ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.02.2019
Просмотров: 877
Скачиваний: 4
6
домашние печи, использующие уголь. Вклад различных отраслей промышленности в
загрязнение природной среды ТМ отражен в табл. 4.
Таблица 4
Отрасли промышленности, загрязняющие природную среду
тяжелыми металлами
Название отрасли
Cd Cr Cu Hg Pb Ni Sn Zn
Целлюлозно-бумажная
промышленность
+ + + + + +
Горно-добывающая
промышленность
+ + + + + +
Производство хлора и щелочей +
+
+
+
+
+
Производство удобрений
+ + + + + + +
Очистка нефти
+ + + + + +
Производство стали
+ + + + + + + +
Цветная металлургия
+
+
+
+
+
Авто- и авиастроение
+ + + + + + +
Стекло, цемент, керамика
+
Текстильная промышленность
+
Кожевенная промышленность
+
Паросиловые установки
+
+
На предприятиях железнодорожного транспорта источниками поступления
тяжелых металлов в окружающую среду служат котельные, участки сварки и резки,
химической и электрохимической обработки металлов, аккумуляторные, медницкие
отделения. ТМ поступают также при потерях перевозимого сырья и руд, в составе
сточных вод предприятий.
Особый интерес для экологических исследований представляют Cd, Pb и Hg,
относящиеся к металлам первого класса опасности.
Содержание кадмия в почвах определяется химическим составом материнских
пород. Среднее содержание Cd в почвах лежит между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые
уровни Cd в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения
свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв.
Ежегодно в атмосферу выбрасывается свыше 25 тыс. т кадмия. С атмосферными
осадками и пылью на поверхность почвы в России ежегодно выпадает 1,9–5,4 г/га
кадмия. Из-за несовершенства технологий производства минеральных удобрений
выбросы ТМ в окружающую среду превышают проектные величины в 2–3 раза. В то же
время при внесении органических удобрений в дозе 50 т/га в почву поступает: свинца –
38, кадмия – 2,3 и никеля – 75 г/га.
Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников с
выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта, определенную
долю вносят сельскохозяйственный сектор, а также природные источники (ветровая
эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары). По некоторым оценкам, в
результате природной эмиссии в атмосферу поступает в среднем 27 тыс. т свинца в год, а
в результате антропогенной деятельности – 425 тыс. т в год.
Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило,
связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной
металлургии.
7
Состав парка автомобилей по видам используемого топлива таков: количество
автомобилей, использующих газ в качестве топлива, не превышает 2 %, доля грузовых
автомобилей с дизельным двигателем составляет в среднем по России 28 %, а автобусов
с дизелем – примерно 63 %. Остальные автомобили используют бензин в качестве
топлива.
Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют. Ширина
придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать от 10 м до
100–150 м. Это содержание асимметрично по отношению к поперечному профилю
дороги, что находит свое отражение в растениях, лесные полосы вдоль дорог
задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города
размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зеленых
насаждений. В настоящее время на свалках находится до 1 млн т свинца в отработанных
аккумуляторах.
Соединения ртути встречаются в фунгицидах (до последнего времени
ртутьсодержащие соединения использовались для протравливания семян), при
производстве бумаги и синтезе пластмасс. Отдельные соединения различаются по своей
токсичности и устойчивости.
Из всего количества ртути, которое человек получает с пищей, примерно половина
приходится на продукты животного происхождения и одна треть – на растительную
пищу. Всего в мире ежегодно производится 9000 тонн ртути, из них 5000 тонн
впоследствии оказываются в океанах. В озере Вашингтон за последние 100 лет
содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз. Проходя через пищевые
цепи, соединения ртути могут менять свою токсичность. Так, было установлено, что в
США в одном озере, в которое фабрика спускала сточные воды, содержавшие связанную
в форме неорганических соединений (мало токсичную) ртуть, эти ртутные соединения
поглощались растениями (например, камышом), восстанавливались и затем уходили в
атмосферу в виде элементарной (очень ядовитой) ртути в газообразном состоянии.
Подходы к оценке, нормированию уровня загрязнения
тяжелыми металлами при мониторинге почв
Экологический мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза,
позволяющая выявить изменения состояния окружающей среды под влиянием
антропогенной деятельности.
Мониторинг в условиях крупных индустриальных центров имеет свои
особенности. Это полиметальность состава техногенных выбросов и, как следствие,
возникающие трудности при экологической оценке выявленного загрязнения; сложности
при выборе почвенного фона и при характеристике буферной способности загрязняемой
почвы по отношению к тяжелым металлам.
Экологические и физиологические аспекты воздействия ТМ на городские
экосистемы проявляются в соответствующих пространственных аномалиях. Поскольку
техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, для них рассчитывается
суммарный показатель загрязнения (СПЗ).
Как правило, при попытках нормирования антропогенного загрязнения прибегают
к разработке предельно допустимых концентраций (ПДК).
Предельно допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в
окружающей среде, отнесенное к массе или объему ее конкретного компонента, которое
при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени
8
практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных
последствий у его потомства.
Однако существующая система ПДК недостаточно достоверно информативна,
поскольку предусматривает определение индивидуального токсиканта, дистанцируясь от
вопроса о комплексном воздействии различных загрязнителей. Между тем, совместное
действие, например, органокомплексов тяжелых металлов кардинально меняет ПДК,
экспериментально полученные для отдельного тяжелого металла.
При характеристике загрязнения территорий поллютантами используют также
следующие характеристики:
индекс загрязнения (ИЗ) – показатель, качественно и количественно отражающий
присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на
живые организмы;
фоновая концентрация – содержание вещества в объекте окружающей среды,
определяемое суммой глобальных и региональных естественных и антропогенных
вкладов в результате дальнего и трансграничного переноса;
токсическая концентрация – концентрация вредного вещества, которое способно
при различной длительности воздействия вызывать гибель живых организмов, либо
концентрация вредного начала, вызывающая гибель живых организмов в течение 30
суток в результате воздействия на них вредных веществ.
Таблица 5
Предельно допустимые концентрации приоритетных токсикантов
в объектах окружающей природной среды
Элемент
ПДК
в пахотном
слое почвы,
мг/кг
разовая
в
воздухе
населенных
мест, мг/м
3
среднесуточная,
мг/ м
3
в воде
хозяйственно-
питьевого и
культурно-
бытового
водоснабжения,
мг/л
в воде для
рыбохозяйствен
ных целей, мг/л
Hg
0,1 0,01;
0,05 (HgO)
0,0003 0,005
(HgO)
0,0005 (Hg
2+
)
Pb
20,0 0,01 0,0003;
0,0017 (PbSO
4
)
0,03-0,1 0,03-0,1
Zn
0,5 0,05 1,0-50 0,01
Ni
0,05
0,001
(NiO)
0,0002 (NiSO
4
)
0,1
Cu
0,001 0,1
0,002
0,1-0,5
0,001-0,01
Cd
0,2 0,001 0,01 0,005
Co
0,5 0,001 1,0
0,01
Однако гигиенические ПДК не учитывают разнообразия возможных реакций у
организмов в популяции. В противоположность гигиеническим подходам геохимической
экологией разрабатывается учение о нижних и верхних пороговых концентрациях,
которые отражают емкость гомеостатических регуляторов системы.
Критическую величину нагрузки определяют на основе анализа зависимости доза-
эффект: эта зависимость обнаруживает резкий порог токсического воздействия на
экосистему, соответствующий определенному значению суммарной нагрузки. Этот
порог и может быть принят в качестве экологической критической предельно
допустимой нормы воздействия определенной нагрузки на исследованную экосистему.
9
Для сохранения адаптации колебательных процессов в динамике экосистем к
внешним периодическим воздействиям, за исключением экстремальных, аварийных
случаев, в первую очередь нужно измерять и нормировать не количество, а частоту
поступления приоритетных загрязняющих веществ. Нормирование воздействий на
экосистемы рассматривают в рамках определения тех возмущений, которые не выводят
экосистему из максимально адаптивных (нормальных) условий ее функционирования.
В качестве критериев для экологических исследований предлагаются различные
показатели биологического разнообразия, которые могут быть отнесены, скорее, к
количественным, чем к качественным. Среди них наибольшее применение нашли
индексы Шеннона, Маргалефа, Мак-Интоша, Менхиника, Симпсона, Вильма и Дориса.
Под влиянием высоких уровней антропогенного воздействия наблюдается
существенное уменьшение показателей дыхания почв, например, при загрязнении
смешанными промышленными выбросами, содержащими тяжелые металлы, уплотнении
почв.
Критическую предельно допустимую нагрузку нельзя рассматривать в отрыве от
понятия устойчивости.
Вопрос об устойчивости экосистемы весьма сложен. Отсутствует даже единое
общеупотребительное определение этого термина. Существующие подходы к понятию
устойчивости можно условно разбить на три группы:
1) инертность системы – способность экосистемы сохранять при внешнем
воздействии исходное состояние в течение некоторого времени;
2) пластичность системы – способность экосистемы переходить из одного
состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи;
3) восстанавливаемость системы – способность экосистемы возвращаться в
исходное состояние после временного внешнего воздействия.
Первые два понятия трактуют как устойчивость адаптационную, третье – как
регенерационную. Использовать эти понятия на практике непросто, поскольку любое
даже малое воздействие приводит к каким-либо изменениям; невозможно представить
также возвращение экосистемы в исходное состояние, поскольку сукцессионный процесс
идет постоянно в постоянно меняющихся условиях.
Методы удаления и детоксикации ионов тяжелых металлов
Наиболее эффективным вариантом сохранения объектов окружающей среды от
негативного воздействия ТМ является предотвращение их антропогенного поступления.
Однако в процессе производства человеку не всегда удается избежать эмиссии металлов
в атмосферу, почву, поверхностные воды. Так, например, работа гальванических цехов
характеризуется поступлением солей ТМ в сточные воды. Соли тяжелых металлов в
сточных водах содержатся в виде раствора, а также взвесей. Они способны
восстанавливаться, окисляться, осаждаться, адсорбироваться в виде индивидуальных
веществ и комплексов. Для удаления солей ТМ из сточных вод используются реагентные
и физико-химические методы. Реагентные методы очистки наиболее эффективно
применяются для удаления соединений цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта и
др. При использовании этих методов достигается перевод растворимых в воде
соединений веществ в нерастворимые с последующим отделением их в виде осадков. В
качестве реагентов для удаления сточных вод ионов тяжелых металлов используют
гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды кальция и натрия, различные
шлаки.
10
Выделение катионов цинка щелочами основано на переводе их в
труднорастворимый гидроксид цинка:
Zn
2+
+ 2OH
-
→ Zn(OH)
2
↓
Находящиеся в растворе катионы свинца переводят в осадок в виде одного из трех
труднорастворимых соединений:
Pb
2+
+ 2OH
-
→ Pb(OH)
2
↓
2Pb
2+
+ CO
3
2-
+ 2OH
-
→ (PbOH)
2
CO
3
↓
Pb
2+
+ CO
3
2-
→ PbCO
3
↓
Карбонат свинца в воде нерастворим.
Для очистки сточных вод от ионов металлов (цинка, свинца, меди, хрома, никеля,
кадмия, ванадия, марганца) применяют ионный обмен. Ионный обмен на примере
очистки воды от цинка происходит по уравнению:
2RH + Zn
2+
= R
2
+ 2H
+
С течением времени работы катионита его обменная емкость истощается,
необходимо проводить его регенерацию:
ZnR
2
+ nH
2
SO
4
←
→
2HR + ZnSO
4
+ (n-1)H
2
SO
4
Наиболее эффективными методами очистки воды от ионов тяжелых металлов
является электро- и гальванокоагуляция.
Для ликвидации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами используются
ряд приемов. На сильно поврежденных почвах вблизи отвалов и хранилищ отходов
цветной металлургии ТМ удаляют из загрязненного слоя (10-30 см) путем перевода их
соединений в подвижную форму и дальнейшего промывания раствором FeCl
3
в кислой
среде. Однако механическое перемещение и промывка достаточно дороги, поэтому чаще
используют более дешевые способы, например, внесение веществ-инактиваторов. Так,
при применении меркапто-8-триазина прочно фиксируются кадмий, свинец, ртуть и
никель, а элементы питания – кальций, магний, калий и др. при этом не закрепляются.
Защитным эффектом обладает и известкование почв. При этом происходит
нейтрализация среды и образование коллоидов гидроксидов тяжелых металлов,
находящихся в почвенном растворе.
Важное место в детоксикации тяжелых металлов отводится органическим
удобрениям, которые выступают адсорбентами ионов ТМ. В качестве поглотителей ТМ
используют и глинистые минералы (монтмориллонит, вермикулит). Все мероприятия по
детоксикации почв направлены на недопущение движения ионов ТМ по пищевым
цепочкам в экосистеме.
Вопросы для самоподготовки
1. Какие вещества относятся к тяжелым металлам?
2. В чем опасность ТМ как экотоксикантов?
3. Перечислите металлы, относящиеся к 1 классу опасности.
4. Подтвердите опасность металлов 1 класса данными их основных
биогеохимических свойств.
5. Назовите основные источники поступления ТМ.
6. При поступлении каких металлов в атмосферу основной вклад вносит
антропогенный фактор?
7. Охарактеризуйте наиболее опасные производства с точки зрения эмиссии ТМ.
8. Что такое ПДК?