На правах рукописи
ПОПОВА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА
ДЕТОКСИКАЦИЯ ПОЧВ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ
НОВОЧЕРКАССКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИМИ
АРОМАТИЧЕСКИМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ
И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
03.00.27 - почвоведение
03.00.16 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Ростов-на-Дону
2007
Р абота выполнена на кафедре «Инженерная экология и защита окружающей среды» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Серпокрылов Николай Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
доцент Колесников Сергей Ильич
доктор биологических наук, профессор
Приваленко Валерий Владимирович
Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
Защита состоится 27 декабря 2007 г. в часов на заседании Диссертационного совета № Д 212.208.16 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, ЮФУ, биолого-почвенный факультет, ауд.205)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).
Автореферат разослан « » ноября 2007 г.
У ченый секретарь
диссертационного совета,
кандидат биологических наук Кравцова Н.Е.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В настоящее время в России наблюдается ряд негативных техногенных изменений геологической среды. Среди них особую опасность представляют ее загрязнение и ухудшение экологического состояния селитебных территорий.
Наибольшая опасность загрязнения педосферы и подстилающих пород связана со стойкими полиорганическими, в т. ч. и полиароматическими соединениями. По токсичному и вредному воздействию на экосистемы одними из основных загрязнителей являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Наряду с ПАУ довольно частым является загрязнение территорий тяжелыми металлами.
В природоохранной практике существуют различные методы детоксикации загрязненных почв и грунтов, ни один из которых не является универсальным. Поэтому актуальна разработка и применение комплексных методов детоксикации, позволяющих добиться экологически и экономически приемлемых результатов, например, сочетание физико-химических и биологических методов, с применением отходов угледобывающей промышленности.
Цель исследований – теоретическое обоснование и разработка технологии детоксикации и возврата в хозяйственный оборот почв, загрязненных ароматическими ксенобиотиками и тяжелыми металлами (на примере почв в зоне влияния Новочеркасского электродного завода).
Задачи исследований:
- выявить особенности технологии и экономики детоксикации почв и почвогрунтов территорий в зоне влияния промпредприятий;
установить зависимость содержания и форм ксенобиотиков от окислительно-восстановительных свойств среды, определить влияние регулируемых и нерегулируемых факторов на детоксикацию ксенобиотиков в модельных и природных условиях;
исследовать каталитические и сорбционные характеристики отходов угледобывающей промышленности с учетом термических условий;
изучить влияние отходов угледобывающей промышленности на степень детоксикации почв и грунтов, обосновать их использование для защиты педосферы;
разработать технологию детоксикации почв и грунтов, провести ее опытно-промышленную апробацию и оценить инвестиционную привлекательность.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для очистки грунтов от загрязнений целесообразно применение комплексных физико-химических и биологических методов.
2. Исследованные отходы углеобогащения и угледобычи обладают ионообменными свойствами, обусловленными их химическим составом, и могут применяться в качестве относительно дешевого и эффективного детоксиканта для снижения уровня загрязнения почв ПАУ и тяжелыми металлами, а также сорбционной емкостью по отношению к этим загрязнениям за счет высокой пористости и развитой удельной поверхности.
3. Внедрение отходов углеобогащения в качестве сорбента-катализатора в практику детоксикации почв имеет существенную эколого-экономическую эффективность.
Научная новизна исследований:
Впервые обосновано использование отходов углеобогатительных фабрик в качестве эффективного детоксиканта ПАУ и тяжелых металлов для защиты педосферы.
Предложена и реализована в опытно-промышленных условиях технология детоксикации почвы от ароматических ксенобиотиков и тяжелых металлов с использованием отходов углеобогатительных фабрик в качестве детоксикантов.
Установлены параметры технологии детоксикации почв от ароматических ксенобиотиков и тяжелых металлов, получены расчетные зависимости для определения продолжительности детоксикации в зависимости от степени загрязнения почв с учетом влияния сезонных циклов.
Обосновано использование стандартного метода биотестирования для оценки степени детоксикации почв.
Практическая значимость исследований. Проведенный анализ вещественного состава и свойств отходов обогатительных фабрик позволяет дать практические рекомендации по их использованию в качестве эффективных детоксикантов почв, загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами. Разработана комплексная технология детоксикации загрязненных почв и грунтов урбообразований in situ, применение которой позволяет возвращать освобождающиеся территории промпредприятий, выводимых из населенных мест, в хозяйственный оборот, а также улучшить продуктивность и санитарное состояние почв, качество поверхностного стока и грунтовых вод в ареале загрязнения. Применение данной технологии позволяет получить значительный эколого-экономический эффект – суммарный предотвращенный ущерб от химического загрязнения почв и водной среды составляет 281930 руб./га в год для территории селитебной застройки г. Новочеркасск (в ценах 2007 года).
Рекомендации по детоксикации почв с помощью разработанной технологии реализованы в ряде проектов ОАО «Институт «Ростовский Водоканалпроект», РостгипроНИИстройдормаш, ОАО УК «Ростовгипрошахт», используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) при преподавании курсов «Почвоведение» и «Основы токсикологии». Подготовлены методические указания по учебной экологической практике, использующиеся в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: 4-й Международной научно-практической конференции, Пенза, 2002; 7-й Международной научной конференции «Биосфера и человек: Проблемы взаимодействия», Пенза, 2003; 51-й и 53-й научно-технических конференциях студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2003, 2004; Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и рационального недропользования», Новочеркасск, 2004; ежегодной научно-практической конференции института инженерно-экологических систем РГСУ, Ростов-на-Дону, 2003 – 2006; 54-й научно-технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2005; конференции аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна - 2005», Новочеркасск, 2005; II Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «Иннов-2005», Новочеркасск, 2005; выставке «Промышленный потенциал юга России», Ростов-на-Дону, 2005; семинаре для стипендиатов 2006/07 года по совместной российско-германской программе «Михаил Ломоносов» «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в РФФРРФ», Москва, 2007.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением кафедры «Инженерная экология и защита окружающей среды» ЮРГТУ (НПИ) по госбюджетной теме № 012. 0001. 0024 – «Разработка теоретических основ и высокоэффективных технологий охраны окружающей среды», а также в рамках реализации Мероприятий по поддержке государственной высшей и средней профессиональной школы Ростовской области на 2004 год по теме «Экологическая оценка состояния урболандшафтов ряда крупнейших промышленных центров юга России и разработка инженерно-экологических мероприятий по реабилитации территорий с использованием отходов» и в рамках НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» на 2006 – 2007гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ. Общий объем публикаций – 4,01 печатных листа, личный вклад автора в публикации – 65 %.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, включает 17 таблиц, 6 формул, 44 рисунка и 5 приложений. Список литературы представлен 137 источниками, из которых 15 – иностранных.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ИХ
ДЕТОКСИКАЦИИ
Наблюдаемая в последние десятилетия концентрация промышленности на локальных территориях, формирование агроурболандшафтов, наносит ущерб природным системам, отрицательно воздействуя на почву, растительность, водоемы, атмосферу и человека. При этом почвы являются своеобразным накопителем выбросов, ингредиенты которых в зависимости от природных условий поступают в компоненты окружающей среды. Например, формирование качества поверхностных вод во многом определяется диффузными загрязнениями, состав которых, в свою очередь, непосредственно связан c состоянием почвенного покрова (табл. 1, рис. 1). Почва принимает участие в формировании стока больших и малых рек и трансформации поверхностных вод в грунтовые.
В почвах, подвергнутых антропогенному воздействию, нарушаются влагогазовые обмены, и они снижают свою протекторную и продуктивную способности. Это приводит к увеличению смыва загрязнений с их поверхности, что в итоге ведет к повышенному выносу взвешенных (минеральных и органических) веществ, нефтепродуктов и ПАУ в водоемы и в грунтовые воды. Поэтому восстановление протекторных свойств почвы по существу является технологическим методом защиты окружающей среды, в т. ч. и градосферы.
Таблица 1
Среднегодовой уровень загрязнения в подфакельной зоне ОАО «НЭЗ»,
г. Новочеркасск (в долях ПДК) (Родионова и др., 2001)
№
|
Объект
|
ПАУ
|
Mn
|
Zn
|
Cu
|
Pb
|
Ni
|
Co
|
1
|
Атмосфера
|
13,50
|
0,31
|
0,01
|
0,60
|
0,88
|
1,13
|
1,32
|
2
|
Поверхностные воды
|
20,0
|
3,6
|
5,4
|
12,0
|
6,0
|
4,3
|
3,2
|
3
|
Почва
|
9,75
|
4,80
|
5,00
|
2,00
|
4,00
|
5,20
|
6,40
|
4
|
Растения
|
230
|
-
|
5
|
3
|
8,0
|
20
|
-
|
Рис. 1. Уровень загрязнения почв г. Новочеркасска по показателю суммарного загрязнения Zc (Родионова и др., 2001)
Для устранения загрязнений геологической среды применяются три принципиально различающихся подхода. Первый - собственно очистка, предусматривающая полное извлечение вредных компонентов из объекта вместе с почвой (грунтом), обезвреживание с дальнейшей утилизацией их вне массива каким-либо известным способом. Второй – основан не на удалении, а на подавлении активности (детоксикации) вредного компонента на месте, непосредственно в массиве, например, путем его нейтрализации, разложения (деструкции), связывания и т. п. Третий – основан на локализации загрязнителей в массиве за счет создания вокруг аномалии защитного экрана, препятствующего дальнейшему распространению загрязнений. При этом сами загрязнители не разрушаются и не удаляются, а остаются законсервированными внутри массива и изолированными от экосферы экранами.
При разной стоимости ни один из известных способов не является технологически универсальным. На наш взгляд, оптимальным будет компромиссное сочетание технологических и организационных решений, обеспечивающих приемлемое соотношение «качество очистки – цена» с позиций охраны градосферы и инвестиций.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ГЛАУКОНИТОВОГО ПЕСКА ДЛЯ ДЕТОКСИКАЦИИ ПОЧВ
Минимизировать затраты при нормативном качестве детоксикации почв возможно созданием и внедрением интенсивных технологий с применением относительно дешевых материалов, например, отходов промышленности. Для Южного федерального округа такими материалами могут быть многотоннажные отходы угледобычи, которые, в свою очередь, являются техногенным объектом воздействия на окружающую среду.
Терриконы – это техногенные месторождения, сформировавшиеся в результате добычи угля, сложенные горными породами и поднятые на поверхность в процессе угледобычи. На территории Ростовской области имеются крупнотоннажные отходы добычи угля (свыше 500 млн. тонн) и золошлаковые отходы Новочеркасской ГРЭС (свыше 40 млн. тонн). Породные отвалы занимают большую площадь (1,3 тыс.га), ухудшают ландшафт местности . В результате их горения и пылеобразования загрязняется прилегающая местность, водный и воздушный бассейны. Минеральный состав пород, слагающих отвалы угольных шахт, тесно связан с их происхождением и с последующим воздействием процессов выветривания и термического воздействия, приводящих к его изменению, глубина которого зависит от генетического возраста терриконов (Гипич, 1999). В их состав входят ионы металлов переходной валентности, которые могут оказывать каталитическое действие на окисление загрязняющих веществ. По составу эти отходы сходны с искусственными сорбентами-катализаторами, которые используются в настоящее время для детоксикации грунтов (Трушкова, 2003).
Главными породообразующими минералами термонеизмененных отвальных пород угольных шахт (ОПУШ) являются: кварц (SiO2, содержит примеси Al, Fe, Ca, Mg, Na, K), полевые шпаты, слюды, карбонаты, гиббсит, гематит (Fe2O3, содержит примеси Ti до 11%, Al до 14%, Mg до 17%), гетит и слоистые алюмосиликаты. Главными породообразующими минералами термоизмененных ОПУШ являются: кварц, ортоклаз, гематит, муллит (Al6Si2O13), стекло, шпинель (MgAl2O4, содержит примеси Fe, Zn, Mg, Cr, и др.), магнетит (Fe3O4 , содержит примеси Mg, Al, Cr, Ni, Mn). В породах, затронутых термическим воздействием (температуры горения достигают 1450°С), происходят более глубокие изменения в минеральном составе. Вследствие существенной конверсии их химического состава, происходят преобразования горелых пород, которые выражаются в увеличении соотношения Fe2O3:FeO, и коррелируют с интенсивностью их термообработки.
Минеральный состав ОПУШ характеризуется повышенным содержанием гематита, гетита и увеличением количества глинистых минералов, что позволяет предположить наличие ионообменных и/или каталитических свойств. Кроме этого, ОПУШ обладают высокой пористостью и развитой удельной поверхностью, что предполагает наличие в них сорбционных свойств, как у природных цеолитов.
Таким образом, исходя из вещественного состава, отвальные массы, можно рассматривать в качестве дешевых и эффективных природно-техногенных материалов, способных закреплять вредные токсичные вещества в почве, улучшать санитарно-токсикологическое состояние поверхностных и подземных вод, т. е. способствовать реабилитации загрязненных территорий. |
