Содержание к диссертации
Введение
1. Экологическая оценка влияния на ландшафты терриконов различных генетических возрастов
1.1. Влияние отвальных пород угольных шахт (ОПУШ) на атмосферу, водные и почвенные объекты окружающей среды 11
1.2. Характеристика отвальных пород угольных шахт 14
1.3. Методы защиты ландшафтов от негативного воздействия процессов угледобычи 18
1.4. Выводы по 1 главе, цели и задачи исследований 22
2. Теоретическое обоснование применения опуш в качестве сорбента в практике очистки поверхностного диффузного стока
2.1. Формирование качественного состава поверхностного стока с территорий, подвергаемых техногенному воздействию 25
2.2. Формирование качественного состава поверхностного диффузного стока с сельскохозяйственных территорий 29
2.3. Тяжелые металлы в почвах и почвенных компонентах, способы их фиксации. 30
2.4. Выводы по 2 главе 34
3. Материалы, методы исследований и экспериментальные результаты по снижению концентрации поллютантов в поверхностном стоке с терриконов различного генетического возраста
3.1. Натурные исследования по степени насыщения тяжелыми металлами поверхностного стока с терриконов 35
3.2. Методика расчета поступления биогенных элементов в водоемы 66
3.3. Исследование сорбционных характеристик ОПУШ по отношению к тяжелым металлам 76
3.4. Исследование отвальных пород угольных шахт(ОПУШ) по эффективности адсорбции фосфат - ионов 92
3.5. Исследование возможности регенерации отвальных пород угольных шахт (ОПУШ), насыщенных фосфат - ионами 94
3.6. Выводы по 3 главе. 97
4. Опытно-промышленные исследования по определению закономерностей масс выноса загрязняющих веществ с поверхности терриконов
4.1 . Влияние коэффициента стока и уклона террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном расходе с терриконов . 104
4.2. Опытно-промышленные исследования при использовании ОПУШ в качестве эффективного сорбента для удаления тяжелых металлов. 109
4.3. Выводы к 4 главе 109
5. Рекомендации для использования термо неизменённых опуш в качестве сорбента в практике очистки поверхностного диффузного стока с терриконов и экономическая эффективность его применения 112
Выводы к 5 главе 113
Общие выводы 117
Литература 118
Приложения 133
Акты внедрения 209
- Влияние отвальных пород угольных шахт (ОПУШ) на атмосферу, водные и почвенные объекты окружающей среды
- Формирование качественного состава поверхностного стока с территорий, подвергаемых техногенному воздействию
- Натурные исследования по степени насыщения тяжелыми металлами поверхностного стока с терриконов
- Влияние коэффициента стока и уклона террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном расходе с терриконов
Введение к работе
Актуальность темы. В современном мире все большую значимость приобретает проблема экологической деформации территорий под воздействием антропогенного фактора. Вмешательство в природные процессы приводит к загрязнению окружающей среды.
Важной экологической проблемой для Ростовской области, как крупнейшей области Юга России, является воздействие процессов угледобычи, а также транспортировки и промышленного использования угля. Наиболее мощному антропогенному прессу, обусловленному процессами добычи и использования угля, подвергнуты урболандшафты и природные ландшафты северо-восточной части Ростовской области. Вследствие поступления кислых минерализированных шахтных водоотливов и выпадения продуктов газовых эмиссий солесодержание поверхностных вод малых рек достигает 3 - 4 г/ л. Также наблюдается увеличение миграции компонентов ионного стока с поверхности территорий в районах водосбора. Все вышеперечисленные процессы способствуют закисленню почв, и, как следствие, появлению в поверхностном диффузном стоке тяжелых металлов и солей.
По данным Департамента Водных ресурсов Российской Федерации более 80% загрязнения поверхностных источников обусловлено влиянием ингредиентов поверхностного диффузного стока, формирующегося с территорий бассейна водосбора во время выпадения дождей и таяния снегов. Свой негативный вклад в формирование и количественную массу загрязнений поверхностного диффузного стока вносят отвальные породы угольных шахт (терриконы), удобрения, аэрозольные выпады из атмосферы от стационарных и передвижных источников выбросов, свалки и полигоны промышленных и бытовых отходов и т.д.
Серьезную опасность представляют отвальные породы угольных шахт (ОПУШ), количество которых в Ростовской области около 250, что составля ет 137000га. Под воздействием дождевых и талых вод происходит процесс естественного выщелачивания металлов из материала отвалов с образованием загрязненных стоков, в которых содержание тяжелых металлов в сотни раз превышает ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
Следовательно, изучение влияния терриконов на качество поверхностных вод и почв на стадии формирования поверхностного диффузного стока, на базе которого возможно создание методов защиты ландшафтов от загрязнения, являются актуальной проблемой.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетным планом НИР каф. «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований» в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» (Гос. per. № 01.9.40001739), а также в рамках Международной научной программы ИНТАС - РФФИ «Экологическая оценка, принципы мониторинга и регулирования качества урболандшафтов Юга России» (JR -970548).
Область исследования: исследование влияния отвальных пород угольных шахт (терриконов) на почвенные и водные экосистемы для снижения концентрации тяжелых металлов и фосфат - ионов в поверхностном диффузном стоке.
Объект исследования - техногенные образования - ОПУШ различного генетического возраста складирования, загрязняющие водные и почвенные объекты окружающей среды тяжелыми металлами и биогенными элементами.
Целью диссертационной работы является экологическая оценка влияния на природные ландшафты северо-восточной части Ростовской области терриконов различных генетических возрастов складирования и разработка инженерно-экологических мероприятий по предотвращению их отрицательного воздействия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- теоретическое обоснование и экспериментальное исследование воздействия ОПУШ, на водные и почвенные объекты окружающей среды;
- определение изменения минерального состава ОПУШ, в зависимости от генетического возраста терриконов;
- исследование фильтрационных, ионообменных и сорбционных характеристик ОПУШ, с учетом климатических условий;
- обоснование использования термонеизменённых ОПУШ для защиты педосферы и гидросферы;
- изучение и моделирование гидравлических характеристик потоков вод, стекающих с терриконов и определение концентраций загрязняющих веществ;
- разработка и внедрение технологии защиты природных ландшафтов от загрязнения поверхностными стоками с терриконов в опытно-промышленных условиях;
- разработка методики расчета выноса загрязняющих веществ с поверхности ОПУШ для оценки экологического ущерба водным и почвенным объектам окружающей среды.
Основная идея работы заключается в выявлении возможности использования ОПУШ в качестве фиксирующего агента поллютантов поверхностного диффузного стока (тяжелых металлов и фосфатов) с целью предотвращения их негативного воздействия на экосистемы почвы и водоемов, а также возможности регенерации отвальных пород угольных шахт (ОПУШ), насыщенных фосфат - ионами.
Методы исследований. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена: применением апробированных методик экспериментальных исследований с использованием аттестованных методик анализа и поверенных приборов; выполнением планирования экспериментов в программе ПЭСМ4ф, математической формализацией результатов большого мае сива опытов с помощью пакета статистического анализа Microsoft Excel, сходимостью данных лабораторных исследований с результатами экспериментов (относительная погрешность ±10%, при доверительной вероятности 0,95).
Научная новизна работы:
- установлены закономерности влияния геометрических и морфологических особенностей террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном диффузном стоке с терриконов различных генетических возрастов складирования;
- получены экспериментальные данные и зависимости, характеризующие массу загрязняющих веществ, выщелачиваемых под действием дождевых и талых вод с поверхности термоизмененных и термонеизмененных отвальных пород угольных шахт ОПУШ;
- теоретически обоснована возможность применения термонеизменённых ОПУШ в качестве сорбента поллютантов поверхностного диффузного стока с термоизмененных ОПУШ;
- предложена методика повышения сорбционной способности термонеизмененных ОПУШ по отношению к тяжелым металлам и фосфатам;
- разработаны технологические предложения по мелиорированию почв в районах с ОПУШ.
Наиболее существенные результаты, полученные лично автором, состоят:
• в экспериментальном подтверждении высказанной автором гипотезы о возможности ОПУШ для снижения концентраций тяжелых металлов и фосфат - ионов в поверхностном диффузном стоке;
• в повышении сорбционной способности ОПУШ путем внесения в них определенного количества избыточного ила очистных сооружений;
• в экспериментальном установлении зависимости концентрации
поллютантов в поверхностном диффузном стоке с терриконов от скорости фильтрования, рН среды и соотношения доз ОПУШ и избыточного ила очистных сооружений;
• в разработке инженерно - мелиоративных мероприятий по регулированию качества поверхностного диффузного стока.
Практическая значимость работы:
• установлены количественные характеристики влияния терриконов различного генетического на водные и почвенные объекты окружающей среды;
• разработана методика повышения сорбционных характеристик ОПУШ по отношению к поллютантам поверхностного диффузного стока (тяжелым металлам и фосфатам);
• осуществлена оптимизация состава соотношения компонентов смеси ОПУШ и избыточного активного ила очистных сооружений при определенных значениях рН среды;
• на базе лабораторных и опытно-промышленных испытаний определены дозы внесения ОПУШ в почву и составлены рекомендации по применению ОПУШ после предварительной подготовки - путем внесения в них определенного количества избыточного ила, в качестве эффективного сорбента для удаления тяжелых металлов и биогенных элементов, которые внедрены на ряде объектов и в проектную практику.
Реализация результатов работы
Рекомендации по использованию отвальных пород угольных шахт после предварительной подготовки, в качестве сорбента широкого спектра тяжелых металлов и фосфатов с минимальным воздействием на водные и почвенные объекты окружающей среды используются на ряде предприятий угольной промышленности и в деятельности природоохранных органов Ростовской области, что подтверждается соответствующими актами.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту: - -отвальные породы угольных шахт (терриконы) различного генетического
возраста складирования оказывают негативное воздействие на ландшафты, в т.ч. и не рассматривавшимся ранее поверхностным стоком;
- термонеизменённые ОПУШ могут применяться в качестве относительно дешевого и эффективного сорбента для удаления тяжелых металлов и биогенных элементов;
- концентрацию поллютантов в поверхностном стоке с терриконов, определяют следующие факторы: уклон террикона, интенсивность выпадения осадков и коэффициент стока;
- при определенных значениях рН тяжелые металлы из поверхностного стока фиксируются ОПУШ после их предварительной обработки;
- ОПУШ обладают сорбционной способностью по отношению к фосфат-ионам;
- повышение сорбционной способности термонеизменённых ОПУШ по отношению к тяжелым металлам и биогенным элементам позволяет регулировать качество поверхностного диффузного стока ландшафтов;
- внедрение термонеизменённых ОПУШ в качестве сорбента в практику очистки поверхностного диффузного стока имеет существенную эколого экономическую эффективность.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону; 2000-2003 г.п); международных конференциях молодых специалистов Ростовской экономической академии (Ростов-на-Дону; 1999-2000г.п), научно- практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» РГСУ (Ростов-на-Дону, 2000); 4 международной научно-практической конференции, «Человек и окружающая природная среда - проблемы взаимодействия» (Пенза, 2001г.), всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации, нарушенных экосистем» (Пенза, 2003г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 17 работах., в т.ч. в виде отдельных глав в 2 томах монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, перечня цитируемой литературы, включающего 158 источников. Диссертация изложена на 210 страницах, включает 22 таблицы, 24 формулы и 22 рисунка. В приложении представлено 2 акта, подтверждающих практическое применение результатов работы.
Автор выражает глубокую благодарность: научному руководителю д-ру техн. наук профессору Н.С. Серпокрылову и научному консультанту канд. техн. наук доценту Е.В. Вильсон - за постоянные консультации и помощь в работе; коллективу кафедры " Водоснабжение и водоотведение" - за внимание и поддержку при проведении исследований, ЮГУГП " Южгеология " (г. Ростов-на-Дону, начальник РЛЦ - Гальчиков В.В.) - за выполнение КХА отобранных проб воды и почвы.
Влияние отвальных пород угольных шахт (ОПУШ) на атмосферу, водные и почвенные объекты окружающей среды
Вопросы охраны окружающей среды при разработке угольных месторождений открытым и подземными способами, а также реструктуризацией шахт, с каждым годом приобретают все большее значение. Одной из важных экологических проблем для природных ландшафтов является негативное воздействие процессов угледобычи, связанное с отчуждением плодородных земель, осолонцеванием почв, образованием различных отходов, переселением жителей, изменением состава пресных родниковых вод и поверхностных водоисточников [4,25,87,28]. Воздействие терриконов на объекты окружающей среды представлено на рис.1.
Терриконы - это техногенные месторождения, сформировавшиеся в результате добычи угля, сложенные горными породами и поднятые на поверхность в процессе угледобычи [86]. Они оказывают негативное воздействие на атмосферу, почвы, поверхностные и подземные водные источники. По истечении пяти лет с момента начала складирования в ОПУШ под воздействием кислорода воздуха уголь и сера окисляются, а иногда самовозгораются. Горящие терриконы выделяют вредные газообразные вещества, например, с одного квадратного метра в сутки поступает в атмосферу 10,7 кг оксида углерода, 6,3 кг сернистого газа, 0,6 кг сероводорода и оксидов азота. Вынос в атмосферу мельчайших частиц - пыли в свободном состоянии и в виде аэрозолей приводит к загрязнению воздушного пространства. Как правило, пыль оседает на почву, на поверхность водоемов и растительность, что приводит к непрерывному накоплению тяжелых металлов. В различных природных условиях они ведут себя по-разному. При попадании в атмосферу или педосферу тяжелые металлы не остаются на месте, а включаются в природные геохимические циклы. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде. Ряд металлов отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания, в частности мышьяк и хром [1-3,5,112].
Известно, что гидросфера аккумулирует все поллютанты антропогенного происхождения, поэтому для предотвращения необратимых процессов в изменении гидрохимических характеристик водоёмов, целесообразно минимизировать воздействие токсичных веществ, содержащихся в поверхностном стоке, путем снижения их подвижности и фиксации в почвенном слое.
Известно, что деятельность предприятий угольной отрасли приводит к масштабному загрязнению атмосферного воздуха. Это загрязнение вызвано также выбросами метана, угольной пыли и продуктов обогащения угля, диоксидов серы и углерода. По России ежегодные выбросы угольных предприятий составляют около 200 тыс. т. загрязняющих веществ и достигают 40 % выбросов от общего объема выбросов по Ростовской области [146,148].
В отличие от загрязнения атмосферы, загрязнение почв и водоемов в результате ведения горных работ характеризуется более значительным уровнем. Загрязнение почв и водоемов горными предприятиями содержащей тяжелые металлы и минеральные образования пылью, выносимой в атмосферу вентиляционными струями и ветрами при разработке месторождений, первичной переработке полезных ископаемых, их перевалке, транспортировке и складировании очень велико. Реструктуризация угольной промышленности, и в связи с ней закрытие шахт, явилась источником непредвиденных экологических проблем, которые по своей значимости вышли на один уровень с социально-экономическими вопросами Северо-Кавказского региона. Повышенный интерес к данной проблеме вызван ускоренным развитием современных природно-технических процессов, влияющих на состояние окружающей среды, вследствие массового закрытия шахт. Среди этих процессов выделяют [64]: - загрязнение подземных вод; - подтопление и заболачивание плодородных земель; - локальные множественные поступления минерализованных шахтных и поверхностных вод в поверхностные и подземные водные объекты; - ускорение миграции техногенного загрязнения из различных накопителей твердых и жидких отходов в геологическую среду (породы зоны аэрации, подземные воды) и биологические объекты (почвенно-растительный слой, сельскохозяйственные растения и др.); - практически не контролируемое расширение путей миграции взрывоопасных газов. При закрытии шахт, ситуация ухудшается и тем, что заполнение шахт происходит высокоминерализованными и загрязненными шахтными водами и поэтому, процесс загрязнения и засоления подземных водоносных горизонтов является практически необратимым. Следовательно, разработка инженерно-экологических мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия терриконов на природные ландшафты северо-восточной части Ростовской области, является актуальной проблемой. По литературным данным (Гипич Л.В. и др., 1992-1998г.г.), известно, что минеральный состав пород, слагающих отвалы угольных шахт, тесно связан с их происхождением и с последующим воздействием процессов вы 15 ветривания и термического воздействия, приводящих к его изменению, глубина которого зависит от генетического возраста терриконов [27]. Углевмещающие породы, складированные в отвалы, подвергаются воздействию теплового поля, что и приводит к формированию различных типов отвальных пород угольных шахт (ОПУШ). В связи с этим различают термоизменённые ОПУШ и термонеизменённые ОПУШ с периодом складирования до 1 года и более 1 года. Минеральный состав отвальных пород угольных шахт приведен на рис.2. Минеральный состав термонеизменённых пород, подвергающихся физическому и химическому выветриванию, характеризуется увеличением количества глинистых минералов. Для химически выветрелых пород характерно снижение содержания оксида кремния и увеличение глинозема, оксидов натрия и калия, а также содержания оксидов кальция и магния. Состав физически выветрелых пород идентичен их неизменённым аналогам и отличается лишь незначительным увеличением содержания глинозема, оксидов железа и калия, пониженным содержанием оксида натрия [103]. Главными породообразующими минералами термонеизменённых ОПУШ с периодом складирования до 1 года и более 1 года являются: кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, гиббсит, гематит, гетит и слоистые алюмосиликаты [37].
Формирование качественного состава поверхностного стока с территорий, подвергаемых техногенному воздействию
Одним из наиболее негативных воздействий урбанизированных территорий на окружающую среду является смыв загрязнений дождевыми, талыми и поливомоечными водами в поверхностные водоёмы. В реки и ручьи поступают огромные массы загрязняющих веществ за счёт смыва верхней части почвенного покрова, атмосферных выпадений, продуктов разрушения строительных сооружений, автодорог, размыва свалок и т. д. [2,143].
В последние годы установлено, что 75-80% загрязнений поверхностных водоёмов привносится диффузным и поверхностным стоком через неорганизованные источники выпусков.
Дождь представляет собой сложную систему, в которую входят преимущественно серная и азотная кислоты, образующиеся в результате взаимодействия соответствующих оксидов с водой, а также специфические поллю-танты, в основном, - тяжелые металлы, поступающие в атмосферу вместе с дымовыми или выхлопными выбросами. Такой дождь, попадая на поверхность земли, подвергается дальнейшему насыщению техногенными веществами и обогащается взвешенной составляющей, представляющей собой песок и глинистые частицы различной степени дисперсности. Талые воды, помимо загрязнений местного происхождения, могут содержать примеси, попавшие в атмосферу далеко от места осаждения.
Характерными загрязнителями поверхностного стока являются взвешенные вещества. По гранулометрическому составу взвесь характеризуется преобладанием мелкодисперсных частиц. При механической уборке город 26 ских территорий удаляются в основном крупные фракции. Мелких частиц в уличном смете в основном не более 20%. В стоке содержится значительное количество частиц с гидравлической крупностью более 0,2 мм/с. Частицы с гидравлической крупностью 0,2-0,4 мм/с составляют около 40% от общего числа взвеси [138,154].
Для взвесей в стоке поверхностных вод характерно значительное содержание органических веществ. При сжигании летучая часть твердой фазы стока составляет 20-30%, зольность осадка - 70-80% при влажности 89-96% после уплотнения в течение 0,5-2 ч. Органические вещества в поверхностном стоке содержатся в растворенном и нерастворенном состоянии. Растворённые органические соединения составляют до 25% от общего количества растворённых веществ, что составляет в среднем концентрации 300 мг/л [2].
Содержание в дождевых водах биогенных солей азота и фосфора составляет соответственно 5-6 мг/л и 0,7-1,2 мг/л; хлоридов - 25-30 мг/л. По сравнению с бытовыми водами дождевой сток менее жесткий. Около 50 % общего азота присутствует в аммонийной форме, 30% - в составе органических соединений и 20% - в виде нитратов и нитритов [152,155].
Концентрация нефтепродуктов в дождевом стоке около 20-25 мг/л при общем диапазоне изменения этого показателя 7-100 мг/л. Коли-титр городского поверхностного стока обычно на 2-3 порядка выше показателя бытовых сточных вод. По числу бактерий кишечной группы в единице объёма отдельные пробы дождевых вод соответствуют бытовым стокам. Атмосферные воды обычно имеют коли-титр 0,1-0,000001. В целом по составу микрофлоры сток атмосферных вод аналогичен среднезагрязнённой почве [106].
Концентрация взвешенных веществ в дождевом стоке у дождеприемников колеблется от десятков миллиграммов в литре до 6000 мг/л в первом бассейне, 2300 - во втором, 10000 - в третьем и 20000 мг/л - в четвертом. По содержанию нефтепродуктов пределы колебаний составляют от 0,25-2 мг/л до 42 - в первом бассейне, 20 - во втором, 30 - в третьем и 87,5 в четвертом. Анализ полученных данных показывает, что на содержание взвешенных веществ основное влияние оказывают интенсивность дождя и продолжительность.
Концентрация органических веществ, выраженных БПК2о, в дождевом стоке колеблется от 40 до 90 мг/л, а в талом - от 70 до 150 мг/л. По величине БПК2о талый сток с транспортных магистралей и с территорий, прилегающих к промышленным предприятиям, сопоставим с городскими сточными водами. Поливомоечные воды характеризуются средними концентрациями взвешенных веществ 600-1000 мг/л для территорий жилых районов, а для территорий, прилегающих к промышленным предприятиям и транспортным магистралям с интенсивным движением транспорта, - соответственно 800-1500 и 20-30 мг/л. Кроме перечисленных компонентов в дождевом стоке присутствует, как правило, некоторое количество биогенных элементов (соединений азота -до 5-6 и фосфора - до 1 мг/л) и бактериальных загрязнений (коли-титр находится в пределах Ю -Ю"6) [10,39].
Дождевой сток, кроме нерастворённых и растворённых органических примесей, содержит значительное количество минеральных растворённых компонентов. Солесодержание дождевого стока - от 20 до 900 мг/л. Из катионов в этом стоке присутствуют кальций, магний, кремний, натрий и калий, из анионов - в основном сульфаты, хлориды, щёлочность воды колеблется от 2 до 9 мг-экв./л, а общая жесткость - в пределах 2,5-13 мг-экв./л [148,153].
Качественная характеристика поверхностного стока определяется продолжительностью предшествующего сухого периода, длительностью и интенсивностью выпадения осадков, санитарным состоянием территории, а также степенью загрязненности атмосферы.
С градостроительной точки зрения качество стока определяется плотностью населения и промышленным потенциалом города, интенсивностью движения транспорта, степенью благоустройства и гидрогеологическими характеристиками территории. Суммарное количество примесей, вносимых поверхностным стоком в водные объекты с городских территорий, составляет 8- 15% от соответствующих показателей бытовых вод, формирующихся на той же площади. При значительных расходах стока доля выноса поверхностных примесей превышает 30% [54,133].
Чрезвычайная нестабильность поверхностного стока и специфичность образования обуславливают сложность изучения его состава. Проведенные до настоящего времени экспериментальные исследования не позволяют с достаточной полнотой характеризовать качественный состав поверхностного стока, особенно образующегося на территориях промышленных предприятий. Несмотря на это, по имеющимся данным можно оценить его состав и обосновать схему очистки.
Основы расчета дождевых стоков в нашей стране были заложены П.Ф. Горбачёвым и Н.Н. Беловым, развиты и продолжены доктором технических наук Г. Г. Шигориным, кандидатом технических наук М.В. Молоковым, доктором технических наук М.И. Алексеевым, доктором технических наук A.M. Кургановым и другими учёными. Вопросами очистки дождевых и талых вод занимаются учёные и инженеры ряда научно-исследовательских организаций и вузов (СПбГАСУ, ННГАСУ, ГНЦ ВОДГЕО, НИИ КВОВ, МосводоканалНИ-Ипроект, СПбНИИАКХ и др).
В диссертационной работе на основании исследований и использования литературных данных описаны условия формирования качественного состава поверхностного диффузного стока в зависимости от характера антропогенного воздействия на объекты окружающей среды с учетом протекторных свойств почв и его влияние на поверхностные водоемы.
Натурные исследования по степени насыщения тяжелыми металлами поверхностного стока с терриконов
Объектами исследования являлись техногенные образования — ОПУШ различного генетического возраста, загрязняющие водные и почвенные объекты окружающей среды тяжелыми металлами и биогенными элементами.
Впервые проведены натурные исследования по степени насыщения тяжелыми металлами поверхностного стока с терриконов при выпадении атмосферных осадков. Нами исследованы специфические условия формирования качественного состава поверхностного диффузного стока под влиянием ОПУШ.
В качестве объектов исследования выбраны терриконы, расположенные в г. Гуково: №1 - породный отвал «ЦОФ - Гуковская», начало складирования с 1999г., отвал эксплуатируемый; №2 - породный отвал «ЦОФ - Гуковская», (1967г., отвал неэксплуатируемый), №3 -породный отвал шахты «Ростовская», (1948г., горящий с 1953г., неэксплуатируемый отвал). Был произведен отбор проб дождевых и талых вод, стекающих с поверхности терриконов различных генетических возрастов, с шагом 500 м по периметру(табл.1).
Данные результатов исследований отобранных проб дождевых и талых вод, стекающих с поверхности терриконов различных генетических возрастов, обработаны методами математической статистики (Приложение № 2).
Установлено, что крайние значения совокупности (при проверке принадлежности сомнительных вариант по критерию тр ) для террикона №1 -концентрации Са2+ и Fe3+ , равные, соответственно, 30,1 мг/дм3 и 1,70 мг/дм3; Сг - 0,0005 и 0,0015 мг/дм3; Sr + - 0,02 мг/дм3; для террикона №2 37 концентрации НС03 " и N03", равные, соответственно, 36,6 мг/дм3 и 6,2 мг/дм3; Си 2+ - 0,0005 и 0,015 мг/дм3; для террикона №3 - концентрация СГ, равная 21,3 мг/дм ,Zn - 0,02 и 0,03 мг/дм , Sr -0,015 мг/дм не входят в соответствующие выборки и, следовательно, не могут быть использованы для характеристики средних величин генеральной совокупности.
Проведена проверка однородности дисперсий по критерию Фишера и установлено, что дисперсии однородны и, следовательно, данные могут быть использованы для характеристики средней величины генеральной совокупности. Достоверность проведенных исследований составляет 95%. По средним значениям, приведенным в таблице 1 и построены диаграммы и графики зависимости (рис. 6-9). Зависимость содержания цинка и меди в дождевых и талых водах, сте кающих с поверхности терриконов, отражена в виде уравнений регрессии: для цинка в дождевых водах: У= 2Е -0,6х2 - 0,0003 х+0,003 (5) для цинка в талых водах: У= 4Е -0,6х2 +0,0014 х+0,0914 (6) для меди в дождевых водах: У=-8Е-0,7х2+7Е-0,5х +0,0032 (7) для меди в талых водах: У=-4Е-0,6х2+0,0001 х +0,0063 (8) Для марганца, железа, хрома, алюминия и свинца также получены уравнения регрессии, которые представлены в Приложении № 4. Полученные кривые по уравнениям регрессии (рис.6, рис.8) свидетельствуют о квадратичной зависимости концентрации различных компонентов в стоке от возраста террикона и рекомендуются для прогнозных расчетов количества загрязнений, поступающих в окружающую среду с дождевым и талыми стоками (Приложение № 5). Подобные зависимости получены в отечественной практике впервые. Максимальные концентрации по SiCV, NCV, Na+ + К+, сухому остатку НСОз", NO3", Zn2+, Si-2"1" и высокие значения рН обнаруживаются в стоке с террикона №1 (термонеизменённые отвальные породы угольных шахт). Минимальные концентрации по этим же компонентам характерны для стока с террикона №3 (термоизменённые отвальные породы угольных шахт), при этом значение рН в стоке уменьшается. Для террикона 65 №2 (термонеизменённые отвальные породы угольных шахт) в стоке отмечаются максимальные концентрации по Мп2+, Са2+, Mg2+, А13+, Си 2+, S042" Графики зависимости средних значений различных ингредиентов в поверхностном стоке от возраста террикона иллюстрируют, что для террикона №1 и террикона №2 характерно преобладание ионов Са2+, Mg2+, Sr2 , Na+, К+, NH4+ и повышение содержания глинозема (А1203). Диаграммы, построенные по средним значениям (рис.7, рис.9.), показы-вают, что в природных условиях Al , Fe , Cr , Мп больше выщелачиваются из термонеизменённых пород (террикон №1 и террикон №2). Изучено влияние дождевого и талого стока с терриконов на состав почв на расстоянии 10 и 50 м от террикона №3 в двух точках. В них определены содержания следующих ингредиентов: кальций, магний, хром, свинец, кобальт, молибден, железо, медь, цинк, алюминий, мышьяк, гумус и зольность (табл.2.). Установлено, что по мере удаленности от подножия террикона №3 содержание в почве тяжелых металлов: кальция, магния, алюминия, железа, хрома, свинца, стронция - уменьшается, а цинка и марганца - увеличивается, что объясняется их взаимодействием с гуминовыми и фульвокислотами почв почвенных растворов. Процентное содержание влажности, зольности и гумуса увеличивается в образцах почвы, отобранных на расстоянии 50 м от подножия террикона №3. Диаграммы содержания вышеперечисленных ингредиентов (мг/кг и %) в почвах, построенные по средним значениям, показывают, что содержание зольности и гумуса возрастает с увеличением расстояния от террикона№3 (рис.10). Установлено, что по мере удаленности от подножия террикона №3 содержание в почве тяжелых металлов: кальция, магния, алюминия, железа, хрома, свинца, стронция - уменьшается, а цинка и марганца - увеличивается (рис.10, рис.11).
Влияние коэффициента стока и уклона террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном расходе с терриконов
Отвальные породы угольных шахт (ОПУШ) исследовали в качестве сорбентов гидрофосфат-ионов с целью предотвращения искусственной эвтрофи-кации водоемов. Известно, что земли сельскохозяйственного пользования являются источниками поступления фосфора в водоемы. Его вынос с сельскохозяйственных угодий возможен в результате потерь удобрений при нарушении технологии их использования, в процессе вымывания с полей. Возможный вынос фосфатов с поверхностным склоновым стоком определен согласно методике расчёта поступления биогенных элементов в водоёмы, приведённой в 3 главе, и может составлять 1,3 кг/га с пашен и 0,99 кг/га с кормовых угодий (по Р04 3")[23].
Исследование эффективности адсорбции гидрофосфат-ионов осуществляли путем фильтрования модельной воды с содержанием гидрофосфат-ионов в диапазоне концентраций характерных для склонового стока с полей, через отвальные породы угольных шахт (ОПУШ). Эксперимент осуществляли в условиях аналогичных вышеописанным.
Анализ результатов исследований позволил установить, что только термонеизменённые отвальные породы угольных шахт (с периодом складирования до 1 года) могут быть предложены в качестве сорбента фосфат-ионов. Поскольку концентрация фосфат-ионов реального склонового стока не превышает 1-1,5 мг/л, можно определить дозу вносимого в почву сорбента - термонеизменённых отвальных пород угольных шахт (с периодом складирования до 1 года) при удельной сорбции 23,7 мкг/г. При выносе фосфатов с пашни 1,3 кг/га год, необходимое количество вносимого сорбента составит 54,8 т/га год, при насыпной плотности сорбента - 2700 т/м3, объем вносимого сорбента составит 20,3м3.
При выносе фосфатов с кормовых угодий - 0,99 кг/га год, количество вносимого сорбента составит 41,7т/гагод (15,5 м3 /га/год). Способ предотвращения выноса фосфат-ионов склоновым стоком с сельскохозяйственных угодий предлагается реализовать по принципу террасирования. Глубина траншеи при этом составит 1,0 м, ширина - 0,5-0,7м. Для повышения эффективности фильтрации склонового стока рекомендуется закладка двух параллельных траншей. Поскольку целесообразность регенерации исключает изъятие сорбента и отделение его от почвы, были рассмотрены в лабораторных условиях возможность восстановления сорбционной активности при следующих вариантах: - адсорбент + увлажненная почва, при соотношении 1:1; -адсорбент + увлажненная почва (соотношение компонентов 1:1) + прорастающие семена пшеницы. В опытах использовали почву ростовского ботанического сада (далее фоновая). Масса адсорбента, насыщенного фосфат-ионами, составляет 35,7г. В качестве контрольных проб использовали следующие варианты: -адсорбент + сухая почва (соотношение компонентов 1:1); -адсорбент + увлажненная почва промзоны ростовского вертолетного завода. Во всех случаях использовали сорбент, насыщенный фосфат-ионами. Смеси компонентов были внесены в чашки Петри: 1 - сухая почва + адсорбент; 2 - влажная фоновая почва + адсорбент; 3- влажная фоновая почва + адсорбент + пшеница; 4 - сухая почва промзоны + адсорбент; 5 - влажная почва промзоны + адсорбент; 6 - влажная почва промзоны + адсорбент + пшеница. Влажность почв для проб 2,3,5,6 поддерживали постоянно около 75%. По прошествии 3 месяцев, находящийся в пробах сорбент отделили от почвы, загрузили в колонки диаметром 1,6 см, масса сорбента - 35,7 г и провели исследования по определению сорбционной способности проб сорбентов, что позволило определить оптимальный метод регенерации насыщенных фосфат-ионами термонеизменённых отвальных пород угольных шахт (с периодом складирования до 1 года). Результаты исследований приведены в табл. 19. Анализ данных табл. 19 позволяет установить, что в сухой смеси компонентов регенерация сорбента не происходит (1,4). При увлажнении смеси компонентов регенерация сорбента возможна с восстановлением сорбционной способности на 38% при смешивании сорбента с фоновой почвой (2) и на 12% (5) ный фосфат-ионами. Семена тест-культуры высевали в следующем порядке: 1 - фоновая почва; 2 - фоновая почва + насыщенный сорбент, доза внесения -50 г/м3; 3 -фоновая почва + насыщенный сорбент, доза внесения - 300г/м3; 4 -фоновая почва + ненасыщенный сорбент. Эксперимент проводили следующим образом: смесь компонентов помещали в лабораторные стаканы, в которые высевали тест-культуру (проросшие семена пшеницы, по 13 семян) и помещали их на световой стеллаж с освещением 14 часов в сутки. В этих условиях тест-культуру выращивали в течение двух недель, поддерживая влажность смеси компонентов постоянной, на уровне 70%. В процессе опыта контролировали следующие показатели: время появления всходов, их количество на каждые последующие сутки, общую всхожесть семян (к концу опыта); длину наземной части растения. По окончанию опыта, растения осторожно отделяли от земли, подсушивали и измеряли окончательную длину наземной части растения и длину корней. Определяли характер корней (короткие, длинные, густые, редкие). В течение опыта оценивали окраску листьев растения, отмечали наличие раннего пожелтения. Все опыты проведены в трёхкратной повторности [55]. Результаты исследований приведены в табл. 20. По средним значениям, приведённым в табл. 20, построены графики зависимости высоты наземной части растений - тест-культуры по дням недели (Рис. 15 и Приложение №6). Было установлено, что тест- культура (пшеница), произрастающая на испытуемом материале в чашках №2 и №3, имела 100% всхожесть, более развитую и густую корневую систему и большее численное значение высоты наземной части по сравнению с базовым вариантом - выращивание пшеницы без внесения протекторного материала (чашка №1).
Рассмотрена возможность влияния различных доз термонеизменённых отвальных пород угольных шахт, насыщенных фосфат - ионами, на интенсификацию растений - тест - культуры. Следует отметить, что при увеличении дозы внесения насыщенного сорбента наблюдается улучшение роста пшеницы на 63% (чашка№2) и на 144% (чашка№3) по сравнению с пшеницей, вы ращенной на фоновой почве (чашка№1), это происходит, вероятно, за счёт использования фосфатов растениями.
В данной работе проведена аппроксимация по линейной, логарифмической, полиномиальной, степенной и экспоненциальной зависимостям, при этом были получены близкие значения величины достоверности аппроксимации, различающиеся во втором знаке, поэтому для определения уравнений регрессии приняли наиболее простую линейную зависимость. Полученные результаты сведены в табл. 21.
