Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕ
НИЯ МАЛЫХ РЕК В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОДО
БЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 9
1.1. Загрязнение поверхностных водотоков в зоне влияния горно
обогатительных комбинатов. Методы анализа 9
Источники загрязнения гидросферы в районах размещения предприятий по добыче и переработке металлических руд 9
Потенциально опасные вещества сточных вод горнообогатительных комбинатов, их характеристика, токсичность, поведение в природных водотоках 12
Малые реки как приемники сточных вод горно-обогатительных комбинатов 20
Аналитические методы оценки качества природных сред 23
Использование методов биотестирования для оценки качества воды природных водотоков 25
1.2. Потоки и преобразование соединений серы в различных водных
объектах. Классический серный цикл 27
Роль сульфатвосстанавливающих бактерий в преобразовании серосодержащих соединений. Физиологические группы и их распространение 30
Преобразование соединений серы в пределах серного цикла в воде и донных отложениях в различных водных объектах. Основные формы
серы 33
1.2.3. Микробиологические и геохимические аспекты проблемы образо
вания сероводорода и сульфидов в современных осадках 37
Применение сульфатвосстанавливающих бактерий для очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов 38
Современные методы анализа серосодержащих соединений в воде и
донных отложениях 40
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44
2.1. Объекты исследования 44
2.1.1. Краткая характеристика рек Карагайлы и Буйды 44
Методы исследования и определяемые показатели и ингредиенты... 46
Отбор проб воды и донных отложений 47
Аналитические методы исследования 48
Анализ гидрохимических показателей 48
Определение сероводорода и сульфидов в воде 49
2.4.3 .Определение тяжелых металлов в воде и донных отложениях 49
Определение летучих органических соединений в воде и донных отложениях 50
Определение малолетучих органических соединений в воде и донных отложениях 52
Определение различных форм серы в донных отложениях 54
Определение токсичности воды методом биотестирования с использованием различных тест-объектов 59
2.5. Микробиологические методы исследования 63
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 67
3.1. Источники загрязнения малых рек 67
Сточные воды горно-обогатительных комбинатов, их состав и особенности его формирования 68
Характеристика сточных вод промышленных предприятий, поступающих в р. Карагайлы 71
3.2. Оценка качества воды и донных отложений р. Карагайлы 74
3.2.1. Физико-химические показатели качества воды и донных отложе- 74
ний
Определение токсичности воды р. Карагайлы методом биотести- 82 рования
Исследование донных отложений 84
Исследование сорбционных процессов в системе вода-донные отложения в условиях лабораторного эксперимента 85
Исследование донных отложений реки Карагайлы 92
Формирование «сероводородных зон» на малых реках 97
Исследование микробиоценоза рек Карагайлы и Буйды 99
Антропогенно-изменённый цикл серы в р. Карагайлы 102
Формирование «сероводородных зон» в р. Буйды 105
Определение маркерных соединений в донных отложениях 112
Методологический подход к определению различных форм серы в донных отложениях 112
Результаты определения маркерных соединений 119
3.8. Ранжирование участков реки по «зонам риска» 121
Глава 4. ПРОГНОЗНЫЙ МОНИТОРИНГ «СЕРОВОДОРОДНЫХ ЗОН»
НА МАЛЫХ РЕКАХ 123
4.1. Обоснование перечня контролируемых ингредиентов и параметров
для мониторинга «сероводородных зон» на малых реках 123
4.2. Организация мониторинга малых рек с целью прогноза «сероводо
родных зон» 125
ВЫВОДЫ 131
Список литературы 132
Введение к работе
Горно-обогатительные предприятия являются источниками миграции сульфатов, тяжёлых металлов (ТМ) и других элементов, загрязняющих первичные компоненты поверхностной гидросферы - ручьи и малые реки, исследованию которых до настоящего времени уделялось недостаточно внимания. На территории Республики Башкортостан (РБ) сосредоточено несколько крупных горно-обогатительных комбинатов (ГОК) по переработке сульфидных медно-цинковых руд, сбрасывающих свои шахтные и подотвальные воды в малые водотоки, входящие в бассейны рек Урал и Обь. Незначительная водность, гидрологические и морфометрические характеристики малых рек, обусловливающие их ограниченную способность к самоочищению, нередко приводят к тому, что антропогенные факторы приобретают определяющее значение для их экологического состояния.
К настоящему времени разработаны способы определения ТМ и установлено влияние различных факторов на форму их нахождения в поверхностных водотоках. Поведение серосодержащих соединений, их циклическая трансформация с образованием «сероводородных зон» исследованы для замкнутых водоёмов (моря, озёра, водохранилища) и эстуариев крупных рек. В то же время, практически не изучена роль соединений серы — участников серного цикла, в рассеянии тяжёлых металлов, их преобразовании и перераспределении между водной фазой и донными отложениями в малых реках. Сведения об образовании сероводородных зон в малых реках также отсутствуют.
Вместе с тем известно, что наличие сульфидов (H2S, HS", S "), обладающих высокой реакционной способностью, коренным образом меняет условия миграции большинства ТМ. Неорганические сульфиды представляют большую опасность для гидробионтов, а интенсивное выделение в атмосферу сероводорода, образующегося в химических и биохимических процессах преобразования соединений серы, значительно ухудшает качество среды обита-
ния людей. В связи с этим исследование цикла серы в малых реках и разработка способов предотвращения образования её восстановленных форм представляет собой актуальную задачу. Работа выполнена в рамках республиканской целевой программы «Экология и природные ресурсы Республики Башкортостан 2004 - 2010 гг.».
Целью работы являлись обоснование и разработка системы мониторинга малых рек с целью снижения риска образования «сероводородных зон» на основании изучения особенностей функционирования серного цикла в малых реках юго-восточных районов РБ (р. Карагайлы и Буйды) путём лабораторных и натурных исследований процессов биохимического преобразования сульфатов и других серосодержащих соединений
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Оценить интенсивность потоков миграции и перераспределения ТМ и различных серосодержащих соединений в р. Карагайлы. По результатам расчёта интегральных показателей загрязнённости донных отложений выявить наиболее загрязнённые проблемные участки реки Карагайлы.
Определить состав микробиоценоза речной экосистемы р.Карагайлы и выявить микроорганизмы, способные к биотрансформации серосодержащих соединений.
Обосновать антропогенно изменённый цикл серы для малых рек-приёмников сточных вод различных производств, в том числе по переработке медно - цинковых руд.
Разработать схему мониторинга малых рек в зоне влияния ГОК и других предприятий с учётом вероятности образования «сероводородных зон».
Научная новизна.
Доказана потенциальная возможность и обоснованы причины возникновения «сероводородных зон» на малых реках в условиях антропогенного воздействия. Установлено, что одним из факторов формирования сероводородных зон в малых реках, принимающих сточные воды предприятий горно-
добывающей промышленности, является одновременное поступление органических соединений со сбросами других предприятий.
Впервые для малых рек в зоне влияния ГОК предложена схема протекания физико-химических и биохимических процессов для антропогенно изменённого цикла серы. Показано возможное перераспределение и преобразование серосодержащих соединений в воде и донных отложениях р. Карагайлы. Практическая значимость.
Выявлены техногенные и природные факторы, способствующие образованию проблемных участков в пределах русла малой реки. Показано, что одним из значимых факторов ухудшения качества воды р.Карагайлы и относительно незагрязнённых шахтных вод Сибайского карьера, поступающих в реку, является их контактирование с породными отвалами.
Адаптирована методика и разработан порядок исследования донных отложений с целью определения органических и неорганических форм серы.
Даны рекомендации, направленные на снижение вероятности формирования «сероводородных зон» на малых реках: очистка русла от донных отложений для устранения одного из основных факторов — анаэробных зон, а также недопущение одновременного сброса сточных вод, загрязнённых ТМ и сульфатами, и вод, обогащенных органическими соединениями.
Предложена система мониторинга, обеспечивающая возможность прогнозирования образования сероводородного загрязнения и планирования эффективных экологических мероприятий по минимизации негативных последствий.
Результаты работы могут быть использованы при организации природоохранных мероприятий в зоне влияния горно-обогатительных комбинатов не только на территории РБ, но и в РФ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных, российских и региональных научных конференциях и семинарах. Материалы диссертации были доложены на: II Всероссийской конференции по аналитической химии, «Аналитика России
2007» (Краснодар, 2007 г.); Межрегиональной научно - практической конференции «Чистая вода Башкортостана - 2008» (Уфа, 2008 г. ); II Международном Форуме «Аналитика и Аналитики» (Воронеж, 2008 г.); XXI Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии Реактив-2008» (Уфа, 2008 г.), V Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология-2008 г.), (Уфа, 2008).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 159 наименования и содержит 16 рисунков, 20 таблиц. Внедрение результатов исследований Результаты работы использованы:
в практике экоаналитического контроля малых рек, находящихся в зоне влияния горно-обогатительных комбинатов Республики Башкортостан, и используются ГУ Управлением государственного аналитического контроля Минэкологии РБ при выполнении плановых и договорных работ.
При разработке рекомендаций по организации природоохранных мероприятий в зоне влияния горно-обогатительных комбинатов, расположенных в районах Зауралья Республики Башкортостан.
В курсе лекций «Химия окружающей среды»; «Экологическая биотехнология», «Экологическая микробиология» химико-технологического факультета кафедры «Прикладная экология» Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Положения, выносимые на защиту 1. Результаты определения тяжёлых металлов, сульфатов, сульфидов, органических соединений в воде и донных отложениях рек Карагайлы и Буй-
ды, в сточных водах ГОК, установленные физико-химическими методами и методом биотестирования.
Результаты ранжирования участков рек по степени загрязнённости воды и донных отложений тяжёлыми металлами и соединениями серы, полученные с использованием обобщённых гидрохимических и геохимических показателей.
Причины возникновения и критерии обнаружения «сероводородных зон», возникающих на малых реках, на примере рек Карагайлы и Буйды.
Антропогенно-изменённый цикл серы и образование при этом химических веществ, несвойственных природному серному циклу в малых водотоках, накопление загрязняющих веществ в концентрациях, негативно влияющих на экологическое состояние малых рек.
5. Система мониторинга «зон риска», позволяющая обеспечить минимиза
цию воздействия предприятий горнодобывающей отрасли на малые реки.
