Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Характеристика почв и особенности накопления в них тяжелых металлов
1.1.1. Состав и свойства почв , 10
1.1.2. Содержание в почвах тяжелых металлов 12
1.1.3. Промышленное производство как источник загрязнения почв тяжелыми металлами
1.1.4. Влияние тяжелых металлов на свойства почв. 16
1.1.5. Накопление тяжелых металлов в растениях 19
1.2. Цель и задачи исследований 25
2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА, ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Природные условия района исследований 26
2.2. Характеристика предприятия 3 0
2.2.1 .Краткая характеристика производств 31
2.2.2. Краткая технология основных производств 32
2.2.3. Возможные аварийные ситуации; 35
2.3. Методические аспекты организации исследований 39
3. РЕЗУЛЬТАТНІ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА 48
3.1. Физические и химические свойства почв 48
3.1.1. Гранулометрический состав ' 48
3.1.2. Плотность почв 51
3.1.3. Кислотность 53
3.1.4. Содержание гумуса в почве 54
3.1.5. Валовый азот 56
3.1.6. Фосфор и калий 58
3.2. Оценка почв в зонах влияния завода 59
3.2.1. Агрономическая оценка почв в зонах влияния; завода
3.2.2. Влияние завода на агрономическую оценку почв в целом по всем трансектам
3.2.3. Агрономическая оценка почв в зоне влияния завода в среднем по трансектам
3.2.4. Содержание примесей в фосфатном сырье и фосфорных удобрениях
3.3. Содержание тяжелых металлов в почве окружающих завод ландшафтов
3.3.1. Содержание тяжелых металлов в почвах в зонах влияния завода
3.3.2. Общее содержание тяжелых металлов в почве (по всем трансектам)
3.3.3. Содержание тяжелых металлов в почве (среднее по трансектам)
3.3.4. Содержание тяжелых металлов в почвенных пробах отдельных трансект
3.4.Содержание тяжелых металлов в водных системах 133
3.5. Содержание тяжелых металлов в надземной массе растений
3.6. Влияние тяжелых металлов на почвенные организмы 139
ВЫВОДЫ 150
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИВОДСТВУ 152
ЛИТЕРАТУРА 155
Введение к работе
Воздействие производственной деятельности человека на биосферу на современном этапе её развития огромно. В последние 20-30 лет техногенное давление на окружающую среду во многих районах приобрело масштабы, нередко превышающие такие природные негативные явления, как землетрясения, наводнения, ураганы и т.д. (Казак, Ангелов, 1999; Михаил еченко, Казак, 2001; Перезева и др., 2001). Весьма мощными загрязнителями окружающей среды являются предприятия химической промышленности, оказывающие большое давление на окружающую среду через свои выбросы (газообразные, жидкие и твердые) в воздух, водоемы и і на почву (Сорокина и др., 1984; Тишков, 1992; Махутов и др., 2003; Ильин, 1994). К таким предприятиям относится и Белореченский химический завод. К сожалениюдостаточными: сведениями о количественном и качественном составе производственных выбросов этого предприятия объективно мы не располагаем, если не считать нормативных позиций, разработанных заводом-изготовителем. Для оценки ^реального воздействия завода на окружающую среду необходимо организовать систему комплексных наблюдений и определение качественного и количественного состава его выбросов, их динамику по сезонам года и по годам в связи с условиями окружающей среды (Гутиева, 1980; Евдокимова, Мозгова, .1975; Бреус и др., 1997; Агрометеор. обзор ..., 2003; Атлас ..., 1996).
Среди мероприятий по стабилизации и улучшению экологической обстановки в крае особое место должно быть отведено формированию посто-Vjehhou/ системы производственного экологического мониторинга,. основной задачей которого является информационное обеспечение и принятие решении в области природоохранной деятельности и экологической безопасности (Белюченко и др., 2001; 2002; Бутников, 1998; Зинюков, 1998).
На начальном этапе мониторинга проводится сбор информации о состоянии почвенного и растительного покрова, атмосферного воздуха и воды в зоне эксплуатации объекта, выявляются особо чувствительные блоки к воздействию природных и техногенных процессов окружающей среды, отслеживаются де градационные процессы в почвах и в растительном покрове, а также их возможное загрязнение химическими веществами, тяжелыми металлами и другими загрязнителями (Артюшин, 1992; Батурин, 1998; Волошин, 1997).
Важнейшими объектами, определяющими функционирование экологических систем, являются почвы, вода и атмосфера, растительность и животный мир. Выбрасываемые при эксплуатации завода и обслуживающих его, предприятий загрязнители могут оказывать существенное влияние на физико-химические свойства атмосферы, воды, почвы, на видовое разнообразие растительности и животного мира (Добровольский, 1983; Грисмис, 1997). При этом возникают также нарушения в деятельности биоты в целом, что может явиться причиной нарушения циклов биогеохимических процессов в природных и агроландшафтных системах и разрушения в них систем самоочищения и самовосстановления (Громов, 1989; Гузев и др., 1986).
Белореченский химический завод загрязняет воду (бытовыми и промышленными стоками), атмосферу (выбросными газами заводского автотранспорта, пылью, промышленными выбросами), почву (тяжелыми метал- лами и т.д.). В настоящее время специфика работы завода обострила необходимость перехода от временных, локальных и непоследовательных мероприятий борьбы с загрязнениями среды к переориентации на системный вариант контроля и прогноза загрязнений среды, оздоровление условий жизнедеятельности человека и сохранение природы. Настоящая работа и направлена на разработку конкретных подходов к организации и проведению оценки реальных воздействия Белореченского химзавода на окружающую среду (Голов и др., 1986; Добровольский, 1983).
Организация научной базы для контроля за загрязнением среды химзаводом будет способствовать формированию и реализации эффективной по- литики борьбы с загрязнениями среды на основе программного подхода при решении столь важной проблемы, оказывающей значительное влияние на жизнедеятельность населения в окружении производства. Для оценки воздействия завода на окружающую среду нами выбрано рассеивание тяжелых металлов, их валовые и подвижные формы в основных составляющих ландшафта.
Выбор тяжелых металлов в качестве объекта наших исследований обусловлен тем, что нарастание их количества в пищевых сетях ведет к появлению ряда специфических заболеваний живых организмов, включая и человека. При свинцовом токсикозе у человека и животных поражаются нервная система (энцефалопатия и нейропатия), почки (нефропатия), органы кроветворения (анемия) (Clarcson, 1988; Moore, 1988; Мартин, 1993). Поступление многих тяжелых металлов в окружающую среду, связанное с хозяйственной деятельностью человека, заметно превышает природное (Елпатьевский, Лу-ценко, 1990). При сжигании бензина в окружающую среду поступает около 50% всего выброса свинца, что является основным источником его поступления в биосферу в глобальном плане (Мур, Рамамурти, 1987). Именно свинец, наряду с ртутью, является наиболее опасным для живых организмов и в целом для биосферы.
Тяжелые металлы в процессе работы завода поступают в атмосферу в значительных количествах в составе газообразных выделений и дымов ив виде техногенной пыли, которая попадает в водоемы, в почву, и переходят в растения, где скорость их миграционных процессов заметно снижается. При отмирании растений, гибели животных почва обогащается этими элементами и со временем, в силу их накопления, изменяются многие свойства почвен-но-поглощающего комплекса (Гришина и др., 1990; Ильин и др., 1980). Накопление тяжелЫХ; металлов в почвах ведет к повышению их количества в массе беспозвоночных, использующих органику в качестве пищи и т.д. Поскольку почва обладает выраженной катионной поглотительной способно- стью, то она активно удерживает положительно заряженные ионы тяжелых металлов (Алексеев, 1987).
В связи с этими особенностями почв мы задались целью в своей работе оценить влияние Белореченского химзавода на содержание подвижных и валовых форм ряда тяжелых металлов, включая свинец и кадмий, в условиях активного хозяйственного использования ландшафтных систем, примыкающих к заводу.
В качестве объекта исследований были выбраны почвы, вода, илы и растительность ландшафтов, примыкающих к заводу, с учетом розы ветров этого района. Определение содержания валовых, а по ряду элементов, и подвижных форм тяжелых металлов проводилось в период 2001-2003 гг. Анализы образцов почв, илов, воды и растений осуществлен в лаборатории тяжелых металлов атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «ААС Квант - 2А» в пламени ацетилен-воздух.
Содержание в почвах тяжелых металлов
. Важнейшим фактором нормального развития человеческого общества является сохранение почв, которые образуются в основном из рыхлых горных пород (пески, суглинки и т.д.) и составлены твердой (мелкие от 1 мм до долей микрона частицы минералов), жидкой (почвенный раствор) и газообразной частями (почвенный воздух). Состав почвы включает Si20, Al203i Fe203j К20, Na20, MgO, СаО, а также гумус, формируемый в результате превращения органических остатков, включающий в себя высокомолекулярные органические кислоты (гуминовые, ульминовые, фульвокислоты) и составляющий в сочетании с другими органическими соединениями органическое вещество почвы — основу плодородного горизонта (Вальков и др., 1996; Овчаренко, 1996).
От соотношения минеральных частиц в почве зависит ее свойство. Суглинки, содержащие до 40% песка, 40% пыли и 20% глины, являются наиболее благоприятными для выращивания сельхозкультур. Механический состав в основном определяет качественные характеристики почв - ионообменную емкость, инфильтрационную и водоудерживающую способность и аэрацию;, мелкие частицы снижают инфильтрацию и аэрацию. В глинах аэрация слабая, в песчаной почве - высокая, а в почве с преобладанием пыли -средняя. Водоудерживающая способность имеет обратную связь с размерами частиц: она повышается с уменьшением и снижается с увеличением их размеров. Чем меньше частицы, тем больше их общая поверхность и тем выше способность почвы удерживать воду и минеральные вещества, включая тяжелые металлы, пестициды и другие загрязнители (Гришина и др., 1990; Ильин, 1991; Кобзев, 1980). Свойства почвы заметно улучшаются при увеличении содержания в ней гумуса, накопление которого в минеральной части почвы совпадает с отмиранием в основном растений (Звягинцев, Голимбет, 1983; Загуральская, Зябченко, 1994). Гумус выделяется высокой способностью концентрировать различные вещества и воду, существенно превышая по этому показателю любую минеральную часть почвы, сглаживает негативные свойства глини ,щ стых, пылеватых и песчаных частиц. Гумус не является вечным веществом, не усваивается никакими орга низмами и, в зависимости от условий увлажнения, температуры и аэрации, в почве ежегодно разлагается до 50% гумуса. На распад гумуса сильно влияют минеральные удобрения, органические и: минеральные кислоты и т.д. Без ежегодного поступления большого количества детрита или равноценного его - заменителя (навоз, торф, гуано и т.д.) гумус постепенно разрушается и почва теряет свое качество - плодородие: структуру, аэрацию, ионообменную и во доудерживающую способности и т.д. Поступление в почву тяжелых металлов и других загрязнителей способствует разрушению гумуса и пахотного слоя, и в верхнем горизонте останутся со временем только минеральные частицы % пыль, песок, глина (Колесников и др., 2000; Кузнецов, 1997; Лукин, 2000; Муха и др., 1998). Почва содержит необходимые для жизни растений биогены - мине ральные вещества: нитраты (NO3 ), фосфаты (PCV3), кальций (Са ), а также воду и кислород, основным источником которых (кроме азота, образующегося из аморфного N2) является материнская порода, где они находится в недос тупном для живых организмов состоянии. В процессе выветривания породы указанные вещества постепенно, через ряд физических и химических про цессов (реакция среды на биохимические выделения растений и т.д.), пере ходят в водный раствор почвы (Мур, 1987). Освободившиеся биогены и по ступающие в почву тяжелые металлы используются растениями или вымы ваются водой (процесс выщелачивания); в последнем случае почва обедняется и веществами, а окружающая среда (грунтовые и поверхностные воды) загрязняется ими (Гутиева, 1980). С дождями в почву поступает вода, которая захватывает мелкие частицы почвы, химикаты (пестициды, тяжелые металлы и т.д.), отмершие остатки растений и животных с микрофлорой и сильно загрязняется. Растворенные в воде химикаты в почве не задерживаются, а выщелачиваются в грунтовку. Вымываются с водой также различные минералы. Многие минералы, попавшие в грунтовые воды, безвредны для человека, животных и растений. Грунтовая вода является пресной водой, пригодной для питья. Нарушается качество воды при попадании в неё ядовитых веществ (пестицидов, тяжелых металлов - например, ртути, мышьяка и т.д.) (Бутников, 1998).
Содержание в почвах тяжелых металлов. Этот показатель, характеризует состояние основного субстрата обитания растений и животных, особенно беспозвоночных, уровни загрязнения почвы отдельными химическими элементами и т.д. Выбросы химического производства являются основным источником поступления тяжелых металлов в почвы различных ландшафтов. Тяжелые металлы интенсивно концентрируются в почвенном горизонте, они медленно вымываются и весьма активно поглощаются корнями растений (Колесников и др., 1999).
Многие тяжелые металлы выделяются высокой токсичностью (особенно при их высокой концентрации в почве) и непрерывно перемещаются по пищевым цепям, достигая организма человека. В низких концентрациях тяжелые металлы не оказывают выраженного негативного воздействия на жизнедеятельность растений, животных и человека, а при повышении их концентрации многие из них становятся высокотоксичными. Необходимость для живых организмов таких элементов, как свинец, ртуть, кадмий и некоторых других, не установлена, и они считаются наиболее токсичными, особенно для животных и человека (Белюченко, 1996, 1998; Белюченко и др., 2002, 2003 и ДР-) В организм человека тяжелые металлы попадают в основном через сельскохозяйственную продукцию (Лукин и др., 2002). Содержание химических элементов в растениях коррелирует с их содержанием в почве, и потому необходимо определять их уровень в почве, что позволит лучше регулировать на передвижение токсикантов по цепям питания, вплоть до человека. В нашем случае большое значение имеет установление уровней загрязнения почв как подвижными, так и валовыми формами тяжелых металлов: подвижные формы определяют давление на живые организмы в настоящее время, а валовые формы являются постоянным источником пополнения подвижных форм в. последующие периоды.. Поведение многих металлов в определенной степени зависит от массы органического вещества в почве; их подвижность в щелочной среде снижается - в восстановительной среде они менее подвижны, чем в окислительной (Кошелева и др., 2002).
Для лучшего представления связи подвижных форм тяжелых металлов с количеством их валовой формы, гумусом, оксидами Fe и Мп, окислительно-восстановительным потенциалом и кислотно-щелочными условиями практикуется построение статистических моделей (Schirado et al, 1986; Skokart etal, 1985; Tyler, 1999).
Характеристика предприятия
Белореченский химзавод расположен в 8 км к западу от города Бело-реченска на отведенной площадке промышленной зоны (в 2,5 км от х. Лука-шина и = п. Дружного), что соответствует санитарным правилам и нормам СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Общая площадь земельного участка, отведенного под объекты предприятия, составляет 5443200 м , в том числе асфальтовое или бетонное покрытие - 201976 м , грунтовое покрытие - 177724 м газоны — 205500 м2; промышленная площадка одна.
Ближайшие автотранспортные магистрали и дорожные развязки находятся на расстоянии 1,5 км от основного периметра предприятия. На расстоянии 0,5 км от границ всех имеющихся промышленных объектов (шла-монакопителей, насосных станций, промкоммуниикаций), находящихся в эксплуатации, отсутствуют другие промышленные и сельскохозяйственные объекты и сооружения. Все объекты предприятия находятся вне населенных пунктов.
Промплощадка химзавода занимает водораздельную часть между реками Пшиш и Пшеха (приток реки Белой), пересеченную балками Ганжа-1 и Ганжа-2, находится на территории Гослесфонда и частично на землях АО «Комсомольское». Согласно санитарным правилам и нормам СанПиН, действующие производства на Белореченском химзаводе по выделению вредных веществ относятся к I классу, для которого размер санитарно-защитной зоны устанавливается на расстоянии 1 км от ограждения завода.
Территория завода и прилегающие ландшафты занимают черноземы слитые малогумусные сверхмощные - глинистые на делювиальных глинах, черноземы выщелоченные малогумусные мощные — глинистые на лессовидных глинах и черноземы выщелоченные среднегумусные среднемощные -глинистые - на лессовидных глинах, сформировавшиеся на Предгор-но-степной равнине.
Для защиты промплощадки по её периметру имеются лесополосы шириной 25 м изолирующего типа, а на остальной территории - лесополосы фильтрующего типа шириной 16 м на расстоянии 100 м друг от друга. В территорию санитарно-защитной зоны включены лесные насаждения Белореченского лесничества и Белореченского лесхоза на площади 255 га. Система зеленых насаждений санитарно-защитной зоны состоит из существующих лесных массивов и лесных полос, располагающихся перпендикулярно преобладающему направлению ветров.
По преобладающему направлению ветра устроены продувочные коридоры от 60 до 80 м, которые совпадают с дорогами и трассами железнодорожных коммуникаций на территории зеленой зоны.
Зеленые насаждения санитарно-защитной зоны, являются резервом чистого воздуха, фильтруют и осаждают тяжеловзвешенные частицы пыли, направляют потоки воздуха в приземном слое в наружном направлении (в соответствии с проектом Гипрокоммунстроя), что совместно с мероприятиями по газопылеулавливанию обеспечивает благоприятные санитарные и производственные условия на предприятии.
Белореченский химзавод производит серную кислоту, экстракционную фосфорную кислоту, сложные минеральные удобрения - аммофос, жидкие комплексные удобрения, кормовые обесфторенные фосфаты..Краткая характеристика производств. На территории предприятия располагаются основные и вспомогательные производственные подразделения. К основным производственным подразделениям относятся: производство серной кислоты и олеума (СК-17) мощностью 500 тыст/год; производство экстракционной фосфорной кислоты мощностью 600 тыс./т год; производство сложных минеральных удобрений мощностью 250 тыс. т/год аммофоса и 230 тыс. т/год жидких комплексных удобрений; производство кормовых обесфторенных фосфатов мощностью 203,5 тыс.т/год.
К вспомогательным подразделениям относятся: ремонтно-механический цех; теплоэлектроцентраль (основное топливо - газ, резервный мазут); прочие цеха и производства: автотранспортный, железнодорожный, ремонтно-строительный, хозяйственный цеха; электроцех; цех специализированного ремонта; склады ГСМ, АЗС, мазута; складское хозяйство; столовая; газоспа сательная станция; пожарная часть ВПЧ-41; ЦЗЛ, ОТК, санлаборатория; мед-служба; ВОХР.
На предприятии выявлено всего 117 источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, из которых 103 - организованных и 14 - неорганизованных; 40 источников оснащены газопылезащитным оборудованием, а 42: , снабжены системой общеобменной вентиляции.
Оценка почв в зонах влияния завода
Почвенный покров ландшафтов относительно менее динамичен, чем другие составляющие экосистем, но именно поэтому он накапливает большую информацию о происходящих в биосфере процессах и отражает не только современное состояние, но и то, что происходило с ним в прошлом. Объективно почвы незаменимы, их восстановление в природной среде требует большого временного отрезка, а искусственное восстановление стоит чрезвычайно дорого. В связи с этим ранняя диагностика неблагоприятных явлений в почвах очень важна. Почвы характеризуются достаточно высокой буферностью поотношению к различным экзогенным нагрузкам, включая реакцию среды, содержание доступных элементов питания для растений, а также возникновение различных негативных процессов. Все эти изменения выявляются не сразу, а только при весьма заметном ухудшении состояния среды..Именно этими обстоятельствами вызывается необходимость ранней диагностики направления в развитии почв.
Все ландшафты, окружающие завод и испытывающие какое-либо его. влияние, мы разделили условно для большей объективности на две зоны: зона активного давления (0-5 км) и зона влияния (5-10 км от завода). В течение трех лет (2001-2003 гг.) мы изучали особенности агрономического состояния почв в пределах условно выделенных зон. Результаты исследований подтвердили наше предположение, что в зоне активного давления в связи с выбросами завода ряд показателей существенно будет отличаться от таковых в зоне влияния. Остановимся на анализе некоторых характеристик верхнего слоя почв двух сравниваемых зон.
В течение трех лет агрономическое состояние почв определялось нами по показателям кислотности, содержания гумуса, подвижного фосфора и обменного калия. Результаты исследований 2001 года показывают, что в зоне прямого давления содержание гумуса было ниже (за пределами доверительных границ) по сравнению с зоной косвенного влияния. Кислотность почв в обеих зонах была примерно одинаковой. Отмечается тенденция увеличения подвижного фосфора и снижения обменного калия в зоне прямого давления (табл. 1).
2002 год, характеризующийся довольно благоприятными климатическими условиями, мало чем отличается в плане соотношения показателей гумуса, фосфора и калия по сравнению с 2001 годом (табл. 2).
Наиболее заметное влияние на содержание гумуса отмечено в засуш-ливом 2003 году (табл. 3), Содержание гумуса в почвах в зонах влияния было выше на 1 % по сравнению с зоной прямого давления, почвы которой характеризуются слабой щелочностью и повышением подвижного фосфора. В зоне влияния; уровень подвижного фосфора также увеличился по сравнению с двумя предыдущими годами.Сравнивая средние за три года показатели агрономического состояния почв окружающих завод ландшафтов, следует отметить, что гумус в почвах зоны влияния примерно на 1 % выше, чем в зоне прямого давления Белореченского комбината (табл. 4). Реакция почвенной среды в зоне прямого давления находится на уровне нейтральной (рН 6,87), а в зоне влияния - слабокислая (рН 6,59). В прилегающих к заводу почвах уровень подвижного фосфора выше, чем в зоне влияния примерно на 3 мг/100 г почвы, а доля обменного калия, наоборот, значительно выше в зоне влияния (за пределами доверительных границ), чем в зоне прямого давления.
Анализируя результаты исследований агрономического состояния почв, мы пришли к выводу, что выбросы химзавода оказывают заметное влияние на содержание в почвах гумуса и подвижного фосфора, просматривается также влияние на уровень кислотности почвы и содержания в ней калия. Полученные результаты указывают на необходимость включения в программу исследований агрономической оценки почв при воздействии на них выбросов химического предприятия. 3.2.2. Влияние завода на агрономическую оценку почв в целом по всем трансектам. Результаты исследований влияния выбросов завода на физическое и химическое состояние почв, а также на характер загрязнения почв тяжелыми металлами показали, что на качество почв влияют также условия среды (влажность почвы, количество выпадающих осадков и т.д.). Для более детальной оценки давления завода на почвы окружающих ландшафтов - в летне-осенний период 2003 г. был использован метод трансект, заложенных в числе шести по основным направлениям ветров, на которых и через каждые 500 м проводили отбор проб и их анализ. Полученные результаты показали весьма широкий разброс наиболее важных агрономических показателей: содержание гумуса, фосфора, азота и калия, кислотность.
Содержание физической глины в зоне действия завода колеблется от 38,18 до 81,75 %. Среднее содержание физической глины составляет 56,29 %. По механическому составу почвы относятся преимущественно к легкогли- нистым и тяжелосуглинистым.
Почвенный покров характеризуется колебанием показателей кислотности от 5,7 до 8,0 (от слабокислой до щелочной реакции). Среднее значение кислотности почвы близко к нейтральному (7,03) (табл. 5). Содержание гумуса на исследуемой территории колеблется от 1,33 до 7,01 %. Значение 1,33% является очень низким для почв данной территории - лугово- или лугова-то-черноземных,. то есть, возможно, имеет место процесс дегумификации: (потеря плодородия), который может быть следствием высокой интенсивности загрязнения, источником которого является завод ЕМУ.
От содержания азота в почве зависят потенциальные возможности обеспечения этим элементом растений. Содержание аммиачного азота в почве варьирует в пределах от 0,73 до 7,44, среднее значение - 1,51мг/100г. Содержание нитратного азота варьирует в более широких пределах - от 3,4 до 14,10 мг/100 г почвы при ПДК 130 мг/кг.
