CC BY
19
УДК 631.45:632.95.024.4 И. Н. Ташкинова
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРУКТУРАТОРА
НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И СНОСА, СОДЕРЖАЩИХ АМИНО-
И НИТРОАРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Ключевые слова: экологическая безопасность, отходы строительства и сноса, структуратор, анилин, нитробензол,
фитоиндикация.
Рассмотрена возможность применения структуратора почв на основе минеральных отходов строительства и сноса объектов химической промышленности. Экспериментальными исследованиями доказана экологическая безопасность исследуемого структуратора почв. Обоснованы методы, позволяющие выявить предельное содержание продуктов и полупродуктов анилинового производства в минеральных отходах строительства и сноса, при котором их использование в качестве структуратора для восстановления нарушенных почв будет экологически безопасным.
Keywords: environmental safety, construction and demolition waste, structure-forming agent, aniline, nitrobenzene, phytoindication.
The possibility of using a soil structure-forming agent based on mineral construction and demolition waste of chemical industry facilities is considered. Experimental studies have shown the ecological safety of soil structure-forming agent. Methods to identify the limiting content of products and semi-products of aniline production in mineral construction and demolition wastes, which their use as a structure-forming agent for the restoration of disturbed soils will be environmentally safety are justified.
В Пермском крае более 4500 предприятий, эксплуатирующих 11299 химические
производственные объекты. Основная проблема таких объектов - большой износ производственных мощностей. На некоторых предприятиях он достигает 70% [1]. Такая ситуация наблюдается в металлургической, химической и других отраслях промышленности. Объекты промышленности с высокой степенью износа развиваются по двум основным направлениям: 1) модернизация промышленных зданий, сооружений, внедрение новых технологий, усовершенствование устаревших технологических циклов; 2) в случае отсутствия финансовых возможностей для модернизации наступает процедура выведения предприятия из эксплуатации с последующей консервацией или ликвидацией. Оба направления развития содержат этапы строительства, сноса, демонтажа, реконструкции зданий и сооружений, при которых образуется значительное количество отходов строительства и сноса (ОСС). Ликвидация одного сооружения на территории предприятия химической отрасли может привести к образованию десятков тысяч тонн ОСС [2].
Большая часть ОСС в России, в том числе и в Пермском крае, вывозится на полигоны для твердых коммунальных отходов (ТКО) и
несанкционированные свалки, и только около 10 подвергается переработке [3]. Общий объем образования ОСС в РФ составляет более 17,6 млн. тонн в год. За последние 5 лет доля ОСС, подвергающихся переработке и вторичному использованию, значительно уменьшилась - с 91,0 до 43,8 %, что должно было повлечь прирост отходов, поступающих на захоронение и хранение, но, по тем же официальным данным, фактически на полигоны и площадки временного хранения поступило только 2,1 млн. тонн ОСС (12 % от объемов образования) [4], что говорит о появлении
таких отходов на свалках и в местах несанкционированного размещения в объеме превышающем 7,5 млн. тонн (около 45 % масс.).
Одним из перспективных направлений вторичного использования данного типа отходов является дробление, фракционирование и применение в рекультивации нарушенных территорий. На этапе технической рекультивации производится подготовка территории,
выравнивание, выполаживание, что часто требует значительного количества минеральных материалов, структурирующих почву (структураторов), улучшающих аэрацию, таких как: трава, сено, древесные опилки, щепки коры, цеолит, вермикулит и др. [5]. Применение структуратора на основе минеральных ОСС позволит снизить объемы добычи первичных природных ресурсов, используемых в качестве структурообразователей почвы, снизить затраты на восстановление нарушенных земель, а также значительно сократить площади полигонов ТКО и несанкционированных свалок. При этом, требования к вторичному структуратору будут приравнены к нормам безопасности для почв [6], в связи с чем актуальным становится исследование экологической
безопасности ОСС, образующихся при строительстве, сносе, демонтаже, реконструкции зданий и сооружений химической промышленности, с целью их использования в качестве основы для структуратора почв.
Экспериментально проанализирована
возможность использования минеральных ОСС промышленных зданий и сооружений, содержащих амино- и нитроароматические соединения, в качестве структуратора почв. Объектом исследования стали минеральные отходы сноса и демонтажа, образовавшиеся при ликвидации цехов анилинового производства, содержащие анилин и нитробензол в известных количествах.
Исследование экологической безопасности структуратора на основе минеральных ОСС выполнено методами фитоиндикации («метод проростков» [7-9] и «Фитотест» [10]). Выполнено сравнение данных, полученных вторым методом, с ранее определенным классом опасности ОСС путем биотестирования.
1. Исследование экологической безопасности структуратора на основе минеральных ОСС «методом проростков»
В качестве модельного тест-растения использовался овес. Для эксперимента отбирались неповрежденные (недеформированные) семена овса, всхожесть которых составляла не менее 95 %. В ходе опыта наблюдали за следующими показателями: время появления всходов и их число на каждые сутки; общая всхожесть (в конце опыта); длина наземной части растений (2-3 раза в ходе опыта). По окончании опыта измерялась длина корней; взвешивалась биомасса наземной и подземной частей высушенных растений.
Выполнено моделирование по внесению в почву структуратора на основе минеральных ОСС с различным содержанием анилина и нитробензола. Для контроля брали незагрязненную почву, взятую на условно чистой территории (лесопарковая зона). Согласно проведенному предварительному патентному обзору было выбрано 30 %-ное содержание структуратора для всех проб почвогрунта в эксперименте. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты исследования фитотоксичности почвы, содержащей
структуратор на основе минеральных ОСС, методом проростков
Код проб ы * Анил ин, мг/кг Нитробен зол, мг/кг Энергия прораста ния (В), % Фитоток си-ческий эффект (Фэпр) Класс токсичност и**
1 832,3 121,3 58 1,83 VI (ЗНС)
2 671,6 97,9 75 1,50 VI (ЗС)
3 467,7 120,3 83 1,46 VI (СС)
4 199,7 29,1 58 1,13 VI (СС)
5 113,7 16,6 75 1,56 VI (ВС)
6 27,1 6,9 75 1,50 VI (ЗС)
7 9,3 1,4 75 1,23 VI (СС)
1П 830,0 210,0 83 0,66 III (СТ)
2П 121,0 54,0 83 1,00 V -Н)
К - - 66 -
* К - условно чистая проба почвы. Размер фракции структуратора: пробы с кодом 1-7: 1-10 мм; с кодом 1П-2П: 0-1 мм
** Характеристика класса токсичности: ЗНС -значительная стимуляция, ЗС - заметная стимуляция, СС -средняя стимуляция, ВС - выраженная стимуляция, СТ -средняя токсичность, Н - норма
С возрастанием концентраций анилина и нитробензола в структураторе показатель продуктивности овса увеличивается.
Порошкообразные пробы с дисперсностью 0-1 мм
(1П: анилин - 830 мг/кг, нитробензол - 210 мг/кг; 2П: анилин - 121 мг/кг, нитробензол - 54 мг/кг) преобладают над контролем по результатам всхожести семян. Также с повышением концентрации анилина и нитробензола в структураторе наблюдается увеличение
стимулирующего действия грунта (по классу токсичности почв, содержащих структуратор). В пробе 1 - VI («значительная стимуляция»); в пробе 7 - VI («средняя стимуляция») (табл.1). В пробе 1П с концентрацией схожей с пробой 1 зафиксирована «средняя токсичность» (III), что может быть обусловлено маленьким размером частиц структуратора, что способствует увеличению площади взаимодействия. Следовательно, имеет смыл использовать более крупные фракции структуратора (1-10 мм и более).
В качестве дополнительного индикатора процессов борьбы растительного тест-объекта с токсичными органическими веществами было предложено использовать содержание в полученной растительной биомассе аскорбиновой кислоты. Определение аскорбиновой кислоты проводилось йодометрическим методом [11]. Оптимальное содержание аскорбиновой кислоты в овсе должно составлять около 132 мг/100 г [12]. Анализ содержания аскорбиновой кислоты в биомассе растительных тест-объектов показал,
незначительное возрастание токсичности почвы с увеличением концентрации амино- и нитроароматических продуктов органического синтеза в структураторе - рис.1.
£ 0 9 27 114 121 200 468 672 830 832
Содержание анилина в пробе ОСС, мг/кг
0 1 7 17 54 29 120 97 210 121 Содержание нитробензола в пробе ОСС, мг/кг
Рис. 1 - Содержание аскорбиновой кислоты в биомассе растительных тест-объектов, полученных на почвенных пробах с внесенным структуратором на основе ОСС
2. Исследование экологической безопасности структуратора на основе минеральных ОСС методом «Фитотест»
«Фитотест» основан на способности семян адекватно реагировать на экзогенное химическое воздействие путем изменения интенсивности прорастания корней, что позволяет длину последних принять за показатель тест-функции. Критерием вредного действия считается ингибирование роста корней семян. Фитотоксическое действие считается доказанным, если фитоэффект (Ет) составляет 20 % и более.
«Фитотест» предполагает использование единого модельного тест-растения и единого способа воздействия отходов на семена, что позволяет повысить достоверность результатов при определении степени экологической безопасности отходов. Данная методика предназначена для установления суммарной токсичности и класса опасности отходов по фитотоксическому действию среднеэффективного и порогового разведений экстракта из отходов [10].
В данном методе фитотоксичность структуратора на основе минеральных ОСС оценивалась по биологическому действию его водного экстракта. Исходя из принципа экстремальности, исследования проводились в условиях прямого контакта тест-растения с экстрактом структуратора или его разведениями. Проращивание семян осуществлялось в чашках Петри с фильтровальной бумагой, куда вносился водный экстракт исследуемого структуратора. Каждая проба подвергалась экспериментальной оценке в трёх разведениях, полученных из водных вытяжек структуратора на основе минеральных ООС: в 100 раз, в 50 раз, нативный раствор.
Выполнен расчет параметров фитотоксичности и оценка опасности ОСС разных фракций, являющихся основой для структуратора почв (табл. 2).
Таблица 2 - Результаты исследования фитотоксичности структуратора на основе минеральных ОСС методом «Фитотест»
Код пробы * Анилин, мг/кг Нитробензол, мг/кг Фито-эффект (Et), % Тест реакция семян / класс опасности ОСС
1 832,3 121,3 0 Норма/4
2 671,6 97,9 0-9 Норма/4
3 467,7 120,3 0-32 Норма, эффект торможения / 4
4 199,7 29,1 0-9 Норма/4
5 113,7 16,6 0-9 Норма/4
6 27,1 6,9 0-9 Норма/4
7 9,3 1,4 0 Норма/4
1П 830,0 210,0 0 Норма/4
2П 121,0 54,0 0 Норма/4
* Размер фракции структуратора: пробы с кодом 1-7: 1-10 мм; c кодом 1П-2П: 0-1 мм
В ходе эксперимента наблюдалась следующая закономерность: с увеличением содержания анилина в структураторе длина проростков возрастает, с увеличением концентрации нитробензола в структураторе длина проростков овса уменьшается. По данным эксперимента при действии нативного раствора в пробе 3 наблюдается «эффект торможения», но согласно методике [10], если токсический эффект зафиксирован только при действии нативного экстракта, а его разведения
проявляют индифферентность относительно семян, то отходу автоматически присваивается 4 класс опасности.
В ходе экспериментальных исследований по оценке экологической безопасности структуратора на основе минеральных ОСС, содержащих анилин и нитробензол, методами фитоиндикации, было установлено, что анилин и нитробензол не оказывают явного угнетающего действия на показатели продуктивности растительных тест-объектов. Анализ содержания аскорбиновой кислоты в биомассе растительных тест-объектов показал, незначительное возрастание токсичности почвы с увеличением концентрацией амино- и нитроароматических продуктов органического синтеза в ОСС. По результатам фитоиндикации методом проростков и «Фитотеста» ОСС с содержанием анилина в диапазоне 9,317 - 830 мг/кг и нитробензола в диапазоне 1,358 - 210 мг/кг признаны экологически безопасными. Тест-реакция соответствует норме. Минеральным ОСС для получения структуратора почв присвоен 4 класс опасности («малоопасные»).
Полученные результаты определения класса опасности соответствуют результатам ранее проведенного биотестирования проб исследуемых ОСС на дафниях (Daphnia magna Straus) и протококковых водорослях (Scenedesmus guadricauda (Turp.) Breb.) [13].
Предложенное процентное содержание минерального структуратора в почве (30%) отнесено к безопасному для окружаюшей среды согласно показателям фитоиндикации. Также в соответствии с полученными данными для получения структуратора на основе исследованных минеральных ОСС рекомендовано использовать фракцию 1-10 мм и более.
Примененные методики охарактеризованы как достаточные для исследования минеральных рекультивационных материалов. В качестве дополнительного метода оценки экологической безопасности может быть рекомендован йодометрический анализ содержания аскорбиновой кислоты в биомассе растительных тест-объектов, полученных в эксперименте «методом проростков».
Структуратор на основе минеральных отходов сноса и демонтажа, образовавшихся при ликвидации цехов анилинового производства, содержащих анилин и нитробензол, может быть рекомендован к использованию при восстановлении нарушенных и загрязненных земель, а также при: разработке месторождений полезных ископаемых, торфа; прокладке трубопроводов, проведении
строительных, мелиоративных, геологоразведочных, испытательных, эксплуатационных и иных работ, связанных с нарушением почвенного покрова; строительстве, эксплуатации и консервации подземных объектов и коммуникаций; ликвидации накопленного экологического ущерба.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-00411 мол а.
Литература
1. К. Бахарев, Российская газета. Экономика Поволжья, 517 (2010).
2. И.Н. Швецова, Г.М. Батракова, Е.С. Ширинкина, Строительные материалы, 8, 46-48 (2012).
3. Б.Б. Бобович, Переработка отходов производства и потребления. Справочное издание. Интермет-Инжиниринг, Москва, 2000. 496 с.
4. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2016 году».
5. Д.Д. Верзакова, И.Н. Ташкинова, Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием для молодых ученых, аспирантов, студентов и школьников «Химия. Экология. Урбанистика» (Пермь, Россия, 20-21 апреля 2017 г.). Материалы конференции. Пермь, 2017. С. 24-27.
6. Е.С. Азматова, А.В. Мякишева, И.Н. Ташкинова, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика, 3(23), 110-125 (2016), doi: 10.15593/24095125/2016.03.08.
7. И.Н. Волкова, Экологическое почвоведение. Методические указания к лабораторным занятиям студентов-экологов. Яросл. гос. ун-т, Ярославль, 2002. 35 с.
8. И.С. Кауричева, Почвоведение. Учебное пособие. Агропромиздат, Москва, 1989. 720 с.
9. И.С. Кауричева, Практикум по почвоведению: учеб.пособие, Колос, М., 1980. 272 с.
10. МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности.
11. В.П. Гуськова, Химические методы исследования свойств сырья и продукции. Методические указания к лабораторным занятиям. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, Кемерово, 2007. 29 с.
12. Д. Дэвис, Биохимия растений. Учебное пособие. Мир, М., 1966. 488 с.
13. И.Н. Швецова, Автореф. дисс. к.т.н., Московский гос. строительный университет, Москва, 2013. 18 с.
© И. Н. Ташкинова - к.т.н., доцент, кафедра «Охрана окружающей среды», ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ), e-mail: [email protected].
© 1 N. Tashkinova - PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Environmental Protection, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), e-mail: [email protected].
