Техногенная трансформация почвенного покрова горно-металлургических комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Аграрный Университет

Кафедра почвоведения имени Л.Н. Александровой

Курсовая работа

Техногенная трансформация почвенного покрова горно-металлургических комплексов

Выполнил студент группы 015231

Мухин С.И.

Руководитель:

Шабанов М.В.

Санкт-Петербург 2012

Содержание

Введение

1. Развитие и современное состояние горно-металлургических комплексов

1.1 Медно-рудный комплекс

2. Горно-металлургические комплексы как источники загрязнения окружающей среды

3. Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе аэропромвыбросов

4. Накопление загрязняющих веществ в составе отходов производства

5. Распределение олова, ртути, кадмия и железа в почвенном слое

6. Распространенность олова, ртути, кадмия и железа в почвообразующих породах Южного Урала

7. Распределение олова, ртути, кадмия и железа в антропогенно измененных почвах

8. Особенности распределения подвижных форм олова, ртути, кадмия и железа

9. Ассоциации тяжелых металлов в антропогенно измененных почвах

Заключение

Список использованной литературы

металлургический аэропромвыброс почва олово

Введение

При воздействии горно-металлургических комплексов (ГМК) происходит интенсивная техногенная трансформация окружающей среды, которая заключается в её загрязнении. Это характерно для Южного Урала - старейшей горнодобывающей и перерабатывающей минеральное сырьё провинции. Разработка и переработка минеральных ресурсов, начавшиеся три столетия назад, и в настоящее время являются основой экономики региона. В процессе добычи и переработки сырья во все среды - воздух, почву, поверхностные и подземные воды поступает большое количество загрязняющих компонентов, главным образом, металлов, создающих серьезную экологическую угрозу

Актуальность работы. Объективность оценки техногенной трансформации почвенного покрова горно - металлургического комбината может быть обеспечена учётом распределения загрязнителей во всех ингредиентах среды на каждом этапе технологического цикла. Особое значение рассматриваемая проблема имеет для урбанизированных территорий в открытых структурах складчатых поясов. Её решение возможно на примере Южного Урала с его своеобразным геологическим строением и металлогенией, определяющими природное повышенное и неоднородное содержание загрязняющих компонентов в окружающей среде, с длительной историей отработки рудных месторождений и переработки сырья, сформировавших мощное техногенное загрязнение.

Цель данного исследования - раскрыть техногенную трансформацию почвенного покрова горно - металлургического комплекса.

Задачи исследования:

- охарактеризовать развитие и современное состояние горно - металлургических комплексов;

- изучить ГМК как источники загрязнения окружающей среды;

1. Развитие и современное состояние горно-металлургических комплексов

Более 7% ВВП и около 17% в общем объеме промышленного производства в нашей стране приходится на горно-металлургический комплекс.

Современное хозяйство не может обходиться без металла. В экономике России металлургический комплекс играет большую роль. Он потребляет 25% добываемого угля, 25% производимой электроэнергии. На его долю приходится 30% грузовых железнодорожных перевозок. Состояние российской металлургии существенно влияет на уровень жизни населения, так как многие предприятия - градообразующие. Металлургический комплекс состоит из двух крупных отраслей - черной и цветной металлургии. Несмотря на значительные различия, они имеют ряд общих черт. В состав металлургического комплекса входит около 3 тыс. предприятий. Но большая часть металла производится на нескольких наиболее крупных предприятиях. Три крупнейших предприятия черной и цветной металлургии выпускают более 1/3 всего металла. Таким образом, металлургия в России - отрасль с высоким уровнем концентрации производства. (В.П. Дронов; В.Я. Ром; «Дрофа» 2010)

Металлургия включает в себя не только производство металлов, к ней относятся и другие производства, связанные с получением металлов: добыча и подготовка руды, топлива, производство вспомогательных материалов (огнеупоров, кислорода). Поэтому основная часть черных и цветных металлов производится на так называемых комбинатах. Комбинаты - это предприятия, включающие не только все стадии собственно металлургического процесса, но также технологически и экономически связанные с ними производства других отраслей. Такая форма организации производства называется комбинированием. В черной металлургии основа комбинирования - последовательная переработка сырья (руда - чугун - сталь - прокат). В цветной - его комплексное использование, поскольку из руд цветных металлов одновременно можно получить несколько металлов.

На размещение металлургических предприятий наибольшее влияние оказывают: 1) качество используемого сырья (руды); 2) применяемый для производства металла вид энергии; 3) география источников энергии и сырья. Металлургические предприятия выгоднее всего создавать: 1) в районах добычи руд (Урал, Норильск); 2) в районах добычи коксующихся углей (Кузбасс) или производства дешевой электроэнергии (Восточная Сибирь); 3) на пересечении потоков руды и угля (Череповец). При размещении учитывают также обеспеченность водой, транспортными путями, необходимость охраны природы. Под действием рассмотренных факторов металлургические предприятия размещаются по территории страны не равномерно, а сгустками, получившими название основных металлургических баз.

На территории России выделяются три металлургические базы: Уральская, Центральная и Сибирская. Каждая из них имеет свои особенности по обеспеченности сырьем, топливом, электроэнергией, набору и мощности производств. (Сает Ю.Е. 1990)

1.1 Медно-рудный комплекс

Медный горно-металлургический комплекс состоит из предприятий по добыче и обогащению руды, медеплавильных и медеэлектролитных заводов. Эти предприятия находятся на территории Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Республики Башкортостан.

Балансовые запасы меди в Уральском регионе на начало 1995 г. составляли 21249,5 тыс. т. В Оренбургской области находится 37,5% уральских запасов меди, в Республике Башкортостан - 30,5%, в Свердловской области - 21,6% и в Челябинской - 10,4%. Уральская рудно-сырьевая медная база представлена в основном колчеданными медными и медно-цинковыми рудами. Содержание меди в них не превышает 1,7%. Они также содержат цинк, золото, серебро, кадмий, редкие и рассеянные элементы. Более того, минерально-сырьевая база большинства предприятий Урала сильно истощена за время длительной и зачастую выборочной эксплуатацией.
С 1998 г. наблюдается рост производства черновой и рафинированной меди.

Нехватка на Урале собственного медного сырья обусловлена следующими факторами:

истощение запасов действующих месторождений;

недостаточные объемы геологоразведочных работ и низкие темпы прироста запасов медьсодержащих руд;

повышение трудоемкости и себестоимости добычи и производства товарной руды вследствие непрерывного ухудшения горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатируемых месторождений;

отсутствие у добывающих предприятий основных и оборотных средств для поддержания и развития производства из-за роста цен и тарифов на услуги естественных монополий, чрезмерного налогового давления;

низкие темпы технического прогресса в горнодобывающей промышленности;

ориентация в прошлом на сырье, поступавшее их республик нынешнего ближнего зарубежья и Монголии. (Вавилова Е.В. 2005)

Одной из острейших проблем на современном этапе развития металлургического комплекса России являются рациональное природопользование и охрана окружающей среды. По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу и почву, образованию твёрдых отходов металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность её производства и повышенную социальную напряжённость в районах действия металлургических предприятий.

Защита окружающей среды в отраслях металлургического комплекса требует огромных затрат. Иногда более целесообразным оказывается применение технологического процесса, менее загрязняющего окружающую среду, чем контроль (с огромными затратами) уровня загрязнённости при использовании традиционных технологий.

В настоящее время деятельность металлургических предприятий должна быть обеспечена, прежде всего, снижением экологической опасности, внедрением экологически чистых технологий и созданием безотходных производств. Безотходная технологическая система - это сочетание организационно-технических мероприятий, технологических процессов и способов подготовки сырья и материалов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии. Переход к малоотходной и безотходной технологии, совершенствование способов утилизации вредных веществ, комплексное использование природных ресурсов - основные направления ликвидации вредного влияния металлургического производства на состояние окружающей среды.

В обозримой перспективе должны произойти существенные изменения в техническом состоянии металлургического комплекса, в процессах природопользования, что позволит в значительной степени решить многие экологические проблемы. (Reffine.com)

2. Горно-металлургические комплексы как источники загрязнения окружающей среды

Предприятия металлургии - главные загрязнители воздуха - ежегодно дают соответственно 35 и 32% всех загрязнений от стационарных источников. Металлургические предприятия оснащены очистным оборудованием лишь на 30-50%. За редким исключением, это оборудование устаревшее или вообще такое, что не действует.

Основными загрязнителями окружающей среды тяжелыми металлами, особенно мышьяком и свинцом, а также серной и азотной кислотами - являются предприятия цветной металлургии. Предприятия черной металлургии - главные загрязнители водоемов фенолами, нефтепродуктами, сульфатами.

Почти все предприятия металлургической промышленности используют устаревшее оборудование, нарушают границы санитарно-защитных зон, не имеют очистных сооружений или имеют, но совершенно не эффективны.

Процесс производства цветной металлургии характеризуется выбросами чрезвычайно вредных веществ. В результате этих выбросов происходит загрязнение атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв и наземных экосистем химическими веществами. Наиболее негативное влияние на окружающую среду оказывают диоксид серы SO2 и тяжелые металлы. (Гребцова, В.Е 2004)

Антропогенное воздействие ГМК (на примере деятельности медно-никелевого производства):

Горно-металлургические комплексы выбрасывают в окружающую среду огромное количество загрязняющих ядовитых веществ, таких как диоксиды серы SO2 и SO3; окислы азота NOx; окислы углерода CO и СО2; различные тяжелые металлы Ni, Cu, Hg, Pb; фенолы, формальдегиды, различные аэрозоли.

Данные вещества попадают в сточные воды, вывозятся за пределы комбинатов в составе шлаков или напрямую попадают в атмосферу.

ГМК являются мощными источниками техногенной трансформации природных вод. Она происходит при гидрогенном воздействии на окружающую среду и связана со сбросами предприятий, водами ТМО, вымыванием загрязняющих веществ с поверхности почв, поступлением загрязняющих веществ с талыми водами в гидрографическую сеть, поступлением загрязняющих веществ из водоносного горизонта в гидрографическую сеть в результате его загрязнения поверхностными источниками (водами ТМО, загрязненными почвами).

3. Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе аэропромвыбросов

Горно - металлургическое производство характеризуется выбросами больших количеств в атмосферу диоксида серы (SO2), или, как его еще называют, сернистого газа, и частиц тяжелых металлов.

Сернистый газ - это неустойчивое соединение, сера в этом соединении находится в четырехвалентной форме и сохраняется в таком состоянии в атмосфере от нескольких часов до нескольких суток. Соединения четырехвалентной серы губительны для зеленой растительности, особенно для хвойных пород.

Соединения серы по отрицательному воздействию на окружающую среду занимают одно из первых мест среди загрязняющих веществ. Около 96% серы поступает в атмосферу в виде SO2, остальное количество приходится на долю сульфатов, H2S , CS2 , COS и других соединений.

Помимо диоксида серы в процессе производственной деятельности ГМК в атмосферу попадает целый ряд тяжелых металлов, например никель (Ni), медь (Cu), кобальт (Co) и мышьяк (As). Основное загрязнение происходит за счет никеля и меди.

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме. При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно из субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм). Частицы крупнее двух микрон постепенно осаждаются на почву, воду, растения.

Тяжелые металлы и их соединения сохраняют свои вредные свойства постоянно, независимо от формы их состояния. Мельчайшие твердые частицы тяжелых металлов оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека. (Я.Д. Вишняков 2009).

4. Накопление загрязняющих веществ в составе отходов производства

Воздействие ГМК на окружающую среду проявляется с пылевыми выбросами предприятий, сбросами сточных вод и отходами производства. Потоки рассеяния загрязняющих веществ формируются на всех стадиях переработки минерального сырья: добычи, обогащения и металлургического передела. Критерием количественной оценки воздействия ГМК на окружающую среду является технолого-геохимический баланс рудных и попутных элементов. Разработанная методика составления технолого-геохимического баланса в горно-металлургическом производстве позволяет выявить наиболее приоритетные источники загрязнения и оценить их воздействие на окружающую среду.

Техногенно-минеральные образования являются источниками гидрогенных и атмогенных потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде ГМК. Количественными показателями интенсивности формирования потоков рассеяния от ТМО являются: 1) дисперсность отходов, выраженная в удельной поверхности; 2) суммарный кларк концентрации химических элементов в отходах; 3) минеральная форма нахождения загрязняющих веществ в ТМО; 4) объём отходов и площадь, занимаемая ТМО. По признаку воздействия на окружающую среду выделено три класса ТМО: неопасные, умеренно опасные и опасные.

Характеристика трансформации окружающей среды под воздействием ГМК связана с оценкой параметров локального геохимического фона, которая является функцией распределения компонентов в природных образованиях в зависимости от геохимической специализации и металлогенических особенностей рудных районов, полей и месторождений.

Атмогенное воздействие ГМК осуществляется на воздушный бассейн, снеговой покров и почвенный слой, формируя взаимосвязанное" загрязнение этих сред. Формирование взаимосвязанного в элементах ландшафта загрязнения обуславливает комплексное прогнозирование, нормирование и оценку атмогенного воздействия ГМК на окружающую среду, основанные на расчетах распределения компонентов в приземной атмосфере, снежном покрове и педосфере.

Источниками гидрогенного воздействия ГМК являются сбросы предприятий, воды ТМО, загрязненный поверхностный сток (ливневые и талые воды), загрязненные подземные воды. При прогнозировании, нормировании и оценке воздействия ГМК на подземные и поверхностные воды необходим учёт этих источников загрязнения. (Семячков А.И. 2003)

5. Распределение олова, ртути, кадмия и железа в почвенном слое

Распределение металлов-загрязнителей в пространстве весьма сложно и зависит от многих факторов, но в любом случае именно почва является главным приемником и аккумулятором техногенных масс тяжелых металлов.

Поступление тяжелых металлов в литосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями.

В зоне техногенных выбросов промышленных объектов прослеживается прямая зависимость содержания тяжелых металлов, в частности свинца, олова, молибдена, ванадия, кобальта от расстояния: чем ближе к источнику выбросов загрязнения, тем выше уровень содержания этих элементов в почвах и растениях. В составе твердого осадка, выпавшего на почву в радиусе 1000 м вокруг заводов-загрязнителей, содержание тяжелых металлов находится в пределах: олово до 9, свинец до 18, ванадий до 80, молибден до 3 и кобальт до 10,6 мг/кг почвы. В радиусе 5000 м от предприятий-загрязнителей в источниках техногенных выбросов в составе твердого осадка, выпавшего на почву, содержание тяжелых металлов составляет: свинца до 10, олова до 6, ванадия до 50,2; молибдена до 1,2 и кобальта до 8,7 мг/кг.

Для характеристики техногенного загрязнения тяжелыми металлами используется коэффициент концентрации, равный отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновой концентрации. При загрязнении несколькими тяжелыми металлами степень загрязнения оценивается по величине суммарного показателя концентрации (Zc).

Несмотря на значительное разнообразие соединений тяжёлых металлов, поступающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий металлургии довольно однотипен; они представлены преимущественно оксидами.

Первым этапом трансформации оксидов тяжёлых металлов в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. Даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с СО2 атмосферного воздуха, оксиды тяжёлых металлов подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости.

Процесс трансформации тяжелых металлов, поступивших в почву в процессе техногенеза, включает следующие стадии:

1) преобразование оксидов тяжёлых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);

2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) тяжёлых металлов и адсорбция соответствующих катионов твердыми фазами почв;

3) образование фосфатов тяжёлых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Теоретически техногенные аномалии представляют систему концентрических колец, в которых концентрация тяжёлых металлов убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров. Вокруг крупных предприятий цветной металлургии образуются сильные техногенные аномалии металлов.

В зонах максимального загрязнения нередко формируется "техногенная пустыня" территория сильно эродированная, лишённая верхнего гумусового горизонта, растительности. Вокруг промышленных предприятий меньшей мощности зона максимального загрязнения простирается на расстояние до 1-2 км, и площадь загрязненных земель значительно меньше.

Локальные техногенные геохимические аномалии образуются также вокруг предприятий, которые перерабатывают сырье, содержащее тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества в виде примесей. Вокруг крупных тепловых электростанций образуются зоны загрязнения металлами 10--20 км в диаметре. Любые городские территории являются значительным источником загрязнения тяжёлыми металлами.

Вблизи автострад обнаружено сильное загрязнение тяжёлыми металлами, особенно свинцом, а также цинком, кадмием.

Антропогенные источники поступления кадмия в окружающую среду можно разделить на две группы:

локальные выбросы, которые связаны с промышленными комплексами, производящими (к ним относится ряд химических предприятий, особенно по производству серной кислоты) или использующими кадмий.

диффузно рассеянные по Земле источники разной мощности, начиная от тепловых энергетических установок и моторов и заканчивая минеральными удобрениями и табачным дымом.

Два свойства кадмия определяют его важность для окружающей среды:

1. Сравнительно высокое давление паров, обеспечивающее легкость его испарения, например, при плавлении или при сгорании углей;

2. Высокая растворимость в воде, особенно при небольших кислотных значениях рH (особенно при рН5).

Поступивший в почву кадмий в основном присутствует в ней в подвижной форме, что имеет негативное экологическое значение. Подвижная форма обуславливает сравнительно высокую миграционную способность элемента в ландшафте и приводит к повышенной загрязненности потока веществ из почвы в растения.

Загрязнение почвы Cd сохраняется длительное время и после того, как этот металл перестает поступать вновь. До 70% попадающего в почву кадмия связывается с почвенными химическими комплексами, доступными для усвоения растениями. В процессах образования кадмиево-органических соединений участвует и почвенная микрофлора. В зависимости от химического состава, физических свойств почвы и формы поступающего кадмия его превращения в почве завершаются в течение нескольких суток. В итоге кадмий накапливается в ионной форме в кислых водах или в виде нерастворимых гидроксида и карбоната. Он может находиться в почве и в виде комплексных соединений. В зонах повышенного содержания кадмия в почве устанавливается 20-30 кратное увеличение его концентрации в наземных частях растений по сравнению с растениями незагрязненных территорий. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержание кадмия в растениях, - это хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев и прожилок, а также задержка роста и повреждения корневой системы.

Кадмий очень токсичен. Высокая фитотоксичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может замещать цинк во многих биохимических процессах, нарушая работу большого количества ферментов. (Глазовская М.А. 1997)

6. Распространенность олова, ртути, кадмия и железа в почвообразующих породах Южного Урала

Экологию Урала отравляют и скопившиеся 20 млрд. тонн промышленных отходов. В указанную сумму входят и отходы обогатительных фабрик, и вскрышные, и вмещающие породы. Тысячи гектаров земель отведены под полигоны и свалки для хранения промышленных отходов. Причём довольно внушительная часть этих отходов представляет серьёзную угрозу для экологии Урала.

На территории одной только Челябинской области захоронения промышленных отходов составляют 15% от общероссийских показателей.

Усугубляет экологическую ситуацию Уральского района и то, что уровень переработки промышленных отходов, загрязняющих окружающую среду, очень невысок. В частности, показатели по переработке серы в серную кислоту из отходящих газов медеплавильных заводов Уральского района не дотягивают даже до 60%. В Свердловской области переработке подвергается менее 0,1% промышленных отходов с повышенным содержанием чёрных, цветных и редких металлов.

Уровень содержания тяжёлых металлов в почвах, находящихся вблизи предприятий чёрной и цветной металлургии, в десятки и сотни раз выше предельно допустимой нормы. Из-за горных разработок серьёзно нарушены земли, сильно изменились естественные ландшафты Урала. В результате многолетней деятельности по добыче железной руды с лица земли были полностью стёрты горы Высокая и Магнитная.

Серьёзной проблемой экологии Урала является и то, что немалое число нарушенных земель располагается практически в городских центрах - на месте отработанных месторождений полезных ископаемых. К примеру, в Нижнем Тагиле такие земли составляют 30% от всей территории.

Экология края столкнулась с проблемой возникновения пустот объёмом 30 млн. кубических метров под жилой и промышленной зоной городов Березняки и Соликамск.

Эти пустоты стали печальным последствием долговременной эксплуатации в области масштабного Верхнекамского месторождения калийных солей. На сегодняшний день существует серьёзная опасность затопления рудников и образования провалов на земной поверхности в Березняках и Соликамске.

Тем более что в последнее время в этих городах часто случаются техногенные землетрясения, в результате которых возникают провалы глубиной более 4 м. (Глазовская М.А. 1997)

7. Распределение олова, ртути, кадмия и железа в антропогенно измененных почвах

Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме. Доля водорастворимой формы обычно невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором. В дальнейшем ТМ могут мигрировать в растения, поступать в реки и озера в результате смыва и далее, по трофическим цепям, - в живые организмы.

Содержание и формы миграции тяжелых металлов в поверхностных природных водах и почвах таежных экосистем в известной мере зависят от сопутствующих негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, кислотных дождей, выбросов пыли и дыма и т.д. В наземных экосистемах тяжелые металлы включаются в трофические цепи и в таком компоненте, как почвы, активно воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает численность почвенных грибов, продуцирующих токсины, низкомолекулярные органические кислоты и другие органические вещества. Это является одним из адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ.

В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физико - химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения: период полуудаления ТМ из почв в условиях лизиметров (специальных приборов, изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.

Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности.

Накопление тяжелых металлов в почве нарушает физико-химическое равновесие природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства. Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются микробиологические процессы, в результате разрушения структуры ухудшается водно - воздушный режим, деградирует почвенный гумус, и в конечном итоге почва теряет плодородие.

Комплексообразующая способность многих металлов приводит к воникновению устойчивых металлоорганических комплексов хелатного типа, что, в свою очередь, обусловливает изменение концентрации необходимых для жизнедеятельности организмов субстратов в почве.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими сред обитания, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биогеохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью.

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановке в целом. Длительность нахождения частиц выброса в атмосфере зависит от их массы и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

До тех пор, пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения почв, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека.

Опасность загрязнения почв зависит: форм химических соединений в почве; присутствия элементов противодействующих влиянию тяжелых металлов и веществ, образующих с ними комплексные соединения; от процессов адсорбции и десорбции; количества доступных форм этих металлов в почве и почвенно-климатических условий. Следовательно, отрицательное влияние ТМ зависит, по существу, от их подвижности, т.е. растворимости.

ТМ в основном характеризуются переменной валентностью, низкой растворимостью их гидроокисей, высокой способностью образовывать комплексные соединения и, естественно, катионной способностью.

К факторам, способствующим удержанию ТМ почвой относятся: обменная адсорбция поверхности глин и гумуса, формирование комплексных соединений с гумусом, адсорбция поверхностна иокклюзирование гидратированными окислами алюминия, железа и т. д., а также формирование нерастворимых соединений, особенно при восстановлении.

ТМ в почвенном растворе встречаются как в ионной, так и в связанной формах, которые находятся в определенном равновесии.

Конечно, в почве могут присутствовать и другие формы металлов, которые не участвуют непосредственно в этом равновесие, например, металлы из кристаллической решетки первичных и вторичных минералов, а также металлы из живых организмов и их отмерших остатков.

ТМ, поступающие на поверхность почвы, особенно накапливаются в верхних гумусовых горизонтах и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления ТМ значительно варьирует для различных элементов, но составляет продолжительный период времени (например, для свинца ? от 740 до 5900 лет). Формы нахождения металлов в почвенном растворе очень разнообразны. Состояние ТМ в почвах определяется их способностью к образованию труднорастворимых солей, комплексных соединений, гидроксидов, участием в ионообменных реакциях. ТМ склонны к образованию гидроксидов. На этот процесс влияет рН среды. В целом на характер перераспределения ТМ в профиле почв оказывает влияние комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав, реакция среды, буферность, содержание органического вещества, катионообменная способность, сумма поглощенных оснований, наличие геохимических барьеров, дренаж, удельная поверхность и др. Обнаружено, что в кислой среде преимущественно сорбируются свинец, цинк, медь, в щелочной ? кадмий и кобальт.

Буферные свойства почв влияют на подвижность ТМ, их доступность растениям, способность к миграции. Чем выше буферные (защитные) способности почвы, тем большее количество ТМ они в состоянии переводить в малодоступные растениям и слабо мигрирующие соединения. Наибольшее влияние на состояние ТМ в почвах могут оказать анионы, присутствующие в почвах в сравнительно высоких концентрациях: СО3, ОН, S, РО4, SО4.

Комплексообразование ионов металлов с неорганическими лигандами (Сl, SО4, СО3) влияет на уровень концентрации и соотношение их соединений в почвах аридной зоны, образование комплексов с анионами органических кислот активно протекает в почвах гумидной зоны. ТМ способны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Металлы, адсорбированные гумусом, наиболее активно связывается с карбоксильными и фенольными группами, замещая водород. Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв неодинакова.

Основная часть ТМ, связанная с органическим веществом почвы, сосредоточена в гуминовых и фульвокислотах. Насыщенность ТМ фульвовых кислот, обладающих повышенным числом функциональных групп, чаще оказывается больше, чем гуминовых. А в гумусе сосредоточена существенная доля ТМ ? от 15 до 60% общего их содержания в почвах. На долю глинистых минералов приходится от 40 до 70% ТМ в почвах Сибири. В илистых частицах почв ТМ в 2-З раза больше, чем во фракциях пыли, и в 4-5 раз больше, чем во фракциях песка.

Оценка уровней безопасного загрязнения почв ТМ проводится исходя из недопустимости повышения порога адаптационной возможности наиболее чувствительной группы населения и экологической адаптационной способности почвы. Почва служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их поступление в растения и сопредельные среды. Предельная допустимая концентрация в почвах для РЬ- +20 мг/кг.

Сохранить почву в современных условиях практически невозможно, так как вся поверхность земного шара подвержена техногенному воздействию. Наиболее мощные потоки ТМ возникают вокруг предприятий черной и цветной металлургии. Исключение составляет свинец, который в окружающую среду в большом количестве поступает также от автотранспорта. Урбанизация общества приводит к тому, что в почвах городов значительно повышается содержание ТМ.

Например, в почвах некоторых парков максимальное количество свинца достигало 3270 мг/кг. При таком сильном загрязнении почвы содержание подвижной формы ТМ достигает высокого уровня.

Решение проблемы получения экологически безопасной продукции на загрязненных территориях невозможно без учета миграции и аккумуляции ТМ в почвенном профиле. Анализ содержания ТМ в почвах указывает на характерную пространственную и вертикальную неоднородность почв.

8. Особенности распределения подвижных форм олова, ртути, кадмия и железа

Наблюдение за изменением тяжелых металлов в почве невозможно без знания факторов, определяющих их подвижность. Процессы передвижения удержания, обуславливающие поведение ТМ в почве, мало, чем отличаются от процессов, определяющих поведение других катионов. Хотя, ТМ иногда обнаруживаются в почвах в низкой концентрациях, они формируют устойчивые комплексы с органическими соединениями и вступают в специфические реакции адсорбции легче, чем щелочные и щелочноземельные металлы.

Миграция ТМ в почвах может происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов. Миграция растворимых соединений происходит вместе с почвенным раствором (диффузия) или путем перемещения самой жидкости. Вымывание глин и органического вещества приводит к миграции всех связанных с ними металлов. Миграция в твердой фазе и проникновение в кристаллическую решетку являются больше механизмом связывания, чем перемещения.

ТМ могут быть внесены или адсорбированы микроорганизмами, которые в свою очередь, способны участвовать в миграции соответствующих металлов.

Из всех видов миграции самая важная ? миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

Почвы с высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены растениями, значительно меньше, чем в песчаных кислых почвах. Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. ТМ, удерживаемые органической коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв.

Содержание в почве свинца обычно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Свинец отрицательно влияет на биологическую деятельность в почве, ингибирует активность ферментов уменьшением интенсивности выделения двуокиси углерода и численности микроорганизмов.

Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы почвенного профиля в небольших количествах. Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них.

Кобальт в биосфере преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов. Будучи слабым водным мигрантом, он легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и другими высокодисперсными минералами.

Содержание кобальта в почвах определяет количество этого элемента в составе растений данной местности, а от этого зависит поступление кобальта в организм животных.

Марганец находится в почвах в среднем в количестве 0,085%. Однако в отдельных случаях при высоком общем содержании марганца в почвах количество усвояемых его форм, переходящих в солянокислую или соленую форму, может быть явно недостаточно. В среднем растворимая часть Мn в почве составляет 1 ?10% от общего его содержания.

Кислая реакция почвы (при рН ниже 6,0) благоприятствует усвоению растениями; слабощелочная реакция (рН выше 7,5) стимулирует образование гидрата Мтi(ОН) трудно усваиваемого растениями.

Подвижность марганца в пахотном слое также определяется буферностью почв по отношению к кислотам, что зависит от суммы обменных оснований (преимущественно Са и Мg)в них. При высокой буферности почв подвижность Мn уменьшается. При низкой буферной емкости почв подвижность марганца выше. Марганец мобилизует фосфорную кислоту почвы.

Для тяжелых металлов почва является емким акцептором. Они прочно сорбируются гумусом, что приводит к их накоплению в почве. В отличие от воздуха и воды, в которых естественно протекают процессы самоочищения, почва обладает этим свойством в незначительной мере. В почву ТМ могут попадать из атмосферы в виде аэрозолей, входящих в состав выбросов промышленных предприятий, а также с дождем, снегом, с оросительной водой Максимальное их содержание в почвах наблюдается преимущественно в радиусе 1-5 км от источников загрязнения. Существенным источником загрязнения почв свинцом, никелем и другими металлами могут быть предприятия цветной и черной металлургии. В загрязненных почвах глубина проникновения ТМ обычно менее 0,2, а при сильном загрязнении до 1, 6. Так как свинец нередко накапливается в поверхностном слое (0-2,5 см).

Уровни содержания ТМ в почвах зависит от их окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств, водно - теплового режима и геохимического фона территорий. Обычно с увеличением кислотности почв подвижность элементов возрастает. ТМ в почвах содержатся в водорастворимой ионообменной и непрочно адсорбированной формах [Наумов, 1988].

Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями, которые могут составлять до 99% от общего количества растворимых форм. Валовое содержание ТМ зависит, прежде всего, от почвообразующей породы, от ее механической основы.

9. Ассоциации тяжелых металлов в антропогенно измененных почвах

Ртуть (Hg). Содержится в таких минералах, как киноварь HgS, ливингстонит и др. Это жидкий серебристо-белый металл, заметно летучий даже при комнатной температуре. Плотность жидкой ртути - 13,5 г/смі. Легко взаимодействует с серой и галогенами. Растворима в царской водке, HNO3, нерастворима в НСl и разбавленной H2SO4. Источниками поступления в окружающую среду являются предприятия по добыче и производству ртути, процесс сжигания органического топлива, а также различные ртутные приборы.

Пары ядовиты (ПДК в воздухе 0,01 мг/мі, в воде - 0,001 мг/л), токсична в любой форме. Вдыхание паров организмом человека приводит к интоксикации, болезни Минамата, неполноценности новорожденных, поражению легочной и центральной нервной системы, вызывая острую пневмонию, судороги, ухудшение зрения и др. Прием всего лишь 1 г ртутной соли смертелен (ПДК в пище 0,3 мг в неделю).

В обычных почвах ртуть содержится в количествах от 90 до 250 г/га. Однако за счет средств протравливания зерна она может ежегодно добавляться в количестве около 5 г/га. Примерно такое же количество попадает в почвы и горные породы с атмосферными осадками. Дополнительные загрязнения ртутью возможны при внесении удобрений, компостов, инсектицидов и т.п.

Свинец (Рb). С увеличением потребления свинца возрастает и загрязнение природной среды. Основная доля потребления свинца приходится на аккумуляторное производство - 60-70%. Отработанные свинцовые аккумуляторы являются одним из источников загрязнения окружающей среды свинцом. По экспертным оценкам на свалках, транспортных площадках и других местах по всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т свинца в отработанных аккумуляторах. При существующем положении с их переработкой эта величина возрастает на 50-60 тыс. т ежегодно.

Среди стационарных источников свинцового загрязнения вклад предприятий цветной металлургии в загрязнение атмосферного воздуха в Российской Федерации, по данным Госкомстата России, к 1996 г. составил около 87%; выбросы предприятий машиностроения и металлообработки - 8,8% и черной металлургии - 1,4%. Вклад других отраслей промышленности (химической и нефтехимической, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной, пищевой, строительных материалов, энергетики, топливной и т.д.) составил 2,8%.

По данным из общих выбросов 39 предприятий цветной металлургии около 94% приходится на долю 4 предприятий: Среднеуральского медеплавильного завода (291 т/год), АО «Святогор» - Красноуральского медеплавильного завода (170 т/год), Кировоградского медеплавильного комбината (114 т/год), комбината «Дальполиметалл» (28 т/год). Для всех перечисленных предприятий свинец не является основным видом продукции, а возгоняется при переработке медного сырья и выбрасывается в атмосферу с отходящими газами без очистки (или с недостаточной степенью очистки). При этом попутно выбрасываются другие тяжелые металлы, значительное количество диоксида серы и других вредных веществ.

Повышенное содержание свинца в почвах может быть вызвано атмосферной эмиссией за счет выхлопных газов от автомобилей, а также в результате внесения компостных удобрений, пестицидов и т.п. Источником его поступления в окружающую среду служат также производство красителей, чернил, стекла, резины, керамики и другие химические производства. Содержание в фильтрате полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и полигонов слаботоксичных твердых бытовых и производственных отходов (ТБПО) городских агломераций составляет около 0,23 мг/л.
Организмом человека свинец поглощается при вдыхании пыли или испарений. Токсичность свинца отражается в поражении различных органов (почек, параличе конечностей и др.), центральной нервной системы и т.п.

Наибольшее загрязнение свинцом почв и горных пород происходит вдоль автомагистралей и в районах действующих промышленных предприятий, выбросы которых содержат частицы свинца или его соединения.

Главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в Российской Федерации в настоящее время является автотранспорт, использующий этилированный бензин: от 70 до 87% общей эмиссии свинца по различным оценкам. Радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного транспорта - отказ от использования этилированных бензинов. В России 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов перешли на выпуск неэтилированных бензинов. Доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составляет 68%. Однако из-за финансовых и организационных трудностей полный отказ от производства этилированных бензинов в стране задерживается.

Кадмий (Cd). Содержится в таких минералах, как кадмиевая обманка (гринокит) и отавит (CdCO3), являющихся спутниками цинковых руд. Поэтому кадмий является побочным продуктом при промышленном производстве цинка. Общее мировое потребление кадмия составляет около 20 тыс. т. Металлический кадмий и его соединения применяются в основном для производства пигментов, защитных покрытий, в качестве стабилизаторов пластмасс, особенно поливинилхлорида (ПВХ), для изготовления аккумуляторов, сплавов и др. Вызывает такие заболевания, как протеинурия, почечные болезни, итай-итай, остеомаляция, рак предстательной железы и др. Проникает в организм с пищей и воздушным путем. ПДК в воде составляет 0,01 мг/л. Содержание в фильтрате полигонов ТБО и полигонов слаботоксичных ТБПО городских агломераций составляет около 0,0098 мг/л.

Поступление кадмия в почвы и горные породы происходит различными путями, в основном за счет газообразных и жидких выбросов в процессе его производства или переработки, а также отходов. В мире ежегодно в атмосферу частицы кадмия в виде CdO или CdS осаждаются в почвы и горные породы. Особенно большое поступление кадмия из атмосферы наблюдается вблизи металлургических заводов или фабрик по производству пигментов (до 300 мкг/мІ в сутки). В чистых почвах кадмий содержится в количестве около 0,1 мг/кг сухой массы, или 0,3 кг/га. Кроме того, его соединения поступают в грунты и почвы со сточными водами предприятий, с удобрениями (особенно, фосфорными), из свалок и очистных сооружений. В осадочных породах кадмий может концентрироваться в количествах до 11 мг/кг, в магматических и метаморфических - почти на порядок ниже. (Лисин В.О. 2001)

Заключение

Металлургия-- это одна из основных отраслей промышленности России. И от того, как она будет развиваться в немалой степени зависит и развитие экономики страны. Металлургия включает в себя добычу руд металлов, их обогащение, выплавку, производство проката. Она делится на черную (обработке подвергается железная руда) и цветную (руды цветных металлов: медные, свинцово-цинковые, никеле-кобальтовые, оловянные, бокситы и нефелины -- алюминиевые). Особенности развития: 1) металлургия включает в себя все стадии производства металлов (добычу и обогащение руды, добычу топлива, плавку металла); 2) существует определенный цикл обработки сырья: добыча руды выплавка чугуна выплавка стали прокат стали; 3) высокая концентрация производства (5% заводов производят 50% металла); 4) металлургия очень трудоемка (на одном заводе работают от 20 тыс. до 40 тыс. рабочих); 5) высокая материалоемкость (чтобы получить 1 тонну стали надо переработать 7 тонн сырья и топлива); 6) затраты на строительство заводов велики; 7) металлургия -- сильный загрязнитель атмосферы.

Список использованной литературы

1. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия / В. А. Алексеенко. - М. : Логос, 2000. - 627 с.

2. Бродов А. Черная металлургия: Состояние и проблемы // Экономист, 2003, №4. -С. 34 - 39.

3. Вавилова, Е.В. Экономическая география и регионалистика: Учебное пособие/ Е.В. Вавилова. - М.: Гардарики. 2005. - 441 с.

4. Гладкий, Ю.Н. Экономическая география России: Учебник/ Ю.Н. Гладкий. В.А. Доброскок. С.П. Семёнов. - М.: Кафедра - М. 2006.- 578 с.

5. Глазовская М. А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивойсти почв к техногенным воздействиям / М. А. Глазовская. - М. : МГУ, 1997. - 100 с.

6. Гребцова, В.Е. Экономическая и социальная география России: основы теории и практики (Учебное пособие для вузов)/ В.Е. Гребцова. - Ростов н/Д.: Феникс.2004. - 300 с.

7. Добровольский В. В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы / В. В. Добровольский // Почвоведение. - 1997. - № 4. - C. 431-441.

8. Карпенко З.Г. Металлургия Кузбасса. - Кемерово. 2000. - 267 с.

9. Кистанов, В.В. Региональная экономика России: учебник/ В.В. Кистанов. Н.В. Копылов. - М.: Финансы и статистика. 2002. - 584 с.

10. Лисин В. О стратегии развития отечественной черной металлургии // Металлург, 2001, №10. - С. 64-70.

11. Павленко Н.И. История металлургии в России XVIII в. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1992. - 356 с.

12. Рындина Н. В. Древнейшее металлобрабатывающее производство Восточной Европы. - М.: 2000. - 412 с.

13. Сает Ю. Е. Геохимия окружающей среды / Ю. Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин и др. - М. : Недра, 1990. - 336 с.

14. Семенов С. К вопросу о разработке концепции развития металлургического комплекса РФ // Металлоснабжение и сбыт, 2000, №6. - С. 23-34.

15. Франценюк И.В. НЛМК: история и современность // Металлург, 1999, №10. - С. 45-49.

16. Шпарбер Л.Я. Металлургия железа и чугуна.- Тула: «Ассо», 2006. - 234 с.

Размещено на Allbest.ru