CC BY
171
на 2-3 оС, но это не оказывает существенного влияния на процесс биохимической очистки.
6. Установлены также закономерности изменения рН сточной воды в процессе проведения экспериментов, из которых следует, что специальной корректировки рН подаваемого молочного стока на очистку не требуется.
Результаты экспериментов рекомендуются к использованию для разработки энергосберегающей технологии очистки сточной воды мо-локоперерабатывающих предприятий.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Яковлев, С. В. Водоотведение и очистка сточных вод: учеб. для вузов / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов. - М.: АСВ, 2002. - 704 с.
2. Скирдов, И. В. Очистка сточных вод с применением прикрепленной микрофлоры / И. В. Скирдов // Водоснабжение и санитарная техника. - 1998. - № 6. - С. 10-12.
3. Фортученко, Л. А. Малогабаритные сооружения для очистки сточных вод пищевых предприятий / Л. А. Фортученко, Г. Г. Линкова // Пищевая промышленность. -1984. - № 4. - С. 46-47.
4. Ботун, Б. О. Погружные дисковые вращающиеся биофильтры / Б. О. Ботук, Н. Г. Дмитриевский // Водоснабжение и санитарная техника. - 1975. - № 1. - С. 13-15.
5. Дмитриевский, Н. Г. Использование дисковых биофильтров для очистки сточных вод картофельно-крахмальных заводов / Н. Г. Дмитриевский, Л. В. Крав-цун // Сахарная промышленность. - 1976. - № 5. - С. 62-66.
6. Яромский, В. Н. Очистка сточных вод предприятий молочной промышленности / В. Н. Яромский. - Брест: Академия, 2004. - С. 71.
7. Лурье, Ю. Ю. Химический анализ производственных сточных вод / Ю. Ю. Лурье, А. И. Рыбникова. - М.: Химия. - 1974. - 336 с.
Поступила 28.05.2010
УДК 504.53.054
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ СОЕДИНЕНИЯМИ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА
Докт. техн. наук, проф. БУБНОВ В. П., канд. с.-х. наук, доц. БЕЛЬСКАЯ Г. В.,
асп. МИНЧЕНКО Е. М.
Белорусский национальный технический университет
Хозяйственная деятельность человека предполагает использование различных химических соединений и привнесение их в экосистемы. Химические соединения (природного и антропогенного происхождения) считаются загрязнителями, если они нарушают качественный баланс (равновесие) экосистемы. Это справедливо и в отношении почвенных экосистем. Наряду с непосредственным загрязнением почвенных экосистем хозяйственной деятельностью человека на земле (почве) важной проблемой является переход вредных веществ из атмосферы в почву в виде кислотных дождей, аэрозолей и т. п. Один из основных поставщиков вредных выбросов в атмосферу - сжигание органического топлива на различных энергетических установках [1, 2]. Так, на 1 МВт выработанной электрической энергии ТЭС, работающей на органическом топливе, в атмосферу
выбрасывается окислов азота при сжигании: газа - 24,32-106 м3/год; мазута - 18,37-103 т/год; угля -48,02-103 т/год [2].
Дымовые газы (выбросы) ТЭС, переходя из атмосферы на земную поверхность, загрязняют почву, растения, что приводит к повреждению и отмиранию растений как путем непосредственных воздушных контактов их зеленых частей с загрязняющими веществами, накопления их в тканях растений, так и под воздействием токсичной среды (почвы, воды), сосредоточивающей вредные ингредиенты выбросов, которые через корневую систему попадают в растения, а затем и в организм животных и человека. Загрязнение почв происходит через непосредственное оседание атмосферных выбросов, смывание токсикантов с растений, поступление с опавшими листьями, ветровым переносом и осадками, что приводит к изменению физи-
ко-химических свойств почв, их плодородия, а также к загрязнению поверхностных и грунтовых вод.
В связи с трансформацией соединений азота в почве следует упомянуть еще одну важную проблему. В число газообразных продуктов, выделяющихся в различных процессах, входит N20. Это соединение участвует в разрушении озонового экрана в стратосфере, от которого зависит существование всех живых организмов на Земле. Главным природным источником ^0, поступающего в атмосферу, служит почва, а широкое применение азотных удобрений и вымывание азота в почву в виде атмосферных осадков может увеличить поступление ^0 в атмосферу. Поэтому знание механизма перехода оксидов и диоксидов азота из атмосферы в почву и обратно в атмосферу позволит более объективно оценить эколого-экономическую обстановку территории при строительстве различных энергоисточников.
Рассмотрим механизм трансформации оксидов азота в атмосфере и последующее их попадание на почву. Удаление оксидов азота из воздуха происходит за счет их растворения в облачной воде, газофазного окисления в воздухе, вымывания осадками и сорбции подстилающей поверхностью.
Одним из основных каналов стока оксидов азота из атмосферы является их растворение и химическая трансформация в нитраты и нитриты в воде, присутствующей в воздухе. Образование нитратов и нитритов в воде может происходить в результате следующих реакций с участием окислов азота:
2Ш2 + Н20 -> 21? + Шз + №2; N0 + N02 + Н20 -> 2Н+ + 2МГ.
Скорость уменьшения оксидов азота за счет взаимодействия с атмосферной водой зависит от действия многих факторов, таких как кислотность дождевых и внутриоблачных капель воды, содержание в них металлов, которые могут катализировать процессы образования нитратов и нитритов [2]:
N02 (раств.) + ¥е1+ -> N02 + Ре3+; N02 (раств.) + Ре3+ + Н20 -> N0, +2Н + Ре2+.
Процесс удаления окислов азота из атмосферы в результате жидкофазного окисления можно разделить на две стадии.
На первой стадии, называемой внутриоб-лачным вымыванием, происходит растворение окислов азота с последующими химическими реакциями, приводящими к их окислению. На второй стадии (подоблачное вымывание) удаление окислов азота из атмосферы происходит за счет тех же реакций (сорбции, растворения и окисления), что и при внутриоблач-ном вымывании, но за существенно короткое время, равное времени падения дождя на поверхность.
Эти две стадии взаимосвязаны, и процессы подоблачного вымывания могут быть эффективными лишь в том случае, если концентрация окислов азота в воздухе ниже уровня их концентрации внутри облаков. Данное условие выполняется для атмосферы урбанизированных районов, в которой содержание окислов азота может достигать высоких значений. В этом случае за счет процессов подоблачного вымывания концентрация двуокиси азота в приземном слое воздуха может уменьшиться на 20-70 %.
Механизм распространения и трансформации оксидов азота в атмосфере представлен на рис. 1.
и
Я
о
В
о
с
Реакции с органикой N0I-окисление
N0 Ш2
Фотолиз
о
У Я § а еи рн
И 1) § и
е
Я
о л г о
С
л
т
Меи (N03)™
Рис. 1. Механизм образования и трансформации азотной кислоты в атмосфере
Для количественного определения азотной кислоты, поступающей на поверхность почвы, нами используется подход, основанный на учете потоков исходящего вещества из каждого блока схемы (рис. 1) в единицу времени [3], а для пространственного отражения загрязнения - зависимость, учитывающая розу ветров [4]. Полученная математическая модель дает возможность рассчитать количество азотной кислоты, поступающей на поверхность в определенной точке конкретной местности.
Рассмотрим процессы трансформации и аккумуляции соединений азота в почве. Анализируя результаты исследований, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по азотному режиму почв, можно заключить, что аккумуляция азота в почвах в значительной мере определяется их биохимической активностью и наличием гумуса, хозяйственной деятельностью человека. В разных почвенно-кли-матических условиях превращение азота в почве имеет свои особенности.
Азот в почвах находится преимущественно в форме органических соединений, и только небольшая его доля (примерно от 1 до 10 % в зависимости от типа почв и содержания гумуса) представлена минеральными соединениями.
Минеральные формы соединений К, кроме аммония, представлены нитратами и нитритами. Нитритов очень мало - десятые доли миллиграмма азота на 1 кг почвы. Кроме того, в газовой фазе обнаруживаются оксиды азота. В доступных растениям минеральных соединениях находится, как правило, 1-3 % от общего количества азота почвы.
Непосредственно доступен азот растениям в форме КО3- и МН+, частично усваиваются и молекулярные органические соединения, например аминокислоты. Но поскольку доля минеральных соединений азота невелика, то основным резервом азота для питания растений и источником различных трансформационных процессов являются органические соединения.
Практически все группы и фракции органического вещества содержат азот; около 10 % всего азота содержится в виде аминогрупп аминокислот и периферических цепей гумусовых кислот. Близко к этому содержание аммонийного азота почвенного гумуса и несколько ниже содержание азота аминосахаров. От 30 до 50 % всего почвенного азота представлено так называемыми негидролизуемыми соединениями: это азот гумусовых кислот, в том числе и азот гетероциклов.
Азот образует разнообразные окислы, в которых принимает валентности, формально равные от +1 до +5; в аммиаке и аммонийных солях он проявляет валентность -3. В почвах присутствуют соединения, в которых азот представлен почти всеми степенями окисления, хотя некоторые из них появляются только как промежуточные продукты в сложной цепи трансформации азотсодержащих соединений.
Обширные литературные данные свидетельствуют о том, что основные процессы, с которыми связано превращение соединений азота почвы и вносимых удобрений, а также его круговорот в системе «атмосфера - почва» теснейшим образом связаны с окислительно-восстановительным состоянием почвенной среды. Основными звеньями превращения азота в почве являются: процессы его поглощения живыми организмами (биологическое поглощение); накопление в форме различных соединений (гумус, растительные и животные остатки); процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации; процессы фиксации азота воздуха клубеньковыми и свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами.
Механизм трансформации азота в почве под влиянием антропогенного воздействия представлен следующей схемой (рис. 2).
К наиболее важным циклам превращения азота в почвах в связи с условиями их аэрации, а следовательно, и с особенностями окислительно-восстановительного режима относятся процессы нитрификации и денитрифика-ции. Различают биологическую денитрифика-цию и хемоденитрификацию. Биологическая денитрификация обусловлена деятельностью денитрифицирующих микроорганизмов. Хемо-денитрификация - процесс восстановления нитритов в результате химических реакций.
Антропогенное воздействие на почву с различной интенсивностью обусловливает разную активность процессов гумусообразования и формирования неоднородного качественного (фракционного) состава азота почв. В связи с этим в почвенных профилях разного типа почв аккумулируются различные запасы гумуса, общего азота и его фракций [5].
Как следует из проведенных исследований, механизм перехода вредных веществ из атмосферы в почву представляет собой сложный процесс, исследование которого в натурных и лабораторных условиях вызывает большие затруднения. Поэтому в последние годы эти исследования базируются в основном на использовании методов математического моделирования [6, 7].
Рис. 2. Механизм поступления и трансформации азота в почве
Общее модельное уравнение миграции соединений азота в почве представим в следующем виде:
д/дЦръЯ) + дЩОД = дЩОДО, д)дСг/дг] -- д/дг(дСг) ± !Ф,
где д/д^(рь5г-) - время всасывания токсикантов в почвенный раствор; д/д (^Сг) - то же превращения в жидкой фазе почвы; д) дСг/дг] - изменения благодаря гидродинамической дисперсии; д/дг(дСг) - конвективный перенос; - явление перемещения вниз/вверх. По нашему мнению, наиболее удачной программой решения модельного уравнения является компьютерная программа 0Е0-8Ь0РЕ [7].
В Ы В О Д Ы
Соединения азота разной степени окислен-ности, содержащиеся в выбросах ТЭС, подвергаются процессам трансформации в атмосфере - растворению в облачной воде, газофазному окислению в воздухе, вымыванию осадками и сорбции подстилающей поверхностью почвы. Представлен механизм образования и трансформации соединений азота в атмосфере, а также поступления их в почву. Вымывание азота в почву посредством кислотных осадков (наряду с внесением минеральных азотных удобрений) существенно влияет на процессы его превращения - нитрификацию и денитрификацию.
Учитывая сложность и многофакторность происходящих процессов в атмосфере и почве, предложено модельное уравнение поведения азота в почвах в зависимости от концентрации поступающих соединений, времени их всасывания, особенностей почвенного поглощающего комплекса.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Бубнов, В. П. Модель прогнозирования загрязнения почв окислами азота при сжигании органического топлива / В. П. Бубнов, Г. В. Бельская, Е. М. Минченко // 3-я Междунар. науч.-практ. конф.: сб. науч. ст.: в 2 ч. / МСХ РБ, БАТУ, редкол. М. Ф. Рыжанков [и др.], Минск, 29-30 мая 2008 г. - Минск, 2008. - Ч. 2. - С. 10-12.
2. Ровинский, Ф. Я. Озон, окислы азота и серы в нижней атмосфере / Ф. Я. Ровинский, В. И. Егоров. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 185 с.
3. Израэль, Ю. А. Кислотные дожди / Ю. А. Израэль, И. М. Назаров. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 269 с.
4. Берлянд, М. Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М. Е. Берлянд. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
5. Семененко, Н. Н. Азот в земледелии Беларуси / Н. Н. Семененко, Н. В. Невмержицкий. - Минск: Хата, 1997. - 196 с.
6. Использование методов математического моделирования для определения загрязнения почв / Г. А. Бельская // Наука - образованию, производству, экономике: 50-я Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 т. - Минск: БНТУ, 2007. - Т. 2. - С. 471-478.
7. Yaron, B. Soil Pollution. Processes and Dynamics / B. Yaron, R. Calvet, R. Hrost. - Berlin: Springer-Verlag, 1996. - 313 p.
Поступила 10.03.2010
