Разработка технологии ремедиации водосборных территорий, подверженных влиянию электрометаллургического комплекса

Актуальность темы

В настоящее время техногенные воздействия промышленных предприятий на окружающую среду привели к загрязнению почв водосборных территорий тяжелыми металлами и, как следствие, к экологической деградации водных объектов.

Металлургические предприятия в г. Челябинске являются основными загрязнителями окружающей среды тяжелыми металлами, в том числе медью и цинком. В выбросах металлургических производств они находятся в основном в нерастворимой форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается, и создаются предпосылки для их поступления в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных. Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полураспада цинка составляет до 500 лет, меди — до 1500 лет.

На исследуемой водосборной территории тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.

Большинство технологий восстановления загрязненных территорий базируются на применении сорбентов и растений. Одним из наиболее известных сорбентов является глауконит, сорбционные свойства которого известны для таких металлов, как кадмий, олово, ртуть, хром, никель, а также нефтепродуктов, редкоземельных и радиоактивных элементов.

Однако закономерности и параметры сорбции глауконитом металлов меди и цинка в настоящее время не изучены. Кроме того, отсутствуют и достоверные данные о поглощении этих металлов растениями. Отсутствие таких данных не позволяют разработать эффективную технологию ремедиации загрязненной территории. Поэтому исследования закономерностей и параметров сорбции солей меди и цинка глауконитом, а также поглощения их растениями, представляются актуальной научно-практической задачей.

Цель работы. Разработать технологию ремедиации водосборной территории и уменьшить нагрузку на р. Миасс по отношению к ионам меди и цинка с электрометаллургического производства. В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить уровень загрязнения водосборной территории р. Миасс в зоне воздействия электрометаллургического производства.

2. Изучить механизмы и закономерности сорбции меди и цинка из почвогрунтов водосборной территории р. Миасс, подвергшейся влиянию электрометаллургического производства, путем использования глауконита и многолетних злаковых трав.

3. Разработать технологию ремедиации водосборной территории с использованием сорбционно-растительного модуля, с целью повышения эффективности очистки почв и поверхностного стока по отношению к ионам меди и цинка.

4. Определить экономическую эффективность разработанной технологии.

Методы исследования. В работе применен комплекс методов исследования, включающий лабораторное и натуральное моделирование, системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющихся в литературе материалов, химический анализ воды, почвы и растительного материала. Для количественного описания экспериментальных данных использованы стандартные методы и пакет прикладных программ для ПЭВМ (Microsoft Excel, MathCAD PLUS 6.0).

Объект исследования. Водосборная территория р. Миасс г. Челябинска.

Предмет исследования. Процессы сорбции, происходящие в почвенном слое водосборной территории мощностью до 140 см, в районе между электрометаллургическим комбинатом и р. Миасс. 5.

Научная новизна. В диссертационной работе получили дальнейшее развитие. научные основы очистки водосборной территории путем применения сорбционно-растительных модулей, заключающиеся в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении роли сорбционных свойств глауконита и многолетних злаковых трав в процессах очистки почвогрунтов и поверхностного стока загрязненных электрометаллургическим производством:

1. Выявлены наиболее загрязненные участки р. Миасс. Доказано, что металлы по водосборной территории распределяются неравномерно. Имеющиеся в подвижной форме ионы меди и цинка резко ухудшают экологическую ситуацию по водосборной территории р. Миасс.

2. Выявлена природа взаимодействия глауконита с солями меди и цинка, установлена зависимость интенсивности сорбции солей меди и цинка от рН среды, а также определены сорбционные характеристики сорбента. Изучены поглотительные особенности многолетних злаковых растений по отношению к меди и цинку, и выявлено распределение металлов по их вегетативным органам.

3. Впервые определены условия интенсификации сорбции металлов путем закрепления глауконита в растительный модуль. Найдены оптимальные технологические режимы и конструктивные характеристики осуществления процесса очистки почвогрунтов и поверхностного стока.

4. Предложены технические решения ремедиации водосборной территории, обеспечивающие ее эффективность путем внедрения сорбционно-растительных модулей из глауконита и подсушенной зеленной массы злаковых растений.

Практическая значимость. Применение разработанной технологии на загрязненных водосборных территориях р. Миасс г. Челябинскавнедрение результатов диссертационного исследования на стадии проектных работ по приготовлению арболита ООО «Архстрой-Сервис" — использование результатов диссертационных исследований автора при чтении дисциплин «Экологические основы природопользования», «Охрана окружающей среды» для студентов специальности 270 112 «Водоснабжение и водоотведение».

Положения, выносимые на защиту:

1. Распределение металлов меди и цинка по водосборной территории происходит неравномерно. Выявлены зоны с минимальным и максимальным содержанием металлов. Зависимости между уровнем концентрации меди и цинка в почве и расстоянием до источника загрязнения носит экспоненциальный характер.

2. Очистка водосборной территории от ионов меди и цинка наиболее эффективна с использованием сорбента и злаковых растений, а выбор сорбента и растений основан на сорбционных и поглотительных способностях по отношению к металлам меди и цинка.

3. Технология ремедиации водосборной территории бассейна р. Миасс," с применением сорбционно-растительных модулей и высевом злаковых трав.

Методологические и теоретические основы исследования. При выполнении работ автор опирался на теоретические разработки в области геоэкологии, физической химии, геохимии, почвоведения, изложенные в трудах Ю. С. Рыбакова, А. Н. Попова, И. М. Фоминых, Э. С. Пробержа, С. С. Тимофеевой и др. Методологическими основами выполнения лабораторных работ являются: Методика выполнения измерений массовых концентрации цинка, кадмия, свинца и меди методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. Количественный химический анализ проб природных, питьевых и очищенных сточных вод. Методика выполнения измерений массовых концентрации меди и цинка методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований).

Реализация результатов работы. Разработанная на основе результатов исследований технология организации и использования системы защиты водных объектов от загрязненного тяжелыми металлами поверхностного стока внедрена в форме использования результатов исследования при разработке 7.

• «плана водоохранных и восстановительных мероприятий по охране и реабилитации р. Миасс и Первого озера в черте г. Челябинска. Использованные в технологии травы и сорбционно-растительные модули применяются в качестве органического наполнителя арболита компанией ООО «АрхстройСервис» и ООО «Кнауф Гипс Челябинск».

Достоверность результатов исследований. Основные научные положения и выводы достоверны и обоснованы с применением комплекса физико-химических методов анализа и находятся в соответствии с теоретическими основами. Справедливость научно — практических рекомендаций подтверждена результатами опытно — промышленных испытаний. Лабораторные эксперименты, необходимые для решения поставленных задач, проводились на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» на поверенном оборудовании, ошибка которых, по данным математической обработки, составила 2+5%.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научнотехнической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области.

Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства" (г.

Челябинск, 2007) — на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов «Моя страна — моя Россия» (первое место в областном туре, г.

Челябинск, 2007) — на V Всероссийской научно-практической конференции.

Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы" (г.

Пенза, 2007) — на научно-технической конференции «Охрана водных объектов.

Челябинской области. Современные технологии водопользования" (г.

Челябинск, 2008) — на Международном конгрессе ЭКВАТЭК — 2008 (г. Москва,.

2008) — на научно-технической конференции «Современные технологии водопользования» (г. Челябинск, 2009) — на научно-практической конференции.

Рациональное использование природных ресурсов" (г. Пермь, 2009), на 1-й.

Всероссийской научной конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» (г. Новосибирск, 2009), на XXI симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2009), на 8 международной научно-практической конференции «Планирование восстановления, использования и охраны водных ресурсов речных бассейнов» (г. Екатеринбург, 2009).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 10 статей, 4 тезисов докладов на конференциях, из них 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК, для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, перечня использованной литературы, включающего 100 источников. Диссертация изложена на 136 страницах, включает 33 таблицы, 40 рисунков, 43 формулы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе решается важная научно — практическая задача — разработана эффективная технология защиты водного объекта от загрязнения солями меди и цинка на основе выявленных закономерностей сорбции металлов глауконитом и их поглощения злаковыми растениями. Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Водосборная территория р. Миасс подвергается загрязнению тяжелыми металлами из газопылевых выбросов электрометаллургических предприятий. Установлено, что содержание меди и цинка в почвогрунтах превышает ПДК в 20 раз, а ежегодная часть меди 95 тыс. тонн и цинка 130 тыс. тонн. Металл, находящийся в атмосфере в виде аэрозоля, попав в почвогрунт с осадками, подвергается физико-химическим превращениям при взаимодействии с компонентами почвы, образуя подвижные формы, которые перераспределяются по профилю почвы. Математической обработкой экспериментальных данных установлена экспоненциальная зависимость между концентрацией меди и цинка в почве и расстоянием от источника загрязнения.

2. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что очистка водосборной территории от ионов меди и цинка наиболее эффективна с использованием глауконита и злаковых трав, как: пырей ползучий, овсяница луговая, житняк гребенчатый. Установлено, что максимальное накопление меди и цинка у растений наблюдалось в листьях в пределах от 6,9 до 8,1 мг/кг сух. в-ва меди и цинка от 9,9 до 15,2 мг/кг сух. в-ва, в корнях же цинка от 0,1 до 0,7 мг/кг, меди от 0,1 до 0,3 мг/кг, а в семенах: цинка от 0,07 до 0,09 мг/кг, меди от 0,01 до 0,05 мг/кг. Совместное применение сорбента и растений снижает концентрацию металлов в почвогрунте и поверхностном стоке от 85 до 95%.

3. Предложено наряду с традиционными технологиями ремедиации использовать сорбционно-растительный модуль, состоящий из смеси глауконита и подсушенной зеленой массы злаковых растений с соотношением 30% и 70% соответственно. Установлено, что модули необходимо укладывать в борозды на глубину до 40 см изначально в районах с максимальной концентрацией металлов в почве, с последующим высевом многолетних злаковых растений, для улучшения эффекта сорбции ионов металлов с водосборной территории.

4. Разработана технология ремедиации с применением сорбционно-растительного модуля для эффективной защиты водосборной территории от ионов тяжелых металлов.

5. Определены экономическая оценка ущерба от загрязнения тяжелыми металлами водосборной территории р. Миасс (2,8 млн. рублей) и величина предотвращенного экологического ущерба от загрязнения почв солями меди и цинка, которые составляют 1,09 млн. рублей.

6. На основании сравнительной технико-экономической оценки между предлагаемой и существующей технологиями установлено, что экономическая эффективность по предлагаемой технологии составит 148 809,05 руб.