09 марта 2016г.
Одним из наиболее опасны х ис точников загрязнения природной сре ды являю тся аэроте хноген ные выбросы объем которых превышае т 200 тыс. тонн в го д [1]. В результа те формируются потоки загрязненно го атмосферного возду ха.
Наиболее остро э то проблема стоит в районе металлургических комбинатов и их агломерациях, где в результа те мощного те хно генного загрязнения формируются урбогеохимические аномалии с высоким накоплением в экосистема х тяжелы х мета ллов и ме таллоидов.
Поступающие в окружающую среду выбросы оказывают влияние на основные элементы гидрогеоло гического цикла , что с казывае тся на гидро химическом составе природны х вод.
В результате деятельнос ти медеплавильного комбината, ЗАО «КарабашМедь», наносится большой урон окружающей среде и в частности повер хностным водото кам. При выплавки, элементы, на хо дящиеся в виде изоморфных примесей в концентра те пере хо дят в газообразное состояние и пос тупают в а тмосферу. Аэрозольные частицы оседаю т на приле гающий горный ландшафт. При выпа дении обильного количес тва оса дков и таянии снега образуется сток, несущий в себе к подножью горного массива часть элементов аэро промвыбросов и тем самым обуславливае т изменение природного химического состава водны х объектов.
Целью работы являе тся теоретическое обоснование и разработка сооружений и методов снижения загрязнения водны х объектов о т повер хнос тного с тока с территорий п о дверженны х воздейс твию аэротехногенны х выбросов.
Для пос тавленной це ли реша лись с ледующие за дачи:
1. Опреде лить фазовый и химический состав аэрозольны х частиц осевших на сне г.
2. Иссле дова ть уровень содержания тяжелы х ме таллов в снежном покрове и во дны х объекта х.
3. Изучить по снеговому покрову специфику а тмосферных за грязнений территории.
4. Выявить связи между за грязнением снегового покрова и во дны х объектов.
5. Разработать систему защитны х сооружений.
Объектами исследования являю тся: 1) Повер хнос тный сто к с территорий подверженны х аэроте хногенному загрязнению. 2) Атмосферные осадки в виде снега , формирующие поверхностный с ток. 3) Сис тема водны х объектов долины, в ко торой располагается ГОК.
Методы иссле дования:
1. Фазовый и химический соста в аэрозольны х частиц – рентгеноспектра льный ф луоресцентный анализ.
2. Химический соста в снега и повер хностны х во д – а томно-адсорбционный метод.
С э кологической точки зрения наибольший интерес пре дста вляе т анализ содержания за грязняющих веществ в снежном покрове, в котором, как правило , содержится большая часть тяже лы х ме таллов те хногенно го происхождения, выбрасываемы х в слаборастворимой форме [3].
По данным И.В. Ле тенковой и др. (2014), за грязнение сне жного покрова проис ходит в 2 этапа . Во –первых, э то за грязнение сне жинок во время их образования. Во – вторы х, проис ходит загрязнение уже выпавше го снега в резу льтате су хого выпа дения за грязняющих веществ из а тмосферы. Концентрация примесей в сне гу отражает их концентрацию в а тмосфере и указывает на ис точник и ме ханизм образования аэроз олей вблизи места отбора проб [2].
Для определения фазового и химического состава аэрозольны х частиц были отобраны образцы снега, с западного склона массива Лысая гора, состоящего из цепочек соединенны х гор с максимальными высотами до 587 ме тров, протянув шегося с се вера на юг на 12 км., при ширине 2.5 км.,
Отобранные пробы снега рас тапливались в естес твенны х ус ловиях, пос ле чего суспензия фильтровалась для отде ления твер ды х аэрозольны х час тиц, которые в да льнейшем анализировались ме тодом рентгеноспектрального флуоресцентного ана лиза (Табл. 1).
Таблица 1
Химический соста в сажис ты х частиц в сне жном покрове
|
Элемент
|
Содержание
|
ПД Кв
|
|
%
|
ppm
|
|
Fe
|
21.44100
|
214410.00
|
0.30
|
|
Co
|
0.005839
|
58.39
|
0.10
|
|
Ni
|
0.010000
|
100.00
|
0.02
|
|
Zn
|
1.451700
|
14579.00
|
1.00
|
|
Ga
|
0.010000
|
100.00
|
Не установлено
|
|
As
|
0.966500
|
9695.00
|
0.01
|
|
Sr
|
0.003880
|
38.80
|
7.00
|
|
Y
|
0.011850
|
118.50
|
Не установлено
|
|
Zr
|
0.000462
|
4.62
|
Не установлено
|
|
Na
|
0.340000
|
3400.00
|
200.00
|
|
Mg
|
0.020000
|
200.00
|
50.00
|
|
Al
|
2.420000
|
24200.00
|
0.20
|
|
Si
|
8.994000
|
89940.00
|
10.00
|
|
P
|
0.070000
|
700.00
|
0.0001
|
|
S
|
0.886300
|
8863.00
|
Не установлено
|
|
K
|
0.076300
|
763.00
|
12.00
|
|
Ca
|
1.503500
|
15035.00
|
100.00
|
|
Ba
|
0.007980
|
79.80
|
0.70
|
|
Ti
|
0.080400
|
8.04
|
0.10
|
|
V
|
0.004570
|
45.70
|
0.10
|
|
Cr
|
0.056800
|
568.00
|
0.05
|
|
Pb
|
0.013803
|
138.03
|
0.01
|
Как видно из данны х Табл.1, концентрация тяже лы х металлов в снеговой во де в нес колько раз превышае т ПД Кв.
В процессе снеготаяния час тицы, на хо дящиеся в твер дом состоянии, под дейс твием сил тяжес ти и поверхностным стоком, переносятся к подножью горы, где они попадают в во дные объекты . В результа те кислой реакции среды, проис ходит пере ход аэрозольны х час тиц из твердого состояния в ионную форму путем кисло тного гидролиза.
В сажис ты х час тица х (Табл.1), высокое содержание мышьяка, цинка, же леза, никеля, хрома, свинца. Что согласуется с работами Ю.Г. Тация проведенными в 2012 г. [4], где пока зано, что в а тмосферных выбросах зафиксировано значительное количес тво тяжелы х мета ллов. Высокое содержание Ca, Mg и Fe обусловле но процессами кислотного гидролиза минералов, в результа те чего образую тся водорастворимые формы кальция, магния и же леза.
По данным РСФА (Рисунок 1), четко диа гностирую тся пики та ких минералов как риверсайдит ( Rs), фаялит (F), магнезиоферрит (Mf), сребродольскит (Sr) и силикат
ка льция (Sc). Их процентное содержание представлено в Табл.2, где видно, что главными минералами являю
тся с илика ты Mg, Fe и Ca. Наибольшее
ко личество приходится на риверсайдит 27,40%, фаялит 21,30% и магнезиоферрит 15,00%.
Таблица 2
Минералогический сос тав сажис ты х частиц в
толще сне га
|
Формула
|
Название
|
Образец, %
|
|
Ca5Si6O16(OH)2
|
Риверсайдит
|
27,40
|
|
Fe2 + 2SiO4
|
Фаялит
|
21,30
|
|
MgFe2O4
|
Магнезиоферрит
|
15,00
|
|
CaFe O4
|
Сребродольскит
|
10,20
|
|
SiO2
|
Кварц
|
9,40
|
|
KAl3Si3O10(OH)2
|
Мусковит
|
6,31
|
|
CaSiO3
|
Силика т кальция
|
4,96
|
|
Mg3(Si2O5(OH)4)
|
Лизарбит
|
3,49
|
|
(Mg2.8Fe1.7Al1.2)(Si2.8Al1.2)O10(OH)8
|
Клино хлор
|
1,75
|
После отделения твер ды х
частиц, фильтрат ана лизировали на основны е показатели,
пре дста вленные в Табл.3.
Таблица 3
Содержание в сне говой во де тяже лы х металлов и мета ллоидов
|
Опреде ляемые элементы
|
Содержание , pp m
|
ПД К
|
|
Cu
|
52.355
|
1.000
|
|
Cd
|
17.876
|
0.001
|
|
Zn
|
5399.600
|
1.000
|
|
Mn
|
5.541
|
0.100
|
|
Ni
|
1.692
|
0.020
|
|
Cr
|
9.904
|
0.050
|
|
Pb
|
9.278
|
0.010
|
|
As
|
0.027
|
0.010
|
|
Fe
|
48.681
|
0.300
|
Как видно из Таб л.3,
концентрация
иссле дуемы х элементов
превышае т ПД К, при
этом
Zn в 5300
раз, остальные бо лее чем в 10 раз.
Таблица 4
Гидро химические показа
те ли в снеговой воде
|
|
pH
|
Eh, mV
|
Элементы содержащиеся в воде,
pp m.
|
|
SO42-
|
HCO3-
|
Cl-
|
K+
|
Na+
|
Ca2+
|
Mg2+
|
|
|
4.25
|
122
|
4246.68
|
3.10
|
1.30
|
17.44
|
33.56
|
60.12
|
77.30
|
|
ПД Квр
|
-
|
-
|
100.00
|
-
|
350.00
|
50.00
|
120.00
|
180.00
|
40.00
|
Как видно из Табл.4, по гидро
химическим показате лям
наблю даетс я повышенное содержание сульфа т- иона 4246,68 ppm. Талая вода хара ктеризуе тся кис лой реакцией среды 4,25 е д. рН, с окислите льн ыми процессами Eh 122 mV.
Для более по лной оценки влияния
аэропромвыбросов на изменение химического состава поверхностных вод, за кладыва лся гидро химический створ на пяти участка х (Рисунок
2). Отобранные пробы анализировались на общие гидро химические показа те ли (Таб л.5), а та кже содержание
тяже лы х мета ллов и мелаллоидов
(Табл.6). Преде льно допустимые концентрации пре дс тавлены
для вод хозяйственно -питьево
го пользования.
Ис хо дя из по лученны х данны х в Таб л.4, видно, ч то гидро химические показа тели сильно варьируются в зависимости от места о тбора.
Уве личение концентрации сульфа
т иона в с творе № 2 превышае т уровень ПД Квр в 42 раза, что способствует образованию в воде серной кислоты
и изменению уровня рН, до сильнокис
лого 2,62 ед.
Слабощелочная реакция сре ды 7,62 ед. рН отмечена
в точке №1, в оста льны х в диапазоне о т 5,44 до 5,73 е д. Высокое содержание
сульфат иона в исс
ле дуемых водны
х объекта х объясняется значите льным
превышением ПД К диоксида
серы в атмосферных
выбросах [1]. В результа те
чего
на
ис следуемой территории выпадаю
т кисло тные дожди, влияющие как на изменение кисло тности
водны х объектов, так и на изменение в них химического состава. Ос та льные гидро
химические показа
тели на хо дятся в норме.
Таблица 6
Тяжелые мета ллы и ме таллоиды в воде
|
№ точки отбора
|
Элементы содержащиеся в воде,
pp m.
|
|
Cd
|
As
|
Pb
|
Ni
|
Cr
|
Co
|
Cu
|
Fe
|
|
1
|
0.0268
|
0.1120
|
0.8319
|
0.0850
|
0.1042
|
0.0558
|
2.0047
|
1.6069
|
|
2
|
0.1444
|
0.0380
|
0.9219
|
1.2316
|
0.1363
|
0.5346
|
10.2475
|
14.9591
|
|
3
|
0.0183
|
0.3229
|
0.7195
|
0.1783
|
0.1015
|
0.0500
|
10.1810
|
12.4509
|
|
4
|
0.0214
|
0.0480
|
0.7375
|
0.3391
|
0.1069
|
0.0467
|
4.2683
|
11.9318
|
|
5
|
0.0200
|
0.0126
|
0.7600
|
0.3345
|
0.1136
|
0.0681
|
3.9638
|
11.8568
|
|
ПД Квр
|
0.001
|
0.010
|
0.010
|
0.020
|
0.050
|
0.100
|
1.000
|
0.300
|
Из Таб л.6 видно, ч то содержание загрязняющих вещес тв значительно превышае
т ПД Квр, по всем исследуемым элементам. Такие как Cd, As, Pb имеют коэффициент
химического
загрязнения
соответс твенно 20.00, 1.12 и 76.00; Ni, Cr, Co и Cu, соо тве тственно 16.73, 2.27, 0,68 и 3,96; Fe 39.52. Ка к видно из полученны
х данны х, содержание тяжелы х ме таллов в речной воде меньше, чем в снеговой.
Это обусловлено тем что
в процессе снеготаяния часть ка тионов пере хо дит в рас творенное состояние, и задерживается почвой, при оседание на повер хности.
Для уменьшения возде йствия за грязненного повер хностно
го сто ка на водные
объекты , предлагае
тся сконструировать на склоне горного массива барьеры (Рисунок
3) [5].
Ка к видно на Рисунке 3,
барьеры для
ула вливания
повер хностного
с тока
размещаются
в
три с тупени.
Первая и вторая ступени – на вер хней и сре дней части склона (Рисунок 4 а), служит для за хва та осадков. Еѐ конструкция предс тавляе т
прямоугольный борт-ло ток. Ближняя
стенка
должна
глубоко
укрепляться
в
породу, для предо твращения размыва под основание конс трукции.
Дальняя стенка , сооружается выше передней, способствует препятствию обильному потоку воды и служит задержанию снеговой массы. Водоотводящие лотки (Рисунок 4 г), служат для переноса
потоков воды .
По которым он самотеком поступает
сверхних борт-лотков в нижние и далее в магистральный коллектор. Сверху, ставится защита в виде сетки для предотвращения механического засорения
лотков.
Для смягчения воздействия напора сточного потока воды,
в
места х сое динения
борт -ло тков с водоотво дящими,
необ ходим водоразде
лительный барьер в виде конуса (Рисунок
4 б). У самого подножья
горы конструируется главный магис тральный ко лле ктор, в который собирается весь повер хностный с ток ( Рисунок
4 в). Далее собранная
вода направляе тся в о тстойник и подвергается очистке.
В
результа те про деланной
работы можно сделать сле дующие
выводы .
1.
Минералогический соста в иссле дуемы х сажис ты х час тиц в большей
с тепени сос тоит из силика тов Ca, Mg и Fe с высоким содержанием тяжелы х ме таллов и металлоидов.
2.
При анализе снеговой и повер хностной
во ды обнар ужено
превышение ПДК по всем
определяемым элементам. Наиболее высокая
концентрация отмечена
для Cd, As, Pb, Zn и Fe .
3.
Исходя из полученны х данны х сле дуе т, что специфика
а тмосферных загрязне ний в большей
с тепени представлена соединениями, тяжелыми металлами
и металлоидами, а так же другими элементами, сопутствующими в произво дстве черновой меди.
4.
Высокое содержание
в снежном покрове тяже лы х мета ллов и металлоидов, существе нно влияе т на изменение уровня загрязнений водны х объектов. В процессе
снеготаяния, сажи стые частицы переносятся
с повер хностным сто ком к подножью
горы и попадаю т в во дные объекты
. В резу льта те кисло тного гидролиза, проис хо дит частичное их растворение
и как результа
т изменение химического состава повер хнос тны х во д.
5.
Для предо твращения попа дания за грязняющих ве ществ в водо токи пре дла гается конструировать на склона х горного массива барьеры, улавливающие повер хностный
сток. При выпа
дении оса дков он будет направлен к по дножью горы, по во доотво дящим лоткам в магис тральный коллектор
для дальнейшей
ее очис тки.
Спис ок лите ратуры
1.
Источники выброса ртути в России. Обзор ситуации в шести города х с траны подготовлен центром «Эко - Согласие» по заказу Sigrid Rausing Trust и Европейской комисси и через Европейское экологическое бюро, Брюссель.
2.
Летенкова И. В., Литвинов В.Ф., Сморжок В.Г. Химический анализ снежного покрова Новгородской области / Вестник Новгородс кого государс
твенного университе та. 2014. №76.
3.
Смрнова С. М., Долин В.В. / Тяжѐ лые мета ллы в сне жном покрове г. Николаевка.
4.
Таций Ю.Г. Эколо
го-гео химическая оценка загрязнения окружающей сре ды в зоне дейс твия Карабашского медеплавильного комбината / Вес тник Тюменского государс твенного
университе та. 2012. №12
5.
Шабанов М.В., Маричев М.С. Анализ методов
за щиты водны х объектов
о т загрязненно го мышьяком
стока прилегающих ландшафтов. / Актуальны
проблемы те хносферной безопасности и природообустройства: матер. междунар.
науч.-практ.конф. (г. Благовещенс к, 12
февраля 2014 г.). Бла говещенск: ДальГАУ, 2014. – 310 с .
