Закруткин В.Е., Шишкина Д.Ю. Методика оценки опасности загрязнения почв подвижными формами тяжелых металлов на территории угледобывающих предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Закруткин В.Е., Шишкина Д.Ю.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

ПОДВИЖНЫМИ ФОРМАМИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА

ТЕРРИТОРИИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебно-методическое пособие

по курсу «Геохимия окружающей среды»

для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению

«Экология и природопользование»

Ростов-на-Дону

2011

Учебно-методическое пособие разработано зав. кафедрой геоэкологии и

прикладной геохимии, доктором геолого-минералогических наук, профессором

В.Е. Закруткиным и доцентом кафедры, кандидатом географических наук

Д.Ю.Шишкиной.

Ответственный редактор

Доктор географ. наук

проф. А.Д. Хованский

Печатается в соответствии с решением кафедры геоэкологии и прикладной

геохимии геолого-географического факультета ЮФУ, протокол № 9 от 27 марта

2011 г.

Аннотация

В.Е. Закруткин, Д.Ю.Шишкина. Методика оценки опасности загрязнения

почв подвижными формами тяжелых металлов на территории угледобывающих

предприятий. // Учебно-методическое пособие для студентов-бакалавров,

обучающихся по направлению «Экология и природопользование». Ростов-на-

Дону: ЮФУ, 2011.- с.

Учебно-методическое пособие направлено на углубленное изучение курса

«Геохимия окружающей среды». В нем рассматривается современное состояние

проблемы оценки уровня загрязнения почв тяжелыми металлами, дается оценка

фоновых содержаний подвижных форм химических элементов в почвах,

приводятся критерии и методика оценки загрязнения почв подвижными формами

химических элементов. Данное учебно-методическое пособие предназначено для

студентов-бакалавров, обучающихся по направлению «Экология и

природопользование», но может быть использовано также студентами других

направлений подготовки, прежде всего геологических, для углубленного изучения

курсов «Геохимия» и «Геохимические методы поисков месторождений полезных

ископаемых», а также при написании дипломной работы.

Табл. 39 , рис. 4, библ. 60.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение………….........................................................................................

1. Термины и определения…………………………………………………

2. Обозначения и сокращения......................................................................

3. Экологические проблемы Восточного Донбасса……………………...

4. Современное состояние проблемы оценки уровня загрязнения почв

тяжелыми металлами по содержанию подвижных форм………………..

5. Фоновые содержания подвижных форм химических элементов в

почвах……………………………………………………………………….

6. Критерии и методика оценки загрязнения почв подвижными

формами химических элементов…………..................................................

Библиографический список………………………………………………..

Введение

В условиях интенсивного техногенного прессинга на геосистемы,

обусловленного длительной и широкомасштабной добычей угля в пределах

Восточного Донбасса, возникает реальная угроза загрязнения всех компонентов

окружающей среды, в т.ч. и почвогрунтов, тяжелыми металлами. В связи с этим

необходима разработка методики оценки химического загрязнения почвогрунтов

как основной депонирующей среды. При проведении экологической оценки

следует учитывать то обстоятельство, что подвижные формы соединений

тяжелых металлов – более интегральный и более чувствительный показатель

загрязнения почв, чем их валовое содержание.

В настоящем пособии рассматриваются критерии загрязнения почв на

промышленных площадках шахтных полей Восточного Донбасса подвижными

формами свинца, кадмия, цинка, хрома, никеля, кобальта, меди, ванадия,

марганца и мышьяка, извлекаемыми ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8, а

также приводится методика оценки уровня химического загрязнения почв.

Пособие составлено в соответствии с действующими нормами и правилами

в области охраны окружающей среды. Оно устанавливает прядок выявления

химически загрязненных почв отходами угледобывающего производства на

территории Ростовской области, независимо от форм собственности на землю и

ведомственной подчиненности землепользователей. При подготовке пособия

использовались реальные производственные проекты, учитывающие специфику

выполнения эколого-геохимических работ в различных регионах Российской

Федерации, а также многолетний опыт эколого-геохимических исследований на

кафедре геоэкологии и прикладной геохимии Южного федерального

университета.

Учебно-методическое пособие составлено заведующим кафедрой

геоэкологии и прикладной геохимии, доктором геолого-минералогических наук,

профессором В.Е. Закруткиным и доцентом кафедры, кандидатом географических

наук Д.Ю. Шишкиной. Пособие предназначено для студентов-бакалавров,

обучающихся по направлению «Экология и природопользование», но может быть

использовано также студентами других направлений подготовки, прежде всего

геологических, для углубленного изучения курсов «Геохимия» и «Геохимические

методы поисков месторождений полезных ископаемых», а также при написании

дипломной работы.

1. Термины и определения

Буферность почв по отношению к загрязняющим их металлам –

способность почвы поддерживать концентрацию металлов в почвенном растворе

на постоянном уровне. Это свойство почвы обусловлено присутствием в

почвенном растворе анионов, с которыми металлы могут образовывать трудно

растворимые осадки, а также ионным обменом с участием внесенных металлов и

безобменным поглощением их твердыми фазами почвы.

Вытяжки из почв для извлечения подвижных соединений

микроэлементов – растворы, полученные при взаимодействии почв с растворами

разбавленных кислот, солей и комплексообразователей для оценки

обеспеченности почв микроэлементами, для разработки на этой основе

рекомендаций по внесению микроудобрений, для выявления почв, загрязненных

этими элементами, и исключения их из сельскохозяйственного использования.

Загрязнение окружающей среды – поступление в биосферу любых

твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук,

радиоактивность и т.п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на

человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем.

Микроэлементы – химические элементы, облигатные (обязательные) для

растительных и живых организмов, содержание которых измеряется величинами

порядка n × 10

-2

– n × 10

-5

%. Также их называют «следовые», «малые», «редкие»,

«рассеянные». Большинство микроэлементов выполняет в живых организмах

функции инициаторов и активаторов биохимических процессов. В число

микроэлементов входят и многие неметаллы.

Подвижность химических элементов – способность химических

элементов переходить из состава твердых фаз почвы в жидкую фазу. Понятие

подвижности неразрывно связано с миграционной способностью химических

элементов, так как, поступая в раствор, они могут перемещаться в ландшафте,

выпадать в осадок, улетучиваться в атмосферу, потребляться растениями.

Подвижные формы химических элементов в почвах – соединения

химических элементов, находящиеся в растворе.

Персистентность загрязняющего почву химического вещества –

устойчивость загрязняющего почву химического вещества, характеризуемая

продолжительностью сохранения его биологической активности.

Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почве –

такая их концентрация, которая при длительном воздействии на почву и

произрастающие на ней растения не вызывает каких-либо патологических

изменений и не приводит к накоплению токсичных элементов в

сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не может нарушать

биологический оптимум.

Реакция почв – способность почв проявлять кислотные и основные

свойства. Различают актуальную реакцию, оцениваемую рН водной вытяжки

из почвы, и потенциальную, проявляющуюся при взаимодействии

почвы с растворами солей; чаще всего для этого используют 1 М раствор KCl.

Токсичность – вредное воздействие химических элементов или соединений

на живые организмы (в зависимости от уровня их концентрации).

Токсичные элементы – химические элементы, которые могут отрицательно

повлиять на рост и развитие живых организмов, на физиологические процессы.

Отрицательное влияние начинает проявляться только при достижении некоторой

минимальной концентрации, неодинаковой для различных элементов и

соединений. Наиболее токсичными элементами считают ртуть, кадмий, свинец,

таллий. В настоящее время чаще употребляют понятие «токсичные

концентрации».

Тяжелые металлы – более 40 химических элементов периодической

системы Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м. Иногда тяжелыми

металлами называют элементы, которые имеют плотность более 7–8 тыс. кг/м

(кроме благородных и редких). В последнее время термин используется для

обозначения большой группы токсичных химических элементов. Все эти

определения условны, и перечни тяжелых металлов по этим формальным

признакам не совпадают. Набор тяжелых металлов во многом совпадает с

перечнем «микроэлементов».

Фоновое содержание в почвах химического вещества – уровень

содержания химического вещества, сравнение с которым позволяет обнаружить

превышение его в исходно аналогичных почвах под влиянием антропогенных

факторов. Наиболее часто о фоновом содержании химических веществ судят по

составу почв фоновых территорий, удаленных от локальных источников

загрязнения на 50–100 км. Фоновое количество химических веществ в почвах

характеризует региональный фон, который образуется в результате совокупного

действия всех факторов почвообразования в данном районе, прежде всего,

почвообразующих пород. Вклад вносят также химические вещества

антропогенного происхождения, поступающие в почвы фоновых территорий в

результате глобального рассеяния.

2. Обозначения и сокращения

ААБ – ацетатно-аммонийный буфер.

ПФ – подвижные формы.

ТМ – тяжелые металлы.

3. Экологические проблемы Восточного Донбасса

Донецкий промышленный ареал, в состав которого входят Ростовская

область, а также Луганская и Донецкая области Украины, представляет собой

территорию, осваиваемую давно (с конца XVIII в.) и наиболее интенсивно.

Сочетание на сравнительно небольшой площади угледобычи и предприятий

тяжелой промышленности (химической, черной и цветной металлургии) привело

к возникновению здесь сложного комплекса экологических проблем: загрязнение

атмосферы, комплексное нарушение земель горными разработками, приводящее в

конечном счете к потере значительного количества плодородных земель,

нарушение геодинамического режима литосферы. Участки сельскохозяйственных

земель, непосредственно примыкающие к промцентрам и используемые здесь с

наибольшей интенсивностью (пригородное хозяйство с высоким уровнем

химизации), характеризуются высоким уровнем загрязнения и деградации почв.

Чрезвычайно остра здесь проблема утраты продуктивных земель за счет

наступления промышленной городской застройки на земли

сельскохозяйственного назначения. В целом, экологическая обстановка в

пределах Донецкого угольного бассейна еще на рубеже 80–90-х гг. оценивалась

как кризисная, то есть регион приравнивался к зоне

чрезвычайной экологической ситуации [34].

Ликвидация шахт в рамках реструктуризации угольной промышленности не

вызвала улучшения экологической ситуации. Одновременное закрытие большого

количества шахт привело к возникновению целого ряда негативных

экологических последствий горного производства. Стали возникать ранее

неизвестные природные и техногенные явления, связанные с нарушением режима

поверхностных и подземных вод, с подтоплением территорий, с загрязнением

водоемов и водотоков, с выходом на дневную поверхность «мертвого воздуха».

Возникла опасность геотектонических проявлений, связанных с обрушением

толщи пород на больших площадях выработанного пространства

ликвидированных шахт [58]. Решение новых экологических проблем осложняется

масштабностью и слабой предсказуемостью развития возникающих при этом

процессов [43].

Трудно не согласиться со сложившимся среди геоэкологов мнением [32],

что закрытие угольных шахт по сложности сопоставимо с консервацией АЭС и

требует существенных затрат на природоохранные мероприятия, без проведения

которых произойдет резкое ухудшение экологической обстановки.

Загрязнение почв и грунтов тяжелыми металлами не занимает

приоритетные позиции в ряду экологических проблем Восточного Донбасса. Этот

процесс не столь очевиден как подтопление территории и не столь опасен для

жизни человека как выделение «мертвого воздуха». В то же время, повышенные

концентрации химических элементов в углях и вмещающих породах Восточного

Донбасса приводят к их накоплению в почвах до уровня токсичных

концентраций. Содержания химических элементов в породах шахт и

обогатительных фабрик нередко превышают кларки и ПДК [табл. 1, 2].

Породные отвалы являются наиболее мощными источниками загрязнения

почв и грунтов изучаемого региона. В результате литогеохимического

опробования на участках вокруг 32 породных отвалов установлено, что

основными элементами, загрязняющими почвы и грунты в радиусе 100 – 120 м от

основания породных отвалов, являются: цинк (в 55,2% случаев превышений

ОДК), свинец (16,4% случаев), никель (11,9% случаев) и медь (7,5% случаев) [60].

На примере промплощадки закрытой шахты «Краснодонецкая» можно

более детально изучить картину загрязнения земель в зоне воздействия породных

отвалов. Концентрации типоморфных тяжелых металлов в отвальных породах

либо близки к кларковым, либо незначительно их превышают (табл. 3).

Содержания элементов в почвах, представленных южными черноземами, на

удаленных от отвалов участках, также равны или близки к фоновым (табл. 3). В

непосредственной близости от породных отвалов, в радиусе около 3 км вокруг

Таблица 1

Содержание токсичных элементов в породах отвалов некоторых

обогатительных фабрик Восточного Донбасса [43]

Обогатительные фабрики

ЦОФ Донецкая

640,9

74,2

17,4

124,0

222,1

5,0

113,6

74,0

149,1

3,0

175,2

ЦОФ Гуковская

989,4

39,7

14,9

79,9

148,6

5,6

99,0

49,8

83,7

4,0

594,3

ЦОФ Шолоховская

324,1

55,2

24,1

242,0

6,2

104,2

55,5

263,0

2,6

356,4

ЦОФ Несветаевская

790,5

49,6

10,4

99,3

198,0

3,0

99,0

39,9

148,8

3,0

151,0

Кларк литосферы

1000

1,1

170

3,8

340

ПДК (ОДК)

1500

150

32 (130)

220

шахтного поля, установлена комплексная аномальная зона значительно

повышенных концентраций тяжелых металлов. В плане она имеет округлую

вытянутую форму, длинная ось ориентирована в субширотном направлении в

сторону общего понижения рельефа. Максимальные аномальные содержания

марганца достигают 10000 мг/кг, хрома – 2000 мг/кг, цинка – 5000 мг/кг (табл. 4)

[33]. Содержания тяжелых металлов в 2,5–14,2 раза превышают фоновые

концентрации в черноземах и в 1,9–2,4 раза – ПДК. Таким образом, в 3-км зоне

вокруг отвала происходит осаждение ТМ из водного и воздушного миграционных

потоков, приводящее к их аккумуляции в верхнем почвенном горизонте до

величин токсичных концентраций.

Вблизи породных отвалов создаются благоприятные условия для

накопления в почвогрунтах повышенных содержаний не только валовых, но и

подвижных форм ТМ. Формирующиеся под отвалами техногенные воды

увеличивают влажность почв и грунтов и тем самым способствуют росту