Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД В УСЛОВИЯХ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ (Обзор литературы) 11
1.1. Геохимические методы исследования природных сред 11
1.1.1. Этапы эколого-геохимической оценки территории 11
1.1.2. Методы обработки геохимических данных и геохимические показатели 15
1.2.Полигоны отходов как загрязнители окружающей среды 28
1.2.1.Динамика образования, состав и использование твердых бытовых и промышленных отходов 28
1.2.1.1. Твердые бытовые отходы 31
1.2.1.2. Промышленные отходы различных типов производств 34
1.2.2. Влияние полигонов отходов на сопредельные природные среды 37
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
II. 1. Объект исследования 50
II.1.1. Географическая характеристика района исследования. 50
II.1.2. Характеристика отходов Тогаевского полигона 56
II.2. Методика, аппаратура 57
II.2.1.Воды 58
II.2.2. Почвы и донные отложения: 59
II.2.3. Растительность 60
II.2.4. Воздух 61
II.3. Обработка результатов
ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
III. 1. Воздействие Тогаевского полигона отходов на сопредельные природные среды 65
III.1.1. Почвы 65
III. 1.2. Растения 72
III. 1.3. Атмосферный воздух 81
III. 1.4. Природные воды (поверхностные и подземные) 84
III.2. Рекомендации по организации системы мониторинга мест размещения отходов производства и потребления 101
III.2.2. Критерии оценки состояния эколого-геохимических условий в местах размещения отходов 108
ВЫВОДЫ 116
ЛИТЕРАТУРА 119
- Этапы эколого-геохимической оценки территории
- Географическая характеристика района исследования.
- Атмосферный воздух
Введение к работе
В России ежегодно образуется около 130 млн. м3 ТБО. Среднесуточная норма накопления ТБО за год в благоустроенных жилых зданиях составляет 0,52 кг/чел или 0,96 м /чел при плотности до 0,2 т/м . Из 27 млн. тонн ТБО промышленной переработке подвергается около 3%, остальная масса вывозится на свалки и полигоны (захоронения) с отчуждением земель в пригородной зоне. Например, в Подмосковье свыше 50 санкционированных свалок, каждая площадью от 3 до 10 га. В целом в России под мусорные свалки отчуждено 0,8 млн. га земель, среди которых не только пустыри, овраги и карьеры, но и плодородные черноземы.
Основная часть полигонов ТБО располагается в бывших карьерах или оврагах в неблагоприятных геоэкологических условиях. В основании полигонов часто отсутствует водоупорный геологический барьер, препятствующий проникновению свалочного фильтрата в грунты и водоносные горизонты. В зоне влияния полигонов не осуществляется мониторинг за состоянием окружающей среды (Беляева, 2003).
Территории свалок обычно не обвалованы, санитарно-защитная зона не организована, технология складирования не соблюдается, не подготовлено водонепроницаемое основание, не ведется сбор и очистка фильтрата, поступающего из толщи складируемых отходов, не предусмотрен отвод талых и атмосферных вод. Грунтовые и поверхностные воды, протекающие через земляную засыпку, захватывают растворенные и суспензированные твердые вещества и продукты биологического разложения, поэтому растворы выщелачивания ТБО представлены богатой по составу ассоциацией химических элементов и соединений. Например, для них характерна величина рН=6,0-6,5 и присутствуют карбонаты (730-9500 мг/л), Са (240-2330), Mg (64-410), Na (85-1700), К (28-1700), Fe (0,5-8,7), хлориды (96-2350), сульфаты (84-730), фосфаты (0,3 29), азот органический (2,4-465), азот аммонийный (0,22-480) (Пан, 2001).
5 Количество и состав фильтрата определяется влажностью, размерами и типом бытовых отходов, а также состоянием верхнего покрывающего слоя. В свою очередь эти характеристики зависят от дождевых и талых вод, просачивающихся через свалочную толщу.
Вследствие фильтрации сточных вод формируется постоянно расширяющаяся область загрязненных вод (Амосов, 2000). Складируемые отходы постоянно горят. Значительное количество ТБО попадает на несанкционированные свалки. Неорганизованные свалки располагаются в основном вдоль рек, по многочисленным оврагам, в выемках. Состав и объем этих свалок практически не изучался.
По данным МСА и ЖКХ Республики Татарстан, в 2002 г. на полигоны и санкционированные свалки вывезено в общей сложности около 3670 тыс. м3 отходов. Из общего объема бытовых отходов в 2002 г. извлечено и утилизировано макулатуры - 641 т., полимеров - 125,5 т., металлолома - 516 т., стеклобоя - 237,8 т., текстиля - 51,3 т., древесных отходов - 155 т (Гос. док. РТ, 2003).
Обследование показало, что практически на всех (90%) проверенных полигонах ТБО грубо нарушается технологический режим эксплуатации. При захоронении ТБО зачастую отсутствует пересыпка инертными материалами, производится недостаточное уплотнение отходов , в результате чего происходит их возгорание. Особо неблагоприятная ситуация сложилась на действующих полигонах ТБО г. Зеленодольска, с.с. Тюлячи, Черемшан, Апастово, Базарных Матак, Алькеевского, Новошешминка (Гос. док. РТ, 2003).
Спонтанно сформированное на свалках микробное сообщество медленно разлагает органические вещества. При этом образуется биогаз (смесь метана и СО2), загрязняющий приземный воздух и атмосферу (Ножевникова, 1995). За 30-50 лет утилизируется примерно 30% захороненной органики, остальная часть продолжает разлагаться с уменьшающейся скоростью в течение последующих
десятилетий. Таким образом, свалка - это сложная и уникальная экосистема, которая формируется в результате постепенного просачивания атмосферных осадков и развития микроорганизмов, привнесенных с отходами и проникающих из окружающего грунта и почвы. Гетерогенность твердых отходов создает высокие неоднородность и концентрацию промежуточных органических веществ.
По заключению Агентства по защите окружающей среды в США из 418 наиболее опасных свалок 357 вызвали загрязнение грунтовых вод с опасными последствиями для населения (Thomas, 1990, Chosin, 1985). Во избежание выщелачивания токсичных компонентов из захоронений разрабатываются различные технологические приемы, проводится моделирование процессов для прогнозирования последствий (Fourie, 1999, Weitz, 1999, Harrison, 1992).
Следовательно, депонирование бытовых отходах в открытой форме крайне отрицательно влияет на окружающую среду. Поэтому в настоящее время разрабатываются следующие способы хранения и переработки твердых бытовых отходов: 1) предварительная сортировка, 2) санитарная земляная засыпка, 3) сжигание, 4) биотермическое компостирование, 5) низкотемпературный пиролиз, 6) высокотемпературный пиролиз (Пан, 2001).
Цель исследования - изучение пространственно-временного влияния Тогаевского полигона бытовых и промышленных отходов города Набережные Челны на сопредельные природные среды.
Задачи исследования:
1. Оценить воздействие ТогПО на сопредельные природные среды на основе экспериментальных результатов о составе многокомпонентных свалочных вод, степени загрязнения поверхностных, подземных вод, поступлении загрязняющих веществ в атмосферный воздух, о влиянии на почвы и растительность.
Определить местный геохимический фон токсичных элементов и соединений в почвах и поверхностных водах, оценить динамику формирования техногенных полей рассеяния тяжелых металлов в почвах зоны влияния полигона.
Разработать экогеохимическую систему критериев оценки опасности мест размещения отходов и классов их опасности для окружающей среды.
С использованием предложенной в работе системы критериев охарактеризовать класс опасности ТогПО и разработать программу геоэкологического мониторинга полигонов отходов на территории Прикамья РТ, для выявления закономерностей динамики экологически значимых показателей состояния окружающей среды, принятия управленческих решений и оценки эффекта природоохранных мероприятий.
Данная работа выполнена в Министерстве экологии и природных ресурсов Республики Татарстан (МЭПР, г. Казань) и в лаборатории экологического контроля Казанского государственного университета им. В.И. Ульянова-Ленина (КГУ) в рамках госбюджетной темы "Развитие теоретических и прикладных основ экологического мониторинга", № ГР 01.98.0006937, код ГАСНТИ 87.43.21; а также Программы приоритетных направлений развития науки в Республике Татарстан на 2001-2005 годы по направлению "Экологическая безопасность" (грант № 09-9.3-245/2004-Ф).
Научная новизна. В работе на основе полевых и лабораторных исследований разработана система критериев оценки воздействия и ранжирование опасности мест размещения отходов для окружающей среды.
Дана оценка воздействия полигона отходов на природные среды (поверхностные, подземные воды, атмосферный воздух, почву и растительность), с учетом собственных и литературных данных обосновано ранжирование природных сред по степени подверженности их воздействию
8 полигонов отходов при одновременном действии ряда факторов (геологические, почвенные, биологические, химические, климатические и др.).
Предложена корректировка программы геоэкологического мониторинга полигонов отходов на территории Прикамья РТ с учетом значимости определяемых показателей состояния окружающей среды для выявления закономерностей их динамики и принятия управленческих решений.
Практическая значимость. Разработанная программа
геоэкологического мониторинга полигонов отходов на территории Прикамья РТ и предложенная система критериев оценки воздействия и категории опасности мест размещения отходов на окружающую среду переданы в МЭПР РТ для использования в области управления отходами производства и потребления в районах Прикамья РТ.
Отдельные разделы диссертационной работы используются при чтении специальных курсов «Геохимический мониторинг» и «Управление в обращении с отходами» для студентов экологического факультета Казанского государственного университета, а также при чтении курсов «Экологический мониторинг» и «Промышленная экология» для студентов экологического факультета Камского Института (г.Наб.Челны).
Защищаемые положения:
Оценка степени загрязнения природных сред (поверхностные, подземные воды, атмосферный воздух, почву и растительность) в зонах воздействия мест размещения отходов на основе полевых и лабораторных исследований Тогаевского полигона отходов как модельного.
Обоснование ранжирования природных сред по степени подверженности их воздействию исследуемого источника загрязнения при одновременном действии ряда факторов (геологические, почвенные, биологические, химические, климатические и др.) и наиболее информативных показателей, отражающих опасность мест размещения отходов.
Разработанные система критериев оценки, алгоритм расчета индекса и класса опасности мест размещения отходов для окружающей среды.
Рекомендации к корректировке программы геоэкологического мониторинга природных сред в зоне воздействия полигонов отходов на территории Прикамья РТ.
Личный вклад автора. Постановка задачи, проведение полевых исследований, отбор, подготовка и анализ проб воды, донных отложений, атмосферного воздуха и растений, выполнение экспериментов, статистическая обработка полученных результатов, обобщение и формулирование выводов на их основе проведены лично автором. В обсуждении результатов принятии участие научный руководитель, научные консультанты и соавторы научных работ (Р.Х. Гареев, Е.В. Волкова-Никитина, студентка Л.Г. Ахметзянова), которым автор приносит свою благодарность.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 5 статьях и 11 тезисах докладов на Всероссийских и региональных конференциях.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Международной научно-практической конференции «География и регион» (Пермь, 2002), Всероссийской конференции «Проблемы жизнеобеспечения больших промышленных городов» (Наб.Челны, 2002), конференции «Проблемы жизнеобеспечения больших промышленных городов» (Наб.Челны, 2002), 3-м Международном симпозиуме «Проблемы выживания и экологические механизмы хозяйствования в регионе Прикамья» (Наб.Челны, 2002), №3, III конференции - школа Казань - Чистополь «Химия и инженерная экология», 2003, IV конференция - школа Казань - Наб. Челны, «Химия и инженерная экология», 2004, Отчетной конференции КГУ им. В.И.Ленина, 2004.
Структура и объем диссертации. Диссертация работа изложена на 130
страницах машинописного текста, включает 13 рисунков, 31 таблицу. Состоит
из введения, трех глав, выводов, списка использованных библиографических
источников, включающего 106 ссылок на отечественные и зарубежные работы.
Этапы эколого-геохимической оценки территории
Геохимические методы для экологических целей начали применяться с начала 70-х гг. XX века. Наиболее широкое распространение они получили при оценке загрязненности водных бассейнов и атмосферы. Эколого-геохимические методы позволяют определять уровень загрязнения атмосферы по содержанию загрязнителей в депонирующих средах (почвы, грунты, снег). Оценка уровней загрязненности почвы и атмосферы производится по степени превышения концентраций поллютантов в почве или снеговой пыли над их ПДК или природными (фоновыми) содержаниями, определенными для районов, не подвергающихся загрязнению (Иванов, 1994).
Изменчивость природного комплекса под воздействием хозяйственной деятельности человека является результатом накопления микроэлементов в природных средах, что служит важнейшим оценочным показателем загрязнения территории промышленными отходами.
Депонирующие среды ландшафтов (почвы, воды, растительность) являются классификационным признаком загрязнения ландшафтов.
Большое количество исследований посвящено проблемам устойчивости геосистем, но это понятие не имеет однозначного определения. Все взгляды на эту проблему можно свести к трем составляющим: рамкам естественного функционирования, способности сопротивляться внешнему воздействию (естественному и антропогенному) и возможностям релаксации после снятия нагрузки. Значительная роль в определении устойчивости геосистем и техногенного загрязнения отводится способности к самоочищению от продуктов техногенеза. Следовательно, устойчивость геосистем напрямую связана с проблемой антропогенных нагрузок на геосистемы.
Составляющие оценки качества среды распадаются на ряд самостоятельных исследований, из которых вполне традиционны оценки загрязнения природных сред по количественной характеристике их элементарного состава. Особая роль здесь принадлежит изучению почв территорий, так как почвы являются буферной системой и отражают как прошлые, так и настоящие процессы загрязнения. Весьма активно используются в последнее время снегохимическая съемка, так как снег считается надежным индикатором загрязнения, консервирующим почти весь объем выпадений из атмосферы за зимний период. Однако оценка техногенной нагрузки по данным снегохимической съемки до сих пор считается проблематичной из-за отсутствия надежных реперов для определения фоновых содержаний.
Результаты геохимической оценки достаточно точно отражают уровни техногенной нагрузки, а разработанные классификации позволяют определять экологическую опасность установленного загрязнения. Основным недостатком метода можно считать сложности с определением токсичности тяжелых металлов в различных формах нахождения, для некоторых металлов ПДК и оценочные шкалы опасности загрязнения являются весьма относительными. Кроме того, необходимо учитывать продолжительность техногенной нагрузки и уровень фоновых содержаний элементов.
Недостаточность перечисленных оценочных методов вытекает, во-первых, из относительности понятия «фоновое содержание» и, во-вторых, из некорректности понятия ПДК, ибо совокупное воздействие субпредельных концентраций тяжелых металлов может давать выраженный токсический эффект. Однако эта оценка должна быть дополнена сопоставлением выявленной картины накопления, трансформации и перехода вредных веществ из депонирующих сред в биосреды с данными о состоянии здоровья населения, которые являются труднодоступными.
Анализ химического состава почв имеет большое значение в разработке программ оптимизации природопользования. Характеристика территориальных и внутрипрофильных закономерностей распределения микроэлементов в почвах и определение особенностей их миграции и аккумуляции являются основой для оценки фоновой геохимической структуры и устойчивости ландшафтов к загрязнению. Кроме того, химический состав почв отражает характер литологического строения территории и особенности техногенного и биологического круговорота веществ. Все это определяет большое научное и практическое значение изучения химического состава почв как индикатора процессов загрязнения.
Процесс оценки территории состоит из двух этапов: 1) предоценочные исследования; 2) собственно оценка выявленных последствий экологического неблагополучия.
Геохимическая оценка состояния природной среды базируется на данных специализированных эколого-геохимических исследований, направленных на выявление источников загрязнения, путей миграции загрязняющих веществ и территорий, на которых концентрации становятся опасными для живых организмов (Сает, Ревич, 1988). При этом важнейшую роль играет эколого-геохимическое картографирование.
Географическая характеристика района исследования
В геологическом строении района принимают участие пермские (Р), неогеновые (N) и четвертичные отложения (Q). Пермские отложения на участке представлены либо карбонатными, либо песчано-глинистыми отложениями. В окрестностях города Набережные Челны именно пермские породы, из самых древних, выходят на дневную поверхность.
Средний - казанский ярус (Ргкг) верхнепермских отложений представлен 2-мя подъярусами нижнеказанским (Ргкгі), мощностью до 25 м; и верхнеказанским (P2kz2), мощностью до 80-100 м. В P2KZ1 преобладают карбонатные породы, обуславливающие карстообразование при выходе на поверхность. Эти известняки серого и зелено-серого цвета, сильно трещиноватые, иногда пористые. Помимо карбонатных пород, отмечаются прослои темно-серых глин.
Белебеевская свита Vjkzi (ЫЬ) представлена красноцветными толщами переслаивающихся глин, алевролитов, песчаников и известняков. Мощность отложений - до 55 м. В отличие от Ргкгь они не перекрыты сверху аллювиальными отложениями и занимают большую площадь.
Тело свалочных масс ТогПО залегает на отложениях татарского яруса верхней перми (P2tat), в основном - это глины терригенного происхождения. В верхней части отмечено наличие интенсивно выветрелых и трещиноватых грунтов, что является неблагоприятным фактором, повышая вероятность всасывания фильтрата. Глины, слагающие участок, имеют достаточно высокие коэффициенты фильтрации - 0,295 и 0,011 м/сут. (Кузнецов, 1972).
Гидрогеологические условия участка характеризуются наличием одного водоносного горизонта, водовмещающими породами являются отложения Белебеевской свиты верхнеказанского подъяруса верхней перми, P2KZ2 (bib). Водовмещающие породы зоны представлены песчано-глинистыми отложениями, минералогический состав которых характеризуется преобладанием в глинистой составляющей каолина, гидрослюд, монтмориллонита. Основными минералами песков являются полевой шпат, кварцит и кальцит. Выделяется в малом количестве группа минералов марганца - пиролюзит и манганит.
Особенностью исследуемой территории является значительная глинистость водопроницаемых горизонтов и незначительными коэффициентами фильтрации. Активно фильтрующие пески присутствуют максимальные значения Кф характерны для супесей с большим (около 40%) содержанием крупных (более 0,25 мм) песчаных частиц. Подземные воды вскрыты на глубине 23,0 м (Кузнецов, 1972) . Питание подземных вод преимущественно инфильтрационное. Для контроля качества подземных вод функционирует режимная скважина, расположенная в 50 м к югу от тела свалки, по которой проводятся наблюдения за уровнем воды и химическим составом водоносного горизонта.
Питание водоносной верхнеказанской терригенной свиты (P2KZ2) осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также перетока из водопроницаемых четвертичных или татарских образований. Разгрузка осуществляется перетеканием в нижележащие водоносные комплексы, дренированием вод овражно-балочной и речной сетью и редко за счет испарения. Дебиты родников изменяются от 0,01 до 1,5 л/с. Воды напорные, по химическому составу чаще гидрокарбонатные кальциевые. Минерализация вод составляет 327-985,9 мг/л, общая жесткость -3,2-11,4 ммоль/л, окисляемость -0,96 - 8,8 мг/л, рН - 6,8-7,9. Встречаются локальные участки загрязнения с поверхности, о чем свидетельствует повышенное содержание нитрат-ионов (до 13,77 мг/л) (Сунгатуллин,2001).
Горизонт подземных вод на участке складирования отходов имеет уклон в сторону реки. Разгрузка происходит в реку Ордиушка через аллювиальные отложения и в виде придонных родников. Питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и талых вод на водораздельном пространстве рек Шильна и Ордиушка. Количество осадков в г. Набережные Челны составляет 527 мм/год.
Территория г.Набережные Челны относится ко II зоне умеренного потенциала загрязнения атмосферы (ПЗА), значение которого составляет 2,6 (Безуглая,1986). Сезонные различия климата влияют на уровень загрязнения атмосферы и ПЗА повышается зимой и понижается осенью. Для зимнего периода характерна значительная повторяемость приземных инверсий (40%) большой мощности (0,95 км) и интенсивности (7,1 С)
Атмосферный воздух
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха вблизи ТогПО наблюдается в весенне-летний период. В этот период преобладающими являются меридиональные направления ветра.
Наименьшее загрязнение атмосферного воздуха наблюдается в зимний период, когда преобладают западные и юго-западные ветра (Фондовые данные гидрометбюро города Набережные Челны).
Приоритетными загрязнителями атмосферного воздуха в зоне влияния ТПО являются диоксид серы, диоксид азота, аммиак, фенол.
Многолетние наблюдения (1993-2003 гг.) показали небольшие колебания в содержании фенола (0,18-0,79 среднесуточных ПДК). В содержании аммиака, диоксида серы и диоксида азота наблюдаются синхронные колебания (табл.17). Так, отмечался одновременный резкий рост их содержания в воздухе в 1997 и 2002 гг. При этом в те же годы наблюдалось снижение содержания фенола в воздухе. По-видимому, это обусловлено природно-климатическими особенностями года. Превышения среднесуточных ПДК (с/с ПДК) в воздухе вблизи ТогПО остаются достаточно высокими (более 1,78 для SO2, более 0,92 для NH3 и более 0,7 для NO2). Измерения, произведенные во время дымления свалки, показали, что при активном выделении свалочных газов концентрации веществ превышают максимально разовые ПДК (м/р ПДК) : в 11,7 раз для S02, 103,4 -для NH3, 30,2 - для N02, 18,5 - для фенола и 48,8 - для формальдегида. При этом происходит выброс загрязняющих веществ со скоростью: 16,67 г/с для N02, 127,14 г/с для аммиака, 36,01 г/с для диоксида серы, 1,14 г/с для фенола и 10,51 г/с для формальдегида. По-видимому, соотношение этих газов изменяется в зависимости от места локализации самовозгорания отходов.
Корреляционный анализ показал взаимосвязь выделения из тела свалки S02H N02 (г = 0,57), NH3 и ацетона (г = 0,68).
Диоксид серы. Это - основной загрязнитель атмосферного воздуха в районе ТогПО. Среднемноголетняя концентрация за период 1993-2003 гг. составила 2,26 с/с ПДК. Летом наблюдается резкий рост содержания. Сернистый ангидрид окисляется кислородом воздуха и вымывается атмосферными осадками, именно сернистый газ оказывает отрицательное влияние на растительность.
Аммиак. Среднемноголетняя концентрация составляет 1,35 с/с ПДК. Максимально разовая концентрация была зарегистрирована 10.08.00 - 10,17 с/с ПДК. Концентрация возрастает в весенне-летний период.
Диоксид азота. За период 1993-2003годы превышения ПДК по диоксиду азота наблюдались во всех сезонах года, особенно - в летний период. Среднемноголетнее содержание составило 0,87 с/с ПДК. Максимально разовая концентрация была зарегистрирована 14.06.01 (6,18 с/с ПДК).
Фенол. В отличие от других основных загрязняющих веществ, наиболее высокие концентрации фенола в воздухе отмечаются зимой. В среднем его содержание не превышает ПДК, однако редко наблюдаются превышения - до 1,6 с/с ПДК.
Формальдегид. Формальдегид обнаруживается в пробах нерегулярно. Тем не менее, выявляется тенденция к росту его содержания в воздухе в весенне-летний период. Наибольшее превышение ПДК по формальдегиду наблюдалось 14.08.01 (20,0 с/с ПДК).
Временами в пробах обнаруживаются фурфурол и ацетон. Ореол загрязнения вытянут на север и северо-восток, в соответствии с преобладающими направлениями ветров и покрывает значительное расстояние. Шлейф загрязнения от ТогПО достигает пос. Нов. Сарайлы, расположенного к северо-западу от ТогПО и удаленного от свалки более чем на 1,5 км. Во время дымления свалки согласно расчетам на территории поселка концентрации загрязнителей превышают м/р ПДК: в 3,7 раз для SO2, 32,4 - для NH3, 10,0 - для NO2, 5,8 - для фенола и 15,3 - для формальдегида. Расчеты были проведены с учетом средневзвешенной скорости ветра 0,5 м\с (при температуре 24С и давлении 748 мм рт.ст.). Результаты расчета показывают недопустимо высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в данном районе.
