Методические аспекты оценки производственной динамики поллютантов по косвенным характеристикам стационарной среды в окружении металлообрабатывающего предприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский горный университет

Методические аспекты оценки производственной динамики поллютантов по косвенным характеристикам стационарной среды в окружении металлообрабатывающего предприятия

Чибизова Татьяна Борисовна, магистр кафедры геоэкологии,

Мовчан Игорь Борисович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Промышленные металлообрабатывающие предприятия и их деятельность сопровождаются формированием геохимических эндогенных ореолов рассеяния, рассматриваемых, независимо от их вещественного состояния, как агрессор по отношению к живым организмам, исторически сформировавшихся в экзогенных условиях.

Деятельность подобных объектов предполагает проведение определенной системы оценки степени загрязнения, ориентированной на выявление превышений санитарно-гигиенических нормативов содержания вредных веществ в компонентах окружающей среды, в РФ применяются экспериментально установленные значения предельно допустимых концентраций (ПДК) [2].

Цель нормирования заключается в минимизации негативного воздействия загрязнения на здоровье человека, где главный критерий - миграция токсикантов по трофическим цепям. В результате пренебрегают ущербом, которое наносится сопредельным компонентам экосистемы разнородными загрязнениями. Подобная система нормирования изначально не может обеспечить сохранность экосистемы [1, 3, 7].

Мониторинг, как система контроля уровня загрязнения компонентов окружающей среды, включает методы оценки стационарных сред - почвогрунтов, а также оценку динамики нестационарных - воздушной и водной среды, которые находятся в опосредованном и непосредственном контакте с живыми организмами.

Нестационарные среды характеризуются непрерывным изменением их параметров во времени и выраженной пространственной динамикой. Для объективной оценки уровня контаминации возникает необходимость проведения единовременных замеров по масштабной пространственной сетке, это осложнено: во-первых, значимыми затратами, во-вторых, сопоставимостью замеров, поступающих с разнородных сенсоров.

Геохимическими и гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием металлов в воздушной компоненте и выпадением их в районе производственного объекта. Такая зависимость предоставляет возможность оценить опосредованное влияние нестационарных сред через воздействие их на почвенный покров [3].

Химическое загрязнение почвогрунтов в области функционирования металлообрабатывающего предприятия происходит вследствие пылегазовых выбросов и, как результат, процесса гравитационной сепарации, осложняемого влиянием атмосферных осадков, чередующихся с сухими выпадениями.

В атмосферных осадках преобладают водорастворимые формы тяжелых металлов, данный факт обусловлен присутствием в атмосфере оксидов серы и азота, способствующих образованию растворимых солей металлов. Глубина залегания поллютантов в загрязненных почвогрунтах, как правило, не превышает 20 см, при сильном загрязнении - 160 см. Опасность высоких концентраций, при малых глубинах их проявления, заключается в поступлении водорастворимых форм металлов при кислой реакции среды в грунтовые воды [5].

Подвижный и наиболее устойчивый тип соединений, во вторичных геохимических ореолах рассеяния, образуют ионы тяжелых металлов взаимодействуя с органическими лигандами (цитратами, оксалатами, гуминовыми и фульвокислотами). При реакции образуются: гетерополярные соли - гуматы и фульваты металлов; комплексные соединения; адсорбционные и хемосорбционные комплексы на поверхности твердых частиц. Приведем некоторые реакции органических веществ с соединениями тяжелых металлов (на примере соединений меди - как одного из доминирующих поллютантов).

1. Процесс взаимодействия гидроксида меди и цитрата с получением меди лимоннокислой: .

2. Реакция сульфата меди с оксалатом с образованием соединения медь щавелевокислая:.

В результате взаимодействия с органическими лигандами происходит образование цитрата меди и оксалата меди - неорганических веществ, нерастворимых в водной среде, образующих кристаллогидрат.

3. С оксалатами щелочных металлов происходит формирование комплексного соединения: .

Образования подобного типа понижают возможность контаминации почвенного покрова, вследствие связывания токсичных металлов при достаточном содержании органических веществ в приповерхностном слое грунта.

4. Фульвокислоты () и гуминовые кислоты -- различные по растворимости и геохимическим свойствам гумусовые кислоты. Фульвокислоты повышают способность соединений к миграции в почвогрунтах, гуминовые - интерпретируют мощный геохимический барьер [6].

Устойчивые труднорастворимые и нерастворимые образования участвуют в процессах осаждения-растворения, контролирующих концентрацию ионов большинства металлов в почвенно-грунтовом растворе. Происходящую при этом реакцию можно выразить в обратимой форме: , где M/А - катион/анион тяжелого металла. Произведение растворимости выражается уравнением: , где и - активности катиона и аниона в растворе. Переход металлов в осадок происходит при увеличении концентрации катиона/аниона, при котором произведение их активностей превышает величину . Растворение осадка происходит в случае . Процессы осаждения-растворения влияют на каталитические свойства определенного элемента и его доступность для сопредельных сред и организмов.

На начальном этапе изучения почвогрунтов применяют полевые методы, использование которых сводит к минимуму затраты на получение массива аналитической информации, а поскольку исследуемая среда стационарна, инструментальная база может ограничиться использованием лишь одного прибора.

Исследование приповерхностного слоя почвогрунтов проведено с использованием портативного рентгенофлуоресцентного анализатора (ПРФА), метод измерения прибора основан на регистрации интенсивности откликов характеристических спектров элементов изучаемого вещества.

Значение интенсивности определяется количественным содержанием элемента и обусловлено рядом факторов: толщиной образца , углом под которым на поверхность пробы падает монохроматическое рентгеновское излучение определенной интенсивности , расстоянием и углом , под которым фиксируется флуоресцентное излучение. Функциональная зависимость интенсивности линии i серии q этого излучения записывается как:

загрязнение человек вредный окружающий

и для «толстого» образца (при ): , где и -- выход флуоресценции и скачок поглощения q-уровня;

и -- длины волн первичного и i-линии флуоресцентного излучения;

-- коэффициент поглощения первичного излучения в пробе; -- доля интенсивности i-линии от общей интенсивности; и -- линейные коэффициенты ослабления в образце первичного и i-линии флуоресцентных излучений.

Значение интенсивности линий вторичного спектра зависит от крупности частиц образца, и, как следствие, результаты исследования осложнены систематическими ошибками, связанными с природными процессами, в число которых входят: элементы седиментации, гравитационной сепарации и выветривания. В случае, если излучающий образец - реальная проба, содержащая массовых процентов элемента А, то интенсивность линии i данного элемента полагается на зависимость: , для «толстого» образца , где и -- массовые коэффициенты поглощения первичного и вторичного излучения в образце; К -- коэффициент, исключающий влияние химической составляющей материала.

Из выражений следует: интенсивность линий вторичного спектра полагается как на количественное содержание элемента А, так и на общую химическую составляющую пробы, отраженную в параметрах и . Существенно проявляется эта зависимость при содержании в образце в переменных количествах элементов, способных инициировать эффекты избирательного возбуждения и поглощения [8].

Оценка химической деградации почвогрунтов в лабораторных условиях, с применением ПРФА, предполагает проведение пробоотбора (согласно ГОСТ 17.4.2.02-84): применялась пространственная сетка () с координатной привязкой каждой точки, выемка грунта проведена с глубины, характеризующей основное концентрирование металлов - до 20 см. В целях снижения ошибки репрезентативности проводим пробоподготовку, которая заключается в подсушивании почвогрунта до воздушно-сухого состояния, изъятии инородных включений и гомогенизировании пробы. При использовании коротковолновых аналитических линий (определении тяжелых элементов) достаточно измельчить пробу в ступке до крупности зерен 70 мкм [4].

Исследование почвенных образцов проведено в лаборатории с целью минимизации факторов, влияющих на погрешность анализа в полевых условиях.

Подобная система контроля позволяет рассматривать выявленное пространственное распределение в качестве показательного, свидетельствующего о специфике загрязнения приземного слоя атмосферы, которое непосредственно влияет на контаминацию стационарной компоненты окружающей среды.

Данная система использована в рамках написания работы по оценке и снижению степени химической деградации почвогрунтов в районе функционирования металлообрабатывающего предприятия.

Литература

1. Башкин В.Н. Биогеохимические основы экологического нормирования / В.Н. Башкин, Е.В. Евстафьева, В.В. Снакин; Под ред. В.Н. Башкина, М.В. Иванова. - М.: Наука, 1993. - 304 с.

2. Беляев М.П. Справочник предельно допустимых концентраций вредных веществ в пищевых продуктах и среде обитания. М.: Госсанэпиднадзор, 1993. - 141 c.

3. Воробейчик Е.М. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень) / Воробейчик Е.М., Садыков А.Ф., Фарафонтов М.Г. Екатеринбург: Наука. УФИ, 1994. - 280 с.

4. ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».

5. Дмитриев М.Т. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде / М.Т. Дмитриев, Н.И. Казанина, И.А. Пинигина. М.: Химия, 1989, с. 368.

6. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения. М.: АН СССР, 1980.

7. Соколов М.С. Возможности получения экологически безопасной продукции растениеводства в условиях загрязнения атмосферы (экотоксикологический аспект). Сообщение 1 // Агрохимия. - 1995. - № 6. - С. 107-125.

8. Черноруков Н.Г. Теория и практика рентгенофлуоресцентного анализа / Н.Г. Черноруков, О.В. Нипрук. Нижний Новгород: Нижегородский Госуниверситет, 2012. - 57 с.

Размещено на Allbest.ru