CC BY
47
УДК 631.4
О.Е. Шамаев, Н.В. Можарова, С.А. Кулачкова
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, oleg.shamaev. [email protected], [email protected], [email protected]
ГАЗОГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПОЧВ ПОЛЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ 30 ЛЕТ ПОСЛЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
В работе изучены газогеохимические свойства почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) рекультивированных полей фильтрации сточных вод. Выявлены структуры газовых полей автохтонного метана и углекислого газа в их органогенных и минеральных слоях. Важными экологическими функциями почв и ТПО данных территорий являются бактериальное окисление углеводородных газов, образующихся в толще антропогенных почв и мигрирующих из нижележащих грунтов, а также предотвращение и регулирование эмиссии метана и диоксида углерода в атмосферу. Показана зависимость процессов бактериального образования и окисления метана от таких факторов, как подтопление грунтовыми водами, содержание органического углерода. Изучение экологических свойств почв позволило достоверно оценить качество проведенных на полях фильтрации рекультивационных работ, в том числе выявить потенциальную опасность данной территории с санитарно-токсикологической точки зрения (заключающуюся в возможном превышении концентраций газов в атмосфере нормативных показателей ОБУВ и ПДК), а также оценить ее вклад в эмиссию парниковых газов в атмосферу.
Ключевые слова: поля фильтрации сточных вод, эмиссия парниковых газов, метаногенез, ме-танокисление.
Введение
В настоящее время значительные площади городских ландшафтов занимают техногенные поверхностные образования (ТПО). Это могут быть целенаправленно сконструированные почвопо-добные тела, а также остаточные продукты хозяйственной деятельности, состоящие из природного и/или специфического новообразованного субстрата (Шустров, 2011).
Как известно, почвы и ТПО полей фильтрации сточных вод отличаются чрезвычайно высоким содержанием парниковых газов (СН4 и С02) и являются мощным источником выделения их в атмосферу (КикЛкоуа, Mozharova, 2015). Концентрации названных газов в почвах по принятым нормативам (СП 47-13330-2012) превышают критерии пожароопасности; в атмосфере - показатели ОБУВ и ПДК (ГН 2.1.6.2309-07, ГН 2.2.5.2100-06).
В почвах и ТПО рекультивированных полей фильтрации концентрации метана снижаются, однако, в зимний период при отсутствии процессов бактериального окисления метана концентрации метана и углекислого газа увеличиваются, что ведет к прорывам их в атмосферу (Kulachkova, Mozharova, 2015).
Газогеохимическому состоянию и экологическим функциям почв и ТПО рекультивированных
полей фильтрации в периоды урбанизации не уделяется должного внимания. Не изучены городские структуры различных параметров газогеохимического состояния почв и ТПО застроенных и антропогенно-преобразованных территорий, что не позволяет выявить эмиссию и сток парниковых газов, массовые выбросы в атмосферу.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования выбрана территория рекультивированных Люблинских полей фильтрации (РПФ) (рис.1), которая в настоящее время застроена жилыми кварталами района Марьино г. Москвы. Для оценки газогеохимического состояния территории была заложена трансекта из 10 точек и проведена газовая съемка, которая включала в себя: шпуровую газовую съемку с отбором проб почвенного воздуха с разных глубин для определения концентрации газов; статический камерный метод для определения эмиссии газов с поверхности почвы (Слободкин и др., 1992; Александров и др., 1996). Все пробы воздуха отбирались в пенициллиновые флаконы, наполненные насыщенным солевым раствором. Анализ проводили на газовом хроматографе Кристаллюкс 4000М.
В лаборатории изучены физико-химические,
Рис. 1. Иловые чеки Люблинских полей
фильтрации (снимок 1942 года)
химические и биологические свойства следующими методами: удельная поверхность -методом Кутелика (Терпелец, Слюсарев, 2010), рН водной вытяжки - потенциометрическим методом (ГОСТ 26423-85), содержание органического углерода - методом Тюрина в модификации Никитина, активности бактериального окисления и бактериального образования метана -кинетическими методами (Звягинцев, 1991).
С помощью программы MapInfo Professional v.11.5 были построены тематические картосхемы вышеописанных геохимических показателей методом пространственной IDW-интерполяции.
Результаты и их обсуждение
На исследуемой территории были обнаружены урбаноземы суглинистые, а также репланто-земы супесчаные на органогенных отложениях рекультивированных полей фильтрации (рис. 2).
Реплантозем супесчаный на Урбанозем маломощный на
органогенных отложениях РПФ органогенных отложениях РПФ
Рис. 2. Почвы и ТПО рекультивированных Люблинских полей фильтрации
Отличительная характеристика реплантоземов заключается в том, что с поверхности в них присутствует насыпной агроторфяный горизонт RAT, который может содержать в себе высокое количество органического материала, служащего одним
из факторов бактериального образования метана.
Исследованные урбаноземы формируются под развитой растительностью с разнообразным видовым составом, имеют урбиковый (и) горизонт, затронутый почвообразовательным процессом, тяжелый гранулометрический состав, темную окраску. Встречаются неоглеенные и оглеееные варианты. Под агроторфяными и урбиковыми горизонтами залегают техногенные горизонты ТСН, свойства которых приведены ниже.
В результате лабораторного анализа содержания органического углерода было установлено, что территория Люблинских РПФ имеет повышенные значения данного показателя (табл. 1). Содержание углерода варьирует в довольно широких пределах: от 0.4 до 4.3%. Очевидно, это проявление остаточного содержания органического вещества осадков сточных вод, присутствующих на данной территории в результате недостаточной эффективности рекультивации территории.
Результаты проведенного измерения кислотности выявили значения рН, колеблющиеся в слабощелочном диапазоне и составляющие от 7.4 до 8.5 (табл. 1). Насыпной грунт, покрывающий территорию Люблинских РПФ, содержит большое количество обменного кальция, в результате чего реакция водной вытяжки имеет слабощелочной характер.
С величиной удельной поверхности почвенных частиц связаны явления поглощения минеральных и органических веществ, газов, парообразной и жидкой влаги, характер миграционных процессов, ряд физических и технологических свойств. По результатам проведенного анализа
Таблица 1. Физико-химические и химические характеристики ТПО техногенных горизонтов
№№ точек Горизонт Содержание органического углерода, % Удельная поверхность S, м2/г рН
5 TCH 4.35 - -
6 ТСН 20-30 см 0.78 60.19 7.62
ТСН бурый 0.82 87.29 7.95
TCH черный 2.10 122.39 7.42
7 TCH 0.55 - 8.1
8 TCH 0.44 - -
9 TCH 0.71 48.65 8.52
10 TCH 1.22 - -
Рис. 3. Бактериальное образование CH4 в нижних горизонтах почв и ТПО рекультивированных полей
фильтрации (на глубине 60 см), нг/г/час
выявлено, что с повышением содержания органического вещества наблюдается тенденция к повышению значений удельной поверхности, достигающей 122.39 м2/г (табл.1).
Максимальная скорость бактериального образования метана отмечается в зонах повышенного содержания органического углерода и повышенной влажности, обусловленной понижениями в мезорельефе (рис.3). Органическое вещество в анаэробных условиях активно вовлекается в процессы жизнедеятельности метангенерирующих бактерий и потребляется ими. Наибольшая скорость образования метана отмечена в минерально-органогенном слое (МОС) в точках №5 и №6 с соответственным содержанием органического углерода 4.35% и 2.1%. Значения скорости бактериального образования метана составляют 0.164 нг/г в час и 0.147 нг/г в час, соответственно. В МОС точек №1 и №2 отмечена более низкая активность метаногенеза. Это может быть связано с тем, что данные ТПО характеризуются более низким естественным содержанием органического
Рис. 4. Бактериальное окисление СН4 в нижних горизонтах почв и ТПО полей фильтрации
(на глубине 60 см), нг/г/час
вещества в нижних горизонтах. Отмечена низкая активность бактериального образования метана в МОС в точках №3 и №4, что объясняется тем же.
Зонам с высокой активностью бактериального образования метана соответствуют высокие показатели скорости его бактериального окисления (рис. 4). Скорость окисления метана значительно выше скорости его образования и варьирует в пределах от 0.1 до 20 нг/г в час.
МОС в точках №3 и №4 характеризуется пониженными значениями скорости
бактериального окисления. Данный слой расположен в подтопляемом понижении микрорельефа в непосредственной близости заболоченного пруда. Сформированные условия переувлажнения, вероятно, препятствуют развитию аэробных процессов окисления ввиду недостатка кислорода. Следовательно, в данной области слабо выражены аэробные процессы, о чем говорят пониженные значения скорости бактериального окисления метана в данных точках.
Неподтопляемые, с большим количеством Сорг (%) Неподтопляемые, среднее соотношение образования и
Метанокисление ■ Метан
Рис. 5. Соотношение процессов бактериального образования и окисленияметана,нг/г в час
0,2 0,18
Ц 0,12
19
I 0,1
4 5 6 7
Номера точек
Рис. 6. Концентрация СН4 в грунтовом воздухе на глубине 60 см, %
1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
Номера точек
Рис. 7. Концентрация СО2 в грунтовом воздухе (на глубине 60 см), %
МОС в точках №1 и №2 в парковой зоне, несмотря на низкую активность метаногенеза, характеризуются сопоставимыми значениями скорости бактериального окисления метана в областях с повышенной концентрацией органического вещества и высокой скоростью образования метана. Данные точки расположены в повышении рельефа. К тому же, данная область не относится к зоне подтопления грунтовыми водами, что может свидетельствовать о достаточной обеспеченности кислородом для функционирования аэробных метанокисляющих бактерий.
В результате описанных закономерностей образования и окисления метана можно заключить,
что в зонах высокого содержания органического углерода, расположенных на неподтопляемых территориях, отмечается высокая скорость ме-таногенеза и метанокисления. В МОС точки №9 отмечена пониженная скорость метаногенеза на фоне повышенного метанокисления, что может свидетельствовать о дополнительных потоках аллохтонного метана с глубины в этой области. В зоне, расположенной на подтопляемой территории, с малым количеством органики, наблюдается пониженная скорость бактериального окисления метана за счет снижения количества кислорода и, следовательно, ухудшения условий для существования аэробных метанотрофов. Однако при меньшем количестве органического вещества проявляется достаточно интенсивная скорость метаногенеза в анаэробных условиях при подтоплении данной территории (рис. 5).
Все зафиксированные концентрации метана по нормам пожароопасности, согласно СП 47-133302012 не превышают порог безопасной концентрации (0.10%) и поэтому исследуемые ТПО могут быть отнесены к категории «безопасные» (рис. 6). Однако следует отметить, что исследования проводились в летний период, когда бактериальный фильтр достигает своей максимальной активности. В зимний период его активность ослабевает, и на данной территории может наблюдаться прорыв метана и повышенное выделение его в атмосферу ввиду снижения процессов бактериального окисления.
Концентрация углекислого газа также не превышает существующих норм пожароопасности СП 47-13330-2012 и значительно ниже порога категории грунтов «безопасные» (1-5%, или 10 00050000 ррт) (рис. 7).
Эмиссия метана в атмосферу наблюдается на территориях с повышенной его концентрацией в поверхностных слоях почв и ТПО РПФ. Отмечены также и территории, где происходит сток атмосферного метана в почву, что связано с преобладанием в поверхностных горизонтах метанотрофной активности над метаногенной (рис. 8). Наибольшими значениями эмиссии характеризуются реплантоземы, а именно в точках №5-6 и №10. Значение эмиссии составляет 0.03 мг/м2 в час. Очевидно, это объясняется повышенными концентрациями метана в поверхностных горизонтах почв и этих ТПО. В урбаноземах эмиссия либо равна нулю, либо имеет отрицательное значение, что говорит о стоке атмосферного метана в почву. Вероятно, имеет место значение высокой удельной поверхности почвенных частиц и высокая активность абиотического поглощения метана. Можно
115
0,16
0,14
безо
0,06
0,04
0,02
заключить, что исследованные урбаноземы способны к
поглощению атмосферного метана, а реплантоземы не справляются с окислением образующегося метана, который выделяется в атмосферу.
Реплантоземы, сформированные на природных отложениях в парковой зоне, (точки №1 и №2), компенсируют образование метана его окислением, тем самым благополучно выполняя свою экологическую функцию утилизации метана. В точке №1 также зафиксирован сток метана в почву в процессе газообмена с приземной атмосферой.
Содержание метана в атмосферном воздухе нормируется с помощью показателя ОБУВ, который составляет около 70 ppm для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.2309-07). Полученные нами результаты измерения концентрации СН4 в приземном атмосферном воздухе в 1.5 раза больше общепланетарного уровня, однако они не превышают ОБУВ и составляют 0.04 его часть. Следовательно, с санитарно-токсикологиче-ской точки зрения данные концентрации не представляют опасности (рис. 9).
Предельно-допустимая концентрация углекислого газа рабочей зоны в воздухе населенных мест составляет 0.49%, данный порог по всей территории трансекты не превышен (рис. 10), однако в районе точек №7-10 наблюдаются повышенные концентрации СО2 в приземном слое воздуха, что, вероятно, связано с их расположением в зоне жилых застроек, где стоит учитывать также антропогенное влияние на увеличение его концентрации. В точках №1-6 наблюдаются довольно низкие значения, обусловленные потреблением СО2 растениями в процессе фотосинтеза.
Выводы
1. Главным фактором газогеохимической опасности почв и ТПО РПФ является наличие органогенных прослоев на определенной глубине и формирование поверхностных органо-минеральных горизонтов при рекультивации. Органогенные слои и горизонты характеризуются повышенным
Рис. 8. Эмиссия СН4 из почв и ТПО рекультивированных полей фильтрации, мг/м2/час
Рис. 9. Концентрация СН в приземном слое воздуха, ррт
5 6
Номера точек
Рис. 10. Концентрация СО2 в приземной атмосфере, %
содержанием органического углерода и высокой удельной поверхностью.
2. В почвах и ТПО рекультивированных полей фильтрации образование метана доминирует на территориях с повышенным содержанием органического углерода.
3. Бактериальное окисление метана в почвах и ТПО РПФ на глубине 60см в целом соответствует его бактериальному образованию, однако заметны ореолы повышенного бактериального окисления, не соответствующие бактериальному образованию метана, что свидетельствует о дополни-
тельных потоках аллохтонного метана с глубины.
4. Для реплантоземов характерна повышенная концентрация, а также активность бактериального образования метана, в урбаноземах наблюдаются пониженные значения данных показателей. Максимальная активность бактериального окисления соответствует его максимальному бактериальному образованию. Повышенные концентрации углекислого газа в почвах и ТПО на глубине 60 см связаны с зоной максимального окисления метана.
5. При пониженном содержании органического углерода для подтопляемых реплантоземов характерны более высокие показатели бактериального образования метана и низкие показатели его окисления, чем на неподтопляемых.
6. Концентрации метана и углекислого газа в атмосфере над территорией рекультивированных полей фильтрации не превышают санитар-но-токсикологические нормативы ОБУВ и ПДК соответственно. Над территорией парка, занятой древесной растительностью, концентрация метана почти не меняется; концентрации углекислого газа ниже (менее 1/4 ПДК), что, по-видимому, связано с его потреблением растительностью в процессе фотосинтеза.
7. Почвы и ТПО рекультивированных полей фильтрации соответствуют нормам пожароопас-ности по содержанию в них метана и углекислого газа и относятся к категории «безопасные». Судя по литературным данным, подобные концентрации могут привести к прорывам метана в зимнее время с увеличением его концентрации до 1/2 ОБУВ.
Список литературы
1. Александров Г.А., Соколов М.А., Степанов А.Л. Сравнительный анализ методов измерения эмиссии газов из почвы в атмосферу // Почвоведение. 1996. № 10. С. 1192 - 1194;
2. ГН 2.1.6.2309-07. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест;
3. ГН 2.2.5.2100-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Дополнение №2 к ГН 2.2.5.1313-03
4. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: изд-во МГУ, 1991. 304 с;
5. Портал карт и космических снимков Retromap URL:http://retromap.ru/m.php#l=061942&z=13&y=55.656776 &х=37.736709
6. Слободкин А.И., Паников Н.С., Заварзин Г.А. Образование и потребление метана микроорганизмами в болотах тундры и средней тайги // Микробиология. 1992. т. 61. № 4. С. 683 - 691;
7. СП 47-13330-2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96»
8. Терпелец В.И., Слюсарев В.Н. Учебное пособие по изучению агрохимических методов исследования почв. Краснодар: КубГАУ, 2010. 65 стр;
9. Шустров Ю. Д., Можарова Н. В., Кулачкова С. А. Эмиссия и утилизация парниковых газов на строительных объектах с запечатанными грунтами в Московской агломерации // Государственное Учреждение Московской области Мособлгосэкспертиза. Информационный вестник. 2011. № 4(35). С. 47-51;
10. Kulachkova S.A., Mozharova N.V. (2015) Generation, sink, and emission of greenhouse gases by urban soils of reclaimed filtration fields. Journal of Soils and Sediments, vol.15, pp. 1764-1770.
O.E. Shamaev, N.V. Mozharova, S.A. Kulachkova. Gas geochemical condition and ecological functions of soils of filtration fields after 30 years of reclamation.
The gas geochemical properties of the soils and technogenic surface formations (TSF) of reclaimed wastewater filtration fields have been studied. The structures of gas fields of autochthonous methane and carbon dioxide in their organogenic and mineral layers are revealed. The important ecological functions of soils and TSFs of these territories are the bacterial oxidation of hydrocarbon gases formed in the stratum of anthropogenic soils and migrating from the underlying layers, as well as the prevention and control of methane and carbon dioxide emissions into the atmosphere. The dependence of methane bacterial formation and oxidation processes by such factors as groundwater flooding, organic carbon content is shown. The study of ecological properties of soils allowed estimating the quality of reclamation at the filtration fields, including to reveal the potential danger of this territory from the sanitary-toxicological point of view (potential exceeding of tentative safe exposure level and maximum permissible concentration) as well as to estimate its contribution to the emission of greenhouse gases into the atmosphere.
Keywords: wastewater filtration fields; emission of greenhouse gases; methanogenesis; methane oxidation.
