Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность проблемы воздействия золоотвалов на окружающую среду и направлений использования золошлаковых отходов 10
1.1 Проблема образования и хранения золошлаковых отходов 10
1.2 Воздействие золоотвала на окружающую среду 12
1.3 Поведение тяжелых металлов и радионуклидов в почвенно-растительном покрове 19
1.4 Возможные направления переработки золошлаковых отходов 32
2. Район работ, материалы и методы исследования 42
2.1 Характеристика района исследования 43
2.2 Естественное зарастание золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 и прилегающей к нему территории 46
2.3 Объекты, методы и методика исследований 49
3 Экологическая оценка воздействия золоотвала на окружающую среду 61
3.1 Воздействие золоотвала на атмосферный воздух 64
3.2 Агрохимическая характеристика почв 67
3.3 Установление коррелятивных зависимостей между содержанием элементов и агрохимическими характеристиками почв 73
3.4 Содержание валовых форм металлов и других элементов в почвах 84
3.5 Содержание естественных радионуклидов в почвенном покрове 103
3.6 Оценка фитотоксического эффекта почв 109
3.7 Дыхательная активность почвенных микроорганизмов 113
3.8 Оценка ущерба при химическом загрязнении почв золоотвалом Хабаровской ТЭЦ-3 116
3.9 Содержание элементов и радионуклидов в растительности 117
3.10 Миграция тяжелых металлов и радионуклидов из почвы в растения 131
3.11 Состояние донных отложений в зоне влияния золоотвала 146
4 Золошлаковые отходы как источник вторичного сырья 154
4.1 Физико-механические свойства золошлаковых отходов 154
4.2 Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ-3 г. Хабаровска 161
4.3 Класс опасности золошлаковых отходов 166
4.4 Расчет эквивалентной дозы суммарного излучения от естественных радионуклидов 171
5 Обоснование направления переработки ЗШО 175
5.1 Формирование базы данных по направлениям использования золошлаковых отходов 177
5.2 Обоснование схемы утилизации золошлаковых отходов 181
Заключение 186
Список литературы 189
Список иллюстративного материала 223
- Воздействие золоотвала на окружающую среду
- Установление коррелятивных зависимостей между содержанием элементов и агрохимическими характеристиками почв
- Миграция тяжелых металлов и радионуклидов из почвы в растения
- Обоснование схемы утилизации золошлаковых отходов
Введение к работе
кандидат биологических наук Ю.А. Галышева
Актуальность работы. Во всём мире в результате возрастания потребительских тенденций в экономическом развитии стремительно нарастает экологический кризис, вызванный загрязнением окружающей среды отходами производства и потребления, так называемый кризис «редуцентов». На сегодняшний день остро встала проблема с уже образовавшимися и накопившимися промышленными и бытовыми отходами, среди которых одно из первых мест по объему занимают зола и шлаки. Их опасные свойства усугубляются в процессе длительного хранения, так как токсичные компоненты концентрируются (Бочаров В. Л., Крамарев П. Н., Строгонова Л. Н. Геоэкологические аспекты прогноза изменения окружающей среды в районах полигонов захоронения золошлаковых отходов теплоэлектростанций // Вестник Воронежского университета. Геология. 2005. № 1. С. 233-240). В отвалах теплоэлектростанций на территории РФ к настоящему времени накоплено более 2 млрд т золошлаковых отходов. Под золоотвалами крупнейших теплоэлектростанций находятся тысячи гектаров земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота. Количество образующихся золошлаковых отходов неуклонно растёт и в Хабаровском крае, здесь их объем уже превышает 28 млн т. На территории края функционируют 11 золоотвалов. В пределах г. Хабаровска в золоотвалах хранится более 16 млн т золы, на ТЭЦ ежегодно сжигается до 4-5 млн т угля и складируется около 600 тыс. т золошлаков, из них около 300 тыс. т приходится на Хабаровскую ТЭЦ-3. Золошлаковые отходы создают опасность загрязнения окружающей среды содержащимися в них токсичными веществами и тяжелыми металлами. Золоотвалы способствуют возникновению техногенно-трансформированных ландшафтов и условий развития антропогенно-преобразованных почв – хемозёмов (Шишов Л. Л., Тонконогов В. Д., Лебедева И. И., Герасимова М. И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004. 342 с.). В зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеобразования, а также вымывания компонентов золы, попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на растительность и здоровье человека. Между тем, в золах и шлаках концентрируется большое количество ценных элементов. По содержанию алюминия, меди, лития, титана, галлия, скандия золы приближаются к рудам, имеющим промышленное значение. Утилизация золошлаков позволяет использовать техногенное сырье взамен природного и решать экологические проблемы.
Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью оценки воздействия золоотвалов на окружающую среду, а также практической значимостью комплексного анализа золошлаковых отходов как потенциального источника сырья и направлений утилизации этого вида вторичных ресурсов.
Цель и задачи работы.
Цель работы – оценить техногенное воздействие золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на природную среду и ущерб, наносимый им при химическом загрязнении почв.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
1. Оценить воздействие золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на атмосферный воздух, почвенно-растительный покров и донные отложения.
2. Рассчитать эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала.
3. Изучить физико-химические свойства золошлаковых отходов и разработать рекомендации по их использованию.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
- впервые дана оценка суммарного поступления взвешенных веществ от теплоэлектростанции и ее золоотвала на почвенный покров в результате пыления, рассеивания и последующего их осаждения. Вклад ТЭЦ-3 в загрязнение атмосферного воздуха в контрольных точках составляет 0-22,7 %;
- проведена оценка загрязнения разных типов почв, характерных для данного района исследования, тяжелыми металлами и естественными радионуклидами. Из двух типов почв (лугово-бурые и бурые лесные), характерных для зоны золоотвала, наиболее загрязнены бурые лесные;
- рассчитан эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала Хабаровской
ТЭЦ-3, который составляет 700 млн руб.;
- установлены тенденции накопления тяжелых металлов и радионуклидов в растениях и донных отложениях в зоне влияния золоотвала. Биогеохимическая активность многолетних трав выше на лугово-бурых почвах по сравнению с бурыми лесными (30,9 и 21,8 соответственно). По донным отложениям экологическая обстановка оценивается как относительно удовлетворительная;
- исследованы физико-химические свойства золошлаковых отходов (артииндустратов) Хабаровской ТЭЦ-3, определившие их низкую эрозионную стойкость и возможные направления утилизации (строительное производство).
Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для разработки природоохранных мероприятий, стратегии и тактики улучшения экологической ситуации в районе золоотвалов на территории Хабаровского края и других регионов Дальнего Востока. Разработанная база данных может быть полезна министерству природных ресурсов, Департаменту Росприроднадзора по ДФО и предпринимателям при решении проблемы переработки золошлаковых отходов. Полученные результаты используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета, на факультете переподготовки и повышения квалификации и при разработке мероприятий по улучшению экологической ситуации г. Хабаровска.
Защищаемые положения. 1. Эффект воздействия золоотвала состоит в накоплении тяжелых металлов, мышьяка и естественных радионуклидов в почвах в пределах всей его санитарно-защитной зоны (концентрации тяжелых металлов превышают ПДК в лугово-бурых почвах в 1,1-9,1 раза, в бурых лесных в 1,1-9,7 раза, удельная активность радионуклидов превышает таковую в сельскохозяйственных почвах в 1,2-2 раза). На расстоянии 500 метров от золоотвала наблюдаются превышения ПДК As (в 3,8 раза).
2. Содержание тяжелых металлов, мышьяка и естественных радионуклидов в многолетних травах в зоне влияния золоотвала выше, чем в многолетних травах сельскохозяйственных угодий: биофильные металлы (Zn, Mn) – в 1,3-27,1, токсичные элементы (Cd, Pb, Hg, As) – 1,2-5,6, радиоактивные элементы (40K, 226Ra, 232Th) – 1,3-7,3 раза. В многолетних травах на границе санитарно-защитной зоны золоотвала превышений содержания элементов по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий не выявлено.
Апробация работы. Результаты работы представлялись и докладывались на международной научно-практической конференции «Дальневосточная весна 2008, 2009, 2011» (г. Комсомольск-на-Амуре); конкурсе научных работ молодых ученых ТОГУ по секции «Науки о жизни и Земле» (г. Хабаровск, 2008, 2011); третьем международном экологическом форуме «Природа без границ» (г. Владивосток, 2008); программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (г. Хабаровск, 2009); Международных чтениях «Приморские зори-2009» (г. Владивосток); конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов» (г. Хабаровск, 2009); научно-практической Школе-конференции молодых ученых Хабаровского края (г. Хабаровск, 2010); международной конференции «Регионы нового освоения: ресурсный потенциал и инновационные пути его использования» (г. Хабаровск, 2011); первом региональном молодежном экологическом форуме НГТУ им. Р.Е. Алексеева «Экотехно-2011» (г. Нижний Новгород); 12-ой Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, Республика Беларусь); международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (г. Хабаровск, 2012); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современного землепользования и пути их решения (посвящается 55-летию ПримГСХА)» (г. Уссурийск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 232 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, состоящего из 333 источников, в том числе 76 на иностранных языках, 8 приложений. Включает 114 рисунков и 57 таблиц.
Работа выполнена при поддержке программы Фонда Бортника УМНИК (2009-2010 гг.), госконтрактов № 14.740.11.0446 от 30.09.2010 г., № 14.740.11.0952 от 29.04.11 г., № 14.740.11.1277 от 17.06.2011 г., № 14.А18.21.2091 от 2012 г.
Автор выражает благодарность за постановку задачи, критические замечания и неоценимую помощь научному руководителю зав. кафедрой «Экология, ресурсопользование и БЖД» ТОГУ, д.х.н. Л. П. Майоровой; признательность за помощь, оказанную в подготовке работы, д.б.н. Н. К. Христофоровой, д. с-х. н. А. М., Дербенцевой, к.б.н. Т. И. Матвеенко, сотрудникам Центра лабораторного анализа и технических измерений по Дальневосточному Федеральному округу и сотрудникам ООО «Экоаналитика».
Воздействие золоотвала на окружающую среду
При строительстве золоотвалов для размещения ЗШО отчуждаются большие территории, которые практически безвозвратно изымаются из полезного использования даже после их рекультивации. Содержание таких сооружений требует значительных эксплуатационных затрат, повышающих себестоимость производства энергоносителей. Золоотвалы располагаются вблизи больших городов (а нередко в черте города). Возникает проблема деформации поверхности и изменения рельефа, что способствует формированию техногенно-трансформированных ландшафтов и условий развития антропогенно-преобразованных почв - хемозё-мов [19]. Кроме того, золоотвалы, находящиеся в черте города и его пригородах, являются постоянным источником загрязнения окружающей среды [2, 20-23, 259]. Отработанные золоотвалы представляют собой сложные техноприродные геосистемы, состоящие из взаимосвязанных природных и техногенных компонентов, образующих целостную систему, между которыми осуществляется обмен веществами и энергией. По степени и характеру изменения компонентов их относят к сильно измененным (нарушенным) геосистемам. По степени хозяйственной ценности золоотвалы являются акультурными промышленными комплексами в ранге ландшафтных урочищ [24-26]. Эти экстрактивные ландшафты возникают на месте уничтоженных ранее существовавших естественных ландшафтов и не имеют природных аналогов, находятся на начальных этапах первичного сингенеза [27].
Основными компонентами минеральной части золы являются оксиды кремния, алюминия, железа и кальция [2]. В то же время в золошлаковых отходах имеет место значительная концентрация микроэлементов (железо, марганец, медь, цинк, молибден и др.), которые важны и необходимы растениям в малых количествах. Но все они могут оказывать отрицательное влияние на растения, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Некоторые тяжелые металлы (ТМ), например, ртуть, свинец и кадмий опасны для всего живого даже при низких концентрациях [28]. При сжигании угля в пылевидном состоянии происходит существенное перераспределение элементов, их термодинамических и химических свойств и соединений (кобальт, никель, цинк, преимущественно концентрируются в шлаке и фиксируются в минералах, образующих золу) (рисунок 1.2) [29].
Зола характеризуется повышенным относительно кларков осадочных пород содержанием Ni, Со, Cr, Zn, Sr, Ag, вода пруда-отстойника - повышенным содержанием Na, Ва, Mg, Со, К, Fe, Mn, Си, Zn, анионов NO;,NH . Меньше накапливаются в золошлаках свинец, ванадий, марганец, молибден, хром, титан, барий. Часть микроэлементов (медь, цинк, свинец, марганец), образуя газообразные соединения, конденсируются на поверхности летучей золы, что усиливает ее токсикологические свойства. В отвальных золошлаковых массах концентрация отдельных микроэлементов несколько повышается, что связано со способностью их накапливаться в природной среде [7]. Вместе с золами ТЭЦ происходит техногенное заражение местности тяжелыми металлами, значительная часть которых аккумулирована в верхних горизонтах почвы [6, 30-32]. Повышение концентрации металлов в почве сверх допустимых значений может вести к тяжелым осложнениям.
Химические вещества, попадающие в почву из выбросов, сбросов и отходов ТЭЦ, по степени вредности для человека разделены на три класса опасности. К первому классу чрезвычайно опасных отнесены мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен. Во второй класс высокой опасности входят бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром. Третий класс опасных веществ составляют барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций и ацетофенон [29]. Присутствуют в золошлаках и радионуклиды.
Общий механизм воздействия золоотвалов ТЭЦ на окружающую среду можно представить следующим образом (рисунок 1.3 [33]).
Аэрогенный вынос ЗШО с золоотвалов обусловливает загрязнение приземного слоя атмосферы, а ассимиляция твёрдых частиц на прилегающей территории приводит к загрязнению почв и грунтов зоны аэрации [33]. Не связанные частицы золы при высыхании отложений становятся источником силикатной пыли, поэтому в районах размещения золоотвалов наблюдаются пыльные бури. Такое пылевое воздействие отработанных золоотвалов может вызвать у человека целый ряд заболеваний: бронхиальную астму, аллергический бронхит и аллергический ринит [9,22].
Пыление золоотвалов возникает в результате несовершенства проектных решений и технологии складирования золошлаков, нарушения правил эксплуатации указанных объектов, являющихся источником неорганизованных выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу. В сухие периоды года большинство золоотвалов (кроме случаев складирования цементирующихся зол) могут оказаться источником интенсивного пыления в результате ветрового воздействия. Ветровая эрозия золошлаковых полей представляет собой разрушение сложившейся в процессе складирования и статического хранения структуры дисперсной слабосвязанной обезвоженной золы уноса ТЭЦ под воздействием воздушного потока. Она определяется характером и интенсивностью воздействия ветрового потока, свойствами складируемого материала, технологией складирования, а также конструкцией объекта [34]. Установлено, что наиболее неблагоприятная экологическая ситуация в зоне влияния золоотвалов складывается по показателю фитотоксичности [258, 35] и по коэффициенту превышения суммарных экологических нагрузок. Загрязнение территории идет преимущественно через атмосферный воздух (пыление золоотвала) [22, 36-39, 260, 261]. Следовательно, снизить негативное воздействие можно путем пылеподавления [39]. Исследованиями установлено, что создание фитоценозов на пылящих золоотвалах позволяет практически полностью прекратить их пыление и водную эрозию на их поверхности [40-43, 262, 263]. В качестве культур фитомелиорантов используются многолетние злаковые и бобовые травы, толерантные к комплексу неблагоприятных природно-климатических и эдафических условий, создаваемых на золоотвалах, способные формировать густую дернину, препятствующую развитию процессов водной и ветровой эрозии на поверхности рекультивируемых золоотвалов [43-46].
Вода, используемая в системах гидрозолоудаления ТЭЦ, после контакта с золой и шлаком представляет собой многокомпонентный солевой раствор [31]. В ходе эксплуатации золоотвала происходит формирование техногенного горизонта грунтовых вод, источником питания которых является загрязненный фильтрат. Переход техногенных вод в нижние природные водоносные горизонты приводит к существенному изменению гидрохимического состава (загрязнению) естественных грунтовых (подземных) вод [47, 48, 264, 265]. Инфильтрационным потоком обусловлено вторичное загрязнение подземных вод подвижными в данных средах компонентами, а разгрузка подземного потока в естественные дрены вызывает загрязнение поверхностного стока [261]. Однако загрязнение поверхностных водных объектов за счёт разгрузки подземных вод в водотоки и водоёмы, а также аэрогенного привноса золошлакового материала некоторыми авторами оцениваются как второстепенные [33].
Комплексные исследования, проведенные на золоотвале Хабаровской ТЭЦ-3 Всероссийским НИИ Гидротехники им. Веденеева, показали, что химический состав грунтовых вод в районе контролируемого фильтрационного потока практически не претерпевает изменений. По химическому составу и содержанию трас-серных элементов вода в контрольных скважинах имеет смешанный состав, включая грунтовую, подземную и поверхностную составляющие. Воздействие на р. Березовую практически не оказывается.
По данным [12] вода из золоотвалов г. Комсомольск-на-Амуре и г. Хабаровск, которая может поступать в водоносные горизонты, характеризуется значительно повышенной по отношению к фону концентрацией бора (до 0,37 мг/дм ), мышьяка (до 0,027 мг/дм3), бария - 0,11-0,12 мг/дм3 (1-1,2 ПДК), ванадия - 0,16 мг/дм3 (1,6 ПДК), селена - 0,018 мг/дм3 (1,8 ПДК) и растворенных нефтепродуктов (до 2,1 ПДК). Для данных вод характерны повышенная минерализация (до 0,4 г/дм ) и щелочная среда (рН более 8,4). Защищенность первого от поверхности водоносного горизонта в районе золоприемников слабая. Согласно [12] изучение химического состава подземных вод в районе золоотвала Хабаровской ТЭЦ-1 в 2005-2006 гг. подтвердило, что вблизи золоотвала сформировались подземные воды аномального химического состава. Благодаря повышенному напорному градиенту золоотвала происходила миграция в водоносный горизонт некоторых микрокомпонентов (никель, цинк, свинец, медь, ванадий), которые неоднократно фиксировались в воде, но без превышения ПДК. По данным [37] золоотвал Архангельской ТЭЦ формирует повышенное содержание аммония (до 45 мг/дм3) и никеля (1,2 ПДК) в грунтовых водах. Полевые исследования [266, 267] показали активное вымывание и изменение в фильтрате химического состава золы на отвалах с мобилизацией некоторых микроэлементов.
Установление коррелятивных зависимостей между содержанием элементов и агрохимическими характеристиками почв
Как отмечалось в главе 1, на взаимодействие тяжелых металлов с почвой оказывают влияние ряд факторов, в том числе величина рН почвенного раствора, содержание органического вещества и тонкодисперсных частиц. Однако степень воздействия этих факторов неоднозначна для различных элементов, загрязняющих почвенный покров в зоне влияния золоотвала. В связи с этим были установлены коррелятивные зависимости (коэффициент ранговой корреляции Спирмена) рН, гумуса и содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена вычисляют если:
- изучаемое явление отличается от нормального распределения;
- требуется измерение связи между двумя переменными, когда их соотношение нелинейное;
- размер выборки небольшой (п 30);
- переменные (х и у) измеряются в ранговой (порядковой) шкале.
Он может быть применен как к количественным, так и порядковым признакам, широко используется при решении многих геолого-геофизических задач.
По значению коэффициента корреляции можно дать качественную оценку тесноты корреляционной связи по шкале Чеддока (таблица 3.2).
Примечание — прямая связь — с увеличением одной величины, увеличивается другая; обратная связь - с увеличением одной величины, другая уменьшается
Расчеты выполнены по программе «Geostat» (рисунок 3.23).
Коррелятивные связи между гумусом и ТМ (валовые и подвижные формы), между рН и ТМ (валовые и подвижные формы), представлены в приложении Е. Результаты анализа показывают наличие прямой и обратной корреляционной связи разной степени тесноты. Коррелятивные зависимости «гумус - валовые формы ТМ и сера» (верхний почвенный горизонт) приведены на рисунке 3.24.
Приведенные данные показывают, что прямая корреляционная связь наблюдается между содержанием гумуса в почве и содержанием загрязняющих веществ (валовые формы) для ряда (по убыванию коэффициента корреляции): S -V - Си -Ni - Mn - As- Hg; обратная - соответственно для ряда Sr - Zn.
Анализ приведенных данных показал, что для валовых форм металлов наиболее характерна прямая умеренная коррелятивная связь с гумусом (Cd, Мп - верхний слой, валовая и подвижная формы, As). Слабая корреляционная связь отмечена для Мп (нижний слой, валовая и подвижная формы), Zn (валовая форма). Для меди установлена прямая умеренная и значительная связь (валовая форма) и значительная и сильно выраженная (подвижная форма). Разброс значений, наличие прямой и обратной коррелятивных связей у Cd, Со, Sr, Zn обусловлены, вероятно, влиянием гранулометрического состава и окислительно-восстановительного потенциала почв, разной способностью ТМ к комплексообразованию, их взаимодействием.
Кислотность почв также оказывает существенное воздействие на миграцию ТМ, формирование барьеров. Коррелятивные зависимости «рН - токсичные элементы» в верхнем горизонте почвы представлены на рисунках 3.26-3.27.
Анализ приведенных данных позволяет сформировать ряды (по убыванию коэффициента корреляции):
Валовые формы:
- прямая корреляционная связь: РЬ - Hg - V - As - Cd;
- обратная: Ni - Sr - Co - Zn.
Подвижные формы:
- прямая корреляционная связь: Cd - Sr;
- обратная: Pb - Zn - Mn - Co - Си - As.
Различия в коэффициентах корреляции для валовых и подвижных форм обусловлены влиянием других факторов и свойствами ТМ.
Сводные данные, характеризующие тесноту корреляционной связи «гумус -токсичные элементы» представлены в таблице 3.4.
Таким образом, для подвижных форм металлов наиболее характерна умеренная обратная коррелятивная связь с рН: валовая форма, верхний слой - Hg, Ni; валовая форма, нижний слой - V, Ni; подвижная форма, верхний слой - Со, Мп, Zn; подвижная форма, нижний слой - Си, Sr, Ni. Умеренная прямая коррелятивная связь отмечена для валовой формы, верхний слой - V, Hg; для подвижной формы, нижний слой - Sr.
Слабая прямая коррелятивная связь выявлена для Мп, Hg, Zn (валовая форма, нижний слой), As (валовая форма, нижний слой подвижной формы), Sr (подвижная форма, верхний слой). Слабая обратная коррелятивная связь установлена для Со, Мп, Zn (верхний слой, валовая форма; нижний слой, подвижная форма), Си (валовая форма, верхний слой подвижной формы), As (верхний слой, подвижная форма), Sr (верхний слой, валовая форма). Для серы имеет место прямая и обратная значительная связь (валовая форма). Кадмий имеет с рН слабую прямую связь (валовая форма, нижний слой подвижной формы) и значительную прямую (верхний слой, подвижная форма). Умеренная обратная связь (валовая форма, нижний слой подвижной формы) и значительная обратная (верхний слой, подвижная форма) отмечена для никеля.
Разброс значений, наличие прямой и обратной коррелятивных связей у V, Мп, Со, Sr, Zn, S обусловлены, вероятно, также влиянием гранулометрического состава и окислительно-восстановительного потенциала почв, разной способностью ТМ к комплексообразованию и их взаимодействием.
Миграция тяжелых металлов и радионуклидов из почвы в растения
Растения рассматриваются как ведущий фактор биогеохимических процессов трансформации и миграции веществ в биосфере. Исследованиями Булыгина С. Ю., Демишева Л. Ф., Доронина В. А. и др. [231] показано, что для оценки обеспеченности растений тем или иным элементом необходимо иметь информацию о содержании его подвижных форм. В связи с этим в исследованных почвах определена подвижная форма тяжелых металлов и других элементов.
Содержание подвижных форм элементов в лугово-бурых почвах возле золоот-вала показано на рисунке 3.60.
Приведенные данные показывают, что в лугово-бурых почвах содержание подвижных форм марганца максимально и изменяется с большим разбросом: от 166,6 до 931,1 мг/кг в верхнем слое и от 111,266 до 472,33 мг/кг в нижнем. У никеля разброс значений также достаточно широк, но интервал изменения составляет в слое 0-20 см от 2,06 до 18,75 мг/кг, а в слое 21-40 см - 1,83-17,17 мг/кг. Равномерное накопление по территории и почвенным горизонтам наблюдается у свинца (от 13,28 до 14,92 мг/кг в верхнем слое и от 14,87 до 14,93 мг/кг в нижнем), цинка (от 4,74 до 5,84 мг/кг в верхнем слое и от 5,05 до 5,51 мг/кг в нижнем), кадмия (в слое 0-20 см от 0,289 до 0,332 мг/кг и в слое 21-40 см - 0,267-0,323 мг/кг) и мышьяка (от 0,224 до 0,347 мг/кг в верхнем слое и от 0,25 до 0,99 мг/кг в нижнем). Для меди характерно относительно равномерное распределение по территории в верхнем слое (от 13,9 до 16,19 мг/кг) и достаточно широкий разброс значений в нижнем (от 1,43 до 14,88 мг/кг),
По средним значениям степени подвижности (% от валового содержания) элементов в лугово-бурых почвах (таблица 3.21) можно составить следующие ряды: Mn Pb Zn Ni Си Со Cd As Sr (для верхнего горизонта); Си РЬ As Cd Со Ni Zn Mn Sr (для нижнего горизонта).
Из рисунка 3.61 следует, что в бурых лесных почвах, как и в лугово-бурых, содержание подвижных форм марганца максимально и изменяется с большим разбросом, но в более узком интервале: от 86,81 до 541 в верхнем слое и от 92,12 до 556,42 мг/кг в нижнем. У никеля разброс значений также достаточно широк, но интервал изменения составляет в слое 0-20 см от 0,28 до 18,5 мг/кг, а в слое 21-40 см - 0,25-15,74 мг/кг. Относительно равномерное распределение по территории и почвенным слоям имеет место у свинца («выброс» значений в точках 5 и 7, интервал изменений составляет от 2,69 до 16,81 мг/кг в верхнем слое и от 1,45 до 16,43 мг/кг в нижнем), кобальта («выброс» значений в точке 7, интервал изменений в слое 0-20 см от 1,31 до 8,44 мг/кг, в слое 21-40 см - 0,56-8,19 мг/кг), кадмия (в слое 0-20 см от 0,225 до 0,672 мг/кг, в слое 21-40 см - 0,201-0,69 мг/кг), цинка (от 0,61 до 4,5 мг/кг в верхнем слое и от 0,62 до 14,31 мг/кг в нижнем). Неравномерное распределение, как по территории, так и по почвенным горизонтам отмечено для меди (интервал варьирования составляет от 1,1 до 13,67 мг/кг в верхнем слое и от 0,34 до 11,74 мг/кг в нижнем), мышьяка (от 0,18 до 1,75 мг/кг в верхнем слое и от 0,05 до 2,03 мг/кг в нижнем) и стронция (в слое 0-20 см от 2,99 до 79,76 мг/кг, в слое 21 -40 см - 1,09- 20,4 мг/кг). В целом изменение содержания подвижных форм в бурых лесных почвах в интервале 0,2-18 мг/кг отмечено для Zn, Си, Со, РЬ, в более узком интервале (0,2-2,5) - для Cd и As. «Аномальными» являются точки:
- № 7 (низкое содержание гумуса, щелочная среда, супесь) для Со, Мп, РЬ (более низкие или минимальные значения содержания подвижных форм металлов), а также для Си и As (максимальное значение в верхнем горизонте).
- № 4 (содержание гумуса 3,4 %, рН 3,8, средний суглинок) для Mn, Sr и Ni -максимальное или высокое содержание подвижных форм в верхнем слое почвы
- № 13 (низкое содержание гумуса, рН 5, тяжелый и средний суглинок)-для Мп и Ni - максимальное содержание подвижных форм в нижнем слое почвы
- № 5 (очень низкое содержание гумуса - 0,9 %, кислая среда, мелкий песок) для As, Си (минимум подвижных форм в нижнем слое), Мп (низкое содержание подвижных форм в верхнем и нижнем горизонтах), Zn (максимальное содержание подвижных форм в нижнем слое), Sr (максимальное содержание подвижных форм в верхнем слое при минимальном в нижнем).
Таким образом, большое разнообразие почвенных условий и индивидуальные различия в свойствах рассматриваемых элементов обусловливают мозаичность распределения подвижных форм тяжелых металлов и мышьяка как по территории, так и по почвенным горизонтам бурых лесных почв.
По степени подвижности (% от валового содержания) элементов в бурых лесных почвах возле золоотвала (таблица 3.23) можно составить следующие ряды: Си Mn As Cd Со Pb Ni Zn Sr (для верхнего горизонта); As Zn Cd Mn Pb Co Cu Ni Sr (для нижнего горизонта).
Расчет коэффициентов концентрации подвижных форм элементов в бурых лесных почвах (таблица 3.24) не выявил превышения ПДК. Содержание подвижных форм элементов на участках бурых лесных почв, рас положенных на расстоянии 150, 300 и 500 м от золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 показано на рисунке 3.62.
Отмечено относительно равномерное распределение содержания подвижных форм элементов по территории и почвенным горизонтам. На расстоянии 150 м от золоотвала минимальное содержание подвижных форм выявлено у Мп, Со, Ni, Си, As, максимальное - у Zn и РЬ (верхний горизонт). Максимум на 500 м достигается у Си, Zn, Cd, Ni.
По степени подвижности (% от валового содержания) элементов в почвенном разрезе, заложенном на расстоянии 500 м от золоотвала, можно составить следующий ряд: Си Cd Со Ni Zn Pb Mn Sr. Превышений ПДК не обна 142 ружено. Суммарный показатель химического загрязнения почвенного разреза колеблется от минус 4,16 до минус 4,32. Степень загрязнения почвенного покрова согласно СанПиН 2.1.7.1287-03 (с изменениями на 25.04.07) [213] допустимая (таблица 3.27).
Интенсивность поступления элементов из почвы в растения оценивалась с помощью коэффициента биологического поглощения (КБП), который равен отношению концентрации элемента в растении к концентрации его в почве. На основании данных о КБП для количественного выражения общей способности вида к концентрации химических элементов рассчитан специальный показатель - биогеохимическая активность (БХА) исследуемой растительности, который показывает суммарную степень поглощения всех определяемых в растении элементов, т.е. насколько активно растение поглощает элементы из почвы.
На основе средних значений КБП (таблица 3.28), согласно шкале И.А. Авесса-ломова [232], в многолетних травах лугово-бурых почв в зоне влияния золоотвала к элементам сильного накопления (КБП 10) относится стронций. К элементам слабого накопления (10 КБП 1) - цинк и марганец, а к элементам слабого захвата (1 КБП 0,1) - никель, медь, свинец, кобальт и кадмий. Биогеохимическая активность исследуемой растительности составляет в среднем 30,9.
В многолетних травах бурых лесных почв в зоне влияния золоотвала (таблица 3.29) к элементам сильного накопления (КБП 10) принадлежит цинк. К элементам слабого накопления (10 КБП 1) - стронций и никель, к элементам слабого захвата (1 КБП 0,1) - марганец, медь, свинец, кобальт и кадмий. Биогеохимиче 143 екая активность исследуемой растительности составляет в среднем 21,82, что ниже, чем для лугово-бурых почв.
Обоснование схемы утилизации золошлаковых отходов
Приведенные в главе 4 данные позволили установить наиболее приемлемые направления использования ЗШО Хабаровской ТЭЦ-3 (таблица 5.1).
Однако перечисленные в таблице 5.1 направления не позволяют рационально использовать ценные составляющие золошлаков. Кардинальным решением проблемы уменьшения объемов накопления ЗШО в отвалах является их комплексная переработка с получением ценной продукции: экологически чистые стройматериалы, уголь (пригодный для сжигания на ТЭЦ), заполнители стеновых блоков, микроудобрения, цветные и благородные металлы. Основой комплексной переработки предполагается последовательное ступенчатое извлечение полезных компонентов золошлаков: тяжелых цветных и благородных металлов, железа, несго-ревшего угля и использование экологически чистого остатка в качестве строительных материалов. Предполагаемая технологическая схема переработки ЗШО представлена на рисунке 5.8.
Переработка ЗШО является весьма перспективной сферой для инноваций и инвестиций, имеющей многоцелевую направленность и благоприятное влияние на эколого-социально-экономическое развитие Дальневосточного региона. Основными видами продукции, которые возможно получить по данной технологической схеме переработки ЗШО являются:
1) строительные материалы;
2) окислы железа (РегОз ;
3) глинозем (А120з);
4) благородные металлы;
5) удобрения.
Балансовая схема продукции при комплексной переработке ЗШО показана на рисунке 5.9.
Хабаровской ТЭЦ-3, образующихся в течение года, тыс. т Технико-экономические расчеты по вариантам комплексной переработки от 200 до 400 т за смену показали высокую рентабельность данной технологии с полной окупаемостью капитальных вложений в течение 1,5-2,5 лет [11].
Ориентировочные расчеты получения продукции переработки ЗШО по данной технологической схеме в условиях Хабаровского края приведены в таблицах 5.2-5.4. В расчетах приняты объемы образующихся ЗШО в течение года и объемы, накопленные в Хабаровском крае на 2008 год.
Таким образом, при извлечении металлов из золошлаковых отходов, образующихся в Хабаровском крае за год, можно получить продукции на сумму 549,49 млн руб. Следует принять во внимание, что в расчет включена не вся продукция, которую возможно получить. При дальнейшем, более детальном исследовании ЗШО и разработке технологии извлечения и переработки ценных компонентов в готовую продукцию, эта сумма может увеличиться в десятки, а, возможно, и сотни раз. При этом ущерб от отчуждения земель значительно сократится.
Внедрение предлагаемой схемы комплексной переработки ЗШО, накопленных в отвалах и образующися в процессе эксплуатации ТЭЦ, позволяет решать проблемы:
- экологические (предотвращенный экологический ущерб более 700 млн руб. для ХТЭЦ-3);
- экономические (получение ценной, а порой уникальной продукции: экологически чистые стройматериалы, уголь для ТЭЦ и металлургии, заполнители стеновых блоков, микроудобрения, ряд редких металлов, благородные металлы);
- социальные (создание новых рабочих мест и удовлетворение спроса на разнообразную продукцию).
