Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время техногенные воздействия промышленных предприятий на окружающую среду привели к загрязнению почв водосборных территорий тяжелыми металлами и, как следствие, к экологической деградации водных объектов.
Металлургические предприятия в г. Челябинске являются основными загрязнителями окружающей среды тяжелыми металлами, в том числе медью и цинком. В выбросах металлургических производств они находятся в основном в нерастворимой форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается, и создаются предпосылки для их поступления в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных. Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полураспада цинка составляет до 500 лет, меди до 1500 лет.
На исследуемой водосборной территории тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.
Большинство технологий восстановления загрязненных территорий базируются на применении сорбентов и растений. Одним из наиболее известных сорбентов является глауконит, сорбционные свойства которого известны для таких металлов, как кадмий, олово, ртуть, хром, никель, а также нефтепродуктов, редкоземельных и радиоактивных элементов.
Однако закономерности и параметры сорбции глауконитом металлов меди и цинка в настоящее время не изучены. Кроме того, отсутствуют и достоверные данные о поглощении этих металлов растениями. Отсутствие таких данных не позволяют разработать эффективную технологию ремедиации загрязненной территории. Поэтому исследования закономерностей и параметров сорбции солей меди и цинка глауконитом, а также поглощения их растениями, представляются актуальной научно-практической задачей.
Цель работы. Разработать технологию ремедиации водосборной территории и уменьшить нагрузку на р. Миасс по отношению к ионам меди и цинка с электрометаллургического производства. В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
1. Оценить уровень загрязнения водосборной территории р. Миасс в зоне воздействия электрометаллургического производства.
2. Изучить механизмы и закономерности сорбции меди и цинка из почвогрунтов водосборной территории р. Миасс, подвергшейся влиянию электрометаллургического производства, путем использования глауконита и многолетних злаковых трав.
3. Разработать технологию ремедиации водосборной территории с использованием сорбционно-растительного модуля, с целью повышения эффективности очистки почв и поверхностного стока по отношению к ионам меди и цинка.
4. Определить экономическую эффективность разработанной технологии.
Методы исследования. В работе применен комплекс методов исследования, включающий лабораторное и натуральное моделирование, системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющихся в литературе материалов, химический анализ воды, почвы и растительного материала. Для количественного описания экспериментальных данных использованы стандартные методы и пакет прикладных программ для ПЭВМ (Microsoft Excel, MathCAD PLUS 6.0).
Объект исследования. Водосборная территория р. Миасс г. Челябинска.
Предмет исследования. Процессы сорбции, происходящие в почвенном слое водосборной территории мощностью до 140 см, в районе между электрометаллургическим комбинатом и р. Миасс.
Научная новизна. В диссертационной работе получили дальнейшее развитие научные основы очистки водосборной территории путем применения сорбционно-растительных модулей, заключающиеся в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении роли сорбционных свойств глауконита и многолетних злаковых трав в процессах очистки почвогрунтов и поверхностного стока загрязненных электрометаллургическим производством:
1. Выявлены наиболее загрязненные участки р. Миасс. Доказано, что металлы по водосборной территории распределяются неравномерно. Имеющиеся в подвижной форме ионы меди и цинка резко ухудшают экологическую ситуацию по водосборной территории р. Миасс.
2. Выявлена природа взаимодействия глауконита с солями меди и цинка, установлена зависимость интенсивности сорбции солей меди и цинка от рН среды, а также определены сорбционные характеристики сорбента. Изучены поглотительные особенности многолетних злаковых растений по отношению к меди и цинку, и выявлено распределение металлов по их вегетативным органам.
3. Впервые определены условия интенсификации сорбции металлов путем закрепления глауконита в растительный модуль. Найдены оптимальные технологические режимы и конструктивные характеристики осуществления процесса очистки почвогрунтов и поверхностного стока.
4. Предложены технические решения ремедиации водосборной территории, обеспечивающие ее эффективность путем внедрения сорбционно-растительных модулей из глауконита и подсушенной зеленной массы злаковых растений.
Практическая значимость. Применение разработанной технологии на загрязненных водосборных территориях р. Миасс г. Челябинска; внедрение результатов диссертационного исследования на стадии проектных работ по приготовлению арболита ООО «Архстрой - Сервис»; использование результатов диссертационных исследований автора при чтении дисциплин «Экологические основы природопользования», «Охрана окружающей среды» для студентов специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».
Положения, выносимые на защиту:
1. Распределение металлов меди и цинка по водосборной территории происходит неравномерно. Выявлены зоны с минимальным и максимальным содержанием металлов. Зависимости между уровнем концентрации меди и цинка в почве и расстоянием до источника загрязнения носит экспоненциальный характер.
2. Очистка водосборной территории от ионов меди и цинка наиболее эффективна с использованием сорбента и злаковых растений, а выбор сорбента и растений основан на сорбционных и поглотительных способностях по отношению к металлам меди и цинка.
3. Технология ремедиации водосборной территории бассейна р. Миасс, с применением сорбционно-растительных модулей и высевом злаковых трав.
Методологические и теоретические основы исследования. При выполнении работ автор опирался на теоретические разработки в области геоэкологии, физической химии, геохимии, почвоведения, изложенные в трудах Ю.С. Рыбакова, А.Н. Попова, И.М. Фоминых, Э.С. Пробержа, С.С. Тимофеевой и др. Методологическими основами выполнения лабораторных работ являются: Методика выполнения измерений массовых концентрации цинка, кадмия, свинца и меди методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. Количественный химический анализ проб природных, питьевых и очищенных сточных вод. Методика выполнения измерений массовых концентрации меди и цинка методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований).
Реализация результатов работы. Разработанная на основе результатов исследований технология организации и использования системы защиты водных объектов от загрязненного тяжелыми металлами поверхностного стока внедрена в форме использования результатов исследования при разработке плана водоохранных и восстановительных мероприятий по охране и реабилитации р. Миасс и Первого озера в черте г. Челябинска. Использованные в технологии травы и сорбционно-растительные модули применяются в качестве органического наполнителя арболита компанией ООО «Архстрой – Сервис» и ООО «Кнауф Гипс Челябинск».
Достоверность результатов исследований. Основные научные положения и выводы достоверны и обоснованы с применением комплекса физико-химических методов анализа и находятся в соответствии с теоретическими основами. Справедливость научно - практических рекомендаций подтверждена результатами опытно - промышленных испытаний. Лабораторные эксперименты, необходимые для решения поставленных задач, проводились на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» на поверенном оборудовании, ошибка которых, по данным математической обработки, составила 25%.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства» (г. Челябинск, 2007); на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов «Моя страна моя Россия» (первое место в областном туре, г. Челябинск, 2007); на V Всероссийской научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2007); на научно-технической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области. Современные технологии водопользования» (г. Челябинск, 2008); на Международном конгрессе ЭКВАТЭК – 2008 (г. Москва, 2008); на научно-технической конференции «Современные технологии водопользования» (г. Челябинск, 2009); на научно-практической конференции «Рациональное использование природных ресурсов» (г. Пермь, 2009), на 1-й Всероссийской научной конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (г. Новосибирск, 2009), на XXI симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2009), на международной научно-практической конференции «Планирование восстановления, использования и охраны водных ресурсов речных бассейнов» (г. Екатеринбург, 2009).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 10 статей, 4 тезисов докладов на конференциях, из них 2 статьи опубликованы в
журналах, рекомендованных ВАК, для публикации результатов диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, перечня использованной литературы, включающего 100 источников. Диссертация изложена на 136 страницах, включает 33 таблицы, 40 рисунков, 43 формулы.
Автор выражает благодарность: своему научному руководителю, профессору, д.т.н. Денисову С.Е.; профессору, д.г.н. Рассказовой Н.С.; профессору, д.т.н. Попову А.Н.; к.т.н. Николаенко Е.В.; к.т.н. Ницкой С.Г.; директору Челябинского монтажного колледжа, к.п.н. Туберу И.И.
Похожие диссертации на Разработка технологии ремедиации водосборных территорий, подверженных влиянию электрометаллургического комплекса : на примере реки Миасс города Челябинска
