CC BY
19
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОСХОДЯЩЕГО МАССОПЕРЕНОСА ПОЧВЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
© Федосеева Е.Н.*, Занозина В.Ф.*, Самсонова Л.Е.*
Научно-исследовательский институт химии Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского,
г. Нижний Новгород
Для экспериментального определения параметров массопереноса загрязняющих веществ из нижележащих слоев почвы к ее поверхности (восходящий массоперенос) созданы колонны-лизиметры специальной конструкции с возможностью отбирать пробы грунта на различных высотах над загрязненной почвой. Устройство колонн позволяет варьировать температурно-влажностный режим содержания грунтов.
Ключевые слова: загрязняющие вещества (поллютанты), колонна-лизиметр, миграция, восходящий массоперенос.
Актуальной проблеме распространения в почве загрязняющих веществ различной природы посвящено значительное количество исследований [1-4]. Однако в научной литературе подробно освещаются закономерности латеральной и нисходящей миграции поллютантов, а массоперенос из подлежащих слоев к поверхности почвы практически не рассмотрен. Тем не менее, данную проблему нельзя оставлять без внимания по ряду причин.
Химические соединения различного класса опасности могут локализоваться под слоем чистого грунта различной мощности, например, при захоронениях. Особенно опасна такая ситуация в случае несанкционированного захоронения, когда толщина слоя чистого грунта незначительна, а поллю-танты просто «присыпаны» землей. В подобных обстоятельствах существует вероятность подъема химических соединений к поверхности [5]. Действие капиллярных и поверхностных сил, способствующих миграции загрязнений к поверхности, может проявиться и при использовании технологий закачки реагентов в нижние горизонты, например, при добыче сланцевого газа. При этом особенно необходимо быть уверенным, что верхний слой почвы останется незагрязненным.
Общепринятым методом установления миграционных параметров движущихся в почве соединений, в том числе органических соединений и тяжелых металлов, является лизиметрический [6]. Конструкции колонн-лизиметров отличаются размерами, способом установки, устройством. Чаще всего лизиметры используются для исследований инфильтрации воды атмосфер-
* Научный сотрудник, кандидат химических наук.
* Заведующий лабораторией, кандидат химических наук. " Аспирант.
ных осадков, а также растворенных в ней веществ сквозь толщу почвы [7]. В соответствии с данной задачей отбор проб растворов для анализа производится только снизу аппаратов.
С целью установления характеристик восходящей миграции загрязняющих веществ был создан и испытан лизиметр оригинальной конструкции. Схематическое изображение лизиметра представлено на рис. 1.
Колонна лизиметра представляет собой герметично закрытый снизу цилиндр из полипропилена высотой 1 м, диаметр 0.110 м (рис. 1, позиция 1). В нижней части колонны предусмотрен штуцер (4) для подачи воды из резервуара (5). Гибкое соединение позволяет при необходимости повышать или понижать уровень воды в колонне. Материалы резервуара и соединительного шланга (6) обеспечивают свободное наблюдение за установившимся уровнем воды. Таким образом, резервуар и колонна представляют собой сообщающиеся сосуды. В боковой стенке колонны предусмотрены технологические отверстия (3), снабженные съемными крышками. Эти отверстия служат для отбора проб исследуемой почвы на различных высотах. Нижнее отверстие находится на высоте 20 см от дна, следующие - с интервалом 15 см от друг от друга. Верхняя часть колонны оставалась открытой в течение всего времени наблюдений.
1 - колонна из ПВХ, 2 - нижний загрязненный исследуемым поллютантом слой грунта,
3 - технологические отверстия для отбора проб, 4 - штуцер системы подачи воды, 5 - сосуд для воды, 6 - соединительный шланг, 7 - измеритель-регулятор температуры с датчиком, 8 - инфракрасная лампа
Рис. 1. Схема лизиметрической установки для определения параметров восходящей миграции поллютантов в различных температурно-влажностных условиях
Для имитирования смены погодных условий или суточного колебания температур поверхности почвы колонну-лизиметр оснащали периодически включающейся инфракрасной лампой (8). Постоянство заданной температуры верхнего слоя почвы обеспечивали подключением лампы через автоматическое термореле (7). Датчик температуры при этом можно устанавливать на любой заданной глубине. В эксперименте глубина зоны прогрева составляла 10 см от поверхности.
В проведенных экспериментах в качестве материала грунта был выбран промытый песок, высушенный до остаточной влажности ~6 мас. %. Песок массой 2 кг с предварительно внесенным в него исследуемым загрязняющим веществом помещали на дно колонны-лизиметра. Высота слоя модельной загрязненной песчаной почвы составляла 18 см (2). Выше насыпали чистый песок, масса которого составляла 10 кг, а высота слоя - 75 см.
Отбор проб песка из колонн на различных уровнях осуществляли периодически, выбирая часть соответствующего слоя через технологические отверстия. Сплошность заполнения колонны после отбора проб восстанавливали, принудительно осаживая верхние слои песка. По мере необходимости верхний слой восполняли чистым песком.
Время выдержки систем варьировали от 30 дней до нескольких месяцев. На начальном этапе эксперимента периодичность отбора проб составляла 7 дней. После примерно 2 месяцев выдержки в заранее определенных условиях промежуток времени между отборами проб увеличивали.
Влажностный режим содержания грунтов варьировали, поддерживая такое распределение влаги по высоте колонн-лизиметров, которое имитировало различные природно-климатические условия: подтопление загрязненных почв грунтовыми водами, выпадение сезонного количества осадков, засушливые периоды. В отобранных образцах песка гравиметрическим методом определяли влажность, высушивая навеску до постоянной массы при комнатной температуре.
Исследования проводили по целому ряду поллютантов различной природы: катионы тяжелых металлов в наиболее подвижной растворимой форме; нефтепродукты различной летучести (от легколетучей бензиновой фракции, до тяжелых мазутов и нефтяных остатков); смеси нефтепродуктов и тяжелых металлов; бенз(а)пирен.
Содержание исследуемого загрязняющего вещества на различных высотах колонны-лизиметра определяли по методикам анализа соответствующего компонента в почвах. При загрязнении нефтепродуктами поллютант из воздушно-сухого песка извлекали экстрагированием СС14. Его содержание в отобранных образцах определяли ИК-спектральным методом (ИК-Фурье спектрофотометр IRRAFINITY-1 Shimadzu). Использовали полосы поглощения в диапазоне волновых чисел 2700-3100 см-1. Измерения велись с учетом фонового спектра холостой пробы. Для контроля содержания
бенз(а)пирена в пробах песка применяли метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (Shimadzu LC 20АБ). Экстрагирование бенз(а)пирена из проб песка проводили ацетонитрилом. Для определения содержания тяжелых металлов использовали атомно-абсорбционный метод. Измерения проводили на приборе Shimadzu АА-7000 с пламенным и электротермическим атомизаторами.
В результате применения описанной методики экспериментально был установлен ряд закономерностей восходящего массопереноса загрязняющих веществ в песчаной почве.
1. Массоперенос тяжелых металлов.
Концентрация тяжелых металлов (Си, №, Cd, РЬ, Ая, 2п) в загрязнении превышала ПДК в 3-33 раза. Продолжительность наблюдения составляла 90 дней. Влажность песчаного слоя на высотах до 35 см над уровнем загрязненной почвы изменяли от 3 до 20 мас. %. В этих условиях, начиная с высоты 15 см над границей между загрязненной и чистой почвами, содержание тяжелых металлов не превышало значений фона чистого песка. Тяжелые металлы обнаруживаются только в узком, примыкающем к загрязненной почве, слое с превышением ПДК по всем определявшимся катионам, кроме свинца. Увеличение содержания влаги в песке в указанном диапазоне не изменяет результата. Лишь при полном затоплении всей почвы водой в поверхностном слое песка через 11 дней наблюдений обнаружен мышьяк, содержание которого достигло уровня ПДК. Ежедневный нагрев поверхности песка до 40 оС в течение 4-6 часов влияния на миграцию поллютантов не оказал. Присутствие нефтепродуктов в загрязнении совместно с тяжелыми металлами также не повлияло на миграционные параметры.
2. Миграция бенз(а)пирена.
Бенз(а)пирен был внесен в модельную загрязненную почву с превышением ПДК в 10 раз. Влажностные режимы: имитирующий полное затопление почвы вплоть до поверхности, моделирующий выпадение сезонного количества осадков. За 56-дневный период наблюдений установлено, что распределение бенз(а)пирена в слое чистого песка при поддержании режима влажности, имитирующего осадки, на высоте 15 см от загрязнения концентрация бенз(а)пирена не превышает безопасного уровня. В случае полного затопления колонны водой за тот же период времени устанавливается следующее распределение исследуемого поллютанта по высоте: 0-30 см над загрязнением - 0.009 мг/кг, 30-50 см - 0.004 мг/кг, выше бенз(а)пирен не обнаруживается. Выявленные концентрации ниже ПДК бенз(а)пирена в почвах, составляющего 0.02 мг/кг.
3. Миграция нефтепродуктов.
При использовании в качестве источника загрязнения мазута в количестве 5000 и 100000 мг/кг уже через 7 суток наблюдений вне зависимости от условий содержания обнаружена ограниченная по высоте миграция нефте-
продуктов в чистый песок (рис. 2). При увеличении длительности наблюдений характер распределения нефтепродуктов по высоте практически не изменяется.
Рис. 2. Концентрация нефтепродуктов с (мг/кг) в песке над загрязнением на различных высотах h (см) через 7 суток от начала наблюдений при различных условиях: сисх мазута 5 х 103 мг/кг -(1, 3); 1 х 105 мг/кг - (2); без дополнительного увлажнения песка - (1, 2); подтопление водой загрязненного слоя - (3)
Высокая начальная скорость миграции и ограниченная высота подъема показывают, что одним из механизмов массопереноса нефтепродуктов является капиллярное поднятие по пустотам (порам) песчаного слоя [5].
Выводы: экспериментальными исследованиями, проведенными в лизиметрах оригинальной конструкции, установлено, что в песчаном грунте имеет место ограниченный восходящий массоперенос нефтепродуктов. Существенную роль в данном явлении играют капиллярные силы. Миграция тяжелых металлов и бенз-а-пирена в исследованных условиях обнаружена лишь в узком слое, примыкающем к загрязнению.
Список литературы:
1. Рогозина Е.А. // Нефтегазовая геология. Теория и практика. - 2006. -№ 1. - C. 1.
2. Pascuzzi S., Russo G, Scarascia Mugnozza G, Verdiani G., Lagattolla G. // Procedia Environmental Sciences. - 2013. - № 19. - P. 671.
3. Comegna A., Coppola A., Dragonetti G., Sommella A. // Procedia Environmental Sciences. - 2013. - № 19. - P. 701.
4. Winiarski T., Lassabatere L., Angulo-Jaramillo R., Goutaland D. // Procedia Environmental Sciences. - 2013. - № 19. - P. 955.
5. Ogmanik N.S., Paramonova N.K., Bricks A.L., Pashkovskiy I.S., Kon-nov D.V The fundamentals of studying of subsurface contamination with light petroleum products // Kyiv A.P.N. - 2006. - 278 p.
6. Кауричев И.С., Яшин И.М., Черников В.А. Теория и практика метода сорбционных лизиметров в экологических исследованиях. - М.: МСХА, 1996. - 144 с.
7. Пат. 1513400 RU.
