Детоксикация почв зоны влияния новочеркасского электродного завода от загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами

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

Работа 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.

Ученый 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 РФ», 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.

1. 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.

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследования являлись загрязненные ПАУ и тяжелыми металлами почвы, расположенные в зоне подфакельных выбросов ОАО «Новочеркасский электродный завод» (НЭЗ), а также отходы угледобывающей промышленности шахт Восточного Донбасса (отходы антрацита, термоизмененные отвальные породы угольных шахт, отходы обогатительной фабрики) и глауконитовый песок.

Исследования проводились в течение 2003 – 2005 гг. на аллювиально-луговых солонцеватых почвах, расположенных в районе НЭЗ; в качестве контрольных (фоновых) рассматривались почвы дачной зоны – чернозем обыкновенный карбонатный (в 10 км от НЭЗ) (табл. 2).

Таблица 2

Физико-химические свойства исследуемых почв

(Горобцова, 2007, Чеботникова, 2006)

Почвы исследуемых площадок	Физ. глина, %	Ил, %	Гумус, %	рН	CaCO3, %	Подвижные формы, мг/100г		Сумма Ca2+ Mg2+, мг/100г
						P2O5	K2O
Аллювиально-луговая карбонатная малогумусная песчаная на аллювиальных отложениях	45,3	26,6	4,2	7,2	0,7	4,0	56,0	32,8
Чернозем обыкновенный теплый кратковременно промерзающий карбонатный среднемощный среднегумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках	53,1	32,4	3,9	7,2	1,1	3,2	32,8	33,0

Точки отбора проб и исследуемые площадки расположены на территории, относящейся к Приазово-Предкавказской провинции. Для нее характерно широкое развитие в естественных условиях черноземов обыкновенных карбонатных (по старой классификации – мицеллярно-карбонатных предкавказских). Мощность гумусовых горизонтов достигает 70-100 см, содержание гумуса около 4%. По гранулометрическому составу почвы относятся к средне-, тяжелосуглинистым и легкоглинистым черноземам, сформировавшимся на карбонатных лессовидных породах. Емкость поглощения почв равна 22-37 мгэкв, содержание обменного кальция – от 76 до 90%, суммы обменных катионов магния – от 6 до 30%, натрия – от 0,8 до 11%. Достаточное количество тепла и осадков сформировало весьма плодородные черноземы, способствовало созданию высоких буферных свойств и обогащение карбонатами за счет материнских пород. Климатический индекс биологической продуктивности составляет 90-100 единиц в естественных условиях, а при оптимальном увлажнении – от 170 до 175. Вторая площадка, на которой проводились исследования, расположена в пойме реки Тузлов на аллювиально-луговых почвах.

В качестве альтернативных материалов для детоксикации почв изучено применение различных отходов: антрацита, обогатительной фабрики, термоизмененных ОПУШ, а также глауконитового песка Аютинского месторождения (Ростовская обл.). Образцы почв исследуемых площадок отбирались и подготавливались для химического анализа в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-84. Содержание органического вещества определяли по методу Тюрина (ГОСТ 26213 - 91). Концентрацию тяжелых металлов определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. Концентрацию ПАУ определяли с использованием тонкослойной хроматографии и люминесценции. Численность микроорганизмов в почве определяли с помощью метода последовательных разведений и высева на плотные питательные среды – мясо-пептонный агар – для сапрофитных бактерий, среда Таусона – для углеводородокисляющих микроорганизмов. Плодородие почвы определялось методом биотестов (Федорова, Никольская, 2001). В качестве тест-растения использовался редис розовый с белым кончиком (Raphanus sativus var. radicula).

При статистической обработке использовались корреляционный и дисперсионный методы анализа. Оценка экологического состояния исследуемых территорий проводилась в соответствии с методиками, разработанными Министерством природных ресурсов РФ с использованием других государственных нормативных документов: Федеральный закон от 10.01.2002 г. №7-ФЗ, СанПиН 2.1.7.128-03, ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2042-06, МУ 2.1.7.730-99.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ДЕТОКСИКАЦИИ ПОЧВ В ЛАБРАТОРНЫХ И ПОЛЕВЫХ

УСЛОВИЯХ

В соответствии с задачами исследований в лабораторных условиях моделировали процесс каталитического окисления органических веществ в поверхностных и подземных водах, образующихся на загрязненных городских почвах, ОПУШ, отходами обогатительной фабрики (ООФ) и антрацита, глауконитовым песком, различными искусственными катализаторами в зависимости от температуры (модель «лето – зима»). В модельную жидкость (CH3COOH, 180 мгО2/л по ХПК) добавляли определенные навески исследуемых материалов. Растворение кислорода происходило через свободную поверхность и при аэрации при температурах + 20С, + 5С (рис. 2).

Рис. 2. Кинетика окисления органических веществ модельной жидкости без аэрации, Т = 20С

Установлено, что эффект очистки и скорость снижения концентрации органических веществ в модельной жидкости при добавлении отходов обогатительной фабрики, горелых пород и глауконитового песка без аэрации сопоставимы с результатами очистки модельной жидкости посредством аэрации. Также выявлено замедление снижения концентрации органических веществ при наличии этих материалов при низких температурах. Для каждого из этих веществ получены уравнения регрессии, описывающие кинетику окисления органических веществ в модельной жидкости для ХПК и показателя rH2. С их помощью ведется прогноз динамики окисления органических загрязнетелей. Существенное влияние оказывает размер фракций горелых пород и ООФ, оптимум 1,25 – 2,50 мм.

При использовании искусственных катализаторов фирмы «Катализ» (г. Ангарск), эффект снижения концентрации органических веществ в модельной среде ниже на 20 %, чем при добавлении ООФ, что имеет большое значение, если сопоставить их стоимость – 180 000 и 1380 руб./т, соответственно (в ценах 2007 года).

Эффективное снижение содержания органических веществ в модельных растворах потребовало установления механизма изъятия загрязнений (сорбция, каталитическое окисление или смешанное взаимодействие), поскольку на его базе в дальнейшем формируются технологические решения.

Для наилучших материалов по снижению ХПК модельной жидкости получены сорбционные характеристики: удельная сорбционная емкость составляет, мг/г: по бензолу - для глауконита 561,6, горелых пород – 530,4, ООФ – 1060,8; по аммонийному азоту – 13,78, 11,70 и 17,90, соответственно.

Выявленный в лабораторных условиях смешанный сорбционный и каталитический эффект очистки вод модельной жидкости позволил выдвинуть гипотезу о сохранении его и в природных условиях. Для ее проверки потребовалось проведение натурного эксперимента по исследованию влияния указанных веществ в виде дисперсных материалов (фракции 1,25 – 2,5 мм) на степень детоксикации почв, загрязненных ПАУ и тяжелыми металлами, а также на микрофлору почв. Экспериментальные площадки (28 шт., 0,5 х 0,5 м) располагались в зоне факельных выбросов НЭЗ (аллювиально-луговые солонцеватые почвы) и в дачной зоне (чернозем обыкновенный карбонатный).

Исходя из рекомендаций по применению горелых пород для минимизации загрязнений поверхностного стока на водосборе (Орехов, 2001), были приняты дозы вносимых детоксикантов: 200 и 400 кг/га. Внесение сорбентов производилось без заделки в почву (каждый из исследуемых сорбентов равномерно распределялся по поверхности площадок) и с заделкой на глубину 8-10 см.

Первый этап этого эксперимента проводился в холодный период, с ноября по апрель, второй – в теплый: июнь – август.

Уровень рН в почвенных вытяжках составил: контрольная площадка в подфакельной зоне – 7,57, фоновая площадка – 7,85. Окислительно-восстановительный потенциал, соответственно 152,53 и 158,68 мВ.

Анализ данных (рис. 3), показывает, что ООФ обладают наибольшей сорбционной способностью по отношению к загрязняющим веществам, о чем свидетельствует рост микробного населения (увеличено количество питательных веществ) микроорганизмами-деструкторами и снижение концентрации загрязняющих веществ. Для подтверждения формирования симбиотически благоприятного сообщества по условиям трофических связей и интегральной оценки токсичности почв на исследуемых площадках было проведено биотестирование.

1 - контроль без заделки в почву (б/з) ; 2 - контроль с заделкой в почву (с/з); 3 - ООФ, 400 кг/га (б/з); 4 - ООФ, 400 кг/га (с/з); 5 - ООФ, 200 кг/га (б/з); 6 - ООФ, 200 кг/га (с/з); 7 - горелые породы, 400 кг/га (б/з); 8 - горелые породы, 400 кг/га (с/з); 9 - горелые породы, 200 кг/га (б/з); 10 - горелые породы, 200 кг/га (с/з); 11 - глауконитовый песок, 400 кг/га (б/з); 12 - глауконитовый песок, 400 кг/га (с/з); 13 - глауконитовый песок, 200 кг/га (б/з); 14 - глауконитовый песок, 200 кг/га (с/з)

Рис. 3. ХПК почвенной вытяжки, 1101 мгО2/кг; гумус, %; микробное население, 1105 кл/г (зима)

Установлено (рис. 4), что больший эффект деструкции ПАУ и снижение уровня загрязнения почв тяжелыми металлами, выражающиеся в увеличении зеленой массы тест – растений, наблюдались при глубинном внесении всех исследуемых материалов, т. е. - с заделкой в почву; наибольший прирост наблюдался при внесении отходов углеобогатительной фабрики: в зимний период в количестве 40 г/м2 (12,4%), в летний – 20 г/м2 (10,1%); несколько в меньшей степени наблюдался прирост при внесении горелых пород 40 г/м2 как в зимний (10,6%), так и в летний периоды (10,6%).

1 - горелые породы, 400 кг/га, (с/з); 2 – горелые породы, 400 кг/га, (б/з); 3 – горелые породы, 200 кг/га, (с/з); 4 – горелые породы, 200 кг/га, (б/з); 5 – глауконитовый песок, 400 кг/га, (с/з); 6 - глауконитовый песок, 400 кг/га, (б/з); 7 - глауконитовый песок, 200 кг/га, (с/з); 8 – глауконитовый песок, 200 кг/га, (б/з); 9 – ООФ, 400 кг/га, (с/з); 10 – ООФ, 400 кг/га, (б/з); 11 – ООФ, 200 кг/га, (с/з); 12 – ООФ, 200 кг/га, (б/з)

Рис. 4. Продуктивность почв при внесении различных детоксикантов

Статистически значимого увеличения прироста биомассы от дозы и способа внесения глауконита не обнаружено. В результате эксперимента установлено, что наибольший эффект снижения токсичности почв наблюдается при внесении ООФ с заделкой в почву.

Для проверки полученных технологических выводов о способе и дозах внесения детоксиканта, а также для получения расчетных параметров технологии реализован опытно-промышленный эксперимент: заложено 6 опытных площадок размером 55м на территории, прилегающей к НЭЗ.

Внесение детоксикантов производилось с заделкой на глубину 8-10 см в дозах, кг/га: ООФ - 200 и 400; ГП - 200 и 400; ГК - 400; контроль (без внесения загрузки). Эксперимент проводился в зимний период – с ноября по апрель.

Таблица 3

Показатели загрязненности исследуемых почв

№	Варианты опыта	ПАУ*, нг/г	ХПК, мгО2/кг	Mn	Zn	Cu	Pb	Ni	Co	Cr	Cd
				мг/кг
1	ООФ, 400 кг/га	41,50	418,0	371,3	524,0	98,0	88,0	28,0	11,4	65,4	0,1
2	ООФ, 200 кг/га	49,00	472,0	298,8	311,0	65,7	114,8	22,1	9,1	34,7	0,4
3	ГП, 400 кг/га	70,00	782,0	386,5	494,0	98,6	241,1	31,7	11,2	75,2	0,1
4	ГП, 200 кг/га	78,00	964,0	329,8	311,0	100,5	30,8	24,5	9,7	51,1	0,7
5	ГК, 400 кг/га	335,00	564,0	240,6	509,0	75,7	138,2	16,3	7,1	47,5	0,4
6	Почва контрольной площадки	470,00	746,3	420,6	509,5	130,8	82,1	37,7	13,8	69,6	0,4
7	Почва фоновой площадки	0,70	400,0	499,5	96,0	47,1	10,8	34,0	15,3	78,2	0,1

* - ПАУ в пересчете на бенз(а)пирен

Сравнительный анализ данных (табл. 3) показывает, что наибольший суммарный эффект детоксикации загрязненных почв достигается при внесении ООФ в количестве 400 кг/га. Скорость снижения концентрации ПАУ в почвах при этом составляет 2,86 мг/кг в сутки, следовательно, уровень ПДК (0,02 мг/кг) будет достигнут в течение 157 суток.

Для исследования кинетики физико-химической и микробиологической детоксикации почв был проведен лабораторный эксперимент, в ходе которого контролировалась динамика изменения уровня загрязнения почв по ХПК, гумусу, микробному населению (сапрофитные микроогранизмы) и токсичности (биотестирование), при внесении ООФ с заделкой (рис. 5).

Было выявлено, что в течение 90 суток произошло снижение концентрации ПАУ почвенном фильтрате в 2,4 раза, ХПК в 1,7 раза, NO – в 1,3 раза, NH4 + - 1,8 раза, Cr – в 1,5 раза, Cu – в 2,0 раза, Ni – в 1,05 раза.

Скорость снижения концентрации ПАУ в почвенном фильтрате при обработке почвы ООФ составляет 0,0034 мкг/кг в сутки, что позволяет достигнуть уровня ПДК (0,005 мкг/дм3) в течение 152 суток. Полученные результаты подтвердили предположение о снижении уровня загрязнения не только в почве, но и в почвенном фильтрате, а, следовательно, и в водной среде.

а) б)

в) г)

а) – ХПК, мгО2/л; б) – микробное население (сапрофитные микроорганизмы), 1105 кл/г; в) - гумус, %; г) – прирост биомассы редиса (токсичность), %

Рис. 5. Кинетика физико-химической и микробиологической детоксикации почв

Обработка экспериментальных данных подтвердила возможность использования методики биотестирования (СанПиН 2.1.7.573 – 96) для оценки токсичности не только сточных вод и их осадков, но и водных вытяжек почвы.

Возможность регенерации сорбентов подтверждена количественным анализом углеводородокисляющих микроорганизмов: до обработки в черноземе обыкновенном карбонатном фоновой площадки их численность составила 2,2106 кл/г, в аллювиально-луговых солонцеватых почвах подфакельной зоны – 2,0106 кл/г, после – 8,48106 и 4,8106 кл/г, соответственно. Эти данные указывают на активизацию аборигенной углеводородокисляющей микрофлоры при внесении детоксикантов, что характеризует повышение способности почвы к самоочищению от данного вида токсикантов.

Таким образом, сорбционно-каталитическая обработка загрязненных городских почв ООФ ведет к детоксикации загрязнений за счет их сорбции и увеличения микробного населения, деструктурирующего данные ксенобиотики, что составило основы комплексной технологии детоксикации.

5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ ПОЧВ

На основании проведенных исследований составлены рекомендации по использованию ООФ для детоксикации почв, загрязненных ПАУ и тяжелыми металлами: 1 - предварительная подготовка: дробление и рассев на фракции 1,25-2,5 мм; 2 - внесение в почву с заделкой на глубину 8 – 10 см; 3 - доза ООФ 400 кг/га.

Предотвращенный ущерб при проведении реабилитации антропогенно-нагруженных территорий от загрязнения химическими веществами путем внесения детоксикантов на 1 га городских земель в ценах 2007 года составляет 255360 руб./год, а водной среде – 26570 руб./год.

Затраты на реабилитацию территории с помощью предлагаемой технологии складываются из стоимости детоксикантов и затрат на внесение их в почву и составляют 4016,39 руб./га при стоимости детоксикантов 1380 руб./т для условий г. Новочеркасска, в то время как затраты на проведение биологической рекультивации и реабилитации загрязненных участков территории составляют 120 – 1900 тыс. руб./га, что и составляет ее инвестиционную привлекательность в условиях рынка.

Таким образом, эколого-экономический анализ разработанной технологии показывает, что применение ООФ как детоксикантов почвогрунтов, снижает уровень загрязнения педо- и гидросферы до нормативных величин и позволяет вернуть загрязненные территории в хозяйственный оборот. Затраты при использовании ООФ для детоксикации грунтов существенно ниже, чем затраты на производство и использование искусственных сорбентов-катализаторов. Это свидетельствует о том, что предложенные решения удовлетворяют трем основным критериям оценки современной технологии: экологическая безопасность, технологическая эффективность, экономическая рентабельность.

ВЫВОДЫ

1. Техногенное воздействие на почвенный покров нарушает одну из важнейших экологических функций почвенного гумуса: способность прочно связывать и, тем самым, выводить из биологического круговорота различные загрязняющие вещества.

2. Проведенный анализ вещественного состава побочных продуктов угледобычи – крошка антрацита, горелые породы, отходы обогатительной фабрики – показал возможность использования их в качестве дешевых и эффективных детоксикантов.

3. Среди исследуемых детоксикантов – побочные продукты угледобычи, искусственные катализаторы и глауконитовый песок – наибольшее каталитическое действие на окисление органических загрязняющих веществ оказывают отходы обогатительной фабрики, увеличивая скорость их деструкции на 40%, и обладают наилучшей сорбционной способностью – 1060,8 мг/г по бензолу и 17,90 мг/г по аммонийному азоту.

4. Внесение отходов обогатительной фабрики в почву позволяет достигнуть снижения уровня загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами в 10 раз, тяжелыми металлами в 1,1 – 4 раза за период в 5 месяцев. Продуктивность почвы возрастает на 12,4%. Количество нефтеокисляющих бактерий увеличивается в 2,4 раза, количество сапрофитных микроорганизмов возрастает в 4,5 раза. Оптимальная доза внесения отходов обогатительной фабрики составляет 400 кг/га.

5. Механизм детоксикации загрязненных почв при их обработке отходами обогатительной фабрики слагается из двух этапов: происходит сорбция загрязняющих веществ, а затем их микробная деструкция. Сорбент впитывает углеводороды и создает благоприятную среду для развития нефтеокисляющих бактерий, присутствующих в естественном биогеоценозе.

6. За счет увеличения продуктивности почв, обработанных с помощью рекомендуемой технологии детоксикации, и улучшения их санитарного состояния, возможно сопоставимое увеличение экономической эффективности. Предотвращенный ущерб от химического загрязнения почв составит 255360 руб./год, водной среде – 26570 руб./год при внесении детоксикантов на 1 га (в ценах 2007 года).

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

На основании результатов проведенных исследований составлены рекомендации по использованию отходов обогатительных фабрик в качестве эффективного детоксиканта почв, загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами:

- при использовании отходов обогатительных фабрик для снижения уровня загрязнения почв целесообразной является предварительная их подготовка, а именно, дробление (фракции 1,25-2,5 мм);

- внесение отходов обогатительных фабрик в почву целесообразно производить с заделкой на глубину 8 – 10 см, при этом наблюдается наибольший эффект снижения уровня загрязнения почвы;

- максимальный эффект детоксикации почв наблюдается при внесении отходов обогатительных фабрик из расчета 400 кг/га.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Заводовская Е.В., Попова Ю.А. Показатели режимов реабилитации территории с использованием отходов // Экология урбанизированных территорий. – 2007. - № 4. – С. 92 – 94 (50 % 0,31 п. л.).
2. Попова Ю.А. Detoxication of antropogenical loaded territories, contaminated of multiring aromatic hydrocarbons and heavy metals, with following using for building = Детоксикация антропогенно-нагруженных территорий, загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами, с последующим использованием под строительство // Сборник материалов научного семинара стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2006/07 года г. Москва, 16-17 апр. 2007 / Мин. Обр. и науки РФ. – М., 2007. – С. 179-180 (100 % 0,22 п. л.).
3. Попова Ю.А., Сергиенко Л.П., Садовников А.Ф., Тананеев Л.И. Экономические показатели реабилитации загрязненных территорий // Строительство – 2006 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : РГСУ, 2006. – С. 55-57 (60 % 0,1 п. л.).
4. Попова Ю.А., Сергиенко Л.П. Применение биотестирования для оценки процессов самовосстановления в почвах // Строительство – 2006 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : РГСУ, 2006. – С. 67-68 (60 % 0,09 п. л.).
5. Грачева А.А., Попова Ю.А., Серпокрылов Н.С., Сергиенко О.И. Моделирование процесса реабилитации загрязненных территорий // Строительство – 2006 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : РГСУ, 2006. – С.59-61 (60 % 0,08 п. л.).
6. Заводовская Е.В., Попова Ю.А., Серпокрылов Н.С. К вопросу об экологической оценке территорий для строительства // Строительство – 2006 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : РГСУ, 2006. – С.53-55 (60 % 0,1 п. л.).
7. Попова Ю.А. Детоксикация антропогенно-нагруженных территорий, загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами и тяжелыми металлами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2006. – Прил. № 13. – С. 91-93 (100 % 0,31 п. л.)..
8. Попова Ю.А., Сергиенко Л.П., Серпокрылов Н.С Экспериментальное обоснование технологии восстановления загрязненных почв // Строительство – 2005 : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2005. – С.42-44 (60 % 0,11 п. л.).
9. Попова Ю.А. Разработка региональной технологии детоксикации антропогенно-нагруженных почвогрунтов от полициклических ароматических углеводородов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2005. – Прил. № 3. – С. 155-157 (100 % 0,38 п. л.).
10. Попова Ю.А., Сергиенко Л. П. Программа и методические указания по учебной экологической практике / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2005. – 27 с. (40 % 1,63 п. л.).
11. Попова Ю.А. К вопросу о детоксикации почв, загрязненных полициклическими ароматическими углеводородами // Строительство – 2005: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Рост. гос. строит. ун-т. - Ростов н/Д : Рост. гос. строит. ун-т, 2005. – С.40-42 (100 % 0,12 п. л.).
12. Афанасьева Н.А., Гончаренко Я.И., Орехова А.А., Попова Ю.А. Исследование физико-химических и микробиологических показателей антропогенно-нагруженных почв при внесении различных детоксикантов // Студенческая научная весна – 2005 : сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. - С. 23 (70 % 0,04 п. л.).
13. Попова Ю.А., Серпокрылов Н.С. Экспериментальное обоснование выбора детоксикантов почвогрунтов и грунтовых вод // Проблемы геологии, полезных ископаемых и рационального недропользования : материалы III Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 26 нояб. 2004 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск, 2004. – с.62-65 (80 % 0,15 п. л.).
14. Попова Ю.А., Сергиенко Л.П. Инженерная защита территории п. Новоселовка (г. Новочеркасск) от подтопления грунтовыми водами // Материалы 51-й научно-технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ). / Юж.-Рос.гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск : ЮРГТУ, 2003. – С. 91-92 (80 % 0,06 п. л.).
15. Попова Ю.А., Сергиенко Л.П., Слюсарева А.Н. Детоксикация почв и грунтов от ксенобиотиков // Биосфера и человек: Проблемы взаимодействия : сб. материалов VII Междунар. науч. конф., май 2003 г. / Пенз. гос. с.-х. акад. – Пенза, 2003. – С. 143-145 (60 % 0,14 п. л.).
16. Попова Ю.А. Предотвращение подтопления населенных мест грунтовыми водами // Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов : сб. материалов IV Междунар. науч.-практ. конф. / Пенз. гос. с.-х. акад. – Пенза, 2002. – С. 201-203 (100 % 0,14 п.л.).
17. Головина Е.В., Попова Ю.А., Тимошенко Е.В., Юсупов М.С. Мероприятия по предотвращению загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами // Экономика и политика в области природообустройства : материалы V Междунар. науч.-практ. студ. конф., г. Ростов-на-Дону, 18 ноябр. 1999 г. – Ростов н/Д, 1999. – С. 79 (40 % 0,03 п. л.)

Список сокращений

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды;

НЭЗ - ОАО «Новочеркасский электродный завод»;

ПДК – предельно-допустимая концентрация;

ОПУШ - отвальные породы угольных шахт.

Попова Юлия Александровна

ДЕТОКСИКАЦИЯ ПОЧВ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ

НОВОЧЕРКАССКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА

ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИМИ

АРОМАТИЧЕСКИМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ

И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Автореферат

Подписано в печать 21.11.2007

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 1266.

Типография ЮРГТУ(НПИ)

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Тел., факс (863-52) 5-53-03