Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 7
1.1. Шламовые отходы гальванических производств 7
1.2. Техногенная миграция тяжёлых металлов (ТМ) 11
1.3. Внутренние и внешние факторы миграции химических элементов 22
2. Объекты и методы исследований.. 39
2.1. Методика проведения исследований 39
2.2. Характеристика применявшихся средств и методик анализа 47
2.3. Методика аналитико-камеральных исследований - обработка данных 50
2.4. Гальваношламы 54
2.5. Почвы 56
3. Исследование миграции и трансформации ТМ в почвах из различных соединений 64
3.1. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, в образцах почв различного состава 64
3.2. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей разовой (ударной) дозой, в образцах почв различного состава и насыпной плотности 70
3.3. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, исследуемая на модели реального почвенного профиля 75
3.4. Миграция и трансформация соединений ТМ в почвенных образцах в различных физико-химических условиях 83
4. Исследование миграции и трансформации ТМ в почвах из гальваношлама 100
4.1. Миграция ТМ из гальваношлама при нейтральных промывных водах на образцах почв различного состава 100
4.2. Миграция и трансформация соединений ТМ, выщелачиваемых из гальваношлама, в зависимости от анионного состава кислых промывных вод 107
4.3. Исследование кинетики миграции ТМ из гальваношлама в профиле серой лесной почвы методом электропроводности 115
4.4. Техногенная трансформация ТМ в системе «гальваношлам почва» 135
5. Исследование миграции ТМ из ральваношлама в условиях полевого эксперимента 150
Выводы 172
Практические рекомендации 175
Библиография 176
- Техногенная миграция тяжёлых металлов (ТМ)
- Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, в образцах почв различного состава
- Миграция ТМ из гальваношлама при нейтральных промывных водах на образцах почв различного состава
- Исследование миграции ТМ из ральваношлама в условиях полевого эксперимента
Техногенная миграция тяжёлых металлов (ТМ)
Миграция загрязняющего почву химического вещества - это горизонтальное и (или) вертикальное перемещение химического вещества, загрязняющего почву и (или) из почвы в другие объекты природной среды и обратно (ГОСТ 17.4.1.03-84) [33, 69]. Выделяются 4 основных вида миграции в зависимости от формы движения материи. Понятие об этих формах, как известно, разработал Ф. Энгельс, выделивший механическую, физическую, химическую, биологическую и техногенную формы движения материи.
Наиболее простой является миграция, подчиняющаяся законам механики, -образование россыпей, ветровая и водная эрозия и т. д. Механическая миграция зависит от величины частиц минералов и пород, их плотности, скорости движения вод, ветра. Химические свойства элементов часто не имеют значения.
Сложные процессы, сущность которых определяется законами физики и химии - диффузией, растворением, осаждением, сорбцией, десорбцией и т. д. Это физико-химическая миграция. Лучше всего изучена миграция веществ в водных растворах в виде ионов (ионная миграция), зависящая от растворимости солей, щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий. Иным законам подчиняется коллоидная миграция, миграция газов.
Ещё сложнее биогенная миграция, выделенная В. И. Вернадским, обязанная деятельности организмов. Эта миграция не может анализироваться только на основе общих законов физики и химии. Такие константы элементов, как радиусы ионов, валентность, недостаточны для анализа биогенной миграции. Организмы существуют в особом информационном поле, для них характерны процессы управления, переработки информации, отсутствующие в неживой природе.
И, наконец, самой сложной является техногенная миграция, включающая все выше перечисленные виды миграции и связанная также с технологическими, производственными процессами. К ней относится отработка месторождений полезных ископаемых, образование и размещение отходов [85]. Техногенная миграция - вид миграции, важность изучения которой установлена В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом в начале XX столетия. Однако практическое значение подобного подхода выявилось только во второй половине XX века, когда резко возросло влияние техногенеза на природную среду.
Понятия техногенной миграции и устойчивости почв к антропогенному воздействию рассматриваются исследователями неразрывно друг от друга. Техногенная миграция химических элементов в почвенной среде и устойчивость почв к загрязнению изучается с различных методологических позиций в естественнонаучных и технических областях: 1) химии почв (раздел почвоведения); 2) в биогеохимии; 3) в геохимии ландшафта (или геохимии) и др.
1. Химия почв. В данном направлении к настоящему времени накоплен обширный фактический материал по химии почвенной массы. Хорошо известен средний элементарный состав почвы, закономерности изменения элементарного состава по профилю главнейших типов почв, причём эти сведения касаются как традиционных макроэлементов (Si, Al, Fe, Са, Mg, К, Р, S, С1, С, N), так и большого набора микроэлементов: в поле зрения почвоведов постоянно находятся не менее 25 микроэлементов. Однако, как отмечает Орлов Д. С. [80], до сих пор недостаточно изучены химические механизмы дифференциации профиля на генетические горизонты, условия и формы техногенной миграции веществ и, наконец, зависимость почвенно-химических процессов от общей экологической обстановки. В результате масштаб и опасность техногенного загрязнения антропогенных зон определяется лишь частично, а проблема загрязнения почв, трансформации и миграции соединений тяжёлых металлов остаётся одной из самых малоизученных [80, 143]. Трудности при мониторинге тяжёлых металлов, с которыми сталкиваются исследователи (Ильин В. Б., 1997) - это полиметалльный характер загрязнения почвы (ассоциации элементов загрязнителей), недостаточность сведений о фоновом содержании элементов загрязнителей в местных почвах (выбор почвенного фона), необходимость изучать, помимо загрязнения в почве, загрязнение растений (влияние на фитоценозы) [143].
Изучение трансформации и миграции загрязняющих веществ в почвах подразумевает детальное описание физики и химии процесса. Особенно важны исследования по токсичным составляющим промышленных отходов, в частности группы тяжёлых металлов: Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Pb и др. При моделировании процессов трансформации и миграции тяжёлых металлов в почве необходимо рассматривать сложную пространственную 3-х фазную систему со взаимозависимыми процессами в каждой из фаз. Устойчивая концентрация металлов в многократных последовательных водных экстракциях свидетельствует о том, что металлы, содержащиеся в твёрдой фазе и растворе, связаны равновесием. Разнообразные процессы взаимодействия между твёрдой и газообразной фазами почвы и почвенным раствором регулируют динамическое равновесие между компонентами почвы [86] (рис. 1.1).
Процессы перемещения загрязняющих веществ в почвах и химическая трансформация отходов (веществ, содержащих тяжёлые металлы) в местах захоронения имеют общий механизм, связывающий поток жидкости и химические реакции между растворёнными веществами и твёрдой породой [80].
Гранулометрический состав оказывает прямое влияние на закрепление тяжёлых металлов и их освобождение, поэтому почвы тяжёлого механического состава характеризуются меньшей потенциальной опасностью поступления тяжёлых металлов в растения.
Реакция среды. Было показано, что поглощение ТМ почвами существенно обусловлено реакцией среды, а также составом анионов почвенного раствора.
Содержание органического вещества. ТМ способны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями.
Катионообменная ёмкость обусловлена содержанием и минералогическим составом илистой фракции, а также содержанием органического вещества. Чем выше ёмкость катионного обмена, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжёлым металлам, что снижает доступность ТМ растениям.
Дренаж почвы. Избыток влаги в почве способствует появлению тяжёлых металлов в низкой степени окисления и в более растворимых формах. Анаэробные условия повышают доступность тяжёлых металлов растениям [86].
Проблеме устойчивости почв были посвящены аналитические работы Г. В. Добровольского, в которых отмечается необходимость разработки показателей устойчивости почв к химическому загрязнению [42, 123]. В качестве теоретической основы классификации почв по устойчивости к техногенным воздействиям, в частности к действию кислотных осадков, М. А. Глазовской (1990) было сформулировано два понятия: буферность почв - способность противостоять понижению значений рН при воздействии кислот, и устойчивость почв - способность их при понижении значений рН противостоять до определённых пределов разрушению поглощающего комплекса почв, диспергации коллоидов и суспензий и их выносу за пределы профиля, появлению в растворе токсичных соединений алюминия, железа, марганца и других микроэлементов [29, 86]. Устойчивость почв к химическому загрязнению ТМ согласно данному подходу эквивалентно понятию буферности, то есть является в большой степени функцией рН.
Буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам не зависит от общего содержания их в почвах. Она определяется химическими свойствами почв, качеством и количеством органических веществ и глинистых минералов, кислотно-основными, ионообменными, окислительно-восстановительными свойствами и режимами. Изменение кислотно-основных, ионообменных, окислительно-восстановительных, сорбционных свойств почв (косвенные педохимиче-ские показатели загрязнения почв) под влиянием загрязняющих веществ и само по себе может вести к ухудшению состояния. Буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам зависит от химических свойств, влияющих на подвижность поступающих в почву загрязняющих веществ, их способности прочно закрепляться в результате ионного обмена, хемосорбции, осаждения, комплексообразования. Так, например, установлено, что в некарбонатных почвах распределение элемента между почвенным раствором и подвижными соединениями в твёрдых фазах обусловлено ионным обменом, т. е. уровень концентрации элемента в растворе и устойчивость почв к загрязнению зависят в таких почвах от качества и количества органических веществ, тонкодисперсных минералов, а также от кислотно-основных условий (Обухов А. И., Зырин Н. Г., 1980). Большая роль принадлежит процессам «осаждения-растворения» в распределении минеральных соединений между почвенным раствором и твёрдыми фазами почвы. Они, в частности, существенно влияют на подвижность свинца в почве [86].
Очевидно, что при исследовании техногенной миграции ТМ необходим сбор данных о морфологических и физико-химических свойствах почв, сведений о химических формах тяжёлых металлов в отходах.
Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, в образцах почв различного состава
Цель: Исследование миграции ТМ, вносимых с кислым раствором солей, на образцах почв различного состава, но одинаковой насыпной плотности (табл. 3.1.1). супесчаная среднесуглинистая тяжёлосуглинистая раствор сульфатов Cr, Со, Ni, Си, Zn (рН=3,5) раствор сульфатов Cr, Со, Ni, Си, Zn (рН=3,5) раствор сульфатов Cr, Со, Ni, Си, Zn (рН=3,5)
Оборудование и материалы. Были смонтированы трубки Освальда (внутренний диаметр dBH=2,2 см) с почвенными образцами по 64 г, отобранными из генетических горизонтов различного состава (табл. 3.1.1). Физико-химические свойства образцов приведены в табл. 3.1.2.
Примечание к таблице 3.1.2: 1 - супесчаная дерново-подзолистая почва; 2 -среднесуглинистая серая лесная почва; 3 - образец почвы тяжёлосуглинистого механического состава, отобранный из горизонта С серой лесной почвы.
Высота почвенного слоя в каждой трубке составляет 15 см. Почва просеивалась через сито (2 мм), насыпная плотность почвенных образцов выдерживалась постоянной -1,12 r/cMJ. Исходное содержание металлов в образцах представлено в табл. 3.1.3.
Порядок выполнения работы. Полив осуществлялся кислым раствором солей Cr2(S04)3, C0SO4, N1SO4, C11SO4, ZnS04 при рН=3,5. В каждую трубку приливалось по 140 мл раствора в течение месяца (33 сут). Параметры раствора, а также количества ТМ, внесённые в почву, приведены в табл. 3.1.4.
По абсолютному количеству (моль) тяжёлых металлов, поступающих в образцы с раствором, элементы располагаются в следующем порядке: Сг Zn Си Ni Со. Наибольший вклад по условиям опыта дают Сг и Zn, на их долю в суммарном потоке ТМ приходится 53,1%.
Результаты и их обсуждение. Опыт проводился на различных образцах почв, отобранных из верхних горизонтов. Почва в каждой трубке - одинаковой насыпной плотности (p=const) и усреднена по механическому составу (d 2 мм). Во все образцы приливались одинаковые объёмы кислых растворов (по 140 мл), содержащие равные количества металлов: Сг, Со, Ni, Си, Zn. Результаты анализа содержания ТМ после приливання раствора представлены в табл. 3.1.5.
Относительное содержание (коэффициенты концентрации) Сг, Со, Ni, Си, Zn и их распределение по профилю образцов показано на графиках (рис. 3.1).
Очевидно, что характер перераспределения ТМ в супесчаной почве качественно отличается от средне- и тяжелосуглинистои при прочих равных условиях. В опытах, проводимых на среднесуглинистои и тяжелосуглинистой почве, отмечается интенсивное накопление металлов (Zn, Си, Ni, Со, Сг) в верхнем четырёхсантиметровом слое почвы, что указывает на сильные сорбционные свойства этих типов почв (табл. 3.1.6).
В верхних слоях образцов (№2 и №3) средне- и тяжёлосуглинистой почвы формируются максимумы концентраций ТМ. Однако из данных табл. 3.1.5, 3.1.6 и рис. 3.1 следует, что перераспределение элементов на этом не прекращается. В верхних слоях образцов наблюдается одновременное действие двух конкурирующих процессов: аккумуляции ТМ и вторичного выщелачивания тяжёлых металлов с кислым раствором в нижележащие слои. Иными словами, в верхних слоях почвенных образцов формируется зона вторичного выщелачивания, играющая роль буфера и где в то же время степень извлечения элементов может достигать десятков процентов.
В случае средне- и тяжелосуглинистой почвы при относительно небольшом по контрастности и объёму потоке поллютантов действующие факторы миграции усиливают степень загрязнения и радиальную дифференциацию элементов (ТМ). В образце супесчаной почвы воздействие потока ТМ минимизируется кислым выщелачиванием, особенно интенсивным для Zn, Ni, Со. Максимумы концентраций этих металлов сместились в нижние слои супесчаной почвы (рис. 3.1).
В табл. 3.1.7 представлены рассчитанные параметры миграции тяжёлых металлов в образцах почв, среди которых: 1) к - коэффициент распределения ТМ между жидкой и твёрдой фазами, зависящий от физико-химических свойств почвы и металла, и рассчитывается из соотношения (1.1) где k AS/AC, S - содержание элемента в твёрдой фазе, а С - в растворе; 2) vM/v,, - отношение скорости миграции ТМ к скорости фильтрации, рассчитывается по уравнению (1.3), где р=1120 кг/м", Q=0,15 - физические параметры одинаковые для всех образцов.
Отношение vM/v,, для металлов в случае супесчаной почвы лежит в пределах от 5% до 35,5%, а для средне- и тяжёлосуглинистой почвы этот параметр варьирует от 1,5% до 3,5%. Наибольшую миграционную способность проявляют в большинстве случаев Zn и Си. Также высокую подвижность могут обнаруживать Со и Сг.
Результирующее влияние факторов на миграцию ТМ различно: в первом случае - мобилизирующее, вызванное кислым выщелачиванием металлов в почве лёгкого, супесчаногого состава, с низким содержанием обменных оснований и гумуса, слабой сульфат-адсорбционной способностью, кислой реакцией и низкой степенью насыщенности ППК; во втором и третьем случае - аккумулирующее, связанное с содержанием в почве органического вещества и физической глины, присутствием карбонатов.
Считается установленным тот факт, что в почвах распределение элемента между почвенным раствором и подвижными соединениями в твёрдых фазах обусловлено в основном ионным обменом, т. е. уровень концентрации элемента в растворе и устойчивость почв к загрязнению зависят в таких почвах от качества и количества органических веществ, тонкодисперсных минералов, а также от кислотно-основных условий [86]. Большая роль здесь отводится процессам осаждения - растворения в распределении минеральных соединений между почвенным раствором и твёрдой фазами почвы (Орлов Д. С, 1994).
В условиях опыта миграция тяжёлых металлов зависит от сорбционных свойств почв, которые определяются содержанием органического вещества, тонкодисперсных частиц, входящих в состав физической глины, присутствием карбонатов. Причём органическое вещество (образец №2), по-видимому, проявляет наибольшую способность аккумулировать тяжёлые металлы. Супесчаная почва бедна этими компонентами, поэтому скорость миграции металлов приближается здесь к скорости фильтрации.
Выводы к опыту. Опыт отражает зависимость миграции тяжёлых металлов от состава почвенных образцов, содержащих органическое вещество, физическую глину и супесь. Большая роль в распределении ТМ между почвенным раствором и твёрдой фазой почвы принадлежит двум одновременно действующим, конкурирующим процессам: аккумуляции ТМ и их вторичного выщелачивания с кислыми водами в нижележащие слои. Соотношение этих процессов в условиях опыта определяется составом почвенных образцов, низким рН промывных вод. Различное результирующее влияние этих факторов, которое может быть аккумулирующее или мобилизующее, обусловливает: 1) когда при воздействии потока ТМ эффект загрязнения на участках почвенного профиля усиливается или ослабляется, приводя к резкой дифференциации ТМ; 2) различное соотношение между скоростью миграции ТМ и скоростью фильтрации, зависящее от содержания специфически сорбирующих компонентов: органического вещества, тонкодисперсных частиц, входящих в состав физической глины, и др.
Миграция ТМ из гальваношлама при нейтральных промывных водах на образцах почв различного состава
Цель: Исследование миграции ТМ из гальваношлама при нейтральных промывных водах на образцах почв различного состава, но одинаковой насыпной плотности (табл. 4.1.1). Определение класса опасности шламовых отходов.
Оборудование и материалы. Данный опыт идентичен опытам, проводимым с кислыми растворами солей (раздел 3.1 и 3.2), так как объектом исследования являются те же почвенные образцы гомогенного состава, однако в качестве загрязнителя здесь используется непосредственно гальваношлам, промываемый дистиллированной водой.
В трубки Освальда с внутренним диаметром d=2,2 см засыпали отличающиеся по составу образцы почв, предварительно отобранные из различных генетических горизонтов и просеянные через сито (2 мм): 1) супесчаная дерново-подзолистая почва (64 г); 2) среднесуглинистая почва, отобранная из гумусового горизонта серой лесной почвы(64 г); 3) образец тяжёлосуглинистой почвы (64 г), отобранный из горизонта С серой лесной почвы. Высота почвенного слоя в каждой трубке составляет 15 см, поэтому насыпная плотность образцов выдерживалась постоянной -1,12 г/см . Физико-химические свойства образцов приведены в табл. 3.1.2., а исходное содержание металлов в почвенных образцах - в табл. 3.1.3.
Порядок выполнения работы. На поверхность почвенных образцов ровным слоем вносится гальваношлам (36 г), содержание тяжёлых металлов в котором и реализуемые параметры полиметалльного загрязнения приведены в табл. 4.1.2.
В данном опыте элементы по абсолютным количествам (моль), внесённых с гальваношламом в почвенные образцы, располагаются в следующем порядке: Zn Fe Cr Си Ni Mn Pb Co. Полив осуществлялся дистиллированной водой по 140 мл в каждый образец в течение месяца (28 сут) из расчета месячной нормы осадков в весенне-паводковый период.
Результаты и их обсуждение. В опыте изучалась миграция тяжёлых металлов в системе «гальваношлам - почва». Как и в опытах с растворами солей использовались почвенные образцы различного состава, но одинаковой насыпной плотности (табл. 3.1.1, 3.2.1, 4.1.1). После месячного приливання равных объёмов дистиллированной воды были получены следующие данные о распределении ТМ по профилю почвенных образцов (табл. 4.1.3 и рис. 4.1). Содержание РЬ, Си, Со в почвенных образцах практически не изменилось. Наиболее контрастные изменения концентраций произошли по хрому, никелю и цинку (рис. 4.1)
Кривые распределения элементов по профилю образцов аналогичны кривым, полученным в опытах с растворимыми формами ТМ на тех же почвенных образцах. Очевидно, что механизм перераспределения элементов по профилю почвенных образцов во всех этих случаях идентичен. В результате слабокислого выщелачивания металлы переходят из гальваношлама в раствор. Формирующийся в слое гальваношлама фильтрат обогащен ионами тяжёлых металлов, обладающими высокой миграционной способностью. Фильтрат, содержащий подвижные формы ТМ, поступает в почвенную фазу, где в верхних слоях формируется «зона вторичного выщелачивания», характеризующаяся высоким уровнем содержания металлов и из которой одновременно происходит дальнейшее перераспределение элементов в нижележащие слои. Таким образом в распределении Cr, Ni, Zn по профилю почвенных образцов, как и в косвенных экспериментах, обнаруживается характерная дифференциация ТМ (рис. 4.1). В табл. 4.1.4 приведены результаты балансовых расчётов по каждому образцу относительно ТМ.
Содержание Cr, Mn, Fe, Ni, Zn возросло во всех образцах. Соответственно на такую же массу изменилось содержание ТМ в шламе. В табл. 4.1.5 приведены рассчитанные параметры выноса тяжёлых металлов из гальваношлама при рН=5,6, среди которых: Am/m0 - отношение выщелоченной массы элемента к его исходному содержанию, %; Px=Am/(At-m0) - интенсивность миграции, сут" .
По абсолютному количеству тяжёлых металлов выщелачиваемых из шлама с фильтрационными водами элементы располагаются в следующем порядке: Fe Cr Zn Ni Мп (рис. 4.2).
Ведущим элементом здесь является железо, на его долю в суммарном потоке ТМ приходится более 50%. Также существенный вклад дают Zn и Сг. В сумме на долю Fe, Сг, Zn приходится 91%о. Однако по интенсивности миграции ряд элементов выглядит иначе: Fe, Мп Сг, Ni Zn. Расчеты показывают, что при рН=5,5 по интенсивности миграции на первое место выходят Fe и Мп - элементы близкие по химическим свойствам и, как отмечается многими исследователями [19, 50, 85, 140], ассоциирующиеся друг с другом в миграционных потоках. Гальваношлам при рН, близком к нейтральному, теряет в течение месяца до 0,16% от общего запаса ТМ. Это существенная величина, учитывая, что объёмы подобных отходов, складируемых на открытых промплощадках и свалках, исчисляется тысячами тонн, а суммарное содержание тяжёлых металлов в них варьирует от 15 до 50%о (в пересчёте на сухую массу). Шламам обычно присваивается III или IV класс токсичности.
Оценка класса токсичности начинается с расчёта индекса класса токсичности для отдельных компонентов, содержащих ТМ, и которая осуществляется по формуле 4.1 [24]: где Sj - коэффициент, отражающий растворимость і-го компонента в воде (г/100 г); С; - содержание і-го компонента в массе отходов (в долях); ПДК, - предельно допустимая концентрация подвижных форм ТМ в почве.
Расчёт суммарного индекса токсичности осуществляется по следующей формуле (4.2):
Для рассчёта суммарного индекса токсичности выбирают как правило 1-3 ведущих компонета, К; которых принимают наименьшие значения, при условии, что 2К] КП. После этого определяется класс токсичности отходов. В табл. 4.1.6 приведены исходные данные и результаты рассчётов для шламов, которые были использованы в лабораторных и полевых опытах. Содержание ТМ в шламах приведено в табл. 2.4.2, влажность - 40%.
Согласно суммарному индексу оба вида гальваношламов, используемые в опытах, имеют близкие значения Kv и их следует отнести к IV классу токсичности. Оценка класса опасности гальваношламов для окружающей природной среды согласно новой методике (Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды. Приказ МПР РФ от 15.06.01 №511) также относит шламы, использованные в опытах, к 3-му или 4-му классу - то есть отходы характеризуются как умеренно опасные или малоопасные. По рассчётам, основанным на справочных данных, наиболее опасными компонентами в гальва-ношламах являются Си, Ni, Сг, растворимость которых очень мала. Однако оценки на основе опытных данных дают значения растворимости ТМ. выщелачиваемых из шлама, на 1-2 порядка большие, чем табличные (г/100 г): Сг - 1,2Т0"3; Мп - 1,5-10"4; Fe - 2}9-10"3; Ni - 3,4-10"4; Zn - 9,1-10"4. Очевидно, что в условиях полиметалльного загрязнения растворимость системы в целом и миграционная способность ТМ выше, чем у отдельно взятых компонентов.
Исследование миграции ТМ из ральваношлама в условиях полевого эксперимента
Цель: Исследование миграции ТМ в системе «гальваношлам-почва» в естественных, полевых условиях на полигонах (табл. 5.1.1).
Основные положения. План эксперимента включает три объекта исследования (табл. 5.1.1). Это полигоны - участки правильной квадратной формы с линейными размерами 1,0-1,5 м и уклоном в 10, с размещёнными на них шламовыми отходами (рис. 5.1, 5.5, 5.10).
Полигоны расположены на неиспользуемых в хозяйственной деятельности территориях на различных типах почв, в горизонтах которых признаки механической нарушенности и эрозионных процессов не наблюдаются.
Анализ, проведённый в предыдущих главах (см. гл. 1, 2), показывает, что при исследовании техногенной миграции тяжёлых металлов необходимо рассматривать верхнюю часть почвенных профилей - область органогенных горизонтов, которые в значительной степени обуславливают устойчивость почв и принимают на себя первый удар техногенного загрязнения. Поэтому в полевых экспериментах перераспределение ТМ изучается в грунтовом слое мощностью 0,5 м. В подобных исследованиях необходимо также учитывать поглощение растениями тяжёлых металлов, внесённых с отходами.
Опыты проводились в условиях естественного увлажнения. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают степень увлажнения территорий. Это, в свою очередь, влияет на интенсивность водной и биологической миграции элементов. Обмен воды и температурный режим на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов [41].
Район полигонов относится к зоне достаточного увлажнения. Годовая сумма осадков составляет 610 мм. В течение года осадки распределяются неравномерно, большая часть их (до 69%) выпадает в тёплый период года, с апреля по октябрь, с максимумом в июле. Устойчивый снежный покров устанавливается в третьей декаде ноября. Высота снежного покрова до начала снеготаяния обычно составляет 30 см, а максимальный запас воды в снежном покрове может достигать 75-90 см. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова в среднем составляет 145 дней. Сход устойчивого снежного покрова отмечается в период с 4 по 12 апреля и происходит через 2-6 дней после перехода среднесуточной температуры воздуха через 0С [81].
Годовой слой испарения с поверхности суши, определённый по методу водного баланса, составляет 424 мм [81]. Отсюда среднегодовой коэффициент относительной увлажнённости [41] равен Ку=1,44. Таким образом, полигоны расположены на территории влажных гумидных районов с длительным холодным периодом и характерным для них периодически промывным режимом, обеспечивающим контрастную вертикальную миграцию химических элементов, и сравнительно интенсивным биологическим круговоротом элементов (в тёплый период).
При исследовании техногенной миграции тяжёлых металлов на полигонах в естественных условиях следует различать полное время эксперимента и «миграционное» время (миграционный период Тм). Полное время исследования - время, отсчитываемое от момента закладки гальваношлама, в полевых экспериментах составляет два года - с июля 1998 по июль 2000 г. А время миграции или миграционный период - промежуток времени охватывающий «тёплые» периоды,, когда промерзание почв не наблюдается, а среднесуточная температура держится выше 0С. Отсюда в экспериментах «миграционный период» составляет не менее Тм 365 сут (1 год).
Оборудование и материалы. В полевых опытах были использованы гальва-ношламы двух типов - серо-зелёного и рыжего цвета (обогащенный железом), состав которых представлен в табл. 2.4.2. В полигонах №1 и №2 используется смесь этих шламов, а в третьем полигоне - гальваношлам первого типа (табл. 5.1.2). Масса отходов, приходящаяся на каждый полигон, составляет 22,4 кг, а объём -0,008 м . В пересчёте на массу сухого вещества - 5,6 кг.
Порядок выполнения работы. В Суздальском районе на различных типах почв (табл. 5.1.1) были заложены полигоны и внесён гальваношлам. Шлам рассыпан ровным слоем, и участок был снова закрыт дёрном. В течение 1998-2000 гг. проводился импактный мониторинг - отслеживался химический состав полуметрового слоя почв и их изменение в местах локального воздействия отходов. Для исследования морфологических и физико-химических характеристик почвенных профилей рядом были заложены контрольные разрезы.
Для выявления составляющих миграции пробы отбирались как с территории полигона, так и на некотором отдалении (0,3-1,5 м) по периметру. Сначала снимается дёрн с нужного участка. После чего отбираются образцы почвы как по периметру полигона (+ контрольные пробы), так и на самом полигоне в различных точках по типу конверта. Образцы почвы отбирались с разных глубин таким образом (с шагом 15 см), что были охвачены все горизонты в пределах верхнего полуметрового слоя почвенного профиля. Пробы отбирали через различные промежутки времени и анализировали на содержание Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Pb.
Результаты и их обсуждение. Анализ на содержание тяжёлых металлов образцов гальваношлама показал, что за этот период шламы, заложенные на полигонах, потеряли около 50% ТМ (табл. 5.1.3 и 5.1.4).
