29. https://doi.org/10.1111/gwmr.12099Robertson W.D., Cherry J.A. (1997). Long term performance of the Waterloo denitrification barrier. International Containment Technology Conference: Proceedings, pp. 691–696.Tischer K., Kleinsteuber S., Schleinitz K.M., Fetzer I., Spott O., Stange F., Lohse U., Franz J., Neumann F., Gerling S., Schmidt C., Hasselwander E., Harms H., Wendeberg A. (2013). Microbial communities along biogeochemical gradients in a hydrocarbon-contaminated aquifer. Environmental Microbiology, 15(9), pp. 2603–2615. https://doi.org/10.1111/1462-2920.12168Suthersan S., Koons B., Schnobrich M. (2015). Contemporary management of sites with petroleum LNAPL presence. Groundwater Monitoring & Remediation, 35(1), pp. 23–29. https://doi.org/10.1111/gwmr.12099Wilson R.D., Mackay D.M., Cherry J.A. (1997). Arrays of unpumped wells for plume migration control by semi-passive in situ remediation. Groundwater Monitoring & Remediation, 17(3), pp. 185–193. https://doi.org/10.1111/j.1745-6592.1997.tb00594.xTischer K., Kleinsteuber S., Schleinitz K.M., Fetzer I., Spott O., Stange F., Lohse U., Franz J., Neumann F., Gerling S., Schmidt C., Hasselwander E., Harms H., Wendeberg A. (2013). Microbial communities along biogeochemical gradients in a hydrocarbon-contaminated aquifer. Environmental Microbiology, 15(9), pp. 2603–2615. https://doi.org/10.1111/1462-2920.12168Zheng C., Hill M.C., Cao G., Ma R. (2012). MT3DMS: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE, 55(4), pp. 1549–1559. https://doi.org/10.13031/2013.42263Wilson R.D., Mackay D.M., Cherry J.A. (1997). Arrays of unpumped wells for plume migration control by semi-passive in situ remediation. Groundwater Monitoring & Remediation, 17(3), pp. 185–193. https://doi.org/10.1111/j.1745-6592.1997.tb00594.xZhernov I.E., Shestakov V.M. (1971). Modeling groundwater filtration. Moscow: Nedra, 226 pp. (In Russ.)Zheng C., Hill M.C., Cao G., Ma R. (2012). MT3DMS: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE, 55(4), pp. 1549–1559. https://doi.org/10.13031/2013.42263Zheng C., Hill M.C., Cao G., Ma R. (2012). MT3DMS: Model use, calibration, and validation. Transactions of the ASABE, 55(4), pp. 1549–1559. https://doi.org/10.13031/2013.42263

The authors declare that there are no conflicts of interest present.