Эколого-аналитическая оценка состояния компонентов природной среды в зоне влияния объектов размещения твердых бытовых отходов

На правах рукописи

ЛАРИОНОВ Николай Сергеевич ЭКОЛОГО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОБЪЕКТОВ РАЗМЕЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Специальность 03.00.16 - «Экология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Архангельск – 2009

Работа выполнена на кафедре теоретической и прикладной химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Архангельский государственный технический университет»

Научный консультант: доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Боголицын Константин Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Мансуров Герман Николаевич кандидат химических наук, доцент Витер Ирина Петровна

Ведущая организация: НИИ безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан

Защита диссертации состоится «_» 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.155.13 при Московском Государственном областном университете по адресу: 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В. Волошиной, 24, 131 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета по адресу 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В.Волошиной, 24.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: Диссертационный совет Д 212.155.13 при Московском Государственном областном университете по адресу: 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. В. Волошиной, 24.;

http://www.mgou.ru Автореферат разослан «_»2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Снисаренко Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований.

Проблема обращения с накапливающимися отходами производства и потребления, и, в частности, с твердыми бытовыми отходами (ТБО) городов становится все более актуальной для Российской Федерации.

Весьма остро проблема образования и утилизации ТБО стоит и в городах Северо западных областей Российской Федерации, характерной особенностью которых является наличие объективных факторов, к которым относятся географическая расположенность (удаленность от центра и, следовательно, от мощностей по переработке отходов), суровые климатические и почвенные условия, специфические гидролого-геологические характеристики, социально-экономическое положение и иные факторы.

Несмотря на разнообразие существующих методов утилизации ТБО наиболее рентабельным и широко распространенным методом их утилизации по-прежнему остается депонирование на свалках и полигонах отходов.

В ситуации отсутствия оборудованных санитарных полигонов, соответствующих санитарно-гигиеническим требованиям, ТБО городов депонируются на свалках, которые представляют серьезную опасность, так как существенно влияют на все компоненты окружающей среды и являются мощным загрязнителем атмосферного воздуха, почвы и грунтовых вод ввиду протекания в их теле непредсказуемых физико-химических и биохимических процессов.

Наиболее опасным фактором воздействия объектов размещения отходов на окружающую среду считается фильтрат, формирующийся в теле свалки при взаимодействии отходов с инфильтрующимися атмосферными осадками и содержащий многочисленные компоненты распада органических и неорганических веществ, токсичных соединений и биорезистентных примесей, различных групп микроорганизмов, в том числе патогенных.

Следовательно, актуальной научной задачей является разработка эффективной системы эколого-аналитического контроля состояния компонентов природной среды в зоне влияния объектов складирования ТБО городских агломераций, представляющей собой систему дискретных и непрерывных наблюдений за состоянием природной среды и ее оценки для своевременного выявления и устранения негативных антропогенных процессов, а также осуществления комплекса эффективных природоохранных мероприятий на основе оперативных прогнозов состояния природной среды.

Объект исследований – свалка твердых бытовых отходов г. Архангельска, как типичного представителя агломераций Северо-западных областей Российской Федерации, и прилегающая к ней территория.

Цель исследований - определение основных закономерностей формирования и трансформации компонентного состава и изменения экологического состояния объектов окружающей среды в условиях складирования ТБО на заболоченных территориях Русского Европейского Севера.

Для реализации поставленной цели поставлены следующие задачи:

1. Изучение влияния объектов размещения твердых бытовых отходов на состав компонентов окружающей среды в условиях Русского Европейского Севера;

2. Установление пространственной связи между источником и очагом загрязнения, оценка интенсивности и масштаба воздействия свалки ТБО на основании интегральных показателей качества окружающей среды;

3. Определение основных физико-химических параметров сорбционных процессов, протекающих в системе «торфяно-болотная почва - раствор соли тяжелых металлов (сорбент–сорбат)»;

4. Изучение влияния основных факторов (продолжительность контакта фаз, концентрация растворов, температура), приближенных к реальным условиям, на процесс сорбции;

5. Выбор приоритетных экотоксикантов для целей эколого-аналитического контроля.

Построение модели эколого-аналитического контроля состояния компонентов природной среды в зоне влияния объектов размещения отходов в условиях Русского Европейского Севера.

Научная новизна результатов исследований. Впервые с применением современных методов анализа выполнены комплексные химические и физико-химические исследования свойств верховой торфяно-болотной почвы как биосорбента. Установлена ее роль в формировании ион молекулярного состава и форм загрязнителей почвы и подземных вод различных классов опасности.

Выполнен сравнительный анализ, определены наиболее информативные физико химические методы эколого-аналитического контроля и на основе обоснования перечня приоритетных показателей предложена концепция организации системы эколого аналитического контроля состояния компонентов окружающей среды, подверженных влиянию объектов захоронения твердых бытовых отходов применительно к заболоченным территориям Европейского Севера.

Практическое значение результатов исследований. На основании экспериментальных данных, полученных в результате полевых и лабораторных исследований, разработана «Программа по организации и проведению мониторинга свалки твердых бытовых отходов в г. Архангельске».

Реализация результатов исследований. «Программа по организации и проведению мониторинга свалки твердых бытовых отходов в г. Архангельске» утверждена заключением экспертной комиссии государственной экологической экспертизы (приказ Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Архангельской области №584 от 20.12.2006 г.), а также санитарно-эпидемиологическим заключением № 29.01.01.522.Т.000799.07.06 от 14.07.2006 г. территориального управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Архангельской области, выданного на основании экспертного заключения от 20.06. №727/393 ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Архангельской области» и принята к реализации в рамках программы «Экология города Архангельска».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка интенсивности и масштаба влияния свалки ТБО г. Архангельска на природные воды, почвенный покров, болотную и лесную растительность на основе инженерно-геологического и ботанического обследования территории, данных химического, микробиологического, паразитологического и вирусологического анализа, а также на основе интегральных показателей качества природной среды;

2. Результаты исследования экологической «барьерной» роли верховой торфяно болотной почвы на основе изучения ее сорбционной способности по отношению к тяжелым металлам при варьировании различных факторов, влияющих на данный процесс;

3. Программа эколого-аналитического контроля состояния объектов окружающей среды в условиях складирования ТБО на заболоченных территориях Европейского Севера.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения диссертационной работы, выводы и рекомендации являются результатом натурных и лабораторных исследований, проведенных с применением химических и современных физико-химических методов анализа с использованием поверенной и калиброванной аппаратуры. Для получения экспериментальных результатов использованы стандартные методы исследований и аттестованные методики анализа. Корректность результатов подтверждена сходимостью при повторных экспериментах и при проведении независимых контрольных исследований.

Апробация работы и публикации. Материалы работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов АГТУ (Архангельск, 2005 – 2009), международном семинаре «International Waste Management» (Архангельск, 2006), VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2006» (Самара, 2006), II Всероссийской конференции по аналитической химии с международным участием «Аналитика России» (Краснодар, 2007), XV международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2008» (Москва, 2008), II Международном форуме «Аналитика и Аналитики» (Воронеж, 2008), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биоэкологи» (Москва, 2008).

По материалам работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы, включающего 140 библиографических ссылок, из них 37 из зарубежных источников. Содержание работы изложено на 115 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 28 таблиц, 24 приложения.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цели и задачи исследований, теоретически обоснованы пути их реализации, получены и интерпретированы экспериментальные результаты.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Проблемы в области обращения с отходами В первой главе показана актуальность проблемы образования отходов производства и потребления, и, в частности, твердых бытовых отходов для Российской Федерации.

Представлен средний морфологический состав ТБО, являющийся основным фактором, влияющим на химический состав фильтрационных вод свалок ТБО.

Описаны основные методы утилизации ТБО: депонирование отходов на свалках и полигонах, сжигание и биокомпостирование, отмечены альтернативные методы утилизации ТБО.

Особое внимание уделено депонированию отходов на свалках и полигонах ТБО как наиболее рентабельному и широко распространенному способу утилизации ТБО в мире.

Дана краткая климатическая характеристика Архангельской области, как типичного представителя Северо-запада Российской Федерации, приведены гидрологические и почвенные условия региона.

Освещены проблемы утилизации ТБО в административном центре Архангельской области – г. Архангельске. Представлен перечень отходов, размещаемых на свалке ТБО г. Архангельска, отмечено длительное несанкционированное поступление на нее отходов всех типов и классов опасности, наличие которых на свалках исключается нормативно-технической документацией, в том числе отходов промышленных предприятий и особо опасных отходов.

Глава 2. Анализ процессов формирования состава экотоксикантов в местах складирования и (или) захоронения отходов Во второй главе описана опасность депонирования твердых бытовых отходов на свалках и полигонах захоронения отходов с позиций физико-химических и биологических процессов, в результате протекания которых в теле свалок образуются жидкая и газообразная фазы (фильтрат и биогаз), содержащие высокие концентрации вредных веществ.

Описан полигон (свалка) отходов как площадный источник загрязнения атмосферного воздуха и грунтовых вод широким перечнем органических и неорганических поллютантов.

Представлен состав фильтрата свалок ТБО, в том числе в зависимости от «возраста» отходов и периода «жизни» свалки ТБО.

Приведена эколого-токсикологическая характеристика органических и неорганических поллютантов, поступающих в окружающую среду со свалок и полигонов ТБО, описана опасность загрязнения окружающей среды приоритетными экотоксикантами – тяжелыми металлами, приведены их биогеохимические свойства, показана их роль в формировании качества природной среды.

Показаны биосферные функции органического вещества почвы, в том числе ее роль в накоплении микроэлементов, регулирование геохимических потоков металлов в водных и почвенных экосистемах и протекторная функция – способность связывать в прочные комплексы как ионы металлов, так и органические экотоксиканты в водных и почвенных средах. Особое внимание уделено процессам миграции и трансформации тяжелых металлов в природной среде.

Глава 3. Характеристика состояния свалки ТБО г. Архангельска и прилегающей к ней территории 3.1 Оценка природного состояния территории Накопитель твердых бытовых отходов г. Архангельска – свалка ТБО – размещается на земельном участке общей площадью 28,8 га, расположенном восточнее г. Архангельска на расстоянии 1460 м от ближайшей жилой застройки. Нормативная санитарно защитная зона (СЗЗ) для объекта размещения отходов составляет 1000 м от границы свалки, что соответствует нормативным требованиям. Схема расположения свалки ТБО представлена на рисунке 1. Описываемый участок приурочен к надпойменной террасе реки Северная Двина с абсолютными отметками 6 метров. Поверхность ровная, заболоченная, имеет слабый наклон (1-2°) в восточном направлении (к реке Юрас).

Вытянутые положительные формы Рисунок 1 – Схема расположения свалки ТБО г. рельефа связаны с автодорожной и Архангельска железнодорожной насыпями. Высота их меняется от 1-2 до 5-10 метров при ширине 5-15 метров. Отрицательные формы рельефа связаны с дренажными канавами. Их глубина меняется от 1-2 до 3-4 метров при ширине 1-10 метров.

3.2 Оценка геологического строения территории В ходе инженерно-геологических изысканий совместно с кафедрой инженерной геологии, оснований и фундаментов Архангельского государственного технического университета в теле свалки ТБО г. Архангельска в 2005 году была выполнена проходка четырех скважин диаметром 168 мм глубиной: БС-1 и БС-2 по 13 м, БС-3 - 11,5 м, БС-4 - 9, м. Инженерно-геологический разрез свалки, построенный по результатам проходки скважин БС-1 – БС-4 представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - инженерно-геологический разрез свалки ТБО г. Архангельска По результатам проходки скважин выявлено следующее напластование грунтов:

- инженерно-геологический элемент №1 (ИГЭ-1) - техногенные отложения, представлены бытовыми отходами и строительным мусором, мощность слоя колеблется от 6,6 до 9,1 м;

- ИГЭ-2 - болотные отложения, представлены торфом слаборазложившимся, коричневым, водонасыщенным, мощность слоя под свалкой составляет 1,0-1,8 м, на прилегающем болоте - 3,5-4,2 м;

коэффициент фильтрации k для торфа, уплотненного бытовыми отходами составляет 4,2*10-2...0,9*10-3 м/сут, для торфа с прилегающего болота 3,7...4,8 м/сут;

- ИГЭ-3 - озерно-болотные отложения, представлены глиной мягко-пластичной, коричневого цвета, заторфованной, мощность слоя 0,2-0,4 м;

k составляет 4,9*10-3...4,7*10-4 м/сут;

- ИГЭ-4 - озерно-болотные отложения, представлены глиной тугопластичной, зеленовато серого цвета, с включением органики, мощность слоя 0,2-0,6 м;

k= 7,1 * 10-6... 2,1 * 10-6 м/сут;

- ИГЭ-5 - аллювиально-морские отложения, представлены илом мягко-пластичным, серым, с прослойками песка, вскрытая мощность слоя 1,1-2,7 м;

к=0,7*10-4...2,0*10-5 м/сут.

В пределах описываемой территории в четвертичном комплексе распространены воды двух основных горизонтов.

Первый водоносный горизонт приурочен к насыпным грунтам (tIV) и болотным отложениям (bIV). Вскрывается на глубине от 0,1 до 0,4 м на участке болот, не перекрытых техногенными грунтами, и на глубинах 1,2-1,3 м – на насыпных участках. Воды безнапорные, со свободной поверхностью, питание осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Подземные воды второго водоносного горизонта приурочены к пылеватым пескам аллювиально-морских отложений (amIV), вскрытые на глубине 4- метров. Питание горизонта осуществляется за счет гидравлической связи с водами первого водоносного горизонта. Воды напорные, величина напора около 3 м.

Уровень грунтовых вод на момент изысканий (20.06.2005 - 21.06.2005) был расположен на глубине 4,10-6,10 м от дневной поверхности (абсолютные отметки 4,08-4,52) и приурочен к слою техногенных отложений. Зеркало грунтовых вод в теле свалки возвышается над поверхностью прилегающего болота на 0,4-0,7 м, что свидетельствует об инфильтрации воды к периферии свалки.

Результаты проходки скважин свидетельствуют, что специальной подготовки основания при организации свалки не производилось. Отсыпка отходов производилась на поверхность болота. Роль защитного водонепроницаемого экрана выполняют слои уплотненного торфа под контуром свалки и озерно-ледниковых глин.

Так же в ходе работ выполнялась планово-высотная привязка свалки твердых бытовых отходов. Результаты планово-высотной привязки показали, что абсолютные отметки свалки ТБО г. Архангельска достигают 16,51 м.

Объемы и площади накопителя твердых бытовых отходов рассчитывались по результатам планово-высотной съемки свалки ТБО и бурения разведочных скважин в теле свалки. По результатам съемки на 2005 г. рабочая площадь складируемых отходов составляет 20,04 га, общий объем свалки около 1950170 м3 (в том числе ниже поверхности болота - 551170 м3, выше поверхности болота -1399000 м3).

3.3 Рекогносцировочные обследования и ботаническое описание прилегающей территории Проведенные совместно с кафедрой лесоводства и почвоведения АГТУ обследования растительности и почв на территории городской свалки и на прилегающих к ней территориях выявили ряд особенностей формирования окружающих свалку болотных экосистем. Состав растительности и морфология почвенных разрезов на участках болота, не подвергающихся влиянию стоков свалки показывают, что площадь, выбранная для складирования бытовых и промышленных отходов города, представляла собой типичное верховое (олиготрофное) болото с глубиной торфяной залежи 3,5-4,2 м. На данный факт указывают строение почвенного профиля, представленного торфяными горизонтами слабой степени разложения, состоящими в основном, из остатков сфагновых мхов и кустарничковой растительности, а также состав напочвенного покрова и древостоя, соответствующий данному типу болот.

Гидрогеологический режим болота характеризовался застойным увлажнением, тип питания – атмосферные осадки. Болото тянулось на водоразделе с малыми уклонами поверхности и со слабопроницаемыми грунтами вдоль двух водотоков (р. Северная Двина и р. Юрас), однако сток с болота в р. Северная Двина был перекрыт при строительстве насыпей автомобильной и железной дорог.

С началом складирования бытовых и промышленных отходов на городской свалке возросла обводненность участков болота, прилегающих к свалке, что привело в дальнейшем к формированию хорошо заметного внутрипочвенного стока грунтовых вод в восточном направлении к р. Юрас.

Химический состав инфильтрата вод свалки отличался от состава вод верхового болота и, смешиваясь с ними, фильтрат изменил состав растительности, и, в конечном итоге, тип болота вблизи тела свалки и по направлению стока с участка болота, где она размещается.

На участках, не подверженных влиянию сточных вод свалки напочвенный покров болота характеризуется преобладанием типичной олиготрофной растительности (сфагновые мхи, клюква, голубика, подбел, шикша, морошка, багульник, вереск, мирт болотный, карликовая береза), в то время как на участках, прилегающих к свалке и на участке стока ее вод в р. Юрас появилась травянистая растительность, характерная для низинного болота (листоватые мхи, тростник, осоки, злаки, щавель конский). По направлению стока инфильтрационных вод обводненность болота резко повысилась, а изменение степени увлажнения торфа и растительности привело к тому, что на участке стока инфильтрационных вод свалки в настоящее время формируется топяной подтип низинного болота.

Глава 4. Организация системы наблюдений за состоянием компонентов природной среды в зоне влияния свалки ТБО г. Архангельска 4.1 Контроль загрязнения природных вод фильтрационными водами свалки ТБО Места расположения постов мониторинга были выбраны по результатам анализа исходных данных: оценки природного состояния свалки ТБО г. Архангельска и прилегающей к ней территории, оценки геологических условий территории, и её ботанического описания, приведенных в главе 3 (рисунок 3).

Наблюдательная сеть заложена автором в строгом соответствии с направлением сброса и движения грунтовых вод, для чего организованы посты мониторинга их состояния: шесть постов мониторинга – по периметру свалки ТБО (посты мониторинга № 2-6) с закладкой фонового участка (пост мониторинга №1), два поста мониторинга - на свалке ТБО из пьезометров, установленных в скважины (посты мониторинга А и Б).

Дополнительно организованы посты мониторинга для определения направления стока грунтовых вод с болота и оценки их загрязнения на различном удалении от свалки ТБО - в створе стока грунтовых вод с болота на расстоянии 1000 м от свалки ТБО (посты мониторинга № 9-12) с закладкой фонового поста мониторинга (пост мониторинга № 13), и в створе стока грунтовых вод с болота у реки Юрас на расстоянии 3000-3500 м от свалки ТБО Рисунок 3 – Организация постов мониторинга (посты мониторинга № 14-16), а так же грунтовых вод в зоне влияния свалки ТБО проводится исследование загрязнения вод поверхностного водоисточника – р. Юрас на участке впадения в него грунтовых вод, 0,5 км ниже по течению, а также 0,5, 1 и 3 км выше по течению.

Для исследования режима и состава грунтовых вод на постах мониторинга организуются наблюдательные скважины: пьезометры глубиной 1,5 и 2,5 м, а также шурф глубиной 0,5-0,7 м.

На основании литературных данных и нормативных документов для проведения оценки влияния фильтрационных вод свалки ТБО на природные воды выбраны следующие группы показателей, информативные химические и физико-химические методы анализа, а так же оборудование:

• Показатели качества природных вод: pH – потенциометрический анализ (pH-метр иономер универсальный, «Экрос»);

ХПК – титриметрический анализ;

ионный состав – жидкостная ионная хроматография (Стайер-CD, «Аквилон») / капиллярный электрофорез (Капель 104Т «Люмекс»);

сухой остаток – гравиметрический анализ;

• Органические и неорганические поллютанты: нефтепродукты – ИК-спектроскопия (Specord M80, Carl Zeiss Jena) / флуориметрия (Флюорат 3М);

фенолы – флуориметрия (Флюорат 3М);

тяжелые металлы – рентгенофлуоресцентный анализ (МАКС-GF2E, «НПО СПЕКТРОН») / инверсионная вольтамперометрия (Экотест-ВА, «ЭКОНИКС-ЭКСПЕРТ») / атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС-30, Carl Zeiss Jena);

• Микробиологические показатели: общие колиформные бактерии (ОКБ), термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ), коли-фаги, патогенные бактерии кишечной группы;

• Паразитологические показатели: яйца гельминтов, цисты кишечных патогенных простейших;

• Вирусологические показатели: антиген ВГА, антиген ротавирусов.

Периодичность отбора проб природных вод для анализа – 2 раза в год (весенне летний и осенний периоды).

4.2 Контроль состояния и загрязнения почв, лесной и болотной растительности При оценке степени влияния свалки ТБО г. Архангельска на окружающую среду особое внимание уделялось почве, а точнее торфу – одному из основных компонентов ландшафта, в котором протекают разнообразные биогеохимические и миграционные процессы, и который выступает в роли природного сорбента различных химических веществ и показателем степени деструкции природной экосистемы.

На основании данных, полученных в результате обследования территории и приведенных в главе 3, в целях изучения влияния свалки ТБО на почвенный и растительный покров, болотную и лесную растительность организованы пробные площадки поверхностного водоисточника – р. Юрас на участке Рисунок 4 – Организация постов мониторинга впадения в него грунтовых вод, 0,5 км почвенного покрова, болотной и лесной ниже по течению, а также 0,5, 1 и 3 км растительности в зоне влияния свалки ТБО выше по течению.

На основании литературных данных и нормативных документов для проведения оценки влияния свалки ТБО на почвенный покров прилегающей территории выбраны следующие группы показателей, информативные химические и физико-химические методы анализа, а так же оборудование:

• pHKCl – потенциометрический анализ (pH-метр-иономер универсальный, «Экрос»);

• Неорганические и органические поллютанты: тяжелые металлы – рентгенофлуоресцентный анализ (МАКС-GF2E, «НПО СПЕКТРОН») / инверсионная вольтамперометрия (Экотест-ВА, «ЭКОНИКС-ЭКСПЕРТ») / атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС-30, Carl Zeiss Jena);

нефтепродукты – ИК-спекроскопия (Specord M80, Carl Zeiss Jena);

• Микробиологические показатели: общее микробное число (ОМЧ);

• Паразитологические показатели: Яйца гельминтов и личинки гельминтов (жизнеспособные), цисты кишечных патогенных простейших.

Периодичность отбора проб состояния почвенного и растительного покрова – 1 раз в год (летний период, период максимальной вегетации и эпидемиологически опасный период).

4.3 Химико-аналитические исследования проб компонентов окружающей среды при оценке состояния свалки ТБО и прилегающей территории В разделе приводится список оборудования, использованного при проведении химико-аналитических исследований проб компонентов окружающей среды, перечень методик анализа проб грунтовых и поверхностных вод, почвенного и растительного покрова, а так же метрологические характеристики приведенных методик.

4.4 Контроль процедур выполнения анализов с использованием методик сравнения Для определения сопоставимости результатов, полученных при определении концентраций тяжелых металлов в пробах торфяно-болотной почвы методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), а также нефтепродуктов в пробах грунтовых вод методом ИК-спектроскопии, проводился контроль качества проведения измерений с использованием контрольной методики - метода инверсионной вольтамперометрии (ИВА) и флуориметричекого метода анализа соответственно в широком диапазоне концентраций.

Расчет показал, что результаты использования методик не противоречат друг другу и могут быть совместно использованы для дальнейшей их обработки с целью выявления значимых зависимостей.

Глава 5. Исследование влияния свалки ТБО г. Архангельска на компоненты природной среды 5.1 Оценка загрязнения природных вод фильтрационными водами свалки ТБО Болотные воды, подверженные влиянию фильтрационных вод свалки ТБО и отобранные по ее периметру – нейтральные (рН 6,5 – 7,5), на удалении 1 км от источника воздействия – слабокислые (рН 5 – 6,5), что соответствует вариации рН в болотных водах и обусловлено присутствием в них гумусовых кислот.

Болотные воды исследуемой территории различаются по минерализации. Так, по мере продвижения с запада на восток общая минерализация грунтовых вод снижается. Подземные воды, отобранные по периметру свалки ТБО и под ее основанием – соленые, с сухим остатком до 6,2 г/л. Следует отметить, что подземные воды фонового поста мониторинга № отличаются пониженным средним содержанием сухого остатка 0,7 г/л и относятся к природным водам с относительно повышенной минерализацией (рисунок 5а).

На удалении 1 км от восточной оконечности от свалки ТБО концентрация солей в подземных водах снижается до 0,5 – 1,8 г/л. Таким образом, их можно отнести к категории вод с относительно повышенной минерализацией. Фоновый пост мониторинга, находящийся вне створа движения грунтовых вод характеризуется пониженным средним содержанием сухого остатка (максимальная концентрация здесь доходит до 0,5 г/л).

ХПК в среднем составляет 685 мгО2/л и доходит до 2700 мгО2/л в пробах болотных вод, отобранных по периметру свалки. На удалении 1 км она составляет в среднем 315 мгО2/л, доходя до 1305 мгО2/л. Такие величины окисляемости не характерны для природных источников, однако их величины объяснимы с позиций состава торфяно болотных почв, представляющих исследуемую территорию (рисунок 5б).

а б Рисунок 5 – Распределение содержания сухого остатка (а) и ХПК (б) по постам мониторинга подземных вод, организованных по периметру свалки ТБО, мг/л Болотные воды, отобранные по периметру свалки ТБО и воды, отобранные на удалении 1 км от восточной оконечности свалки ТБО по направлению и в створе движения грунтовых вод относятся к хлоридному классу группы натрия, тип III (Cl- Na+). Среди основных ионов преобладают Cl- и Na+ (рисунок 6).

а б Рисунок 6 – Распределение содержания главных анионов (а) и катионов (б) по постам мониторинга подземных вод, организованных по периметру свалки ТБО, мг/л Таким образом, для болотных вод исследуемой территории можно составить следующие ряды преобладающих ионов:

Cl - HCO 3 - SO 4 2 - NO 3 -, NO 2 - PO 4 2 -, Br - F Na + K + NH 4 + Ca 2 +, Mg 2 + На рисунках 7 и 8 приведено среднее содержание тяжелых металлов в болотных водах постов мониторинга подземных вод, организованных по периметру свалки ТБО г. Архангельска.

В пробах грунтовых вод, отобранных по периметру свалки ТБО из неорганических поллютантов обнаружены Hg (до 10,8 ПДК), Cd (до 2,2 ПДК), Zn (до 3,4 ПДК), Bi (до 6,7 ПДК), Fe (до 42 ПДК), Mn (до 118 ПДК). Содержание Pb, Cu, Ni, Cr, V находится в пределах их ПДК. Из органических поллютантов обнаружены нефтепродукты (до 16 ПДК) и фенолы (до 624 ПДК).

Большинство перечисленных микроэлементов не обнаруживаются или не превышают их предельно допустимые концентрации (ПДК) в пробах грунтовых вод, отобранных на удалении 1 км от восточной оконечности свалки ТБО по направлению движения грунтовых вод ввиду их фильтрации сквозь толщу торфяно-болотной почвы и сорбционных процессов, протекающих вследствие такого взаимодействия.

В пробах болотных вод, отобранных по периметру свалки ТБО фиксируется 2400-кратное превышение показателя ТКБ и 240-кратное превышение ОКБ над нормативом в летний период, являющийся наиболее эпидемиологически опасным.

Рисунок 7 – Распределение содержания Отмечается отсутствие яиц гельминтов и ртути и кадмия по постам мониторинга цист кишечных патогенных простейших, а также подземных вод, организованных по антигенов ВГА и ротавирусов во всех периметру свалки ТБО, мкг/л проанализированных пробах грунтовых вод.

Таким образом, пробы грунтовых вод, отобранные на постах мониторинга грунтовых вод № 2-5, а также посту мониторинга А не удовлетворяют гигиеническим требованиям, а свалка ТБО представляет источник эпидемиологической опасности.

а б Рисунок 8 – Распределение содержания свинца, меди, никеля (а) и цинка, железа, марганца (б) по постам мониторинга подземных вод, организованных по периметру свалки ТБО, мг/л В соответствии с приведенной выше характеристикой природных вод можно выделить 3 зоны в рамках исследуемой территории:

- 1 зона – непосредственно по периметру и вблизи свалки ТБО, инфильтрующиеся воды которой оказывают непосредственное влияние на болотные воды, изменяя их химический состав и являясь источником эпидемиологической опасности.

- 2 зона – на удалении 1 км – химический состав вод данной зоны отличается от такового у вод, подвергающихся непосредственному влиянию фильтрата свалки ТБО, ввиду инфильтрации подземных вод через толщу верховой торфяно-болотной почвы, характеризующихся высокой сорбционной способностью по отношению к поллютантам, а также обладающих высокой буферной емкостью.

- 3 зона – поверхностные воды природного водоема р. Юрас Определение четких границы данных зон представляется невозможным ввиду постоянного изменения химического состава фильтрационных вод свалки ТБО.

Поверхностные воды р. Юрас – пресные (их минерализация в среднем составляет 0,29 г/л), нейтральные (рН = 6,9 - 7,3), что связано с наличием в них Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2.

Химическое потребление кислорода (ХПК) в среднем составляет 72 мгО2/л, доходя до мгО2/л на участке впадения грунтовых вод в поверхностный водоисточник, с севера ограниченном дренажной канавой. По величине ХПК р. Юрас можно отнести к категории очень загрязненных водоемов.

В соответствии с классификацией О.А. Алекина, воды р. Юрас – гидрокарбонатные кальциевые, тип I (HCO3- Ca2+ + Mg2+).

В водах р. Юрас фиксируется повышенное содержание нефтепродуктов (до 4,5 ПДК), марганца (до 11 ПДК), ртути (до 3 ПДК). Содержание Cu и Fe не превышает их ПДК, остальные загрязняющие вещества не обнаружены.

Концентрация микроэлементов и основные показатели качества воды на участке впадения грунтовых вод и вод дренажной канавы существенно отличаются от таковых ниже по течению и выше по течению на фоновом посту мониторинга, свидетельствуя о влиянии грунтовых вод и вод дренажной канавы на химический состав поверхностного водоисточника.

5.2 Оценка загрязнения почвенного покрова, болотной и лесной растительности прилегающей территории Для оценки концентрирования поллютантов в торфах использовался кларк концентрации (КК) средних и максимальных содержаний, являющийся отношением содержания элемента в данном образце к кларку элемента (число, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, почвенном покрове и других геохимических системах) в почве, что стало общепринятым ввиду отсутствия кларков элементов для торфов и отсутствия фоновых концентраций микроэлементов в торфах.

Оценка уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и геогигиенических исследованиях окружающей среды с действующими источниками загрязнения. Такими показателями являются: коэффициент концентрации химического вещества (Кс), выражаемый через величину КК и суммарный показатель загрязнения (Zс).

Анализ распределения геохимических показателей, полученных в результате апробирования почв по регулярной сети, дает пространственную структуру загрязнения территорий и позволяет выделить зоны риска для здоровья населения.

На рисунке 9 приведено пространственное распределение суммарных коэффициентов загрязнения торфяной почвы по глубинам, графически выполненное с помощью программы ArcGIS 9.0. Пробы почвы отбирались на постах мониторинга грунтовых вод во время их организации в 2005 – 2006 г.г.

Полученные данные позволяют отнести торф на постах мониторинга состояния грунтовых вод к категории загрязнения «опасная» на постах А и Б, «чрезвычайно опасная» (Zc128) на посту № 3, «умеренно опасная» (16Zc32) на постах № 6 и 15, к категории «допустимая» (Zc16) на остальных постах мониторинга.

Наибольший вклад в загрязнение почвенного покрова вносят вещества 1 класса опасности (Hg, As, Zn), 2 класса опасности (Cu, Co), 3 класса опасности (нефтепродукты).

Максимальная плотность загрязнения наблюдается непосредственно вблизи восточной оконечности и под телом свалки ТБО, что соответствует данным о выносе поллютантов с фильтрационными водами свалки ТБО в направлении движения грунтовых вод. Отмечается снижение загрязнения торфяной почвы поллютантами с глубиной на прилегающей территории.

По результатам корреляционного анализа можно выделить следующие ассоциации элементов в рамках исследуемой территории, подверженной влиянию свалки ТБО г. Архангельска:

As-Zn-Pb (r 0,9074) и Сu-Ni-V (r 0,6157), т.к. между их содержанием в торфяно-болотной почве выявлены наиболее значимые положительные связи.

Следует отметить, что Cu, Ni и V образуют умеренные положительные корреляционные связи c Fe (r 0,3223), тенденция сохраняется с глубиной.

а Начиная с глубины 1,5 м Cu, Ni и V проявляют умеренную отрицательную (r 0,3184) зависимость от содержания Co. На глубине 0,5 м такая зависимость – положительна (r 0,3640), что, вероятно, объясняется процессами конкурентной сорбции указанных элементов толщей торфяно-болотной почвы.

Изучение микроэлементного состава торфяной почвы свидетельствует о его значительной неравномерности по площади распространения и по глубине.

б Анализ средних концентраций микроэлементов в исследуемой торфяной почве пробных площадей мониторинга в целом показывает, что почва содержит все исследуемые микроэлементы, а также загрязнена нефтепродуктами.

Представляет интерес сравнение полученных результатов по фоновым площадям мониторинга и площадям, заложенным непосредственно в зоне влияния свалки ТБО г. Архангельска.

Сравнимым и самым высоким содержанием микроэлементов и в нефтепродуктов характеризуется почва Рисунок 9 – Суммарные коэффициенты пробных площадей мониторинга загрязнения почвы на глубине 0,5 м (а), 1,5 м (б), состояния почвенного покрова, 2,5 м (в) болотной и лесной растительности №№ 1 – 3, заложенных по направлению движения грунтовых вод в непосредственной близости от свалки ТБО, что подтверждает данные геологических изысканий о направлении движения грунтовых вод и предположение о влиянии фильтрационных вод свалки ТБО на грунтовые воды и почвенный покров прилегающей территории.

С целью геохимической оценки элементного состава торфов использовались следующие показатели: В – встречаемость элемента (% количество образцов, в которых элемент обнаружен, от общего количества проанализированных);

КК – кларк концентрации средних и максимальных содержаний (отношение содержания элемента в данном образце к кларку);

ВК – встречаемость вышекларковых концентраций (% количества образцов вышекларкового содержания от общего количества образцов). Результаты расчета представлены на рисунке 10.

24, 100 80 Содержание, % 60 ККср.

40 20 2,48 2,33 2 1, 1,16 0,93 0,4 0,31 0,21 0, Hg Cd Pb Zn Cu Ni Co V Sr Mn Fe Hg Cd Pb Zn Cu Ni Co V Sr Mn Fe Микроэлемент Микроэлемент В, % ВК,% а б Рисунок 10 - Встречаемость элемента, встречаемость вышекларковых концентраций (а) и средний кларк концентраций (ККср.) (б) в верховом торфе исследуемой территории На основе рассмотренных показателей (встречаемости элемента, кларковых концентраций и вышекларковых содержаний) в таблице 1 приведена оценка содержания поллютантов в верховых торфах исследуемой территории.

Таблица 1 - Классификация элементов по степени их концентрирования в верховом торфе исследуемой территории Накопление в торфе Встречаемость элементов в верховом Энергичное Сильное Слабое торфе (ККср. 0,3) (0,3 ККср. 0,1) (ККср. 0,1) Широкораспространенные (В 75%) Zn, Cu, Ni, Co, Sr Mn Средней степени распространенности Hg, Cd, Pb, V Fe ( 75% В 50%) Малораспространенные (В 50%) - - Рассчитанные КК элементов в торфяных почвах позволяют построить ранжированные биогеохимические ряды элементов по значениям КК по пробным площадкам мониторинга почвенного покрова:

ПП 1: Hg19,92 Cd 5,20 Pb 3,06 Zn 2,85 Cu2,12 Co 1,86 Ni 1,02 V0,60 Sr 0,25 Mn 0,18 Fe 0, ПП 2: Hg 43,25 Zn3,23 Pb 2,49 Cu 2,10 Co 1,48 Ni 0,97 Sr 0,52 V 0,45 Mn0,30 Cd 0,28 Fe 0, ПП 3: Hg37,42 Pb 3,99 Cu 2,47 Zn 2,31 Co1,94 Ni 1,21 V 0,56 Sr 0,32 Cd 0,27 Fe 0,20 Mn 0, ПП 4к: Hg4,92 Cu1,97 Zn1,81 Pb 1,44 Co 1,37 Ni 0,87 V 0,35 Sr 0,23 Fe 0,19 Mn0,17 Cd 0, ПП 5к: Hg 14,83 Zn, Pb,Co 1,45 Cu 1,32 Ni 0,57 Sr 0,22 Mn0,19 Fe 0,16 V 0,03 Cd0, Ранжирование рассчитанных значений коэффициентов суммарных показателей концентрации (Zc) позволяет отнести почвенный покров с 2 фоновых пробных площадей ПП 4к и ПП 5к к категории загрязнения "допустимая" (Zc 16), почву с пробной площади ПП1 – к категории "умеренно опасная" (32 Zc 16), почву с пробных площадей ПП2 и ПП – к категории "опасная"(128 Zc 32).

Наибольший вклад в загрязнение почвенного покрова вносят вещества 1 класса опасности (Hg, Pb, Zn), 2 класса опасности (Cu, Co), 3 класса опасности (нефтепродукты).

По результатам корреляционного анализа содержания микроэлементов в торфяно болотной почве пробных площадей мониторинга можно выделить следующую ассоциацию элементов в рамках исследуемой территории, подверженной влиянию свалки ТБО г. Архангельска: Zn-Cu-Ni-V-Fe, т.к. между содержанием данных микроэлементов в торфяно болотной почве выявлены наиболее значимые положительные связи. Результаты корреляционного анализа отражают данные, полученные при анализе содержания исследуемых микроэлементов в пробах торфяной почвы на постах мониторинга грунтовых вод.

Паразитологические исследования проб торфяно-болотной почвы позволяют оценить ее как «умеренно опасную» в 2007 г. и «чистую» в 2008 г.

Микроэлементный состав торфяных почв исследуемой территории можно представить в виде ряда:

FeMnZnSrCu,V,NiPbCoHg,Cd Так как растения обладают избирательной поглотительной способностью, в них наблюдается несколько иное содержание элементов, чем в почвах. Распределение микроэлементов в растительности площадок мониторинга почвенного покрова, болотной и лесной растительности можно представить в виде ряда:

FeMnZnSrCu,NiPbCo Величины Кб (коэффициентов биологического поглощения) иллюстрируют сильную дифференциацию элементов в процессе их вовлечения в биологическую миграцию. При этом интенсивность биологического поглощения элементов мало зависит от их валового содержания в почве, поскольку некоторые микроэлементы слабо вовлекаются в биологические процессы, а в почвах могут преобладать формы, труднодоступные для растений.

5.3 Изучение сорбционной способности верховой торфяно-болотной почвы по отношению к ионам металлов Почвенный покров прилегающей к свалке ТБО г. Архангельска территории повсеместно представлен торфяно-болотными почвами. Мощность торфа составляет до 4,2 м, ниже залегают глины и суглинки, образующие «естественный» защитный экран, препятствующий проникновению поллютантов в грунтовые воды, залегающие под ним.

Тяжелые металлы и их соединения являются приоритетными поллютантами объектов окружающей среды, в том числе литосферы, и ее верхнего слоя – почвы, а в заболоченных регионах – торфа, в котором они интенсивно концентрируются.

В настоящей работе рассматриваются сорбционные свойства верхового торфа по отношению к ионам Cd2+ и Pb2+. Выбор перечня исследуемых тяжелых металлов обусловлен, во-первых, их высокой токсичностью и, следовательно, необходимостью их первоочередного контроля, а, во-вторых, их различным накоплением и различной подвижностью в сильнокислой верховой торфяной почве.

Измерение равновесной концентрации ионов Cd2+ и Pb2+ выполнялось методом атомно-абсорбционной спектроскопии с электротермической атомизацией (ЭТААС) на ААС-30 (Karl Zeiss Jena, Germany).

Верховой торф можно отнести к набухающим полимерным сорбентам, одной из особенностей которых является то, что их надмолекулярная структура характеризуется существованием широкого спектра областей с различной степенью упорядоченности макромолекул. Поэтому исследования сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ (являющихся d- и p элементами соответственно) проводились в статических условиях после предварительного набухания сорбента в течение 24 часов при соотношении сорбент:модельный раствор = 1:1000 в диапазоне концентраций ионов Cd2+ 0,04 – 1,78 ммоль/л и ионов Pb2+ 0,05 – 2,41 ммоль/л. Температура варьировалась в диапазоне от 288 до 308 К.

Характеристика химической природы верхового торфа, представляющего исследуемую территорию, проводилась по следующим параметрам, результаты представлены в таблице 2:

Таблица 2 - Характеристики исходного образца верхового торфа Элементный состав, % а.с.в Функциональный состав, мг*экв/г Влажность, Органическое Зольность, pHKCl % вещество, % % С H O+S+N COOH OH COOH+OH 17,87±0,2 96,05±0,24 3,95±0,01 2,9±0,1 41,36±2,07 7,02±0,35 51,62 2,21±0,12 0,84±0,04 3,05±0, Сорбционные процессы, протекающие в статических условиях вне зависимости от природы взаимодействия между сорбентом и сорбатом, характеризуются достаточно медленными скоростями протекания, что связано, в первую очередь, с диффузией, обусловливающей проникновение сорбата вглубь структуры сорбента. Поэтому одним из важных факторов, оказывающих влияние на процесс сорбции, является продолжительность контакта фаз.

С целью определения времени достижения сорбционного равновесия проведена сорбция катионов металлов из растворов их солей верховым торфом во времени. Показано, что время достижения сорбционного равновесия в системе сорбент – раствор соли составляет 60 минут для ионов Cd2+ и 90 минут для ионов Pb2+.

Температура является важным фактором, влияющим на сорбционные процессы. Особенно характерно различное влияние температуры на физическую и химическую сорбцию. На рисунке 11 приведены изотермы сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ при различных температурах.

0, 4 0, 0, Удельная сорбция, ммоль/г Удельная сорбция, ммоль/г 5 0, 0,25 0, 2 0, 1 0,30 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2, 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1, Равновесная концентрация, ммоль/л Равновесная концентрация, ммоль/л а б Рисунок 11 - Зависимость сорбции ионов Cd2+ (а) и Pb2+ (б) от температуры (1 – T = 288K;

2 – T = 293K;

3 – T = 298K;

4 – T = 303K;

5 – T = 308K) Полученные изотермы адсорбции относятся к L-типу;

изотермы такого типа хорошо описываются уравнениями Фрейндлиха и Ленгмюра, параметры уравнений представлены в таблице 3.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических изотерм адсорбции показывает, что оба уравнения могут быть использованы для описания процесса сорбции ионов Cd2+ и Pb2+, однако при сравнении соответствующих экспериментальных и теоретически рассчитанных по данным уравнениям изотерм сорбции наблюдается лучшее совпадение изотерм, рассчитанных с использованием модели мономолекулярной адсорбции Фрейндлиха.

Таблица 3 - Параметры сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ верховым торфом в статических условиях Cd2+ Pb2+ Уравнение Уравнение Уравнение Уравнение Ленгмюра Ленгмюра Фрейндлиха Фрейндлиха K c G = G K c T, K A = cn A = cn G = G 1+ K c 1+ K c G,, G,, k n k n ммоль/г ммоль/г ммоль/г ммоль/г 288 0,26±0,03 2,69±0,19 0,19±0,01 0,52±0,04 0,25±0,02 15,55±0,72 0,26±0,02 0,40±0, 293 0,24±0,02 5,02±0,35 0,20±0,01 0,48±0,03 0,29±0,02 15,12±0,64 0,32±0,02 0,43±0, 298 0,30±0,02 3,99±0,28 0,23±0,02 0,51±0,04 0,34±0,02 19,38±0,85 0,39±0,03 0,42±0, 303 0,70±0,08 1,51±0,17 0,35±0,02 0,64±0,04 0,44±0,03 14,49±0,68 0,49±0,03 0,45±0, 308 0,75±0,08 1,26±0,14 0,29±0,03 0,58±0,06 0,51±0,04 10,65±0,40 0,56±0,04 0,50±0, Сорбционная способность ионов сильно зависит от радиуса иона и плотности заряда.

Из двух ионов одинакового заряда большую сорбционную способность проявляют ионы большего радиуса, т.к. они сильнее поляризованы и лучше притягиваются заряженной поверхностью сорбента, а ионы меньшего радиуса более склоны к гидратации и формированию гидратной оболочки, снижающей такое электростатическое взаимодействие.

Радиус иона кадмия составляет 0,099 нм, а радиус иона свинца – 0,126 нм, следовательно сорбционная емкость сорбентов по отношению к ионам свинца должна быть выше, чем по отношению к ионам кадмия (см. таблицу 3).

На рисунке 12 приведены графические зависимости значений предельной сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ верховым торфом от температуры.

0,80 0, 1 Предельная сорбция, ммоль/г 0,70 0, Предельная сорбция, ммоль/г 0,60 0, 0,50 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 283 288 293 298 303 283 288 293 298 303 Т, К T, K а б Рисунок 12 – Зависимость предельной сорбции ионов Cd2+ (а) и Pb2+ (б) от температуры (1 – Уравнение Ленгмюра, 2 – Уравнение Фрейндлиха) По зависимости предельной адсорбции от температуры можно судить о характере протекающих в системе сорбат-сорбент (ионы тяжелых металлов – верховой торф) взаимодействий. Из рисунка Х видно, что температура не влияет на форму изотерм сорбции, в то время как зависимость предельной сорбции от температуры как для ионов Cd2+ так и для ионов Pb2+ имеет тенденцию к увеличению с ростом температуры, что проявляется в активизации активных центров сорбента и характерно для хемосорбции.

Поскольку верховой торф представляет собой полиэлектролит, то основными реакционными центрами, ввиду наличия ароматического углеродного скелета, замещенного алкильными и функциональными группами, являются гидроксильные, карбоксильные и метоксильные группы, обусловливающие его сорбционную способность (рисунок 13), т.к.

суммарное содержание серы и азота обычно не превышает 5%.

Рисунок 13 - Структурный фрагмент гумусовых кислот В таком случае, сорбция, почв по Kleinhempel вероятно, обусловливается протеканием двух процессов: ионного обмена и комплексообразования. Подтверждением этого заключения служат рассчитанные по уравнению (1) величины теплот адсорбции, представленные в таблице 4:

q K = K0 e RT, (1) где K – константа адсорбционного равновесия;

K0 – предэкспоненциальный множитель;

q – теплота адсорбции, кДж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, кДж/моль*К;

T – температура, К.

Таблица 4 - Уравнения зависимости lgK=f(1/T) и теплоты адсорбции тяжелых металлов верховым торфом Теплота адсорбции, R Сорбат Уравнение lgK=f(1/T) кДж/моль Cd2+ lgK=-1898,9*1/T+4,91 -36,31 0, Pb2+ lgK=-3518*1/T+10,87 -62,30 0, Физическая сорбция сопровождается выделением тепла, т.е. в целом процесс является экзотермическим. Следовательно, согласно принципу Ле-Шателье, при любой данной концентрации предельная сорбция понижается с повышением температуры. В случае же хемосорбции или ионного обмена температура оказывает обратное влияние. Это объясняется тем, что данные процессы являются химическими, требующими значительной энергии активации.

Из полученных результатов расчета следует, что в процессе сорбции ионов металлов верховым торфом происходит поглощение теплоты до достижения температуры, соответствующей максимальной сорбционной емкости и, следовательно, процесс является хемосорбционным, а параметр предельной сорбции является показателем сорбционной емкости и может быть использован в системе оценки экологического состояния торфяных почв, выступая в качестве характеристики экологической «барьерной» роли торфа.

5.4 Организация системы эколого-аналитического контроля компонентов природной среды в зоне влияния объектов размещения твердых бытовых отходов На основании данных ботанического, гидролого-геологического описания территории, данных химического, микробиологического, паразитологического и вирусологических анализов проб объектов окружающей среды, подверженных влиянию свалки ТБО, а также оценки применимости методов аналитического контроля некоторых поллютантов, автором предлагается система эколого-аналитического контроля состояния почвенного покрова, болотной и лесной растительности и природных вод в зоне влияния свалок ТБО при их складировании на заболоченных территориях Северо-запада Российской Федерации, представленная в таблице 5.

Таблица 5 – Система проведения эколого-аналитического контроля состояния природных вод, почвенного покрова, болотной и лесной растительности Показатели Группы Периодичность Метод анализа показателей отбора проб Природные воды Почвенный покров 1 2 3 4 рН Потенциометрический Интегральные Для почвенного и растительного покрова – 1 раз показатели pHKCl Сухой остаток Гравиметрический Для природных вод – 2 раза в год (весенне (в год в период максимальной вегетации) качества ХПК Титриметрический Анионный состав (Cl-, HCO3-, SO42-, летний и осенний периоды) Жидкостная ионная NO3-, NO2-, F-, Br-, хроматография 3 Ионный состав PO4 ) Катионный состав Капиллярный (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, электрофорез NH4+) Фенолы Флуориметрия Органические Нефтепродукты ИК-спектроскопия поллютанты Нефтепродукты Флуориметрия Рентгенофлуоресцентный Тяжелые металлы Тяжелые металлы* анализ (Hg, Cd, Pb, Zn, Cu, (Hg, Cd, As, Pb, Zn, Неорганические Инверсионная вольтамперометрия поллютанты Ni, Co, Cr, Bi, Mn, Cu, Ni, Co, Cr, Bi, Атомно-абсорбционная Fe) Mn, Fe, V, Sr) спектроскопия Таблица 5 - Продолжение 1 3 4 ОКБ Для почвенного и растительного покрова эпидемиологически опасный период) ТКБ (весенне-летний и осенний периоды) Для природных вод – 2 раза в год Микробиологические Микробиологические Коли-фаги ОМЧ показатели исследования Патогенные – 1 раз в год (летом в бактерии кишечной группы Яйца гельминтов и Яйца гельминтов личинки гельминтов Паразитологические Гельминтологические Цисты кишечных Цисты кишечных показатели исследования патогенных патогенных простейших простейших Антиген вируса гепатита А Вирусологические Иммуноферментный показатели анализ Антиген ротавирусов * Определяются в растительном покрове в рамках системы эколого-аналитического контроля состояния болотной и лесной растительности ВЫВОДЫ 1. В результате изучения изменения экологического состояния природных вод, почвенного и растительного покрова, подвергающихся влиянию объектов размещения ТБО, выявлены основные закономерности формирования и трансформации компонентного состава объектов окружающей среды в условиях заболоченных территорий Русского Европейского Севера.

2. Изучено влияние свалки ТБО г. Архангельска на химический состав природных вод. На основании различных групп показателей качества воды охарактеризован состав и тип природных вод прилегающей территории, формирующийся под влиянием фильтрационных вод свалки ТБО. Построены ряды содержания основных анионов Cl- HCO3- SO42- NO3-, NO2- PO42-, Br- F- и катионов Na+ K+ NH4+ Ca2+, Mg2+, выявлено загрязнение природных вод фильтратом свалки ТБО, содержащим неорганические (Hg, Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, V, Bi, Fe, Mn), и органические (нефтепродукты и фенолы) поллютанты. Показана эпидемиологическая опасность свалки ТБО (на основании показателей ОКБ и ТКБ).

3. В результате натурных и лабораторных исследований установлена высокая буферная способность торфяно-болотной почвы и показана ее экологическая роль как природного барьера, препятствующего распространению поллютантов, источником поступления которых является свалка ТБО г. Архангельска, с грунтовыми водами.

Микроэлементы охарактеризованы по степени их распространенности и накоплению в почве исследуемой территории. На основе показателя ККср. построены ранжированные биогеохимические ряды содержания элементов в верховой торфяно-болотной почве исследуемой территории: Hg Pb Zn Cu Co Cd Ni V Sr Mn Fe.

Охарактеризован микроэлементный состав верховой торфяно-болотной почвы, формирующийся ввиду инфильтрации загрязненных фильтратом свалки ТБО грунтовых вод, который можно представить в виде ряда: Fe Mn Zn Sr Cu, V, Ni Pb Co Hg, Cd.

4. Впервые с применением современных методов анализа выполнены комплексные химические и физико-химические исследования свойств верховой торфяно-болотной почвы как биосорбента по отношению к классу приоритетных загрязнителей – тяжелых металлов (на примере Cd и Pb). Установлена зависимость предельной сорбции от радиуса и природы сорбируемого иона (сорбционная способность верхового торфа по отношению к Cd2+ составляет 0,35 ммоль/г, а Pb2+ - 0,56 ммоль/г);

протекающие сорбционные процессы могут быть описаны уравнением изотермы Фрейндлиха. Определенные значения энергии активации (-36,31 кДж/моль для Cd2+ и -62,30 кДж/моль для Pb2+) свидетельствуют о хемосорбционном характере взаимодействия в системе активные центры компонентов верхового торфа – ионы тяжелых металлов (сорбент – сорбат). Параметр предельной сорбции, являющийся показателем буферной емкости торфяно-болотной почвы, может быть использован в системе оценки экологического состояния торфяных почв, выступая в качестве характеристики экологической «барьерной» роли торфа.

5. Охарактеризована интенсивность поглощения микроэлементов лесной и болотной растительностью из верховой торфяно-болотной почвы. Наблюдается схожее содержание микроэлементов в надземной части растительности и почвенном покрове глубиной до 20 см.

6. На основании данных ботанического, гидролого-геологического описания территории, данных химического, микробиологического, паразитологического и вирусологических анализов проб объектов окружающей среды, подверженных влиянию свалки ТБО, установлены приоритетные экотоксиканты, подлежащие аналитическому контролю, оценена применимость отдельных физико-химических методов анализа для контроля содержания поллютантов в природных водах и почвенном покрове, и предложена система эколого-аналитического контроля состояния компонентов природной среды в зоне влияния объектов размещения твердых бытовых отходов в условиях заболоченных территорий Русского Европейского Севера.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Список в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Боголицын, К.Г. Эколого-аналитическая оценка состояния полигонов складирования отходов и прилегающих к ним территорий в болотистой местности [Текст] / К.Г. Боголицын, Н.С. Ларионов, М.В. Богданов, Ж.Т. Федина // Экология и промышленность России. – 2007. – Январь. – С.38 – 40.

2. Ларионов, Н.С. Характеристика сорбционных свойств верхового торфа по отношению к d- и p-металлам [Текст] / Н.С. Ларионов, К.Г. Боголицын, М.В. Богданов, И.А. Кузнецова // Химия растительного сырья – 2008. – №4. – С.147 – 152.

II. Материалы конференций 3. Larionov, N.S. Developing monitoring system and monitoring Arkhangelsk city landfill [Text] / N.S. Larionov, K.G. Bogolitsyn, M.V. Bogdanov // Proceedings: International Waste Management, June 1, 2006. – Arkhangelsk, 2006. – P.33 – 36.

4. Боголицын, К.Г. Эколого-аналитический контроль состояния грунтовых вод в зоне влияния свалки твердых бытовых отходов г. Архангельска [Текст] / К.Г.

Боголицын, Н.С. Ларионов, М.В. Богданов // Тезисы докладов VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2006», 26– сентября 2006 г. – Самара, 2006. – С. 22.

5. Ларионов, Н.С. Эколого-аналитическая оценка состояния почв в зоне влияния свалки ТБО г. Архангельска [Текст] / Н.С. Ларионов, К.Г. Боголицын, М.В. Богданов // Материалы II Всероссийской конференции «Аналитика России» с международным участием, 7-12 октября 2007 г. – Краснодар, 2007. – С. 364.

6. Ларионов, Н.С. Характеристика сорбционных свойств торфяной верховой почвы по отношению к Cd2+ и Pb2+ [Текст] / Н.С. Ларионов, И.А. Кузнецова // Материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2008» – ХИМИЯ, 8–11 апреля 2008 г. – М., 2008. – С. 45.

7. Ларионов, Н.С. Применение спектральных методов анализа при изучении сорбционных свойств торфяно-болотных почв [Текст] / Н.С. Ларионов, К.Г. Боголицын, И.А. Кузнецова // Рефераты докладов II Международного форума «Аналитика и Аналитики»: в 2т., 22–26 сентября 2008 г. – Воронеж, 2008. – т.2. – С.396.

8. Ларионов, Н.С. Эколого-аналитическая оценка состояния грунтовых вод, почвенного покрова и грунтов в зоне влияния полигонов складирования отходов [Текст] / Н.С. Ларионов, К.Г. Боголицын // Сборник докладов Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы биоэкологи», 21–24 октября 2008 г.

– М., 2008. – С.32 – 33.

Автор выражает глубокую признательность за оказанные консультации члену корреспонденту РАН, доктору химических наук, профессору МГУ им. М.В. Ломоносова О.А. Шпигуну, а также кафедре теоретической и прикладной химии АГТУ и лично доценту М.В. Богданову, кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов АГТУ и лично проф. А.Л. Невзорову, доценту А.В. Заручевных, доценту А.В. Никитину, доценту кафедры лесоводства и почвоведения АГТУ В.М. Барзуту за помощь в организации и поддержку натурных исследований.