Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Техногенное загрязнение тяжелыми металлами водосборной площади бассейна Иртыша в пределах территории Республики Казахстана

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата химических наук, Сибиркина, Альфира Равильевна, Семипалатинск

62 11/13

Государственный университет «Семей»

УДК 628.19:549.257.28(282.251.12)

На правах рукописи

Сибиркина Альфира Равильевна

Техногенное загрязнение тяжелыми металлами

водосборной площади бассейна Иртыша в пределах территории Республики Казахстана

03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель кандидат сельскохозяйственных наук, профессор Панин М. С.

Республика Казахстан Семипалатинск 1999

<1/

х-

Содержание

Введение 3

1 Источники поступления и миграция тяжелых металлов в гидросфере

8

1.1 Источники поступления тяжелых металлов в гидросферу 8

1.2 Формы существования и миграции тяжелых металлов в 12 поверхностных водах

2 Характеристика территории Иртышского бассейна 18

2.1 Рельеф 18

2.2 Геологическое строение территории Иртышского бассейна 20

2.3 Климатические условия территории Иртышского бассейна 23

2.4 Речная сеть Иртышского бассейна 24

3 Методы исследования 28

4 Техногенное загрязнение тяжелыми металлами водосборной

площади бассейна Иртыша в пределах территории Казахстана 37

4.1 Основные источники загрязнения природных поверхностных вод Иртышского бассейна. Расчет эколого-экономического ущерба окружающей среде от функционирования 37 промышленных предприятий

4.2 Содержание, миграция и накопление тяжелых металлов в природных поверхностных водах Иртышского бассейна 42

4.3 Содержание и формы соединений тяжелых металлов в донных отложениях 79

Заключение 90

Список использованных источников 94

Изучение процессов формирования химического состава природных вод является важнейшей частью гидрохимических исследований, имеющих целью выяснение условий и причин изменения химического состава природных вод в пространстве и во времени.

Вопросами формирования химического состава природных вод занимались многие исследователи. Благодаря основополагающим работам В. И. Вернадского (1891-1945 гг.), А. Е. Ферсмана (1932-1955 гг.), А. П. Виноградова (1924-1957 гг.), С. А. Щукарева (1923-1932 гг.), О. А. Алекина (19431965 гг.), М. Г. Валяшко (1950-1965 гг.), П. П. Воронкова (1947- 1955 гг.) и ряда других крупных ученых, основные пути формирования и главные факторы, определяющие химический состав природных вод, в общих чертах известны.

Однако в настоящий период интенсивного развития промышленности при остром дефиците незагрязненных пресных вод, пригодных для использования в бытовых целях, в промышленности и сельском хозяйстве, недостаточно представлять основную направленность, необходимо иметь количественные оценки процессов формирования химического состава природных вод. Необходимо разработать общую теорию круговорота химических веществ в гидросфере и количественно оценить этот процесс.

Составление химических балансов, прогнозные расчеты, мероприятия по направленному регулированию качества воды, установление интенсивности антропогенного влияния на химический состав природных вод не могут успешно осуществляться без изучения процессов формирования, выяснения и количественной оценки основных факторов, определяющих химический состав воды.

Возросшие масштабы антропогенного влияния на природную среду еще более усложнили и в то же время повысили необходимость изучения процессов формирования химического состава природных вод уже в новых условиях, все чаще характеризующихся интенсивным изменением природных факторов, ранее действовавших более или менее стабильно. Нарушение человеком сложившихся на протяжении геологических эпох процессов и равновесия в природе приводит к изменению соотношения ранее действовавших вод. При поступлении сточных вод промышленного, сельскохозяйственного и хозяйственно-бытового происхождения значительно изменяется химических состав природных вод. Так, например, в сточных водах, сбрасываемых в р. Иртыш после

окончательной очистки на очистных сооружениях «Семгорводоканала» и «Кожмехобъединения», содержится повышенная концентрация ряда металлов -хрома, цинка, меди, никеля, стронция, что способствует их накоплению в указанном водоеме (на 28,1-320,2 %) /1/.

Еще более глубокие изменения, действующие более продолжительное время, исчисляемое десятилетиями и столетиями, и иногда приводящие к необратимым последствиям, вызывают процессы антропогенного воздействия на площади водосбора рек, озер и водохранилищ, а также на области питания подземных вод. Так, очаги интенсивного загрязнения подземных вод находятся в контурах горизонта, являющегося главным источником водоснабжения г. Усть-Каменогорска. Уровень загрязнения в границах ареала достигает по цинку, меди, свинцу, кадмию, селену, марганцу, мышьяку десятков и тысяч ПДК (профиль Усть-Каменогорского металлургического комплекса и Ульбинского завода, Усть-Каменогорской ТЭЦ, промплощадки и хвостохранилища). Загрязнение водного горизонта распространилось на многие километры /2/.

Освоение новых территорий под промышленные сооружения, градостроительство и сельскохозяйственные угодья, извлечение из земных недр огромного количества химических веществ, их рассеивание на земной поверхности в процессе переработки и потребления, зарегулирование стока крупных рек и целых бассейнов, переброс стока рек из одних климатических зон в другие и многие другие мероприятия оказывают огромное воздействие на гидрохимический облик водотоков и водоемов и вообще всех природных вод.

Актуальность

В приоритетный список антропогенных загрязняющих веществ входят и тяжелые металлы. До 70-х годов важнейшими загрязняющими веществами считались пыль, угарный и углекислый газы, соединения азота, оксиды серы, ядохимикаты, синтетические органические вещества. И лишь в последние два десятилетия сложилось понимание того, что тяжелые металлы представляют важнейшую проблему в охране окружающей среды /3, 4/. Так, в 1981 г. в программе ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) к числу приоритетных элементов были отнесены Мп, Со, N1, Си, Ав, Мо, Сё, 8п, РЬ. В начале 90-х годов Агентство по защите окружающей среды США (ЕРА) значительно расширило список химических элементов, представляющих опасность для человека при увеличении их содержания в окружающей среде. В число наиболее токсичных элементов вошли Ве, А1, Сг, №, Аэ, ве, Сё, 8Ь, РЬ, в приоритетный

список опасных элементов были включены также Ыа, V, Мп, Со, Си, Ъп, Мо, Аё, Ва, Т1151.

С ростом промышленных и иных антропогенных выбросов в окружающую среду неуклонно возрастает влияние человеческой деятельности на круговорот химических веществ, на их природный баланс. В ряде случаев этот баланс уже нарушен /6/.

Природные и техногенные биогеохимические циклы многих загрязняющих веществ, в том числе и тяжелых металлов (ТМ), изучены недостаточно подробно и детально. Все сказанное в полной мере относится к изучению содержания ТМ в природных поверхностных водах Иртышского бассейна.

Изучение поверхностных вод Иртышского бассейна позволяет качественно и количественно оценить химический состав воды, используемой как источник водоснабжения ряда крупных населенных пунктов и промышленных центров.

Исследование донных отложений природных водоемов является одним из важных направлений водной экотоксикологии и программ контроля загрязнения поверхностных вод. Донные отложения - наиболее информативный показатель и чуткий индикатор антропогенного влияния на состояние окружающей среды.

Научная новизна

В настоящее время накоплен немалый опыт в изучении ТМ в природных водах. Загрязненность р. Иртыш ТМ подтверждена ранее проведенными исследованиями /7, 8/. Нами впервые детально изучено содержание ТМ в воде и донных отложениях р. Иртыш и ее 25 наиболее крупных притоках. Впервые исследованы формы соединений ТМ в составе донных отложений, рассчитано их процентное содержание от валового количества металлов.

Впервые установлены геохимическая структура и формулы геохимической специализации основных миграционных потоков на основании рассчитанных кларков концентраций изучаемых металлов в воде и донных отложениях рек Иртышского бассейна.

Впервые выявлены корреляционные зависимости содержания металлов в воде от ее физико-химических параметров.

Впервые рассчитаны модули ионного стока тяжелых металлов р. Иртыш и

ее 25 притоках.

Установлены основные источники загрязнения рек Иртышского бассейна. Впервые рассчитан экономический ущерб от сброса недостаточно очищенных СВ в р. Иртыш.

На основании полученных результатов исследования дана региональная экологическая оценка состояния поверхностных вод Иртышского бассейна.

Практическая значимость

Изучение содержания, закономерностей распределения ТМ в природных водах способствовало выяснению путей их биогеохимической миграции, установлению качества вод, выделению ореолов техногенного воздействия, расчета геохимического баланса вод, а также установлению генетической связи между концентрацией элементов в воде и в донных отложениях, так как донные отложения не только активно участвуют в процессах самоочищения природных вод, но и могут служить источником их вторичного загрязнения.

Изучение донных отложений позволило получить интегрированную во времени информацию о состоянии окружающей среды.

Проведена экологическая оценка состояния поверхностных вод Иртышского бассейна.

Результаты исследований могут быть использованы при мониторинге химизма природных поверхностных вод.

Выделены наиболее загрязненные реки Иртышского бассейна, нуждающиеся в первоочередном проведении водоохранных мероприятий: Ульба, Бух-тарма, Глубочанка, Красноярка; экстремально загрязненные реки - Бреска и Тихая - притоки р. Ульба.

Цель работы

Изучение закономерностей содержания, накопления и миграции ТМ (марганца, меди, цинка, кобальта, молибдена, свинца, кадмия, хрома) в природных поверхностных водах Иртышского бассейна.

Задачи исследования

1. Выявить размеры эколого-экономического ущерба от сбросов СВ в реку Иртыш предприятиями загрязнителями.

2. Изучить химический состав природных поверхностных вод Иртышского бассейна. Исследовать формы содержания и миграции ТМ в воде и донных отложениях р. Иртыш и ее 25 крупных притоках.

3. Рассчитать модули стока ТМ исследуемых рек.

4. Установить геохимическую структуру и формулы геохимической специализации основных миграционных потоков.

5. Выявить корреляционные связи между содержанием в воде ТМ и ее физико-химическими параметрами (рН, минерализация, взвешенное вещество, ионы, Са2+, Мп2+, НС03", S042").

6. На основании полученных экспериментальных данных дать количественную оценку состояния природных поверхностных вод Иртышского бассейна, рассчитать потенциальный экологический риск.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оценка эколого-экономического ущерба от неэффективной работы очистных сооружений города Семипалатинска.

2. Характер распределения ТМ в реках бассейна Иртыша с различной степенью техногенного воздействия.

3. Интенсивность химической денудации водосборов изученных рек.

4. Геохимическая структура и формулы геохимической специализации основных миграционных потоков.

5. Корреляционные зависимости ТМ в воде и ее физико-химическими параметрами.

6. Региональная экологическая оценка состояния природных поверхностных вод Иртышского бассейна.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 168 источников, из них 27 на иностранном языке. Работа содержит 107 страниц компьютерного текста, набранного в системе Microsoft Word 7.0 for Windows 95, 9 рисунков и 29 таблиц.

1. Источники поступления и миграция тяжелых металлов в гидросфере

1.1 Источники поступления тяжелых металлов в гидросферу

Тяжелые металлы являются приоритетными загрязнителями природной среды /9, 10/.

Источники поступления ТМ в гидросферу очень разнообразны /11/. Главным источником, определяющим химический состав природных вод, являются водовмещающие породы /12, 13/, а состав водных растворов зависит от химического состава и степени растворимости минералов, входящих в породы /14/.-

Некоторые авторы /14-17/, не отрицая значительной роли горных пород в формировании химического состава природных вод, полагают, что в последнее время антропогенный фактор становится доминирующим.

Основными источниками антропогенного загрязнения природных вод ТМ являются хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды (СВ), предприятия цветной и перерабатывающей промышленности, обнаженные поверхности горных выработок, их отвалы, хвостохранилища и продуктохранилища обогатительных фабрик, а также промышленные выбросы в атмосферу, осаждающиеся впоследствии на земную поверхность. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников Павлодарской области в 1996 г. составили примерно 700 тыс. т. Выбросы по данным 1997 г. составили 19473 т/год, в том числе пыли - 11812 т/год /18/.

Основная часть металлов попадает в гидросферу со сточными водами. По данным М. С. Панина /1/, только в районе г. Семипалатинска в р. Иртыш ежегодно выпадает со сточными водами более 418,2 тонн различных металлов. Сток крупных рек в среднем на 10-20 % состоит из сточных вод, а небольших рек индустриальных районов - на 30-40 %, а иногда и на 90%/19/.

Очень часто СВ используются для орошения сельскохозяйственных угодий, а осадки сточных вод применяют в качестве органического удобрения. Среднее содержание ТМ в них может превышать фоновое в почве для Сс1 - в 30 раз, Ъп -в 60 раз, Си - в 25 раз, Аб - в 20 раз. Максимальное же содержание этих элементов может быть еще в 2-3 раза выше. При этом очень редко учитывают количество токсичных веществ, которые выбрасываются на поля, а потом, вместе с сельскохозяйственными продуктами, попадают в организм человека /20, 21/.

Около 90 % всех бытовых стоков и значительный объем промышленных СВ прибрежных городов сбрасывается в моря без предварительной очистки. Объем СВ, ежегодно поступающих в морскую среду, составляет для разных морей от 0,1 % до 20 % и более от объема годового стока впадающих в них рек /22/.

Особенно высокое содержание металлов отличает стоки предприятий, имеющих гальванические производства. Здесь встречаются концентрации свинца в десятки раз, а хрома, кадмия, меди, цинка - в сотни и тысячи раз выше фоновых /23/.

Так, содержание металлов в гальванических стоках машиностроительного завода г. Семипалатинска представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание металлов в гальванических стоках

машиностроительного завода /1/

В микрограммах на литр

Годы Элементы

Ъъ Сг са Си РЬ Аэ 8г № ' Мп V Со Мо

1990 2007,4 4009,5 148,7 1248,8 167,3 25,7 115,3 105843,2 2125,3 23,4 15,4 26,7

1991 1800,5 4670,8 236,9 1597,6 198,7 18,2 128,7 96348,7 1825,6 16,3 21,3 28,9

1992 1060,9 2740,2 190,8 987,3 120,3 9,8 90,6 88346,9 875,4 38,6 10,8 15,4

1993 2140,8 2260,5 183,3 1580,7 159,7 16,3 160,7 72388,5 1423,9 10,8 12,8 54,2

Значительная часть периодически сбрасываемых стоков приходится на сливы рудничных вод и сливы хвостохранилищ, в которых находятся большие концентрации металлов, особенно марганца, железа, кадмия, цинка /23/.

По данным ЮНЕСКО /22/ ежегодно в моря с водами рек попадает свыше 320 млн. тонн железа, 2,3 млн. тонн свинца.

Промышленные стоки добавляют к естественному речному выносу 2-кратное количество ртути, 12-13-кратное количество свинца, меди и цинка, 30-кратное количество сурьмы. Общий поток поступления ТМ в северовосточную часть Атлантического океана с промышленными и хозяйственными стоками составляет 9096 млн. м3 в год /24/.

Все промышленные и бытовые стоки до поступления в природные объекты проходят через очистные сооружения. Даже после отстойников, в которых осаждается основная масса взвешенных веществ, содержание металлов в стоке продолжает оставаться значительным: содержание меди в 69 раз выше фонового, никеля - в 16 раз, хрома - в 12 раз, стронция и ртути - в 9 раз /23/.

Содержание отдельных элементов во взвеси после механической очистки даже повышается. Это объясняется неодинаковой адсорбционной способностью взвешенных частиц: если цинк, никель, марганец и хром сосредоточены преимущественно в тонких фракциях, то свинец - в грубых, а медь - равномерно и в тех, и в других /25/.

Значительными источниками загрязнения гидросферы являются выхлопные газы автотранспорта /26, 27/. С выхлопными газами автотранспорта на поверхность земли ежегодно выбрасывается 260 тысяч тонн свинца /28/.

Распределение ТМ в тропосфере регулируется общей для всех металлов закономерностью, а именно: уменьшением их концентрации в направлении от поверхности Земли в степенной зависимости от высоты. Это обусловлено распределением твердых частиц (ядер) аэрозолей, которые являются основными носителями металлов в тропосфере. В приземном слое воздуха над территорией, свободной от техногенного воздуха, концентрация цинка колеблется от 2 до 70 мг/м3, концентрация кадмия - от 0,2 до 2 мг/м3 и так далее /29, 30/. В процессе формирования и существования аэрозолей происходит определенное изменение состояния металлов в тв