Исследование загрязнения территории складирования токсичных отходов горно-металлургической промышленности тяжелыми металлами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.88:502.65

Л.В. Плющ, Е.В. Елдина

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ СКЛАДИРОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Семинар № 6

С 1967 года неутилизируемые токсичные отходы Северо-Западного региона Российской Федерации захораниваются на полигоне «Красный Бор». Предприятие располагается в бассейне р. Невы, в Тосненском районе Ленинградской области. На территории полигона производится захоронение твердых и жидких токсичных отходов горнометаллургического и металлообрабатывающих производств, химической промышленности в «синих» кембрийских глинах, средней мощностью 80 м. За более чем тридцати-летний период эксплуатации на полигоне, площадью 60 га, размещено около 1,5 млн. т отходов. К настоящему времени на территории земельного отвода полигона располагается более 70 карт-приемников отходов, более 95 % которых прекратило свою эксплуатацию. Вследствие отсутствия новых площадей для захоронения отходов, действующие карты переполнены, что приводит к повышению интенсивности водной и воздушной миграции загрязняющих компонентов с территории хранилищ.

Значительный вклад в загрязнение территории предприятия тяжелыми металлами вносит работа установок термического обезвреживания, которые при сжигании жидких отходов выбрасывают в атмосферу неочищенные газы, и котельная полигона.

Для оценки степени загрязнения прилегающих территорий полигона тяжелыми металлами была проведена снеговая съемка.

Опробование снежного покрова является важнейшим методом изучения воздействия атмосферного загрязнения на почвы и грунтовые воды, так как в снежном покрове накапливаются не только компоненты, выпадающие со снежными осадками, но и техногенная пыль переносимая и оседающая в периоды между выпадениями атмосферных осадков [1].

В исследуемом районе отбор проб снега проводился на площади около 150 км2. Общее число проб 28, средняя плотность около 1 пробы на 4 км2. Пробы были отобраны в течении 10 дней в марте - в период, предшествующий началу снеготаяния, в различных ландшафтных условиях (в лесу, на полях, на территории поселков). Для снижения влияния автомобильного транспорта пробы отбирались не менее чем в 50 м от дорог, за лесополосами.

Отбор проб производился полиэтиленовой трубой диаметром 16 см и длиной 40 см. Нижняя часть керна (1-3 см), где обычно присутствует запыленность поверхностным материалом, удалялась. В процессе пробоотбора фиксировалось количество кернов и мощность снега, что в дальнейшем позволило вести пересчеты аэротехногенных выпадений на единицу

*Работы выполнены при поддержке российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (ВКНЕ)

площади. Пробы отбирались в полиэтиленовые мешки и доставлялись в лабораторию в день отбора.

В лабораторных условиях пробы снега подвергались процедуре медленного таяния в течение 3 дней, с имитацией естественных условий таяния снега, с дальнейшей фильтрацией через бумажный фильтр «синяя лента», для определения веса минеральной пыли. Объем проб составлял в среднем 5 литров. Фильтрат подвергался химическому анализу. Твердый осадок, оставшийся на фильтре, высушивался, взвешивался, озолялся в муфельной печи с постепенным ростом температуры до 450 -500 0С в течение 2,5 часов. Озоленный остаток растворялся в царской водке и подвергался химическому анализу [2].

Сокращенный химический анализ проводился по стандартной методике, а содержание тяжелых металлов анализировалось атомно-абсорбционным методом.

В результате обработки и анализа исследований проведена компьютерная обработка и полученные данные объединены в следующие совокупности:

• концентрация растворенных форм соединений и элементов в воде (растворенная фаза);

• концентрация элементов в осадке на фильтре (твердая фаза);

• сумма концентрации элементов в жидкой и твердой фазах с расчетом общей массы выпадений на единицу площади по формуле:

(С1 + С1 1хК

С — V ж тв.)

С1 5 ’

(1)

где С‘ж и Ста. - концентрация 1-го загрязнителя в твердой и жидкой фазах, мг/л; V - объем пробы, л; 8 - площадь отбора пробы, м2.

Суммарная оценка массы выпадений на единицу площади (Си, Сг), рассчитано как:

К — Т

1—1

С

С

ф

-{п-1)

(2)

где С1 - суммарное выпадение элемента в данной точке, Сф - фоновое значение суммарного выпадения элемента в районе, п -количество элементов.

По химическому составу талые воды ультрапресные, с минерализацией в среднем 14,2 мг/л (от 7,8 до 29,4 мг/л), хло-ридно-гидрокарбонатно-каль-циевые.

Водородный показатель имеет большое значение для понимания геохимических процессов в почвенном покрове и зоне аэрации. Показатель рН талых вод является индикатором техногенного геохимического воздействия. Среднее значение рН-6,2 (от 5,2 до 7,3) единиц, что выше на 1 единицу по сравнению с фоновыми по Ленинградской области. Наиболее высокие значения рН полигона «Красный Бор», свалки и рек Малой и Большой Ижорки.

Анионы. Содержание гидрокарбонат-иона в среднем 4,2 мг/л (от 3,7 до 22,0 мг/л), однако несколько ниже фоновых значений для Ленинградской области. Максимальное содержание НС03 - 22 мг/л. Следует отметить, что для этой пробы характерно повышенное содержание почти всех макро- и микроэлементов, а также высокая запыленность. На остальной территории аномальных концентраций не выявлено.

Содержание хлоридов составляет 4,4 мг/л (от 3,6 до 8,9 мг/л), что превышает фоновое значение, которое составляет 1,67 мг/л, то есть содержание хлоридов, устойчиво превышает фоновый уровень.

Содержание сульфат-ионов в среднем 1,7 мг/л (от 0,1 до 4,9 мг/л), что почти в два раза ниже фонового значения 3,0 мг/л. Снижение концентрации почти в два раза, вероятно, определяется двумя факторами:

• мягкой малоснежной зимой с коротким периодом снегонакопления,

• снижением объемов производства на крупных предприятиях.

Таблица 1

Данные сопоставления данных по растворенной фазе в районе полигона с фоновыми данными

Элементы Увеличение относительно фона

По концентрации По массе выпадений на единицу площади *

Мп, Си, гп, еа, Бг 1,5 - 2,5 2 - 4,5

БІ, Ее, Ва ,5 1 ,5 2, 5 - 6,5

А1, № 7 - 9 14 - 15

ТІ 20 40

Примечание: * - Данные по изученному району увеличены в 5 раз за счет приведения к нормальному периоду существования снежного покрова (ориентировочно 100 дней)

Содержание нитрат-иона в среднем 2,0 мг/л (от 0,5 до 5,0 мг/л) близко к фоновому содержанию - 1,9 мг/л.

Катионы. Среднее содержание кальция в снеговой воде составило 1,1 мг/л (от 0,5 до 4,5 мг/л), фоновое содержание 0,7 мг/л.

Для калия, магния и натрия характерны близкие средние концентрации и аналогичное пространственное распределение.

Таким образом, макрокомпонентный состав снеговой воды по концентрации основных металлов мало отличается от регионального фона.

Сопоставление полученных данных по растворенной фазе с характерными фоновой совокупности по концентрации элементов и по массе выпадений на единицу площади представлены в табл. 1.

Концентрация всех микроэлементов в снеговой воде и количество их выпадений в растворенных формах в районе полигона, относительна фона, повышена в среднем в 5 раз.

Из данных табл. 1 видно, что оценки по количеству выпадений в 1,8-2 раз больше, чем по концентрации, что примерно соответствует разнице оценок вла-гозапаса и подтверждает верность принятого допущения.

По отношению концентраций элементов в твердой и растворенной формах в снежном покрове изучаемого района элементы группируются следующим образом:

• преобладание в твердой фазе: А1, Т1, Бе, РЬ, Сг, Мп, Ва, 8 - в 1,2 - 1,6 раз,

• примерно равное соотношение в фазах: Си, Сё, N1, 8г, К, Mg,

• преобладание в растворенной фазе: 2п - 1,8 раза, Са - 4 раза, № - 9 раз.

Приведенное соотношение концентраций элементов в разных фазах соответствует в целом поведению элементов в ги-пергенном геохимическом цикле.

Особенности состава твердой фазы снега проявляются при сопоставлении с характеристикой подстилающей поверхности (табл. 2).

Этот ряд показывает приоритетные загрязнители, связанные с твердой фазой в изученном районе. В соответствии с проведенными анализами неорганических отходов полигона основными загрязнителями по концентрации являются Сг и Си, что практически совпадает с данными снеговой съемки.

До настоящего времени для оценок уровня загрязнения снежного покрова сопоставляли коэффициент суммарного загрязнения с местным фоном. В данном случае это не допустимо вследствие того, что данный район является одним из наиболее загрязненных по Ленинградской области.

Региональные фоновые оценки суммарных выпадений (в форме мг/м2) имеются только для А1, Бе, Мп, Т1 и они примерно вдвое выше использованного районного фона.

Таблица 2

Состав твердой фазы снега по коэффициенту обогащения

Элемент Сd S Pb №, О-, Zn Sr, 15п Fe, Mn Mg, Е, Ca Al, Ti

Коэффициент обогащения 60 25 15 5-7 3 1 0,6- 0,7 0,3-0,5 <0,3

Примечание: 8, К, №, Mg, Са - относительно кларка в почвах, остальные элементы - относи-

тельно оценок регионального фона

Таблица 3

Воздействие тяжелых металлов на растения

Тяжелый металл Механизм воздействия Результат воздействия

Алюминий Через почвенные растворы Ограниченный и анормальный рост корней, краевой хлороз листьев, деформация растений

Мышьяк Через почвенные растворы Накопление в тканях растений, в том числе и в съедобной части овощей, фруктов; замедление роста растений; сбрасывание игл и гибель тонких корней хвойных растений

Кадмий Оседание аэрозолей через почвенные растворы Замедление роста растений, хлорозы; воздействие на корневую систему, препятствует поглощению некоторых элементов

Медь Через почвенные растворы Накопление в тканях растений, замедление роста растений

Свинец Оседание аэрозолей через почвенные растворы Накопление в тканях растений, замедление фотосинтеза и транспирации

Ртуть Через почвенные растворы, испарение с поверхности почвы Некроз растений

Никель Через почвенные растворы Замедление роста растений

Селен Через почвенные растворы Накопление в тканях растений

Ванадий Через почвенные растворы Накопление в тканях растений

Для растворенной фазы местный фон выпадений по большинству микроэлементов существенно выше регионального. Для твердофазных выпадений данные по региональному фону тяжелых металлов отсутствуют.

Тем не менее, несмотря на крайне высокое значение фоновых концентраций тяжелых металлов в районе полигона «Красный Бор» наблюдаются значительные их превышения так: средняя концентрация хрома повышена в 3 раза, меди в 3,5 раза, цинка в 4,5 раза, свинца и

никеля в 6 раз, а кадмия даже в 30 раз. С учетом приведенных сведений, очевидно, что если рассчитать коэффициент суммарного загрязнения в изучаемом районе не относительно местного, явно повышенного фона, а относительно регионального фона, то уровень коэффициента существенно повысится и в аномальных полях, скорее всего, достигнет нормативной границы опасного уровня.

Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод, что основной

вклад в аэротехногенное загрязнение полигона и его периферии вносят хлориды (100 кг/га), катионы в растворимой фазе (25 кг/га), взвешенные вещества (1260 кг/га) и тяжелые металлы, такие как Си (103 кг/га в растворенной фазе и 0,23 кг/га в твердой), N1 (137 кг/га в растворенной фазе, 0,25 в твердой), 2и (565 кг/га в растворенной фазе,0,86 кг/га в твердой) и Сг (0,18 кг/га в твердой фазе).

Загрязнения воздуха и почв в зонах влияния техногенного массива приводят к трансформации различных компонентов природной среды:

• атмосферного воздуха,

• приповерхностных отложений,

• поверхностных и подземных вод,

• биотических компонентов (люди, животные, растения, микроорганизмы).

Качественные и количественные характеристики загрязнения зависят от типа отходов, хранящихся в техногенном массиве, условиями их складирования и хранения [4].

1. Беус А.А., Грабовская Н.В. и др. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1976.

2. Василенко В.Н., Назаров И.М. и др. Мониторинг загрязнения снежного покрова. - М.: Гидрометеоиздат, 1985.

3. Загрязнение воздуха и жизнь растений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

4. Нижерадзе Т.Н. и др. Отчет обследования экологического состояния почвогрунтов, по-

Загрязнение почв тяжелыми металлами вызывает нарушения нормальных циклов развития растений, приводит к задержанию или полному выпадению фенофаз. Существуют различные механизмы воздействия микроэлементов на растения (табл. 3).

Наиболее распространенный путь -проникновение тяжелых металлов в растения через почвенные растворы. Реже микроэлементы попадают в ткани растения через листья. Экспериментами доказано [3], что поглощение листьями тяжелых металлов обычно ограничено и на порядок ниже, чем их поглощение корнями растений.

Таким образом, воздействие техногенных массивов (в частности, содержащих тяжелые металлы и нефтепродукты) вызывает глубокие отрицательные изменения растительного покрова, подрывает его восстановительный потенциал.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

верхностных и грунтовых вод в районе полигона «Красный Бор», - Л.: НПП «Экофи», 1991.

5. Чехин Л. П. Отчет по оценке поступления техногенных веществ с атмосферными осадками в зимний период на территорию северозападной части Ленинградской области. - Л.: ВИН «Гефест», 1991.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------

Плющ Л.В. - ассистент кафедры геоэкологии, эксперт по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу,

Елдина Е.В. - аспирантка кафедры геоэкологии,

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет).