Оценка воздействия техногенных массивов на природную среду в горно-промышленных регионах Пашкевич Мария Анатольевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ условий формирования техногенных массивов 12

1.1. Физико-химические процессы образования техногенных массивов, их структура и классификация 12

1.2. Условия формирования и особенности насыпных массивов 29

1.3.Условия формирования и особенности намывных массивов 35

1.4. Условия формирования техногенных наносов 47

1.5. Условия формирования и особенности свалок бытового и промышленного мусора 67

2. Особенности воздействия техногенных массивов на природную среду 75

2.1. Определение природы загрязнения окружающей техногенные массивы среды 75

2.2. Характеристика опасности воздействия заскладированных отходов 78

2.3. Миграция загрязняющих веществ с территории техногенных массивов 86

3. Исследования взаимодействиятехногенных мас сивов с атмосферой и литосферой 93

3.1. Воздействие техногенных массивов на атмосферный воздух 93

3.2. Воздействие техногенных массивов на приповерхностные слои литосферы 107

3.3 Влияние состояния атмосферы и почвы на растительный покров в горно-промышленных регионах 130

3.4. Воздействие техногенных массивов на визуальный ландшафт 154

4. Исследование воздействия техногенных масси вов на состояние природных вод 159

4.1. Источники и пути загрязнения вод 159

4.2. Стадии загрязнения подземных вод 164

4.3. Физико-химические процессы техногенной метаморфизации по верхностных и подземных вод 170

4.4. Оценка опасности воздействия техногенных массивов на природные воды 201

4.5. Воздействие техногенных массивов на поверхностные воды 223

5. Комплексная эколого-экономическая оценка воздействия техногенных массивов на природную среду 231

5.1. Техногенная и экологическая опасность техногенных массивов 231

5.2. Системный анализ источников опасности техногенных массивов 234

5.3.Экологический риск 251

5.4.Эколого-экономический риск по воздействию техногенных массивов на компоненты природной среды 259

5.5. Управление безопасностью природной среды в зоне воздействия техногенных массивов 299

5.6. Требования к информации для обоснованного выбора мероприятий по снижению экологического риска. Мониторинг техногенных массивов 306

5.7. Мероприятия по снижению экологического риска воздействия строящихся и эксплуатирующихся техногенных массивов 311

5.8. Мероприятия по снижению экологического риска закончивших срок эксплуатации техногенных массивов 318

5.9. Рекультивация и оздоровление территорий техногенных массивов... 334

Заключение 338

Литература 341

• Условия формирования и особенности насыпных массивов
• Миграция загрязняющих веществ с территории техногенных массивов
• Влияние состояния атмосферы и почвы на растительный покров в горно-промышленных регионах
• Оценка опасности воздействия техногенных массивов на природные воды

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Интенсивное развитие промышленности, быстрый рост городов и промагломераций приводит к накоплению отходов, значительная доля которых относится к горнодобывающей и горно-перерабатывающей отраслям промышленности. Складирование этих отходов ведет к возникновению на территориях площадью более 4 млн.га неблагоприятных экологических ситуаций, проявляющихся в ухудшении санитарно-гигиенической обстановки, нарушении и видоизменении естественных ландшафтов, а также утрате природных ресурсов. Так, в 2000 году площадь нарушенных горными работами земель на территории России составила 1282 тыс. га, из них более 10% приходится на хранилища твердых отходов. Около 20% техногенных гидрогеохимических ореолов и потоков связано с проникновением загрязняющих веществ в природные воды из накопителей отходов.

Резолюцией 42/186-187 Генеральной ассамблеи ООН и решением Всемирной комиссии по окружающей среде и развитию декларируется «...правительства, компании, предприятия, частные лица должны способствовать сокращению отрицательных воздействий на природную среду причиняемых потенциально вредными веществами,... продолжать разработку и внедрение в практику критериев и процедур для количественного определения, мониторинга и оценки ущерба наносимого окружающей среде и здоровью человека».

Реализация рекомендаций Второй Международной конференции ООН по окружающей среде и развитию требует усиления государственного контроля за использованием и охраной земельных и водных ресурсов на основе широкомасштабного внедрения передовых методов контроля их состояния, разработки экологических нормативов и требований при использовании вод и земель. В связи с этим возникает необходимость разработки новых методов оценки риска негативного воздействия техногенных массивов на различные компоненты природной среды.

Изучение и классификация техногенных массивов, оценка риска воздействия на природную среду позволяет минимизировать их негативное влияние путем целенаправленного выбора типа и конструкции хранилищ для проектируемых предприятий, разработки комплекса мероприятий по оздоровлению и рекультивации территорий,

находящихся в зоне техногенного воздействия, сокращая расходы на строительство и эксплуатацию хранилищ.

Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергается природная среда в районах складирования сульфидсодержащих отходов. Вследствие окисления сульфидной серы происходит формирование кислых дренажных вод и, соответственно, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения с крайне низкими значениями показателя рН. Это приводит к полному уничтожению растительности, трансформации состава покровных отложений, поверхностных и подземных вод. До настоящего времени процедура моделирования этого процесса была крайне трудоемкой и малодостоверной. Поэтому необходимо создание и внедрение экспресс-методов оценки риска воздействия сульфидсодержащих отходов на приповерхностные отложения и природные воды.

Проблемы формирования хранилищ отходов нашли отражение в трудах ученых и специалистов различных стран (Гальперин A.M., Демин A.M., Моторина Л.В., Томаков П.И., Ферстер В., Шеф Х.Ю.). Большое внимание уделялось вопросам определения инженерно-геологических характеристик отвалов и хвостохранилищ (Фисенко Г.Л., Мосейкин В.В., Певзнер М.Е.), водной миграции загрязняющих компонентов с территории хранилищ отходов (Миро-ненко В.А., Плотников Н.И., Гавич И.Н.). Делались попытки оценить риск воздействия техногенных массивов на приповерхностные отложения (Фишер В., Кехлинг Р.). Тем не менее, несмотря на высокую экологическую опасность техногенных массивов комплексной количественной оценки их воздействия на компоненты природной среды не проводилось.

Основные положения диссертации базируются на результатах исследований и разработок, проведенных автором в 1985-2000 гг. в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете), в период работы (1994-1995 гг.) в Высшей Геологической школе Нанси (Франция) и Льежском Университете (Бельгия) в 1996-1997 гг.

Программа исследований и решения отдельных вопросов по теме предусматривались планом НИР института, международной программой «Риск воздействия», Федерально-целевой программой

«Государственная поддержка интеграции вузовской и фундаментальной науки», межвузовской научно-технической программой «Экологически чистое горное производство», отраслевыми программами.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - обеспечить экологически безопасное складирование отходов горно-металлургического производства на основе оценки риска воздействия техногенных массивов на природную среду и сократить затраты на предотвращение и ликвидацию экологически неблагоприятных последствий.

ИДЕЯ РАБОТЫ: выбор рациональных природоохранных мероприятий при воздействии техногенных массивов на компоненты природной среды осуществляется с учетом степени риска и величины эколого-экономического ущерба. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

анализ ландшафтно-геохимической обстановки, сложившейся под воздействием интенсивной техногенной нагрузки в районах складирования отходов, изучение процессов формирования ореолов и потоков загрязнения;

районирование техногенных массивов на территории Российской Федерации;

моделирование процессов альтерации различных типов твердых отходов и разработка экспресс-методов прогноза формирования кислых вод сульфидсодержащими породами;

создание методики оценки экологической опасности техногенных массивов, разработка методов экономически целесообразного и безопасного складирования отходов;

разработка способов и средств защиты природной среды от воздействия складированных отходов.

1. Формирование структуры атмо-, лито-, гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах воздействия техногенных массивов определяется типом их образования, количеством и свойствами заскладированных отходов, уровнем природной и технической защищенности компонентов окружающей среды.

2. Оценка негативного воздействия техногенных массивов на природную среду, с достаточной для практических целей точностью,

должна производиться с учетом гранулометрического, химического, минерального составов отходов; мощности и фильтрационных свойств зоны аэрации; миграционной способности и токсичности загрязнителей; интенсивности протекания физико-химических процессов трансформации составов дренажных, подземных и поверхностных вод; конструктивных особенностей хранилищ.

3. Экологическая опасность техногенных массивов сульфид-содержащих пород адекватно оценивается методом кислотной индикации, позволяющим по значениям формируемых породой кислотного потенциала и потенциала нейтрализации, прогнозировать срок появления кислых дренажных вод, размеры и контрастность лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения.

4. Экологический риск воздействия техногенных массивов на природную среду является количественной характеристикой их опасности, выражается суммарной величиной рисков негативных воздействий на различные компоненты природной среды и определяет выбор рациональных систем защитно-дренажных сооружений, схем расположения мониторинговой сети, типа рекультивации, сроков проведения природоохранных мероприятий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Общей методологической основой работы является системный подход, включающий анализ и научное обобщение фундаментальных исследований отечественных и зарубежных авторов в области применения интегральных показателей к оценке воздействия хранилищ отходов на компоненты природной среды.

В качестве основных методов исследований использовались системно-структурный анализ строения техногенных массивов, ореолов и потоков загрязнения в районах складирования отходов, аналитические, минералогические, петрографические, экспериментальные работы в полевых и лабораторных условиях, методы интерпретации этих экспериментов, методы математической статистики, аналогового и численного моделирования, районирования. Кроме того, выполнен комплекс экспериментальных исследований процесса формирования кислых дренажных вод различными породами с последующей проверкой результатов путем их сопоставления с данными полученными другими методами и натурными исследованиями.

выявлены закономерности формирования атмо-, лито- и гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах воздействия техногенных массивов в зависимости от типа их образования, количества и свойств заскладированных отходов, уровня природной и технической защищенности компонентов природной среды;

обоснован новый количественный показатель вероятностей экологических ущербов компонентам природной среды - коэффициент риска, определяемый фильтрационными свойствами пород основания техногенного массива, мощностью зоны аэрации, интенсивностью пыле-выделения с поверхности техногенного массива;

предложен новый подход к определению негативного воздействия техногенных массивов на компоненты природной среды, базирующийся на количественной многофакторной оценке риска воздействия как величины вероятного эколого-экономического ущерба;

установлены закономерности формирования кислых дренажных вод сульфидсодержащими отходами в зависимости от их гранулометрического, минерального и химического составов, степени кристаллизации сульфидных минералов, времени и условий складирования отходов, интенсивности гипергенных преобразований; доказаны связи кислотного и нейтрализующего потенциалов сульфидсодержащих пород с вероятностью формирования кислых дренажных вод.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается применением современных методов анализа, привлечением обширных статистических данных по горнодобывающим и горноперерабатывающим отраслям промышленности и Министерству природных ресурсов России, корректностью аналитических и численных методов исследований, сходимостью полученных результатов с исследованиями других авторов, а также положительным опытом практического использования разработок.

выполнена оценка контрастности ореолов и потоков загрязнения, формирующихся в районах воздействия различных типов техногенных массивов;

разработаны методические основы количественной оценки экологиче-ской опасности техногенных массивов, позволяющие повысить эффективность природоохранных мероприятий, сократив затраты на строительство, эксплуатацию, организацию мониторинговой сети, оздоровление и рекультивацию территорий в районах складирования отходов;

выполнено эколого-экономическое обоснование безопасного складирования отходов в целях снижения экологической нагрузки в районах техногенных массивов на основе комплексной оценки экологического риска;

проведено районирование техногенных массивов на территории Российской Федерации, как объектов повышенной опасности;

разработан оригинальный экспресс-метод кислотной индикации, позволяющий с высокой достоверностью прогнозировать экологическую опасность сульфидсодержащих техногенных массивов;

обоснованы методические рекомендации по выбору рациональных систем защитно-дренажных сооружений, схем расположения мониторинговой сети, сроков проведения природоохранных мероприятий.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА работы заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, в личном участии в проведении основной части комплекса исследований; в разработке универсальных обобщенных показателей, методов их расчета, моделей техногенного воздействия хранилищ отходов; в обосновании и разработке методологии оценки риска негативного воздействия техногенных массивов на природную среду; в теоретическом и экспериментальном исследовании процессов формирования кислых дренажных вод при складировании сульфидсодержащих отходов и во внедрении методических разработок в Льежском Университете (Бельгия). РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ:

научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горногеологического профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В.Плеханова при чтении лекций по дисциплинам: «Экология», «Геохимия окружающей среды», «Экологический мониторинг», а также при чтении курса «Экология» в Высшей геологической школе г.Нанси (Франция) и Льежском Университете (Бельгия);

результаты исследований использовались при подготовке учебных пособий «Экология», «Геохимия окружающей среды», «Природопользование», «Ecologie»;

под непосредственным руководством автора проведено внедрение методик по оценке рисков негативного воздействия техногенных массивов в деятельность экспертного центра при Льежском Университете (Бельгия) для проведения экологических экспертиз сульфидсодержащих хранилищ отходов;

разработанные технические предложения по оздоровлению, рекультивации, мониторингу техногенных массивов внедрены при проектировании природооохранных мероприятий на Lmt «Hydrome-tal», Lmt «Carriere Lemaire» (Бельгия), ОАО «Фосфаты», Лениногор-ском ГОК, ОАО «Североникель».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные и отдельные положения работы, разработанные в процессе её выполнения докладывались и обсуждались на Международных, Российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, в том числе: Международных симпозиумах «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» (г.С-Петербург, 1996 г., 1997 г.), Международных конференциях «Экология и развитие Северо-Запада России» (г.Санкт-Петербург, 1998 г., 1999 г., 2000 г.), Международной конференции «Культура России в переломную эпоху» (г.Санкт-Петербург, 1997 г.), Международной конференции «Белые ночи» (г.Санкт-Петербург, 1999 г.), на конференции «Научно-педагогическое наследие проф. И.И.Медведева» (г.С-Петербург, 1999 г.), на симпозиуме «Молодые ученые - экологии города» (г.Санкт-Петербург, 1997 г.), на научных конференциях МГТУ «Неделя горняка» (пМосква, 1998 г., 1999 г., 2000 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 34 печатных работы, в том числе 1 монография , 1 авторское свидетельство и 5 учебных пособий.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложена на 354 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 84 таблицы, список использованной литературы из 210 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность профессору, д.т.н. Литвиненко B.C. за методическую и организационную помощь в подготовке данной работы, профессору Шувалову Ю.В. за постоянное внимание и ценные советы, профессору Шуйскому В.Ф. за научные консультации и сотрудничество при проведении исследований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Формирование структуры атмо-, лито-, гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения различной контрастности в районах воздействия техногенных массивов определяется типом их образования, количеством и свойствами заскладирован-ных отходов, уровнем природной и технической защищенности компонентов окружающей среды.

Горнодобывающая и горноперерабатывающие предприятия являются одним из наиболее интенсивных источников загрязнения природой среды твердыми отходами, составляющими более 90% объема добываемого минерального сырья. Результатом такого воздействия является образование техногенных массивов - геологических структур, сложенных породами или наносами антропогенного генезиса, отличающихся по своему составу (химическому, гранулометрическому, бактериологическому) и свойствам (физико-механическим, фильтрационным, сорбционным и пр.) от фоновых пород их вмещающих, формы и размеры которых определяются преимущественно технологическими процессами.

По генезису техногенные массивы предлагается классифицировать по трем группам (рис.1) насыпные массивы; намывные массивы; техногенные наносы.

Характерными особенностями насыпных техногенных массивов являются: нарушенность структуры пород в теле насыпи, обусловливающая снижение прочности по сравнению с естественным залеганием и увеличение фильтрационных свойств отложений, существенное изменение прочности пород насыпей во времени, нарушение водного баланса территории, попадание на поверхность земли, в зону гипергенеза глубинных пород, залегающих в иной кислотно-щелочной и окислительно-восстановительной обстановке, что приводит к выщелачиванию из них вредных веществ.

Намывные массивы являются объектами повышенной эко-

логической опасности с учетом возможностей загрязнения воздуха, подземных и поверхностных вод, почвенного покрова на обширных территориях. При традиционной технологии намыва во внутренних зонах гидроотвалов и хвостохранилищ формируются мощные (до 50-100 м) толщи тонкодисперсных материалов, находящихся в течение десятилетий в неушютненном состоянии , что определяет их низкую несущую способность и исключает возможность использования намывных территорий.

Техногенные наносы представляют собой маломощные техногенные массивы, имеющие большую протяженность или площадь. Техногенные наносы формируются на территориях крупных промышленных центров, вследствие газо - и пылевоздушных организованных и неорганизованных выбросов промышленных, сельскохозяйственных предприятий, транспорта в атмосферу.

Формирование загрязненных донных отложений водных объектов является результатом осаждения взвешенных в воде механических, коллоидных примесей, химических осадков сбросов промышленных, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных предприятий в поверхностные воды.

Результатом техногенного преобразования состава приповерхностных отложений, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха служит изменение баланса вещества в литосфере, гидросфере (наземной и подземной), атмосфере, что приводит к образованию лито- и гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения, атмохимических ореолов загрязнения. Предлагается трактование ореолов и потоков загрязнения как формирующихся при поступлении вещества в ландшафт ореолов и потоков рассеяния в той или иной среде, обусловленных техногенными процессами.

Проведение комплексной экологической экспертизы районов расположения техногенных массивов (опробование, химический анализ заскладированных отходов, почв, дренажных и подземных вод, атмосферного воздуха, растительности) позволило исследовать распределение содержаний загрязняющих компонентов в плане и в разрезе для различных сред их аккумулирующих и установить структурные закономерности формирования ореолов и потоков.

Грунты природного происхождения с нарушенной естественной структурой

Минеральные отходы промышленного производства

Твердые бытовые и промышленные отходы

s

Гидравлически укладываемые грунты природного происхождения с нарушенной естественной структурой

Гидравлически укладываемые минеральные отходы: хвосты, шламы, золы

Гидравлически укладываемые бытовые отходы

Закачка токсичных пульпообразных отходов

Переотложенные воздушным путем твердые . минеральные отходы, выпадения осадков

Переотложенные водным путем твердые минеральные отходы, техногенные осадки

Искусственные почвы

Исследование процессов трансформации составов различных сред на территории складирования отходов, переработки свин-цово-цинковьгх руд Lmt "Hydrometal" позволило выявить структуру техногенных литохимических орелов, контрастных по свинцу, цинку, мышьяку и установить, что спектр и содержание загрязняющих природную среду компонентов определяются технологическими особенностями обогащения свинцово-цинковых руд. Сравнительный анализ химического состава отходов в хранилищах показал, что содержание металлов в руде приводит к увеличению потерь полезных компонентов в отходах.

По результатам опробования атмосферного воздуха и почвен-нс-растительного покрова в зоне техногенного воздействия хранилищ были оконтурены атмохимические и литохимические ореолы загрязнения, формирующиеся в результате пылесдувания тонкодисперсных частиц с поверхности массивов. Установлено, что в радиусе 15-20 км от границы хранилищ происходит превышение пороговых содержаний свинца (до1500 мг/кг сухой почвы), цинка (до 1800 мг/кг сухой почвы), мышьяка (до 60 мг/кг сухой почвы) в почве, приводящее к более чем двухкратному снижению продуктивности и потере качества сельскохозяйственной продукции (табл.1).

Таблица 1

Концентрация свинца в листьях (числитель) и корнях (знаменатель) редиса, выращенного при различном содержании свинца в почве

Проведение гидрохимического опробования и анализа проб дренажных и подземных вод показало, что вследствие низкой изоляции горизонта грунтовых вод, происходит их метаморфизация в направлении формирования сульфатных вод с минерализацией до 2,5г/л, обогащенных тяжелыми металлами: цинком (до 65 мг/л), свинцом (до 5,8 мг/л), кадмием (до 3,2 мг/л) и образование гидрохимического ореола загрязнения на территории более 20 га. Формирование

техногенного ореола в грунтовых водах связано с инфильтрацией атмосферных осадков, вымывающих из заскладированных отходов, загрязняющие компоненты. В результате проведения режимных наблюдений за составом и уровнем подземных вод было установлено, что удельное количество поступающих в водоносный горизонт дренажных вод определяется разностью между среднегодовым количеством осадков и испарением, степенью естественной и технической защищенности водоносного горизонта от загрязнения.

Под естественной защищенностью подземных вод от загрязнения понимается степень перекрытости водоносных горизонтов отложениями, прежде всего слабопроницаемыми, препятствующими проникновению в него загрязняющих веществ с поверхности земли. Оценка степени защищенности дается на основе учета мощности, строения, вещественного состава и фильтрационных свойств пород зоны аэрации.

Под технической защищенностью подземных вод от загрязнения понимается степень изоляции техногенных массивов от подземных вод специальными дренажно-защитными сооружениями.

Геологические исследования проводились на качественно различных объектах - хвостохранилищах отходов обогащения, несплани-рованных и рекультивированных отвалах Lmt "Hydrometal", ОАО «Фосфорит»,ОАО «Норильский никель», Lmt "Lemaire" и др., свалках бытового мусора, техногенных наносов, формирующихся в районах г.Санкт-Петербурга, гЛьежа и Ленинградской области.

Сравнительный анализ результатов обследования техногенных массивов различного генезиса позволил выявить закономерности изменения геологической среды, заключающиеся в следующем:

техногенный массив является литохимическим ореолом загрязнения;

в зоне воздействия техногенного массива, вледствие пылесдува-ния и газовыделения с его поверхности происходит формирование атмохимических и переотложенных литохимических ореолов и связанные с ними нарушения и загрязнения почвенного покрова, растительности и пр.;

временными и постоянными потоками из техногенного массива выносятся и переотлагаются горные породы, что служит причиной формирования гидро- и литохимических потоков загрязнения;

инфильтрация атмосферных осадков, поверхностных и подземных вод через техногенные отложения приводит к формированию гидрогеохимических ореолов и потоков загрязнения;

в результате ветровой и водной эрозии происходят потери минерального сырья из отходов, заскладированных в техногенном массиве.

Анализ метаморфизации состава приповерхностных отложений природных вод, атмосферного воздуха позволил выявить свойства заскладированных отходов, определяющие процессы формирования ореолов и потоков загрязнения в районах воздействия техногенных массивов: физические (масса, агрегатное состояние, плотность, летучесть, вязкость, сорбционная способность, способность к ионному обмену, температура воспламенения, пределы взрьгооопасности); химические (содержание в отходах загрязняющих веществ, форма молекул, валентность, строение электронной оболочки, потенциал ионизации основных загрязнителей, растворимость, реактивность с водой, почвой, грунтами, устойчивость, способность к деградащш (биологической или химической), изменчивость поведения в различных кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условиях); токсикологические и гигиенические (токсичность, канцерогенность, запах, цвет, способность накапливаться в биологических средах, синергичность).

Проведение экспериментальных исследований на опытных площадках и в лабораторных условиях позволило выявить факторы миграции загрязняющих компонентов, определяющие структуру и контрастность техногенных орелов и потоков:

внешние (температура, давление, окислительно- восстановительные и кислотно-щелочные условия, химический состав отходов, подстилающих и перекрывающих отложений, геологические, геоморфологические, гидрологические, гидрогеологические особенности территории складирования отходов и близлежащих территорий);

внутренние (валентность, строение электронной оболочки, потенциал ионизации, сродство к электрону, способность давать соединения различной растворимости, летучести, твердости.

Установлено, что на формирование ореолов и потоков загрязнения в различных геосферах, влияют следующие факторы:

температура и давление для атмосферы и литосферы;

параметры рН, Eh, химические связи, гравитационные свойства
для гидросферы.

Загрязнения распространяются по одному, последовательно, или одновременно по нескольким направления и аккумулируются в различных средах (рис.2.).

2. Оценка негативного воздействия техногенных массивов на природную среду, с достаточной для практических целей точностью, должна производиться с учетом гранулометрического, химического, минерального составов отходов; мощности и фильтрационных свойств зоны аэрации; миграционной способности и токсичности загрязнителей; интенсивности протекания физико-химических процессов трансформации составов дренажных, подземных и поверхностных вод; конструктивных особенностей хранилищ.

Несмотря на высокую экологическую опасность техногенных массивов до настоящего времени не существует методов комплексной количественной оценки их воздействия на компоненты природной среды, базирующихся на общепринятых критериях опасности для объектов экологической защиты - атмосферного воздуха, природных вод, приповерхностных отложений, биотических компонентов, человека.

Как правило, экспертиза техногенного воздействия хранилищ отходов основывается на методах выборочных проб или производится по валовому содержанию загрязняющих веществ в массиве, что порождает ошибочные оценки сложившейся ситуации.

Основным недостатком существующих процедур исследования опасности отходов является определение уровня их загрязнения по концентрации или валовому содержанию загрязняющих веществ без учета их физико-химических свойств и свойств пород, на которые производится складирование отходов.

Исследования по оценке негативного воздействия техногенных массивов на природную среду проводились, исходя из следующих положений:

заскладированные отходы разнообразны по своему составу и свойствам, содержат загрязняющие компоненты различной вредности;

хранилища отходов, отвалы, загрязненные территории определяют собой потенциальный, высокий и продолжительный риск за-

грязнения подземных и поверхностных вод, которые используются для питьевого водоснабжения, хозяйственно-бытовых и рыбохозяйст-венных нужд, ирригации;

Техногенные массивы

—і

Биохимическая

Почва, приповерхностные отложения

Источник загрязнения

Миграция

Воздушная

загрязняющих_

веществ

\ і—«—, X

^Л Пыль ]

Аккумулирующие загрязняющие вещества среды

Интоксикация

Органы дыхания

\

Рецептеры

^т

Рис.2.Схема воздействия техногенных массивов на природную среду

техногенные массивы представляют опасность загрязнения воздуха пылью и газообразными продуктами биодеградации отходов;

кроме токсической опасности загрязнения воздуха, ряд техногенных массивов является взрыво- и пожароопасными;

техногенные массивы могут представлять опасность прямого контакта человека с заскладируемыми отходами при попадании вредных веществ на кожу и при вдыхании токсичных веществ, выделяющихся с поверхности хранилища;

техногенные массивы могут представлять опасность загрязнения приповерхностного слоя, культивированных на нем растений, интоксикации людей и животных после некачественно проведенной рекультивации;

техногенные массивы провоцируют нарушение стабильности поверхности и негативные ландшафтные преобразования.

Исследования негативного воздействия техногенных массивов на воды позволило установить, что формирование дренажных вод и миграция загрязняющих компонентов в подземных водах определяется физико-химическими процессами метаморфизации природных и технических вод, отходов, пород зоны аэрации и водо-вмещающих пород.

С одной стороны, при поступлении в водоносные горизонты дренажных вод, отличающихся от пластовых, происходит концентрирование вещества на породе за счет его выпадения из раствора, с другой — при попадании в область интенсивного водообмена техногенных пород имеет место растворение осажденных на минеральной фазе солей.

Процессы растворения являются главенствующими в формировании техногенных гидрогеохимических ореолов и потоков на территориях складирования отходов хранилищ.

Проведенные исследования отходов обогащения фосфатного сырья позволили установить, что в результате углекислотного выветривания и диспергации породы происходит растворение атмосферными водами кальцита и переход соединения фосфора и фтора в коллоидное состояние. Так, за 8-летний период наблюдений в водных вытяжках из выветривающихся отходов рудопромывки фосфатного сырья произошло 10-кратное увеличение концентраций фосфора и фтора.

Процессы выветривания приводят к деструкции минерального скелета техногенных отложений и образованию водорастворимых соединений Са²⁺, Mg²*, Na⁺, К⁺ - в выветренных породах происходит

полуторное превышение значений суммы обменных катионов над значениями общей емкости поглощения.

Сорбционные процессы играют важнейшую роль в мето-морфизации состава загрязненных вод, способствуя их самоочищению. Лабораторные и натурные эксперименты на различных техногенных массивах позволили выявить, что изолирующие свойства пород зоны аэрации по отношению к вредным веществам определяются следующими факторами: состоянием и концентрацией каждого отдельного вредного вещества; физическими и химическими свойствами дренажных и инфильтрующихся атмосферных вод; активной поверхностью глинистых минералов; эффективной пористостью пород; соотношением объемов фильтрационных и грунтовых вод; мощностью и фильтрационными свойствами пород, определяющих защищенность грунтовых вод (рис.3.). Для большинства вредных веществ органического происхождения при нормальном температурном режиме и давлении связные грунты, особенно глины, служат катализатором таких химических реакций, как окисление, восстановление или гидролиз, нейтрализация.

Количественная оценка процессов самоочищения производится уравнением первого порядка, описывающим кинетику мономолекулярных процессов.

С, = С₀ ехр(&, + к₂ +к₃ +...+„)/ (1)

1 С

или к = к_}+к₂+к₃+...+ к„=-1п—, (2)

t L,

где &,, к₂, к₃ ,к_п - константы скорости протекания отдельных процессов

самоочищения (адсорбции, ионного обмена, осаждения и т.п.), t - время самоочищения, С₀, C_t - начальная и конечная концентрации загрязняющего вещества, к - константа скорости самоочищения.

В уравнениях 1, 2 используется гипотеза об аддитивности перечисленных процессов. Это допущение обуславливается, во-первых, отсутствием сведений о взаимном влиянии процессов; во-вторых, достаточной для практических целей точностью аппроксимации процесса самоочищения природных вод.

Опасность загрязнения поверхностных вод определяется временем достижения водоема (водотока) загрязненными водами,

расходом загрязненных подземных вод, разгружающихся в водоем или водоток, количеством загрязняющих веществ, сносимых в реку разгружающимися подземными водами. Исследование воздействия техногенных массивов на атмосферный воздух и земли дало возможность установить общие закономерности газо- и пылевыделения с поверхности техногенных массивов.

Коэффициент фильтрации

В 0,8-1

В0,6-0,8

0,4-0,6

П0,2-0,4

0-0,2

Защищенность

Мощность зоны аэрации

Рис.3. Зависимость защищенности от мощности зоны аэрации (м) и коэффициента фильтрации (м/суг) подстилающих хранилище отложений

Важными факторами, определяющими газовыделение, являются состав и объем отходов в техногенных массивах, а также состав смесей веществ в сочетании с продуктами их химического взаимодействия, содержание воды и гигроскопичность, неоднородность и плотность тела массива, физические и химические свойства газов и паров, режим давления и температуры, механизм абсорбции и диффузии, пористость, газопроницаемость поверхностей и экранирующих слоев, дренажи, климатические условия.

Процесс распада органических веществ в отходах определяется качеством и количеством заскладированных отложений, условиями и временем их складирования.

По мере поглощения кислорода в техногенном массиве развиваются различающиеся в пространственно-временном отношении процессы газовыделения и, в конечном итоге, образуется метан.

Процесс газообразования в целом описывается следующей формулой

С,=Є_е(і-е-^й), (3)

где G_e - общий объем газа (м³/т) на момент времени t = 0; G_t - объем газа в настоящий момент t (м/т); к - постоянная реактивности или разложения (І/год).

Для определения общего объема газообразования на свалке и его развития во времени используются графоаналитические зависимости. Усредненно, на стадии стабильного образования метана, происходит выделение 45-55 % СН₄; 45 % С0₂; 1 % вредных веществ. Вредные вещества в зависимости от состава заскладирован-ных отложений представлены углеводородами и их окислами (спирты, сложные эфиры, кетоны и т.д.), галогенизированными углеводородами (дихлорэтан, тетрахлорэтан и т.д.), а также сероводородом. Пылевыделение при сдувании частиц с поверхности техногенного массива определяется эмпирической формулой в зависимости от скорости ветра (Кі), профиля поверхности (К₃), степени защищенности площадки от внешних воздействий (К₂), эффективности применяемых средств пылеподавления (т|).

Результаты исследования процессов пылевыделения на опытных площадках Lmt "Hydrometal" показали, что прогнозы, сделанные для слабопылящих поверхностей по общепринятой зависимости, подтверждаются с высокой степенью достоверности (± 5 -5-10%). Для средне- и высокопылящих поверхностей техногенных массивов достоверность прогнозов снижается, что указывает на необходимость ввода в формулу корректирующего коэффициента К», учитывающего влияние гранулометрического состава приповерхностных отложений техногенных массивов на пылевыделение:

М_тм= 31,5 К, К₂ - К₃ К₄ S_T (1 - ц') If/⁴, т/год. (4)

Систематизация факторов негативного воздействия техногенных массивов приводится в таблице 2.

Таблица 2 Факторы негативного воздействия техногенных массивов

на компоненты природной среды

3. Экологическая опасность техногенных массивов суль-фндсодержат их пород адекватно оценивается методом кислотной индикации, позволяющим по значенням формируемых породой кислотного потенциала и потенциала нейтрализации, прогнозировать срок появления кислых дренажных вод, размеры и контрастность лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения.

Складирование сульфидсодержащих пород сопряжено с опасностью формирования кислых дренажных вод (Acid Rock Drainage), вследствие загрязнения атмосферных, поверхностных или подземных вод, фильтрующихся через массив пиритсодержащих пород или отходов ионами ЇҐ в процессе окисления сульфидных минералов в окислительной обстановке, по следующей схеме:

FeS₂ + 7/2 0₂ + Н₂0 -> FeSC-4 + H₂S0₄ (5)

2FeS0₄ + H₂S0₄ + '/₂ 0₂ -+ Fe^SCMb + H₂0 (6)

FeS₂ + Fe2(S0₄)3 + 2H₂0 + 30₂ -> 3Fe2(S0₄)₃ + H₂S0₄ (7)

Процесс формирования кислоты (скорость и пределы падения рН дренажных вод, вид зависимости концентрации ионов ЬҐ от времени рН = / (/) определяется: концентрацией пирита и других сульфидных минералов в породе; степенью кристаллизации сульфидных минералов; кристаллографией пирита; активностью протекания биохимических процессов; содержанием в породах или отходах и типом минералов, нейтрализующих кислотность (карбонатов, глинистых минералов, фельдшпатов, фосфатов).

Основными трудностями исследований, проводимых в области формирования кислых дренажных вод пиритсодержащими породами и отходами, являются: большое разнообразие сульфидсо-держащих пород (гранулометрическое, кристаллографическое, минералогическое, химическое); эффект возобновления со временем процессов формирования ионов ЕҐ после нейтрализующей кислоту обработки пород и отходов.

До настоящего времени основными тестами по определению риска формирования кислых дренажных вод в европейских странах, США, Канаде являлись опыты в статических условиях и по балансовой схеме.

Тесты в статических условиях заключаются в том, что предварительно измельченная и взвешенная проба отходов помещается в контакт с определенным количеством жидкости, с перемешиванием или без него, в течение 12-36 часов. По окончании теста производится разделение фаз и инфильтрат анализируется на интересующие компоненты. Основными причинами широкого применения кратковременных тестов являются: минимальные затраты времени, средств, материалов для организации опыта; возможность воспроизведения исследований в широком круге условий. В случае опытов с сульфид-содержащими породами кратковременные тесты имеют низкую достоверность, вследствие большой инерционности процессов растворения сульфидных минералов.

Стандартная схема проведения тестов по балансовой схеме предполагает проведение экспериментов в течение 0,5-3 месяцев. В рассматриваемом случае отходы помещаются в колонну, через которую производится фильтрование жидкости, которая затем собирается

и анализируется. В длительных экспериментах создаются условия, более близкие к реальности: не производится обработка пробы, используется значительная масса отходов, создается реальная модель фильтрации, что позволяет исключить, в определенной мере, влияние гетерогенеза и оценить кинетику процесса.

Тем не менее, за трехмесячный период иногда не происходит формирование кислых вод, хотя натурные эксперименты показывают обратное. Увеличение времени экспериментов повышает достоверность исследований, но одновременно приводит к их удорожанию в 3-5 раз. Многочисленные лабораторные эксперименты показывают, что снижение достоверности трехмесячных тестов происходит в случаях исследования пород с содержаниями сульфидов менее 10 %.

Для повышения достоверности прогнозов автором проводились эксперименты по балансовой схеме в течение 1,5 лет с глауко-нитовыми супесями, содержащими 2-5% пирита и наносимыми в качестве искусственной почвы на территориях сельскохозяйственного освоения (ОАО "Фосфаты").

Проведенные исследования минерального и химического состава сульфидсодержащих пород позволили разработать экспресс-метод определения риска формирования кислых дренажных вод, который базируется на определении (рис.4.):

кислотного потенциала породы (АР),

потенциала нейтрализации (NP),

коэффициентов потенциальной опасности кислотного заражения территории NNP и NNP':

NNP = NP-AP;NNP' =NP/AP (9)

Кислотный потенциал породы определяется, исходя из минерального анализа породы, путем пересчета процентного содержания сульфидной серы 5_сульф в процентное содержание серной кислоты, формирующейся при выветривании породы:

^bH₂so_t\^/o^~^boy^\^/o) 7 > (10)

A.M.о

где М.м и А.м - соответственно, молекулярная и атомная массы.

Затем содержание серной кислоты пересчитывается в АР, который, как и NP, измеряется в единицах, эквивалентных тоннам

кальцита СаСО_э, затрачиваемым на нейтрализацию килотонн суль-фидсодержащих пород (т СаС0₃ / Кт породы).

Для расчета щелочного потенциала используются результаты соляно- или сернокислотной атаки сульфидсодержащей породы до фиксированного значения рН.

Если значения коэффициентов NNP > 0 и NNP' > 1, то суль-фидсодержащие породы не являются опасными, то есть не обладают способностью формировать кислоту.

В случае NNP < 0 и NNP' < 1 породы являются опасными по формированию ARD и степень опасности подразделяется следующим образом: при NNP' < Vi - породы формируют кислоту; при Vi < NNP' < 1 - породы обладают потенциальной способностью формировать кислоту в будущем.

Достоверность результатов тестирования сульфидсодержащих отходов различного генезиса и состава методом определения кислотного и нейтрализующего потенциалов (табл.3.) подтверждается натурными наблюдениями на опытных площадках в течение 4-6 лет.

Таблица 3 Результаты определения кислотного и нейтрализующего

потенциалов различных сульфидсодержащих пород

Проведенные исследования показали, что для различных типов сульфидсодфжащих пород и отходов предложенный метод позволяет с высокой экспрессностыо и достовфностью прогнозировать формирование кислых дренажных вод, определять размеры и контрастность лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения, управлять складированием сульфидсодержащих отходов.

Эксперименты с использованием экспресс-метода позволили разработать состав грунтосмесей для создания искусственной почвы и схему оздоровления территорий, рекультивированных с использованием пиритсодержащих глауконитовых супесей (ОАО «Фосфаты»).

4. Экологический риск воздействия техногенных массивов на природную среду является количественной характеристикой их опасности, выражается суммарной величиной рисков негативных воздействий на различные компоненты природной среды и определяет выбор рациональных систем защитно-дренажпых сооружений, схем расположения мониторинговой сети, типа рекультивации, сроков проведения природоохранных мероприятий.

Системный анализ совокупности источников техногенной опасности целесообразно проводить с учетом определенного множества факторов, в том числе факторов загрязнения и нарушения природных сред, экономических, психологических и др. Рассматривая каждый из источников техногенной опасности как альтернативный вариант и применяя математические методы выбора и обоснования решений в условиях неопределенности, неизбежно возникающей при многофакторном анализе, представляется возможным провести ранжирование опасных объектов по заданным признакам и свойствам.

Системный анализ техногенных массивов, как источников экологической опасности, а также негативных последствий их воздействия, позволяет нормировать поступление загрязняющих веществ в компоненты природной среды. В районе воздействия техногенного массива экосистема, состоящая из N компонентов характеризуется вектором состояний:

X = (x_vx₂,...,x_i,...,x_n), (11)

где х_],х₂,...х_і,х_п - состояние компонентов системы, и матрицей концентраций загрязнителей в экосистеме:

(12)

где / = 1...ІУ- компоненты системы;У = 1...М- загрязнители природной среды.

Антропогенное поступление, то есть выбросы /-го ингредиента в /-й компонент экосистемы, характеризуется величиной Е_у; изменение концентрации ингредиента в і-м компоненте в расчете на единицу площади выражается функцией Ф_;(х,), вектор внешних воздействий (помимо загрязнений), существенно влияющих на состояние экосистемы (изменение температуры, обводненности, площадей растительного покрова и т.п.) записывается в виде S(S_b S2,...Sj,...Sn).

Динамика состояния экосистемы описывается системой уравнений:

dx,

dt dC

2- =/fcC,S)

^(х,с)+д,д(4

(13)

где F;(X,C,S)- функция, описывающая изменение состояния /-го компонента; Фу(Х,С) - функция изменения концентрацииу'-го ингредиента в /-м компоненте, обусловленного физическими, химическими, микро-биологическими и иными превращениями и переходами ингредиентов между средами (компонентами).

Решение этой системы дает возможность получить нормированные величины концентраций и интенсивности поступления того или иного загрязняющего химического вещества (ингредиента) для /'-го компонента системы и для всей экосистемы, то есть Q и Е; с соблюдением условия

дД*_;,с,)<я<;, (И)

где Djj(Xi, Сц) - ущерб, наносимый /-му компоненту системы при загрязнении тем или иным ингредиентом при данном состоянии компонента Xj и концентрации ингредиента; ). - предельно допустимое воздействие на /-й компонент экосистемы.

Мероприятия по оценке и снижению интенсивности поступления загрязняющих компонентов с территории техногенного массива предлагается проводить исходя из количественной оценки их экологической опасности по значениям риска техногенного воздействия.

Риск техногенного воздействия является многофакторной величиной, характеризующей последствия этого воздействия, включающей в себя величину как фактического, так и возможного эколо-го-экономического ущерба от влияния конкретных негативных факторов с учетом вероятностей их воздействия. В случаях достоверных событий значения риска эквивалентны значениям ущерба.

Эколого-экономический риск воздействия техногенных массивов на природную среду (R) предлагается определять как сумму рисков воздействия (Ry) на п компонентов природной среды (рецепторов, принимающих воздействия) с учетом возникновения m последствий воздействия (рис.4).

В качестве объектов природной среды, на которые распространяется воздействие техногенных массивов (рецепторов воздействия) выступают: человек, земли, природные воды, атмосферный воздух, минеральное сырье, визуальный ландшафт.

Эколого-экономический риск воздействия техногенных массивов на окружающую среду предлагается рассчитывать по формуле:

п т

^{*=ZIX as)}

где к~- коэффициент риска техногенного воздействия на /-Й компонент природной среды с учетом возникновения у последствий воздействия; Yjj - эколого-экономический ущерб от возможного воздействия техногенного массива на /-Й компонент природной среды с учетом возникновения] последствий воздействия.

Коэффициент риска предлагается определять вероятностью

ВОЗНИКНОВеНИЯ j ПОСЛеДСТВИЙ При ВОЗДеЙСТВИИ на /-Й КОМПОНенТ (рв)

природной среды в зависимости от степени уязвимости рецептера с^г,

которая определяется защищенностью компонентов природной среды (природной и технической); расстоянием от техногенного массива; физико-географическими особенностями территории (роза ветров, средняя скорость ветра, направление и скорость водных потоков, температура, влажность воздуха и пр.):

K«=P?-Cj (17)

Разработанная методология определения экологического риска позволяет количественно оценить опасность техногенных массивов и, соответственно, уровень экономических затрат, необходимых для ее предотвращения.

Суммарные экономические затраты складываются из двух составляющих, связанных с экологическим риском складирования отходов:

затрат на обеспечение экологической безопасности техногенных массивов;

эколого-экономического ущерба различным компонентам природной среды.

В решении экономических задач, связанных с выбором оптимального варианта расходов, важная роль отводится выявлению функциональных зависимостей рассматриваемых видов затрат от уровня техногенного воздействия.

Для этого определяется зависимость экономических затрат от достигаемого при этих затратах уровня экологической безопасности и риска. Общий вид функций, выражающих зависимость затрат на обеспечение экологической безопасности, значений эколого-экономического риска и кривой суммарных экономических затрат от достигаемого при этих затратах уровня безопасности, представлены на рис.5.

Анализ характера графических зависимостей, приведенных на рис.5, показывает, что оптимальный вариант расходов может быть найден путем исследования кривой Q(G).

Техногенные массивы

Rii=Kii'Yh

i=2

Rl2⁼Kl2"Yi2

Кзі=Кзі-Узі

Rs^KsrYji

R6i=K«rY6i

Рис. 4. Блок-схема определения эколого-экономического риска воздействия техногенных массивов на природную среду

Точка минимума на кривой Q(G) соответствует равенству, которое свидетельствует, что в этой точке экономические расходы на обеспечение безопасности A(G) равны экономическому эквиваленту ущерба B(G), который следует ожидать при данном уровне безопасности (риска).

A(G)=B(G), (18)

Снижение эколого-экономического ущерба в практике может

быть достигнуто различными путями повышения уровня безопасности.

Выбор варианта производится по минимальным значениям функции

Q(G), выражающей суммарные экономические затраты.

Для моделирования безопасности техногенных массивов приводится анализ изменения суммарных затрат в зависимости от значений эколого-экономического риска. В простейшем случае функция суммарных затрат имеет линейный характер. Суммарные затраты на обеспечение безопасности и значения эколого-экономического риска даются в относительных единицах. Графики построены для четырех вариантов затрат: вариант 1 - затрат на снижение риска не делается, то есть A(G)=0; вариант 2 - затраты на риск составляют 0,25 от общих затрат по первому варианту, принятых за 1; вариант 3 - затраты на риск составляют 0,5 от общих затрат; вариант 4 - затраты на риск составляют 0,95 от общих затрат.

На рисунке 6 вертикальными пунктирными линиями выделены три области. Для первой области наиболее подходящим является вариант 1, при котором в этой области суммарные затраты минимальны, для второй области - вариант 3, для третьей - вариант 4 - по тем же основаниям.

Основываясь на рассмотренном подходе, применительно к конкретным условиям, на шкале эколого-экономического риска представляется возможным выделить ряд областей, для каждой из которых будет применена наиболее выгодная в экономическом отношении стратегия обеспечения безопасности.

Сопоставление фактических данных с полученной оценочной шкалой дает возможность классифицировать техногенные массивы по степени их опасности на (рис.6) техногенные массивы высокой экологической опасности (класс А);

Gi G_opt G2

Рис.5. Вид графических зависимостей расходов на обеспечение экологической безопасности G - уровень безопасности; G,, G₂ - допустимые уровни обеспечения экологической безопасности (экологического риска) для сохранения компонентов природной среды; G_op, - экономически оптимальный уровень экологической безопасности; A(G) - функция, отражающая изменение экономических расходов на обеспечение уровня безопасности (экологического риска); B(G) - функция, отражающая закономерности снижения эколого-экономического ущерба по мере повышения уровня безопасности; Q(G) -функция, выражающая суммарные экономические затраты

техногенные массивы средней экологической опасности (класс В);

техногенные массивы низкой экологической опасности (класс С).

Для техногенных массивов класса А являются характерными следующие признаки:

заскладированные отходы содержат вещества 1, 2 класса опасности, с высокой миграционной способностью;

компоненты природной среды имеют низкую защищенность;

защитно-дренажные сооружения отсутствуют или малоэффективны;

техногенные массивы располагаются в густонаселенной местности, в районах высокопродуктивных земельных угодий или особо охраняемых природных территорий и объектов.

В рассмотренных случаях экологическая безопасность должна быть максимальной и, соответственно, затраты на предотвращение риска соизмеримы со значениями суммарных экономических затрат от воздействия техногенных массивов на компоненты природной среды.

Техногенные массивы класса В подразделяются на две группы. Техногенные массивы 1-й группы, так же как и в предыдущем случае содержат токсичные соединения, миграционная способность которых ограничивается, либо их химическими свойствами либо высокой природной или технической защищенностью компонентов природной среды и располагаются в районах повышенной экологической защиты. Для второй группы техногенных массивов характерно складирование токсичных загрязнителей в малонаселенных районах с низкопродуктивными угодьями и малозначащими ландшафтами. Складирование отходов в хранилища класса В предполагает уровень приемлемого риска, то есть затраты на предотвращение риска техногенного воздействия хранилищ должны составлять порядка 50 % от значений суммарных экономических затрат.

Для предприятий горнодобывающей и горноперерабатываю-щей отраслей промышленности к техногенным массивам класса А и В относятся сульфидсодержащие отвалы и хвостохранилища, содержащие повышенные содержания тяжелых металлов; солеотвалы; хранилища тонкодисперсных отходов обогащения и металлургического передела; хранилища, содержащие нефтепродукты.

Техногенные массивы класса С содержат, как правило, инертные отходы (отвалы вскрышных и вмещающих пород), распо-

лагающиеся вне населенных пунктов. Наиболее рациональным является формирование техногенных массивов класса С при нулевых затратах на снижение экологического риска.

Выбор мероприятий обуславливается уровнем опасности техногенного массива, горно-геологическими и технологическими условиями их формирования, а также количеством средств, выделяемых на снижение экологического риска. В этой связи делается детальное обследование территории техногенного массива с проработкой ряда вариантов.

Обеспечение безопасного складирования отходов на стадии строительства и эксплуатации хранилищ может быть достигнуто созданием защитно-дренажных сооружений, экранирующих отходы от подстилающих их подземных вод. Защитно-дренажные сооружения должны быть устойчивы: к химически активным инфильтратам; к физическим воздействиям (перепады влажности и температуры); к механическим воздействиям (деформации).

Система защитно-дренажных сооружений для техногенных массивов классов А должна включать: слой глин (как правило, бентонитовых); геомембрану, одну или несколько из тонких синтетических водонепроницаемых материалов; геотекстиль -полимерный водопроницаемый текстильный натуральный или синтетический материал; гравийный материал или геокомпозит; искусственный водоупорный слой, сопровождающий дренирующий слой, представляющий собой инъекцию глинистого субстрата.

Вертикальные экраны (противофильтрационные завесы в виде стенки из уплотненного материала) исключают боковое перемещение вредных веществ в основании, транзитную фильтрацию через отходы и распространение загрязненных вод. Утечки выявляют при помощи системы контроля, которая должна обеспечивать обслуживание и ремонт герметизационных устройств на больших глубинах.

Мероприятия по обеспечению безопасности закончивших срок эксплуатации хранилищ отходов преследуют цель ликвидации путей загрязнения и на этой основе уменьшения или предупреждения загрязнения окружающей среды. При этом опасность должна быть устранена как для источников загрязнения, так и для их окрестностей.

Классификация методов очистки включает в качестве существенного показателя место проведения работ (табл.4).

Мероприятия, проводимые «в массиве», обычно трудноуправляемы и требуют больших затрат времени, однако они дешевле, так как исключают затраты на выемку и транспортировку отходов.

Таблица 4 Мероприятия по снижению экологического риска техногенных массивов

Планирование мероприятий по снижению экологической опасности техногенных массивов производится путем сопоставления альтернативных решений по очистке и оздоровлению территории техногенного массива; мобильностью и мобилизационной способностью остаточных веществ в отходах; свойствами грунтов после очистки (структура, содержание воды, воздуха и других веществ); безопасностью работ и необходимостью ограничения их во времени; потреблением электроэнергии и химических реактивов; минимальным вторич-

ным техногенным загрязнением; возможностью контроля очистных работ; стоимостными показателями.

При ликвидации загрязнения образуются гидросмеси из композиции различных веществ, разрушаются существующие в загрязненном материале формы связи и силы, их обеспечивающие, вредные вещества разлагаются или преобразуются. Целью мероприятий по обеспечению безопасности является прекращение распространения вредных веществ.

Пассивные гидравлические методы предназначаются для грунтовых вод и позволяют изменить направление потока подземных вод при помощи нагнетания или отбора воды через инфильтрационные или поглощающие скважины (колодцы). Такие мероприятия эффективны большей частью лишь в качестве кратковременных и требуют довольно высоких энергозатрат.

Методы иммобилизации преследуют цель ограничения миграционной способности загрязняющих веществ, за счет введения в техногенный массив компонентов повышающих его монолитность. Перемещение отходов производится для их утилизации или обеспечения безопасного хранения на специально оборудованных свалках.

Реализация теоретических разработок и рекомендаций была проведена на Lmt «Hydrometal», при проектировании нового хвостохранилища и разработке комплекса природоохранных мероприятий с предотвращенным эколого-экономическим ущербом более 5 млн $, при проектировании комплекса мероприятий по оздоровлению экологической ситуации в районе карьера Lemaire, накопителей рудничных вод ОАО «Норильский Никель», территории хвостового хозяйства ОАО «Фосфаты»

В результате выполнения исследований решена крупная имеющая важное народнохозяйственное значение проблема, заключающаяся в теоретическом обосновании и технологическим решении экологически безопасного складирования отходов горного и металлургического производства на основе научно-обоснованных критериев оценки риска воздействия техногенных массивов на компоненты природной среды, разработки методов экологической экспертизы и спосо-

бов восстановления нарушенной экосистемы, внедрение которых вносит существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса. Основные научные и практические выводы:

1. Предложена на основании системно-структурного анализа строения техногенных массивов классификация по генезису (насыпные массивы, намывные массивы и техногенные наносы), позволяющая в зависимости от типа образования массивов планировать мониторинговые исследования компонентов природной среды в районах складирования отходов.

2. Установлены на основе многолетних натурных наблюдений за состоянием природных вод, атмосферного воздуха, приповерхностных отложений, закономерности формирования и классифицированы техногенные ореолы и потоки в районах воздействия хранилищ отходов, позволяющие выделить факторы негативного воздействия техногенных массивов.

3. Исследованы по оригинальным методикам процессы
трансформации состава и свойств природных вод, приповерхност
ных отложений, изолирующих материалов для определения факто
ров защищенности компонентов природной среды, что позволяет
повысить эффективность защитно-дренажных сооружений при ми
нимизации затрат на их строительство и эксплуатацию.

4. Определен, на основании проведенного комплекса исследований состояния компонентов природной среды в зонах техногенного воздействия хранилищ отходов, спектр загрязняющих среду веществ в зависимости от отраслевой принадлежности техногенных массивов, способов их формирования и конструктивных особенностей хранилищ, что позволяет повысить эффективность контроля за состоянием природной среды и планирования мероприятий по ее оздоровлению в районе складирования отходов.

5. Предложена методика оценки негативного воздействия техногенных массивов на природную среду, основанная на учете состава и свойств заскладированных отходов; миграционной способности и токсичности загрязнителей; трансформации составов дренажных, природных вод и приповерхностных отложений; конструктивных особенностей хранилищ отходов, позволяющая выделить факторы экологической опасности техногенных массивов.

6. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности формирования кислых дренажных вод при складировании сульфидсодержащих отходов в зависимости от их химического и минерального составов, кристаллографических особенностей сульфидных минералов, кислотно-щелочной и окислительно-восстановительной обстановки на территории техногенного массива для обоснования мероприятий по снижению негативного воздействия сульфидсодержащих отходов на природные воды и приповерхностные отложения.

7. Разработан оригинальный метод оценки экологической опасности сульфидсодержащих техногенных массивов, имеющий высокую экспрессивность и достоверность, базирующийся на определении формируемых породой кислотного потенциала и потенциала нейтрализации с целью прогнозирования дебитов кислых вод и выработки конструктивных мер по их нейтрализации.

8. Разработана и научно обоснована методология комплексной, многофакторной оценки экологического риска негативного воздействия техногенных массивов на основе определения суммарной величины рисков на различные компоненты природной среды как вероятности эколого-экономических ущербов соответствующим компонентам.

9. На основании проведенного комплекса исследований и численного моделирования произведено ранжирование техногенных массивов по их экологической опасности в зависимости от значений эколого-экономического риска техногенного воздействия хранилищ отходов с целью определения необходимых объемов финансирования на обеспечение приемлемого уровня риска.

Условия формирования и особенности насыпных массивов

Трансформация природных или природно-техногенных ландшафтов заключается в полном преобразовании всех компонентов ландшафта: геологического субстрата, почв, гидрографической системы, растительности, микроклиматических особенностей. Равновесие в техногенных ландшафтах полностью поддерживается человеком.

В зависимости от производственной деятельности человека (уровня антропогенных преобразований территорий) эффективности рекультивационных мероприятий в районах расположения техногенных массивов формируются различные ландшафты, которые можно подразделить на две группы: - акультурные ландшафты, в которых под влиянием техногенных факторов значительно ухудшилась биологическая продуктивность, санитарно-гигиенические, эстетические качества; - культурные ландшафты, в которых под влиянием техногенных факторов имеется тенденция восстановления до первоначального уровня (и выше) биологической продуктивности, санитарно-гигиенических, эстетических качеств.

На настоящее время в Российской Федерации более 70% территорий, занятых техногенными массивами, не рекультивировано и представлено акуль-турными пустынными ландшафтами, биологическая продуктивность которых стремится к нулю. К акультурным ландшафтам с низкой биологической продуктивностью можно отнести также рекультивированные в строительном и санитарно-гигиеническом направлениях ландшафты.

К культурным ландшафтам, продуктивность которых постепенно восстанавливается до первоначального уровня, можно отнести рекультивированные в сельско- и лесохозяйственном, а также реакриационном направлениях ландшафты. В особую группу модифицированных ландшафтов следует отнести природные (лесные, степные, луговые ландшафты) или природно-техногенные (ле-со- и сельскохозяйственные), подвергающиеся воздействию пылегазовоздуш-ных организованных и неорганизованных выбросов горных предприятий, вызывающих не только негативные изменения в фитоценозах, но и в составе почв. В ряде случаев, при сильном техногенном воздействии над естественной почвой формируется горизонт техногенных осадков, содержащих, как правило, тяжелые металлы, радиоактивные элементы и другие высокотоксичные загрязнители, состав которых определяется составом добываемых и перерабатываемых полезных ископаемых, а также технологией их добычи и переработки.

К другой специфичной группе модифицированных (иногда трансформированных) акультурных ландшафтов относят ландшафты, формирующиеся на территориях свалок бытовых и технических отходов предприятий, где, как и в предыдущем случае, над поверхностью почвы формируется слой техногенных отложений специфического состава.

Функционирование техногенных и природно-техногенных ландшафтов на территориях, занятых техногенными массивами, определяют: I. Природные факторы: - физико-географические (климат, рельеф, геоморфология, гидрология); - геологические (тектоника, минеральный и химический состав горных пород); - гидрогеологические (фильтрационные свойства горных пород, положение регионального водоупора относительно местного и регионального базисов эрозии); - физико-химические (химические свойства водовмещающих пород и природных вод, окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная обстановка); - - физические (температура и давление); - биологические (жизнедеятельность растений и микроорганизмов).

Техногенные факторы: - разработка полезного ископаемого (система разработки, изъятие полезного ископаемого из ландшафта, вынос на земную поверхность глубинных пород, обладающих составом и свойствами, отличными от свойств приповерхностных пород, нарушение и замена почвенного покрова искусственными грун-тосмесями, отбор подземных вод из ландшафта с целью водопонижения, ухудшение условий защищенности подземных вод); - строительство обогатительных фабрик и производств по переработке полезных ископаемых (утечки сточных вод, газопылевые выбросы в приземные слои атмосферы, отбор подземных и поверхностных вод с целью водоснабжения); - складирование отходов обогащения и переработки, полезных ископаемых (утечки сточных вод из хранилищ, выброс на поверхность ландшафта техногенных отложений со специфическим составом и свойствами, рассеивание ветром пыли с поверхности хранилищ); - эффективность очистки пылегазовоздушных выбросов в атмосферу и сточных вод, пылеподавления с открытых поверхностей техногенных массивов, рекультивационных мероприятий.

Влияние техногенных факторов на формирование и функционирование ландшафтов неоднозначно во времени и в пространстве. Оптимизация взаимодействия техногенных массивов с природной средой требует совершенствования методики изучения различных компонентов ландшафтов, формирующихся на территориях техногенных массивов, повышения достоверности прогноза их изменений особенно на стадии проектирования горного предприятия.

Повышение достоверности прогноза трансформации различных компонентов техногенных и природно-техногенных ландшафтов горных предприятий требует выделения и детального изучения источников воздействия на природную среду.

Выделение источников загрязнения природной среды и направлений их преобразования в районах воздействия горных предприятий позволяет составить схему миграции вещества в техногенном ландшафте на примере рис. 1.4, в котором можно выделить три типа элементарных геосистем: техногенные

Миграция загрязняющих веществ с территории техногенных массивов

Наряду с общими, можно отметить частные особенности распределения значений физико-химических параметров осадков, включая и концентрации загрязняющих веществ, по отношению к наиболее заметным формам рельефа в пределах отдельных областей дна. Установлено (таблица 1.15), что осадки глубоководных впадин и депрессий характеризуются в основном максимальными значениями концентраций загрязняющих веществ, на склонах впадин и на подводных возвышенностях они заметно ниже, и, наконец, резкое уменьшение концентраций практически всех загрязняющих веществ отмечается при переходе от элементов рельефа зоны относительного мелководья (область транспортировки) к береговой зоне (область эрозии). При этом исследованные параметры изменяются не однозначно.

На рис.1.18 дана схема поступления загрязняющих веществ в донные отложения Ладожского озера [96], а в таблице 1.15 приведены характеристики гранулометрического и химического состава техногенных донных отложений в пределах различных динамических типов дна.

Техногенные наносы в виде искусственных почв широко распространены в районах нарушения земель горными, строительными работами, а также на территориях сельскохозяйственного освоения бедных гумусом и минеральными веществами нечерноземных почв.

По В.В.Докучаеву, почва является особым телом природной среды, которое образуется в результате сложного взаимодействия шести факторов: поч-вообразующих пород, климата, растительности и животного мира, рельефа, хозяйственной деятельности человека [43].

Сущность почвообразовательного процесса состоит в поглощении живыми организмами минеральных элементов из окружающей среды и выделении ими в процессе жизни различных органических и минеральных соединений, воздействующих на эту среду и изменяющих ее. Источники поступления, пути перемещения и области накопления загрязняющих веществ в донных отложениях. Виды техногенного воздействия: Ак- агропромышленный комплекс, Гд- горнодобывающая промышленность, Др- деревообрабатывающая промышленность, Кб- коммунально-бытовые стоки, Me- металлообрабатывающая промышленность, П - пищевая промышленность, X - химическая промышленность, Цб - целлюлозно-бумажная промышленность. Типы поступающих веществ: Эф - эвторофирующие вещества, ТМ - тяжелые металлы, ПТ - пестициды, Ф - фенолы, - отходы переработки древесины, Cs - радионуклид 137Cs; "С" в кружке - свалка грунта; косая штриховка — предполагаемые границы зон аккумуляции (промежуточной и финальной) загрязняющих веществ; стрелки - предполагаемые пути переноса продуктов техногенеза. Таблица 1.15. Значения литолого-геохимических параметров поверхностных донных отложений в пределах различных динамических типов дна

В процессе выветривания горные породы превращаются в рухляк, обогащаются глинистыми частицами, становятся влагоемкими, водо- и воздухопроницаемыми, развивается их поглотительная способность, появляется агре-гатность, минеральные вещества переходят в водорастворимое доступное для растений состояние, накапливается органическое вещество.

В результате хозяйственного освоения более 6% мирового земельного фонда нарушено человеком в результате промышленной деятельности, в частности добычи и переработки минерального сырья, промышленного, транспортного, жилищного строительства. Более 43% мирового земельного фонда вслед 64 ствие активного сельскохозяйственного освоения нуждается в противоэрозион-ных мероприятиях.

Под влиянием хозяйственной деятельности человека почвенный слой подвергается физическому, химическому и механическому воздействию и преобразуется в слой искусственных почв.

Физическое нарушение почв связано с преобразованием ландшафта и деформацией поверхности, изменением структуры почв в результате их заиливания, осушения, развития эрозионных процессов. Химическое нарушение почв связано с их загрязнением технологическими отходами и выбросами, поступающими из хвостохранилищ, отвалов, рудных складов, отвалов забалансовых руд, а также газопылевыми выбросами промышленных предприятий и транспорта. Источником загрязнения могут быть сильноминерализованные рудничные и карьерные воды. Серьезную опасность представляет разработка месторождений радиоактивных, редкоземельных руд, сопряженная с попаданием в почву химических элементов, уничтожающих ее полезные свойства или угрожающие здоровью и жизни человека.

Механическое нарушение почв обусловлено процессами транспортирования пород, отвалообразования, эрозии отвалов и хвостохранилищ, пьшевых выбросов технологических производств и протекает в виде разубоживания гу-мусной части почв.

Интенсивное пылевыделение возникает при транспортировании горной массы, формировании техногенных насыпных массивов, проведении буровзрывных работ на карьерах, обогащении полезных ископаемых. Постоянным источником пылевыделения и формирования техногенных наносов служат откосы и площади уступов карьеров и отвалы, сухие пляжи хвостохранилищ. Усредненные показатели удельного сдувания пыли с пылящих поверхностей при открытых горных работах приведены в табл. 1.16. [137].

Мощным периодическим источником загрязнения является массовый взрыв на карьере, при котором в атмосферу может поступить 100 - 250 т пыли и 6-10 млн. м газов (СО, С02, NO+N02). Пылегазовое облако выбрасывается на высоту 150-300 м, в своем развитии оно может достигать высоты 16 км и распространяться по направлению ветра на расстояние до 14 км. Объем пылегазо вого облака достигает 15-20 млн.м , концентрация пыли изменяется от 680 до 4250 мг/м . По данным МакНИИ запыленность воздуха из-за выветривания пород, складированных в отвалах Донбасса, превышает санитарные нормы. На расстоянии до 2 км от них потери урожайности зерновых культур в результате промышленного загрязнения составляют, по данным чешских и польских ученых, 27-29%, урожай картофеля и сахарной свеклы снижается в 2-3 раза.

Влияние состояния атмосферы и почвы на растительный покров в горно-промышленных регионах

В районах расположения предприятий по добыче и переработке минерального сырья техногенные массивы являются одним из основных источников нарушения и загрязнения различных компонентов природной среды, что вызывает необходимость изучения их негативного воздействия. Исследование предполагает решение следующих задач: определение характера опасности и природы загрязнения окружающей техногенные массивы среды; изучение путей миграции загрязняющих компонентов; определение объектов экологической защиты.

Основной сложностью в проведении исследования по оценке воздействия техногенных массивов является отсутствие общепринятых критериев опасности для объектов экологической защиты - человека, природных ландшафтов и их компонентов, а также временных диапазонов, в течение которых эти критерии являются допустимыми.

Совет по вопросам экологии при ЕЭС охарактеризовал состояния исследований, ведущихся в районах хранилищ отходов, следующим образом: опасность воздействия техногенных массивов на природную среду определяется качественно при полном отсутствии количественных оценок; способ определения масштабов опасности основан на методе выборочных проб, что не исключает возможности неполного охвата изучаемого объекта (это относится к массиву отходов, загрязненной среде и путям распространения загрязняющих компонентов). Особенно важно это при установлении типа и определении объема вредных веществ в отходах; сведения о масштабах опасности ограничены вследствие: неполных данных о составе и количестве вредных веществ и их производных; отсутствия не обходимых параметров для определения состава этих веществ; отсутствия достаточных сведений о свойствах и распространении веществ и их произ водных в охраняемых средах; недостаточных сведений о соотношении меж ду физико-химическими свойствами веществ и результатами их воздействия; отсутствия единых и общепринятых критериев оценки их влияния.

Исследования негативного воздействия техногенных массивов на природную среду предлагается проводить, исходя из следующих положений: все соединения, содержащиеся в отходах, пыли и пр. не обладают ни одинаковым видом воздействия на людей и ландшафт, ни одинаковой вредностью. В каждой стране имеется национальный кадастр загрязняющих веществ, ранжируемых по степени опасности; хранилища отходов, отвалы, загрязненные территории определяют собой потенциальный высокий и продолжительный риск загрязнения подземных вод. Реальный риск загрязнения зависит от расстояния между хранилищем и водозабором, эксплуатационного дебита водозабора и гидрогеологических условий; техногенные массивы определяют риск загрязнения поверхностных вод, которые используются для питьевого водоснабжения, хозяйственно-бытовых нужд, ирригации; техногенные массивы представляют опасность загрязнения воздуха пылью и газообразными продуктами биодеградации отходов. Негативное воздействие техногенных массивов может проявляться в выделении отходами запаха, вызывающего аллергические реакции у населения; кроме токсической опасности загрязнения воздуха, ряд техногенных массивов является взрыво- и пожароопасными; техногенные массивы могут представлять опасность прямого контакта человека с заскладируемыми отходами: при попадании вредных веществ на кожу; при вдыхании токсичных веществ, выделяющихся с поверхности хранилища (рис. 2.1); Источник загрязнения Техногенные массивы Миграция загрязняющих компонентов воздействия техногенных массивов на природную среду техногенные массивы могут представлять опасность загрязнения приповерхностного слоя, культивированных на нем растений, интоксикации людей и животных после некачественно проведенной рекультивации; техногенные массивы провоцируют нарушение стабильности поверхности и негативные ландшафтные преобразования.

Характер опасности техногенных массивов, в частности, спектр загрязняющих природную среду компонентов, определяется их отраслевой принадлежностью. Изучение химического состава отходов предприятий по добыче и переработке различных видов минерального сырья позволило классифицировать эти объекты и выявить перечень загрязнителей, представляющих потенциальную опасность (табл. 2.1). В табл.2.2 и 2.3 приведена классификация загрязняющих веществ техногенных массивов по классам опасности и характеристика вредного влияния токсичных веществ на организм человека [62].

Оценка опасности воздействия техногенных массивов на природные воды

Большинство бактерий подземных вод - хемотрофы, они получают энергию при окислении химических соединений - неорганических и органических. Окислителем чаще всего служит кислород свободный или связанный (в форме S042", N03", С02), являющийся акцептором электрона в окислительно-восстановительных реакциях. Эта энергия затрачивается на биосинтез, на процессы поддержания жизнедеятельности, на синтез восстановленных высокополимерных молекул - "запасных веществ".

Среди комплексов биохимических процессов, протекающих в подземных водах, важнейшее значение имеют процессы сульфатредук-ции и нитрификации. Так как энергия связи кислорода и серы в ионе S04" чрезвычайно велика, химическое восстановление сульфат-иона при невысоких давлениях и температурах, свойственных грунтовым водам, неизвестна. Такое восстановление происходит только с помощью суль-фат-редуцирующих бактерий, отбирающих кислород у сульфатов, используя в качестве источника углерода жирные кислоты (гетеротрофная сульфатредукция).

Если в качестве энергетического материала используется газообразный водород, то сульфатредукция является автотрофной: S042" + 4 Н2 -» HS" + ОН" + ЗН20, (4.26) при этом наблюдается увеличение рН среды.

Процессы сульфатредукции изучались в районе намывного массива. На рассматриваемом участке при фильтрации сточных вод из илохранили-ща через дамбу, происходило снижение рН с 7,8 до 7,2; на 1,4 мг-экв/л падало содержание сульфат-ионов. На выходе из дамбы была замерена концентрация сероводорода, которая составила 12,2 мг/л (табл. 4.8). Произошло падение значений редокс-потенциала Eh с 0,18 до 0,10 В.

Наличие сульфатвосстанавливающих бактерий (Desilfavibrio desulruricans) в теле дамбы определялось лабораторным путем. Дамба сложена смесью кварцево-глауконитовых и кварцевых песков. Водные вытяжки из этих пород подвергались микробиологическому анализу для оценки активности сульфатредуцирующих бактерий. Для выделения бактерий вида Desilfavibrio desulfuricans применялась питательная среда Тауссона.

В питательную среду был введен посевной материал (водные вытяжки) в соотношении 1:1. После внесения посевного материала устанавливалось рН, равное 7,2, соответствующее физиологическим потребностям микроорганизмов. Опыт проводился в анаэробных условиях. Наличие и активность сульфатвосстанавливающих бактерий регистрировалось по образованию сероводорода, дающего в среде с солью Мора черный осадок. Оценка активности бактерий производилась методом сравнительного анализа: высокая наблюдается при появлении сероводорода в пробе через 0-7 суток, средняя (++) - через 7-14 суток, низкая (+) - через 21-30 суток. В опыте с кварцево-глауконитовыми песками наблюдалось почернение среды на 5-е сутки (высокая активность бактерий), с кварцевыми песками - на 23-е сутки (низкая активность бактерий). Различная активность бактерий в кварцево-глауконитовых песках и кварцевых песках объясняется наличием реликтовой органики в глауконитовых песках ( Сорг = 0,7-1,4 г/100 г породы, в т.ч. 20-25 % составляют гуминовые и фульвиокислоты), благоприятно влияющей на жизнедеятельность Desilfavibrio desulfuricans.

Сульфатредукция активно протекает в присутствии нефтепродуктов, содержащихся в сточных водах (табл. 4.8), так как сульфат-редуцирующие бактерии используют органическое вещество и водовмещающих пород, и подземных вод. Кислотно-щелочная обстановка на данном участке (рН = 7,2) также является оптимальной для жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий.

В результате жизнедеятельности бактерий Desilfavibrio desulfuricans сульфат-, сульфит-, тиосульфат-, тетратионат-ионы превращаются в сульфид. Этот процесс гетеротрофной сульфатредукции описывается следующим уравнением реакции:

В результате сульфатредукции редуцировало 1,6 мг-экв/л ионов S042"B пробе, отобранной при разгрузке инфильтровавшихся через дамбу сточных вод в оз. Круглое замерено 12 мг/л сероводорода. При пересчете редуцированных сульфат-ионов на сероводород (1,6 34 = 54,4) получается, что при сульфат-редукции должно выделяться 54,4 мг/л сероводорода. Значительно меньшее содержание сероводорода в пробе объясняется вое-становлением ионов S04 " не до сероводорода, а до свободной серы:

В результате гетеротрофной сульфатредукции выделяются свободные ионы водорода, что приводит к снижению рН с 7,8 до 7,2 (табл. 2.40) и две молекулы С02, вследствие чего увеличивается агрессивность подземных вод по отношению к соединениям кальция.

На рассматриваемом участке при фильтрации сточных вод через глауконитовые пески сульфатредукции сопутствуют процессы катионного обмена, протекающего по следующей схеме:

В результате катионного обмена и сульфатредукции в уже пересыщенный карбонатом кальция раствор (табл. 4.8) поступают дополнительные ионы НСОз" (источником гидракарбонатов является выделяющийся при сульфатредукции углекислый газ) и Са (поступает в сточные воды при катионном обмене ионов натрия и калия на ион кальция из глаукони-товых песков). Это приводит к выпадению из раствора в осадок при фильтрации через дамбу и падению насыщенности карбонатом кальция после фильтрации через дамбу с 12,45 до 1,88 (табл. 4.8).