Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА
ТЕРРИТОРИЯХ, ПРИЛЕГАЮЩИХ К ПОЛИГОНАМ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 8
1.1. Аспекты влияния полигонов ТБО на окружающую среду 8
1.2. Законодательные проблемы оценки воздействия полигонов ТБО на окружающую среду 16
1.3. Подходы к биодиагностике экологического состояния почв, подвергающихся антропогенной нагрузке 20
1.3.1. Общие подходы к биоиндикации почв 20
1.3.2. Биотестирование экологической токсичности природных сред 27
1.4. Методология почвенно-экологического нормирования 31
1.4.1. Подходы к выбору биотических критериев в почвенно-экологическом нормировании 39
1.4.2. Комплексная экологическая оценка состояния экосистем 44
ГЛАВА 2. РАЙОН, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 49
2.1. Район исследования 49
2.1.1.Общая характеристика полигона ТБО 49
2.1.2. Климатические условия 49
2.1.3. Геолого-гидрогеологические условия 50
2.1.4. Растительность 53
2.1.5. Почвенный покров и почвообразующие породы 54
2.2. Материалы исследования 54
2.3. Методы исследования 57
2.3.1. Химический анализ 57
2.3.2. Биологический анализ 59
ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СРЕД В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНА ТБО 66
3.1. Характеристика фильтрата полигона ТБО 66
3.2. Влияние полигона ТБО на донные отложения водотоков 75
3.3. Влияние полигона ТБО на почвы 77
ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНА ТБО по БИОТИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 80
4.1. Структурные и функциональные особенности микробиоты почв 80
4.1.1. Общая численность и общая биомасса грибов 80
4.1.2. Структурное разнообразие сообществ микромицетов 82
4.1.3. Структура и биоразнообразие почвенной микробиоты по данным метода газовой хроматографии - масс-спектрометрии 85
4.1.4. Анализ почвенного «дыхания» по эмиссии углекислого газа 92
4.1.5. Анализ потребления субстратов и стабильности микробных сообществ методом МСТ 93
4.2. Оценка экологической токсичности почв методами биотестирования 98
ГЛАВА 5. НОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНА ТБО ПО ХИМИЧЕСКИМ И БИОТИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПО
ПРИЛОЖЕНИЯ 131
- Законодательные проблемы оценки воздействия полигонов ТБО на окружающую среду
- Геолого-гидрогеологические условия
- Характеристика фильтрата полигона ТБО
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время в России особую актуальность приобрела проблема загрязнения окружающей среды (ОС) в окрестностях объектов размещения отходов (ОРО). Основной и наименее затратный путь утилизации твердых бытовых и промышленных отходов в нашей стране - их захоронение на специально отведенных полигонах. Однако для окружающей среды этот способ далеко не самый безвредный.
Полигон отходов можно назвать «неподвижным реактором», в котором в результате взаимодействия отходов и воды атмосферных осадков, образуется фильтрат, биогаз и остаточная масса отходов. Исследования последних десятилетий показали, что многие полигоны не отвечают природоохранным и санитарным требованиям. Это обуславливает острую необходимость организации мониторинга состояния окружающей среды в районах объектов размещения отходов. В первую очередь это касается почв, поскольку именно почвы выполняют важнейшие экологические функции по сохранению биологического разнообразия, обеспечению устойчивого функционирования биогеоценозов и биосферы в целом (Добровольский, Никитин, 2000).
В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 санитарно-защитная зона полигонов и участков компостирования отходов ограничивается окружностью с радиусом 500 м и может корректироваться с учетом преобладающего направления распространения биогаза по воздуху. Однако распространение фильтрата по близлежащим водотокам может простираться на большие расстояния. В связи с этим актуальна проблема выделения зон реального воздействия и потенциальной экологической опасности полигонов ТБО для окружающей среды.
В работах, посвященных экологическим проблемам ОРО, изучаются процессы, происходящие в теле полигона и приводящие к образованию продуктов деградации отходов (Путилина и др., 2005; Грибанова, 2006), загрязнение грунтовых, поверхностных вод, почв на территориях, прилегающих к полигонам ТБО (Башаркевич, 1994; Бабак, 1997; Брылев, 2005; Кольчугина, 2006; Ерошина, Лысухо, 2007; Ludvigsen, 1998; O'Brien, 2005; Banar et al, 2007; Kale et al, 2009), поведение загрязнителей в ОС и почвообразование на полигонах (Скорик, Кириллова, 1999; Безуглова, 2006, 2007; Calace, 2001), а также проблемы законодательства в области оценки и регулирования воздействия ОРО на ОС (Сапожникова, 2005; Яковлев, 2007; Чуркин, 2008; Приймак, 2008, 2009). Инженерно-экологические обследования полигонов в Московской области проводились НПО «НОЭКС» (Грибанова, Киселев, 2006). Однако вопросы комплексной диагностики состояния почв по химическим и биологическим параметрам в зонах влияния ОРО изучены недостаточно.
На современном этапе развития прикладной экологии большую проблему представляет обоснование выбора информативных экологических показателей в целях организации мониторинга и экологического нормирования почв и других компонентов ОС.
Цель работы: дать экологическую оценку состояния почв и других компонентов окружающей среды вблизи объекта размещения отходов на примере одного из полигонов ТБО Московской области.
Задачи:
оценить экологическое состояние почв, поверхностных вод и донных отложений в зоне влияния полигона твердых бытовых отходов по данным химического анализа;
выявить пространственную и временную динамику уровней загрязнения в изучаемых компонентах окружающей среды;
исследовать почвы сопредельной с полигоном ТБО территории методами биоиндикации и биотестирования;
осуществить экологическое нормирование качества изучаемых компонентов окружающей среды в зоне влияния полигона ТБО по химическим и биотическим показателям.
Научная новизна работы. Впервые для оценки экологического состояния объектов окружающей среды в зонах размещения полигонов ТБО использован комплексный подход, основанный на сочетании химико-аналитических исследований, биоиндикации и биотестировании. Определен набор структурных и функциональных параметров почвенной микробиоты и других информативных показателей для мониторинга состояния окружающей среды вокруг ОРО. Предложен обобщенный индекс трансформации биологических свойств почв.
Практическая значимость работы. Полученные данные могут способствовать коррекции санитарно-защитной зоны полигонов, усовершенствованию схемы интегральной биотической оценки качества окружающей среды в зоне деятельности ОРО и принятию управленческих решений о необходимости проведения рекультивацион-ных и восстановительных мероприятий.
Личный вклад автора. Все этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии: отбор и анализ образцов природных сред, обработка полученных результатов. Автором рассчитан обобщенный индекс трансформации микробных почвенных сообществ под влиянием антропогенных воздействий.
Апробация работы. Результаты исследования представлены и обсуждены на конференциях «Проблемы лесной фитопатологии и микологии» (Пермь, 2009), «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации» (Ростов-на-Дону, 2006), «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды» (Саратов, 2005), «Ломоносов-2005», «Ломоносов-2009» (Москва, 2005, 2009), «Экология, природные ресурсы и развитие Московского региона» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, и в материалах международных и всероссийских конференций.
Благодарности. Я глубоко признательна научным руководителям д.б.н., А.С. Яковлеву и д.б.н. В.А. Тереховой за неоценимую помощь в проведении работы, поддержку и советы. Особую благодарность выражаю д.б.н. Н.В. Верховцевой, д.б.н. Н.В. Можаровой, к.б.н. М.В. Горленко, к.б.н. С.А. Кулачковой за помощь в выполнении микробиологических и газогеохимических анализов, а также всему коллективу кафедры земельных ресурсов и оценки почв за внимание к данной работе.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 7 таблиц и 15 рисунков. Список литературы включает 144 наименования, из них 17 зарубежные.
class1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА
ТЕРРИТОРИЯХ, ПРИЛЕГАЮЩИХ К ПОЛИГОНАМ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) class1
Законодательные проблемы оценки воздействия полигонов ТБО на окружающую среду
Применительно к отходам производства и потребления экологическую политику можно охарактеризовать как комплекс мер и инструментов, направленных на уменьшение негативных последствий, вызванных образованием и размещением отходов производства и потребления. Однако общие принципы и подходы к обращению с отходами, а также и к регулированию неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду в разных странах различаются. Подробный анализ природоохранного законодательства развитых стран по состоянию на начало 1990-х гг. представлен в работе А.Н. Лебедевой и О.Л. Лаврик (1994). За последние десятилетия в сфере обращения с отходами в России появилось большое количество нормативных документов, наряду с важными природоохранными принципами, закрепленными законодательно, присутствует и ряд проблем.
Обращение отходами в Европейском Союзе жестко зарегулировано как на уровне Союза (ЕС) в целом, так и на уровне каждой их стран-членов ЕС. Современная концепции управления отходами в ЕС реализуются преимущественно на основе директив ЕС, правил, инструкций и решений, которые создают обязательные юридические рамки для всех государств-членов ЕС. Основными стратегическими целями в сфере управления отходами в ЕС являются: снижение объемов образования отходов за счет предотвращения их образования в технологическом процессе производства продукции; использование отходов в производственных процессах; выделение из общего потока отходов отдельных фракций для последующего их использования в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов; сведение к минимуму отходов, размещаемых на полигонах; унификация методов обращения с отходами на основе использования НДТ.
Основными принципами современного управления отходами на уровне стран ЕС являются следующие: иерархический принцип «наилучших природоохранных технологий», недопустимость экспорта отходов в другие страны и максимальная приближенность предприятий и оборудования для утилизации отходов к источникам отходов, предупреждение рисков загрязнения ОС, ответственность производителя продукции за все стадии ее жизненного цикла включая отходы, принцип «загрязнитель платит».
Современное состояние и проблемы управления отходами в России.
В настоящее время сфера природопользования и охраны окружающей среды регулируется десятками законов и несколькими сотнями постановлений и распоряжений, на разной стадии разработки находится еще целый ряд законопроектов, касающихся природно-ресурсной сферы. Основные нормативные акты в области обращения с отходами были приняты в период с 1991 по 2002 гг. Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» (№89-ФЗ от 24.06.1998) был принят в 1998 году.
Несмотря на то, что в России имеется относительно развитое законодательство в области обращения с отходами, многие авторы (Чуркин, 2008, Приймак, 2008, 2009, Яковлев, 2007, Боравская, 2008, Сапожникова, 2005) подчеркивают необходимость решать проблемы, основными из которых являются:
практически не реализуется принцип «загрязнитель платит» - субъекты хозяйственной деятельности не несут никакой ответственности на стадии превращения в отход продукции, которую они ввели в обращение на рынок;
отсутствуют законодательно закрепленные требования к природопользова-телям по обязательной утилизации отходов;
практически отсутствуют отвечающие современным требованиям полигоны для промышленных и твердых бытовых отходов (ТБО); широко распространены несанкционированные свалки, представляющие угрозу для окружающей среды и здоровья населения; не соблюдаются правила сбора и захоронения токсичных отходов; повсеместно малоопасные отходы смешиваются с токсичными отходами, после чего вместе захораниваются на полигонах ТБО; полигоны для утилизации токсичных отходов отсутствуют, практически не разрабатываются современные технологии по уничтожению таких отходов;
не решена проблема законодательного и технологического обеспечения утилизации биологических и медицинских отходов;
отсутствует детализация положений об обращении с упаковочными отходами, брошенным и разукомплектованным автотранспортом, отходами, образующимися на территории садоводческих и огороднических товариществ и другими отходами, требующими специального регулирования;
низкий уровень развития индустрии вторичной переработки отходов;
в России до сих пор практически неизвестны Европейские справочно-рекомендательные документы в области управления отходами (созданные в рамках информационного обмена, осуществленного в соответствии Директивой 96/61/ЕС «О предупреждении и комплексном контроле загрязнений»), в которых приводится описание наилучших доступных технологий в области сжигания отходов и их переработки с целью их дальнейшей безопасной утилизации и удаления.
Как отмечалось выше, большинство существующих в России объектов размещения отходов не соответствует природоохранным требованиям. В сложившейся ситуации стоит вопрос о том, как привести в соответствие существующую практику размещения отходов в природе с требованиями современного законодательства.
Геолого-гидрогеологические условия
Рассматриваемый полигон ТБО расположен на полого-волнистой озерно-ледниковой моренной равнине московской стадии оледенения. В геологическом строении участка размещения полигона принимают участие породы каменноугольной, юрской и четвертичной систем, выделяются современные техногенные образования.
Гидрогеологические условия участка размещения полигона ТБО характеризуются наличием следующих водоносных и водоупорных горизонтов:
современный техногенный водоносный горизонт (t IV);
водоносный озерно-болотный осташковский горизонт (1, b III os);
водоупорный ледниковый московский горизонт (1, gs II ms; g II ms);
водоносный водно-ледниковый московский горизонт (f lg1 II ms);
водоупорный ледниковый перекшинский горизонт (g I prk);
водоносный лопатинский горизонт (J31р);
водоупорный верхнеюрский горизонт (J3);
водоносный мячковский горизонт (Сг тс).
Целевым водоносным горизонтом для хозяйственно-питьевого водоснабжения многих населенных пунктов Московской области является мячковский водоносный горизонт каменноугольной системы. Данный горизонт в пределах участка защищен от проникновения загрязнения выдержанной толщей юрских глин мощностью до 12 м.
В соответствии с геолого-литологическим разрезом зона аэрации мощностью 2-3 м представлена суглинистыми породами. Водоносные горизонты волжских и каменноугольных отложений недостаточно защищены, поскольку водоупоры в районе полигона имеют невыдержанную мощность.
Территория в непосредственной близости от полигона ТБО переувлажнена из-за затрудненного бокового стока, связанного со строительством автодороги и разрастанием полигона ТБО. Гидрографическая ситуация на данной территории характеризуется несколькими дренажными канавами, заложенными в начале 1940-х гг. с целью осушения заболоченной территории; канавы, сливаясь, дают начало ручью.
Растительный покров территории определяется принадлежностью ее к зоне смешанных хвойно-широколиственных лесов и прохождением по ней границ южно-таежной и широколиственно-лесной подзон (Аналитический доклад..., 1996). Преобладающими древесными породами являются ель с участием сосны и лиственных пород. Наиболее характерны березово-осиново-еловые, еловые, сосново-еловые леса.
Преобладающей почвообразующей породой являются покровные суглинки, они распространены по всей территории района. Встречаются также глины, водно-ледниковые пески, водно-ледниковые суглинки, песчано-суглинистая морена, неоднородные (двучленные) толщи наносов, современные аллювиальные отложения (песчанистые и суглинистые). Небольшими пятнами среди них встречаются моренные суглинки и двучленные отложения (покровные суглинки на морене, водно-ледниковые суглинки на песчаной морене). Поймы рек сложены современными аллювиальными отложениями (песчаными и суглинистыми).
Рассматриваемая территория входит в округ дерново-подзолистых почв суглинистого механического состава Смоленско-Московской возвышенности (Оценка..., 2000). Территория полигона ТБО располагается в почвенном районе, который представлен вариациями дерново-подзолистых и дерново-подзолистых глееватых почв и их сочетаний с дерново-подзолистыми глеевыми почвами ложбин среднерасчлененных моренных равнин с незначительным распространением болотно-подзолистых и болотных почв слаборасчлененных моренных равнин. Наибольшее распространение в районе имеют легко- и средне-суглинистые почвы.
Характеристика фильтрата полигона ТБО
Одной из приоритетных задач при изучении влияния полигона ТБО на компоненты окружающей среды является химическая характеристика выделяющегося из тела полигона фильтрата. Причем, как известно из литературных данных (Путилина и др., 2005), химический состав свалочных фильтратов крайне неоднороден, и определяется типом отходов, природой поступающих органических соединений и возрастом свалки. В работах (Бекетов и др., 1998; Кудельский и др., 2001; Семин и др., 1999; Harmsen, 1983; Kjeldsen, Christensen, 1984; Maximova, Koumanova, 2006; Kale at al, 2009) показано высокое содержание тяжелых металлов в фильтрате. Мониторинговые исследования временной динамики состава фильтратов демонстрируют сильное варьирование концентраций загрязнителей как в течение года, так и в межгодовой динамике (Кудельский и др., 2001; Christensen, Tjell, 1984). Поэтому химическая характеристика фильтрата по данным однократного пробоотбора не всегда корректна.
Химический состав неорганических и органических веществ в фильтрате исследовался нами во временной динамике (использованы собственные данные за 2006-2008 года в межсезонной динамике, а также данные контроля состава фильтрата, проводившиеся в 2005 г.). Обнаружено сильное варьирование содержания всех элементов в сезонной и годовой динамике. Для удобства сопоставления концентрации химических веществ приведены в кратностях ПДК для вод хозяйственно-бытового назначения (Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»).
Приоритетными загрязнителями являются ртуть, хром, марганец. Присутствуют свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк; хлориды, фосфаты, нитриты и ион аммония (0-520 ПДК для ртути, 1-24 ПДК для хрома, 1-14 ПДК для марганца, 0-6 ПДК для свинца, 0-2 ПДК для мышьяка и кадмия; 14-143 ПДК для иона аммония, 0-52 ПДК для нитритов, 0-6 ПДК для хлоридов, 0-4 ПДК для бромидов, 0-3 ПДК для фосфатов; 0-1900 ПДК для нефтепродуктов, см. табл. 5).
Содержание загрязняющих веществ в составе фильтрата сильно варьировало во времени, что связано с разным годовым количеством осадков в изучаемом регионе (Государственные доклады о состоянии окружающей среды Московской области, 2004-2007 г.). «Залповые» концентрации некоторых элементов в определенные периоды времени (ртуть и др.), скорее всего, связаны с выходом в фильтрат большого количества органических веществ.
Для значений содержания исследуемых компонентов фильтрата был рассчитан коэффициент вариации. Обнаружено, что вариабельность концентраций во временной динамике очень высока: коэффициент вариации меняется в пределах 30-160%.
Воды исследованных водных объектов существенно варьируют по составу загрязняющих веществ и по их концентрациям по годам (2006-2008), что вероятно связано с различным количеством атмосферных осадков, в зависимости от величины которых может меняться и концентрация загрязняющих веществ, и интенсивность движения водных потоков и, следовательно, застаивание загрязненных поверхностных вод или, наоборот, их интенсивный перенос по линиям стока. С расстоянием от полигона в водах снижаются концентрации только мышьяка, кадмия, хлоридов. По многим загрязняющим веществам с удалением от полигона не наблюдается снижение их содержания, а в основном, наоборот - увеличение по таким компонентам как свинец, хром, никель, ртуть, марганец, сульфаты, хотя их концентрации и не превышают ПДК. На расстоянии 4000 м от полигона в водах превышены ПДК по хрому, марганцу, иону аммония.
Проведена оценка токсичности образцов поверхностных вод, отобранных в июне 2008 г. Тест проводился на низших ракообразных Daph-nia magna в соответствии со стандартной методикой ФР. 1.39.2007.03222. Результаты анализа представлены на рисунке 5.
Биотестирование проб поверхностных вод на расстоянии 300, 950 и 2000 м от полигона показало их экотоксичность, которая имеет тенденцию к снижению по мере удаления от ОРО. Однако пробы воды, отобранные на наибольшем удалении (2000 м) классифицируются все же как токсичные (гибель анализируемой выборки особей превышает 10%).
Донные отложения (ДО) водотоков - важный компонент окружающей среды, который реагирует на загрязнение. Основная аккумуляция загрязнения водоемов осуществляется донными отложениями (Папина, 2001), которые определяются как донные наносы и твердые частицы, образовавшиеся и осевшие на дно водного объекта в результате внутриводоем-ных физико-химических и биохимических процессов, происходящих с веществами природного и техногенного происхождения (ГОСТ 17.1.5.01.-80; ИСО 5667-1).
Поскольку в настоящий момент отсутствует нормативная база по содержанию загрязняющих веществ в донных отложениях пресноводных поверхностных экосистем, особую важность приобретают данные об их фоновых концентрациях. В качестве фоновых показателей были приняты значения массовых концентраций тяжелых металлов и анионов в пробах донных отложений пруда, расположенного на расстоянии 4000 м от полигона и не связанного с изучаемыми водотоками гидрографически. Параллельно осуществлялось сравнение с ПДК для почв (ГН 2.1.7.2041-06).
Химические данные о межгодовой динамике концентраций изучаемых веществ ДО дренажной канавы в 300 м от полигона представлены на рисунке 6. Сводная таблица содержания химических веществ предоставлена в приложении 1.
