Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Миграция и трансформация тяжёлых металлов из гальваношламов в почвах

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Содержание диссертации, кандидата химических наук, Ширкин, Леонид Алексеевич

Общая характеристика работы.

1. Литературный обзор.

1.1. Шламовые отходы гальванических производств.

1.2. Техногенная миграция тяжёлых металлов (ТМ).

1.3. Внутренние и внешние факторы миграции химических элементов./.;.

2. Объекты и методы исследований,.

2.1. Методика проведения исследований.

2.2. Характеристика применявшихся средств и методик анализа.

2.3. Методика аналитико-камеральных исследований - обработка данных.

2.4. Гальваношламы.

2.5. Почвы.

3. Исследование миграции и трансформации ТМ в почвах из различных соединений.

3.1. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, в образцах почв различного состава.

3.2. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей разовой (ударной) дозой, в образцах почв различного состава и насыпной плотности.

3.3. Миграция ТМ, вносимых в форме растворимых солей, исследуемая на модели реального почвенного профиля.

3.4. Миграция и трансформация соединений ТМ в почвенных образцах в различных физико-химических условиях.

4. Исследование миграции и трансформации ТМ в почвах из гальваношлама.

4.1. Миграция Т.М из гальваношлама при нейтральных промывных водах на образцах почв различного состава.

4.2. Миграция и трансформация соединений ТМ, выщелачиваемых из гальваношлама, в зависимости от анионного состава кислых промывных вод.

4.3. Исследование кинетики миграции ТМ из гальваношлама в профиле серой лесной почвы методом электропроводности.

4.4. Техногенная трансформация ТМ в системе «гальваношлам почва».:.

5. Исследование миграции ТМ из ральваношлама в условиях полевого эксперимента.

Выводы.

Практические рекомендаци и.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Миграция и трансформация тяжёлых металлов из гальваношламов в почвах"

Актуальность работы. Прогрессирующее антропогенное загрязнение почв -особо важная современная проблема. Многочисленное несанкционированное складирование промышленных отходов, применение химикатов и удобрений, влияние крупных промышленных центров обусловили опасное загрязнение почв, в первую очередь тяжёлыми металлами (ТМ). Тяжёлые металлы - это в основном политропные яды, которые с относительно небольшой избирательностью накапливаются в разных органах и тканях и дают широкий спектр трудно диагностируемых патологий. Опасность отравления ТМ возросла в последние 20-30 лет из-за многочисленных локальных (импактных) техногенных поступлений тяжёлых металлов. Отсутствие специально оборудованных полигонов приводит к тому, что предприятия складируют промышленные отходы на собственной территории и на несанкционированных полигонах и свалках. Как правило, существующие хранилища и промплощадки не приспособлены для хранения отходов, содержащих ТМ. В результате возникают источники вторичного загрязнения окружающей среды и техногенных полиметалльных аномалий ТМ.

Одним из наиболее распространенных видов промышленных отходов являются гальваношламы и осадки от нейтрализации сточных вод гальванических производств, содержащие комплекс соединений ТМ. Объемы таких отходов достаточно велики, а коэффициент использования мал, что связано со сложностью состава и высоким содержанием в них опасных токсикантов. Для Владимирской области проблема гальваношламов является весьма актуальной. В структуре накопления опасных отходов (1-5 классов опасности) на территории предприятий отходы гальванических производств занимают более 35%. Поэтому особую значимость приобретают исследования шламовых отходов, их влияния на почвенный покров, закономерностей техногенной трансформации и миграции ТМ в почвах.

Цели и задачи исследований. Целью исследования явилось изучение особенностей миграции и трансформации соединений ТМ, попадающих в почву из галь-ваношламов.

Поставленная цель определила следующие задачи:

- экспериментальное изучение особенностей миграции и трансформации ТМ из солей и гидроксидов металлов в образцах серой лесной и дерново-подзолистой почв в зависимости от различных факторов (объёма и рН дренажных вод, физико-химических свойств почвы и др.);

- экспериментальное изучение особенностей миграции и трансформации в почвах ТМ из гальваношламов;

- исследование миграции ТМ из гальваношламов сложного полиметалльного состава в почвах (in situ) за длительный период в условиях искусственных полигонов.

Научная новизна работы. В работе впервые реализован комплексный подход, в котором техногенная миграция ТМ рассматривается в природно-антропогенной системе «промышленные отходы - почва».

- Выявлены основные этапы техногенной трансформации тяжёлых металлов в системе «гальваношлам - почва»: 1) выщелачивание ТМ; 2) трансформация, связанная с депонированием и обменом ионов ТМ почвенным веществом; 3) превращения при переносе ТМ в фильтрационном потоке из гальваношлама в почвах;

- Миграция ТМ из гальваношламов сложного полиметалльного состава в серых лесных и дерново-подзолистых почвах характеризуется высокой интенсивностью (Рх~0,001 сут"1); в условиях полевого эксперимента до 50% ТМ, содержащихся в гальваношламе, мигрирует по профилю почв в течение года, что создаёт реальную угрозу резкого локального загрязнения грунтовых вод.

- Установлены ряды миграции ТМ на различных почвах; в условиях полиметалльного загрязнения почв отмечена повышенная мобильность соединений свинца по сравнению с «монозагрязнением».

Практическая значимость работы. Результаты работы позволяют оценивать и прогнозировать возможные изменения почв, которые произойдут в результате воздействия гальваношлама; экспериментально доказана опасность несанкционированного складирования токсичных промышленных отходов на территории предприятий и на необорудованных полигонах, что создаёт реальную опасность вторичного загрязнения окружающей среды; результаты работы позволяют предсказать возможные экологические последствия; выработать научно обоснованные рекомендации по обращению с промышленными отходами, содержащими ТМ и могут быть рекомендованы при организации агроэкологического мониторинга.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались на конференции - молодёжные докучаевские чтения' 99: «Почва. Экология. Общество» (Санкт-Петербург, 1999г.); международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 1999г.); III съезде доку-чаевского общества почвоведов (г. Суздаль, 2000г.).

Работа выполнялась в рамках научно-технических программ: федеральная целевая программа ФЦП «Интеграция» (проект №М0158); межвузовская научно-технической программа «Эффективные технологии утилизации, обезвреживания и захоронения отходов» (МНТП. 485.98). Опубликовано 9 работ.

Объём и структура работы. Диссертация изложена на 190 страницах машинописного текста, включает 92 таблицы и 46 рисунков. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Список литературы содержит 198 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Ширкин, Леонид Алексеевич

ВЫВОДЫ

1. Исследована миграция ТМ из гальваношлама на серых лесных и дерново-подзолистых почвах. Техногенная миграция тяжёлых металлов в системе «отходы - почва» представляет неравновесный, динамичный процесс, который характеризуется спецификой, отличной от естественной физико-химической миграции этих элементов. В почвенном профиле формируется техногенный поток рассеивания тяжёлых металлов, имеющий чёткую пространственную связь с его источником - твёрдыми промышленными отходами, а наблюдаемая техногенная аномалия ТМ характеризуется динамичностью и непостоянством параметров полиметалльного загрязнения.

2. В почвенном профиле перераспределение ТМ имеет выраженный импульсный характер: на начальных этапах привноса ТМ в гумусовом горизонте формируется «импульс» - максимум концентраций ТМ, который в дальнейшем под действием кислых фильтрационных вод смещается в нижележащие горизонты. При этом установлено, что миграция ТМ, вносимых с растворами солей и с малорастворимыми гидроксидами, в кислой окислительной среде имеет сходный характер. Преобладание гидроксидных форм ТМ в гальваношламах обусловливает многостадийность процесса выщелачивания ТМ, завершающийся образованием значительного количества их подвижных и растворимых форм.

3. Выделены три основных этапа техногенной трансформации тяжёлых металлов в системе «гальваношлам - почва»: 1) выщелачивание ТМ; 2) трансформация, связанная с депонированием и обменом ионов ТМ почвенным веществом; 3) превращения при переносе ТМ в фильтрационном потоке.

4. Специфика техногенной трансформации тяжёлых металлов в системе «гальваношлам - почва» определяется: во-первых, образованием при выщелачивании значительного количества комплексных катионов ТМ, которые активно мигрируют вниз по почвенному профилю; во-вторых, высокой интенсивностью миграции ТМ, обусловленной как катионным (Zn2+, Cr3+, Fe2+), 2 так и анионным составом фильтрата (S04 , С1 ), а сложный состав отходов и реализуемый полиметалльный характер загрязнения определяет неодинаковую роль металлов в системе «гальваношлам - почва»; в-третьих, почвенное органическое вещество может действовать как важный регулятор подвижности тяжёлых металлов в почвах, однако оно не может быть доминирующим фактором в техногенной миграции и трансформации соединений ТМ в почвах. Гумусовый горизонт в системе «промышленные отходы - почва» не является эффективным барьером по отношению к тяжёлым металлам, так как, несмотря на эффект депонирования, он не прекращает миграцию ТМ в нижележащие горизонты.

5. Установлено, что наибольшую миграционную способность в кислой окислительной среде проявляют цинк, свинец, медь, а также никель. В условиях эксперимента по абсолютному количеству тяжёлых металлов, выщелачиваемых из шлама, ТМ располагаются в следующем порядке: Zn > Fe > Cr > Си > Ni > Mn > Pb > Co; однако по интенсивности миграции ТМ из гальваношлама этот ряд выглядит иначе: Pb > Си, Zn, Ni > Mn > Cr, Fe > Co, причём основной вклад в полиметалльное загрязнение почв вносят Zn, Cr, Ni, Pb - элементы, обладающие наибольшей относительной атомной массой и характеризующиеся разнообразием миграционных форм.

6. Ведущим фактором, управляющим выщелачиванием ТМ из гальваношлама, является реакция среды: в кислой и слабокислой среде гальваношлам способен создавать импактные, ударные техногенные нагрузки на почву полиметалльного характера. При снижении рН с 5,5 до 3,0 относительное количество ТМ, выщелачиваемых из гальваношлама в течение месяца, возрастает с 0,2% до 10%, а

5 3 интенсивность выщелачивания - более чем в 150 раз (Рх возрастает от 10" до 10°

-К сут ).

Миграция ТМ из гальваношламов сложного полиметалльного состава в серых лесных и дерново-подзолистых почвах в условиях естественного увлажнения отличается высокой интенсивностью (Рх~0,001 сут"'). Полученные на основе экспериментальных данных периоды полуудаления ТМ из гальваношлама с кислыми промывными водами (рН=3) составляют от 4 месяцев для меди, свинца и цинка и до 2 лет - для марганца, кобальта.

7. В условиях полиметалльного загрязнения растворимость и миграционная способность тяжёлых металлов выше, чем у отдельных соединений ТМ, что особенно характерно для свинца. Полиметалльное загрязнение почвенных горизонтов выходит за пределы верхнего полуметрового слоя почв, создавая реальную угрозу загрязнения грунтовых вод.

8. Почвы под воздействием гальваношламов претерпевают большую степень преобразования: от природных до природно-техногенных. Экспериментально доказана опасность несанкционированного складирования гальваношламов сложного полиметалльного состава на территориях предприятий и на необорудованных полигонах, что создаёт реальную опасность вторичного загрязнения окружающей среды. Следовательно, оценка гумусоаккумулятивных горизонтов как естественного барьера для тяжёлых металлов, поступающих из хвостохранилищ, должна быть основана не только на изучении сорбционных свойств конкретных почв в отношении токсикантов, но и с учётом процессов миграции тяжёлых металлов в условиях полиметалльного загрязнения в соответствии с установленными рядами миграции. С учётом высокой миграционной способности тяжёлых металлов и, очевидно, более высокого класса опасности шламовых отходов необходимо ускорить решение ряда из первоочередных задач - переработка накопленных шламов и поиск альтернативных (безреагентных) методов очистки сточных вод, содержащих тяжёлые металлы. Разработанные рекомендации могут быть использованы природоохранными и проектными организациями при организации агроэкологического мониторинга и при выборе мест размещения отходов.

175

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Экспериментально доказана опасность несанкционированного складирования гальваношламов сложного полиметалльного состава на территориях предприятий и на необорудованных полигонах, что создаёт реальную опасность вторичного загрязнения окружающей среды. Следовательно, оценка гумусоаккумуля-тивных горизонтов как естественного барьера для тяжёлых металлов, поступающих из хвостохранилищ, должна быть основана не только на изучении сорбцион-ных свойств конкретных почв в отношении токсикантов, но и с учётом процессов миграции тяжёлых металлов в условиях полиметалльного загрязнения в соответствии с установленными рядами миграции.

2. С учётом высокой миграционной способности тяжёлых металлов и, очевидно, более высокого класса опасности шламовых отходов необходимо ускорить решение ряда из первоочередных задач - переработка накопленных шламов и поиск альтернативных (безреагентных) методов очистки сточных вод, содержащих тяжёлые металлы.

3. Полученные данные могут быть использованы природоохранными и проектными организациями при организации агроэкологического мониторинга и при выборе мест размещения отходов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата химических наук, Ширкин, Леонид Алексеевич, Владимир

1. Акимова Т. А., Хаскин В. В. Экология. - М.: ЮНИТИ, 1998. - 455 с.

2. Алексеев Ю. В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. JT.: Агропромиз-дат, 1987.- 142 с.

3. Алексеенко В. А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. М.: Недра, 1990.- 142 с.

4. Аржанова В. С., Елпатьевский П. В. Геохимия ландшафтов и техногенез. -М.: Наука, 1990,- 196 с.

5. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1981 - 679с.

6. Ачкасов А. И. Распределение микроэлементов в агроландшафтах Московской области. Авт-т канд. дисс. М.: МГУ, 1987. - 24 с.

7. Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. -248 с.

8. Баклан В. Ю., Колесникова И. П. Электрохимическая очистка гальваностоков и утилизация полученных осадков / Сборник статей «Экологичность технологических процессов и охрана окружающей среды». Одесса, 1997.

9. Батоян В. В., Вшивцев В. С., Касимов Н. С. и др. Биогеохимическая оценка состояния природной среды. Тр. Биогеохим. лаб. т. 21. М.: Наука, 1990. -с. 108-125.

10. Бек Р. Ю. Воздействие гальванотехнических производств на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. Новосибирск: Изд-во ГПНТБ СО РАН, 1991. - 88 с.

11. Буренков Э. К., Гинзбург JT. Н., Грибанова Н. К. и др. Комплексная эколого-геохимическая оценка техногенного загрязнения окружающей природной среды. М.: Прима-пресс, 1997. - 73 с.

12. Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. А. Методы исследования физических свойствпочв n грунтов. Изд. 2-е. Учеб. пособие для студентов вузов (специальность «Агрохимия и почвоведение»), -М: «Высшая школа», 1973. 399 с.

13. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.

14. Васильев В. П. Аналитическая химия. В 2 ч.: Учебн. для химико-технол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 320 с.

15. Васильевская В. Д. Оценка устойчивости тундровых мерзлотных почв к антропогенным воздействиям. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение, 1996, №1, с. 27-35.

16. Водяницкий Ю. Н., Добровольский В. В. Железистые минералы и тяжёлые металлы в почвах. М.: Почвенный институт им. Докучаева РАСХН, 1998.

17. Волкова В. Г., Давыдова Н. Д. Техногенез и трансформация ландшафтов. -Новосибирск: Наука, 1987. 190 с.

18. Воробьёва А. Л., Лобанова Е. А., Новых Л. Л. и др. Геохимия тяжёлых металлов в природных и техногенных ландшафтах. Под ред. М. А. Глазовской. М.: Изд-во МГУ, 1983.- 196 с.

19. Воронин А. Д. Основы физики почв. М.: Изд-во МГУ, 1986. - 244 с.

20. Временные методические рекомендации по проведению инвентаризации мест захоронения и хранения отходов в российской федерации. М.: Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, 1995. - 12 с.

21. Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов. Москва, 1987.

22. Гаврилова И. П., Касимов Н. С. Практикум по геохимии ландшафта. М.: Изд-во МГУ, 1989.-72 с.

23. Геохимические исследования городских агломераций. Отв. ред. Э. К. Бурен-ков, В. В. Иванов. М.: ИМГРЭ, 1998. - 166 с.

24. Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. -М.: Высшая школа, 1988. 328 с.

25. Глазовская М. А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997.- 102 с.

26. Глазовская М. А. Теория геохимии ландшафтов в приложении к изучению техногенных потоков рассеяния и анализу способности природных систем к самоочищению. // Техногенные потоки веществ в ландшафтах и состояние экосистем.-М.: МГУ, 1981.-е. 7-41.

27. Голубев Г. Н. Геоэкология. М.: Геос, 1999. - 338 с.

28. ГОСТ 16263-70. Метрология. Термины и определения. 60 с.

29. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. 4 с.

30. ГОСТ 17.4.1.03-84. Охрана природы. Почвы. Термины и определения химического загрязнения. 5 с. ■

31. ГОСТ 17.4.2.01-81. Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния. 4 с.

32. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. 4 с.

33. ГОСТ 17.4.3.03-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ. 2 с.

34. ГОСТ 17.4.3.06-86. Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ. 5 с.

35. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. 11 с.

36. Добровольский В. В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние.41