2506
.pdfНа правах рукописи
ТРУШКОВА Екатерина Алексеевна
МИНИМИЗАЦИЯ АНТРОПОГЕННОЮ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА С ТЕРРИКОНОВ
НА БАССЕЙН ВОДОСБОРА
Специальность: 25.00.36 - «Геоэкология»
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск - 2003
Работа выполнена на кафедре Водоснабжения и водоотведения в ФГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»
Научный руководитель: |
доктор технических наук, профессор |
||
|
Серпокрылов Николай Сергеевич |
||
Официальные оппоненты: |
доктор технических наук, профессор |
||
|
Денисов Владимир Викторович |
||
|
доктор геолого-минералогических наук |
||
|
профессор Богуш Илья Александрович |
||
Ведущая организация: |
ФГОУ ВПО «Ростовский государственный |
||
|
университет, г. Ростов-на-Дону |
||
Защита диссертации состоится |
26.12 |
2003г. в |
часов на заседании |
диссертационного совета Д 220.049.02 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Пушкинская, 1 11, НГМД ауд.236.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГМА.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим
направлять ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «26» |
2003 г. |
доктор технических наук, профессор |
Бондаренко В.Л. |
3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важной экологической проблемой для Ростовской области, как крупнейшей области Юга России, является воздействие процессов угледобычи, а также транспортировки и промышленного использования угля. Наиболее мощному антропогенному прессу, обусловленному процессами добычи и использования угля, подвергнуты урболандшафты и природные ландшафты северо-восточной части Ростовской области. Вследствие поступления кислых минерализированных шахтных водоотливов и выпадения продуктов газовых эмиссий солесодержание поверхностных вод малых рек достигает 3 - 4 г/ л. Также наблюдается увеличение миграции компонентов ионного стока с поверхности территорий в районах водосбора. Все вышеперечисленные процессы способствуют закислению почв, и, как следствие, появлению в поверхностном диффузном стоке тяжелых металлов и солей.
Серьезную опасность представляют отвальные породы угольных шахт (ОПУШ), количество которых в Ростовской области около 250, что составляет 137000га. Под воздействием дождевых и талых вод происходит процесс естественного выщелачивания металлов из материала отвалов с образованием загрязненных стоков, в которых содержание тяжелых металлов в сотни раз превышает ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
Следовательно, изучение влияния терриконов на качество поверхностных вод и почв на стадии формирования поверхностного диффузного стока, на базе которого возможно создание методов защиты ландшафтов от загрязнения, являются актуальной проблемой.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетным планом НИР каф. «Водоснабжение и водоотведение» РГСУ «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона страны с учетом экологических требований» в рамках государственной программы «Архитектура и строительство» (Гос. per. № 01.9.40001739), а также в рамках Международной научной программы ИНТАС - РФФИ «Экологическая оценка, принципы мониторинга и регулирования качества урболандшафтов Юга России» (JR - 970548).
Целью диссертационной работы является экологическая оценка влияния на природные ландшафты северо-восточной части Ростовской области терриконов различных генетических возрастов и разработка инженерноэкологических мероприятий по предотвращению их отрицательного воздействия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-теоретическое обоснование и экспериментальное исследование
воздействия ОПУШ на водные и почвенные объекты окружающей среды;
-определение изменения минералогического состава ОПУШ в зависимости от генетического возраста терриконов;
-исследование фильтрационных, ионообменных и сорбционных
характеристик ОПУШ с учетом климатических условий;
-обоснование использования термонеизменённых ОПУШ для защиты педосферы и гидросферы;
-изучение и моделирование гидравлических характеристик потоков вод, стекающих с терриконов и определение концентраций загрязняющих веществ;
-разработка и внедрение технологии защиты природных ландшафтов от загрязнения поверхностными стоками с терриконов в опытно-промышленных условиях;
-разработка методики расчёта выноса загрязняющих веществ с поверхности ОПУШ для оценки экологического ущерба водным и почвенным объектам окружающей среды.
Основная идея работы заключается в выявлении возможности использования ОПУШ в качестве фиксирующего агента поллютантов поверхностного диффузного стока (тяжелых металлов и фосфатов) с целью предотвращения их негативного воздействия на экосистемы почвы и водоемов,
атакже возможности регенерации отвальных пород угольных шахт (ОПУШ), насыщенных фосфат-ионами.
Методы исследований. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена: применением апробированных методик экспериментальных исследований с использованием аттестованных методик
5 |
|
анализа и поверенных приборов; выполнением планирования экспериментов |
• |
программе ПЭСМ4ф, математической формализацией результатов большого
массива опытов с помощью пакета статистического анализа |
|
Microsoft Excel, |
|||
сходимостью |
данных |
лабораторных |
исследований |
с |
результатами |
экспериментов (относительная погрешность ±10%, при доверительной вероятности 0,95).
Основные положения диссертационной работы, выносимые |
на |
защиту: |
|
-отвальные породы угольных шахт (терриконы) различного генетического |
|
возраста оказывают негативное воздействие на ландшафты, в т.ч. и |
не |
рассматривавшимся ранее поверхностным стоком; |
|
-термонеизменённые ОПУШ могут применяться в качестве относительно дешевого и эффективного сорбента для удаления тяжелых металлов и биогенных элементов из стока;
-концентрацию ' поллютантов в поверхностном стоке с терриконов, определяют следующие факторы: уклон террикона, интенсивность выпадения осадков и коэффициент стока;
|
при определенных значениях рН тяжелые металлы из поверхностного |
||
стока фиксируются ОПУШ после их предварительной обработки; |
|
||
- |
ОПУШ обладают сорбционной способностью по отношению к фосфат- |
||
ионам; |
|
|
|
- |
повышение сорбционной способности термонеизменённых ОПУШ по |
||
отношению к тяжелым металлам и биогенным элементам |
позволяет |
||
регулировать качество поверхностного диффузного стока ландшафтов; |
|||
- |
внедрение |
термонеизменённых ОПУШ в качестве сорбента в |
практику |
очистки поверхностного диффузного стока имеет существенную |
эколого- |
||
экономическую |
эффективность. |
|
Научная новизна работы:
установлены закономерности влияния геометрических и морфологических особенностей террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном стоке с терриконов различных генетических возрастов;
• теоретически обоснована возможность применения и предложена методика повышения сорбционной способности термонеизменённых ОПУШ в качестве сорбента поллютантов поверхностного диффузного стока с термоизменённых ОПУШ;
Практическая значимость работы:
• установлены количественные • характеристики влияния терриконов различного генетического на водные и почвенные объекты окружающей среды;
• разработана методика повышения сорбционных характеристик ОПУШ по отношению к поллютантам поверхностного диффузного стока (тяжелым металлам и фосфатам);
• на базе лабораторных и опытнопромышленных испытаний определены дозы внесения ОПУШ в почву и составлены рекомендации по применению ОПУШ после предварительной подготовки - путем внесения в них определенного количества избыточного ила, в качестве эффективного сорбента для удаления тяжелых металлов и биогенных элементов, которые внедрены на ряде объектов и в проектную практику.
Реализация результатов работы
Рекомендации по использованию отвальных пород угольных шахт после предварительной подготовки, в качестве сорбента широкого спектра тяжелых металлов и фосфатов с минимальным воздействием на водные и почвенные объекты окружающей среды используются на ряде предприятий угольной промышленности и в деятельности природоохранных органов Ростовской области, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: международных научно-практических конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ (Ростов-на-Дону; 2000-2003 гг.); международных конференциях молодых специалистов Ростовской экономической академии (Ростов-на-Дону; 1999-2000г.г.), научнопрактическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» РГСУ (Ростов-на-Дону, 2000); 4 международной научно-практической конференции, «Человек и окружающая природная среда - проблемы взаимодействия» (Пенза, 2001г.), всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение
среды обитания |
и проблемы экологической реабилитации, нарушенных |
||
экосистем» (Пенза, 2003г.). |
|
|
|
Публикации. |
Основные |
результаты исследований опубликованы в 17 |
|
работах., в т.ч. в виде отдельных глав в 2 томах монографии. |
|
||
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, |
|||
выводов, перечня |
цитируемой литературы, включающего |
158 источников. |
|
Диссертация изложена на 210 |
страницах, включает 21 таблицу, 24 формулы и |
22 рисунка. В приложении представлено 2 акта, подтверждающих практическое применениерезультатовработы.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ |
|
|
Во |
введении обосновывается актуальность темы диссертационной |
|||
работы, |
постановка основной цели |
исследования, определяются задачи |
и |
|
методы |
исследования, |
научная |
новизна полученных результатов и |
их |
практическоезначение. |
|
|
|
|
В первой главе |
выполнен анализ формирования поверхностных вод и |
методов защиты ландшафтов от влияния ОПУШ. Приведен обзор научнотехнических публикаций, посвященных воздействию терриконов на атмосферу, а также водные и почвенные объекты окружающей среды.
Терриконы - это техногенные месторождения, сформировавшиеся в результате добычи угля, сложенные горными породами и поднятые на поверхность в процессе угледобычи. Они оказывают негативное воздействие на атмосферу, почвы, поверхностные и подземные водные источники. По
истечении |
пяти |
лет |
с |
момента |
начала складирования |
в |
ОПУШ под |
||||
воздействием кислорода |
воздуха |
уголь |
и |
сера |
окисляются, а иногда |
||||||
самовозгораются. |
Горящие |
терриконы |
выделяют |
вредные |
газообразные |
||||||
вещества, |
например, с |
одного квадратного |
метра |
в |
сутки |
поступает в |
|||||
атмосферу |
10,7 кг оксида углерода, |
6,3 кг сернистого |
газа, |
0,6 |
кг сероводорода |
||||||
и оксидов азота. Вынос в атмосферу мельчайших частиц - пыли |
в свободном |
состоянии и в виде аэрозолей приводит к загрязнению воздушного пространства. Как правило, пыль оседает на почву, на поверхность водоемов и растительность, что приводит к непрерывному накоплению тяжелых металлов.
|
|
8 |
|
|
Гидросфера |
аккумулирует |
все |
поллютанты |
антропогенного |
происхождения, поэтому для предотвращения необратимых процессов в изменении гидрохимических характеристик водоёмов, целесообразно минимизировать воздействие токсичных веществ, содержащихся в поверхностном стоке, путем снижения их подвижности и фиксации в почвенном слое.
Следовательно, на первое место должны выдвигаться инженерномелиоративные технологические методы, снижающие или предотвращающие на стадии формирования загрязнение почв и поверхностных вод.
Минеральный состав пород, слагающих отвалы угольных шахт, (Гипич Л.В. и др., 1992-1998г.г.) тесно связан с их происхождением и с последующим воздействием процессов выветривания и термического воздействия, приводящих к его изменению, глубина которого зависит от генетического возраста терриконов. Углевмещающие породы, складированные в отвалы, подвергаются воздействию теплового поля, что и приводит к формированию различных типов ОПУШ. В связи с этим нами предложено различать термоизменённые ОПУШ и термонеизменённые ОПУШ. Главными породообразующими минералами термонеизменённых ОПУШ являются: кварц, полевые шпаты, слюды, карбонаты, гиббсит, гематит, гетит и слоистые
алюмосиликаты. |
|
|
В породах, затронутых термическим воздействием, |
при котором |
|
температуры горения |
достигают 1450°С, происходят |
более глубокие |
изменения в минеральном составе. Для них характерна следующая минеральная ассоциация: кварц - ортоклаз - гематит - муллит - стекло. Вследствие существенной конверсии их химического состава, происходят преобразования горелых пород, которые выражаются в увеличении соотношения Fe2O3 : FeO, и коррелируются с интенсивностью их термообработки. Имеет место природная активация переходных металлов на поверхности ОПУШ. Термоизменённые ОПУШ применяются в строительстве, (Г.И. Книгина, A.M. Фоминых, Н.Д. Артеменок и др.) в т.ч. и в качестве фильтрующей загрузки. Однако, применение в качестве сорбента не рассматривалось.
9 |
|
|
На основе проведенного анализа сформулированы |
выводы |
о |
необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов предотвращения негативного воздействия ОПУШ на гидросферу и педосферу с одновременным их использованием в качестве сорбентов.
Вторая глава |
посвящена теоретическому обоснованию основных |
положений диссертационной работы. |
Влияние поверхностного диффузного стока на качество подземных вод и питаемых ими поверхностных - зависит от протекторных свойств почвы: их состава, количества гумусовой составляющей, пористости, степени дисперсности частиц почв, окислительно-восстановительного потенциала и других факторов. На территориях, подвергаемых техногенному воздействию, через почву проходят потоки химических элементов, среди которых особое место занимают основные поллютанты - тяжелые металлы и нефтепродукты. Почва, " пропуская " через себя эти соединения, значительную их часть связывает в малоподвижные формы, выполняя тем самым протекторную роль по отношению к сопряженным средам: природным водам, подстилающим породам, грунтам и растительности. Однако техногенное воздействие на почвенный покров нарушает одну из важнейших экологических функций почвенного гумуса: способность прочно связывать и, тем самым, выводить из биологического круговорота различные загрязняющие вещества. В уплотненных почвах вследствие антропогенного воздействия, нарушаются влагогазовые обмены, и почвы снижают свою протекторную и продуктивную способности. Это приводит к увеличению смыва загрязнений с их поверхности во время дождей и таяния снегов, что в итоге ведет к повышенному выносу взвешенных (минеральных и органических) веществ, маслонефтепродуктов в водоемы. При попадании в атмосферу или педосферу тяжелые металлы не остаются на месте, а включаются в природные геохимические циклы. В различных природных условиях они ведут себя по-разному. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде. Тяжелые металлы, находясь в подвижном состоянии, способны
10
мигрировать в подземные воды и растения, что приводит к увеличению общего уровня токсичности почв. Они могут фиксироваться в почвах в результате образования органе - минеральных комплексов. При выпадении атмосферных осадков наблюдается процесс закисления почв, что способствует переводу тяжелых металлов из неподвижных в подвижные формы при значениях рН от 4 до 7. Активность ионов тяжелых металлов представлена на рис. 1.
В диссертационной работе, исходя из произведений растворимости, получены уравнения зависимости концентрации тяжелых металлов от значения рН:
lg[Al3+]=10-3pH |
(1) |
lg [Cu2+]=8.34-2pH |
(2) |
lg[Zn2+]=ll-2PH |
(3) |
lg [Fe3+]=2.65-3pH |
(4) |
По (1-4) рассчитываются значения рН для алюминия, меди, цинка и железа при которых достигаются значения ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
Проведенный анализ минералогического состава позволил сформулировать гипотезу о возможности использования ОПУШ в качестве сорбента тяжелых металлов и биогенных элементов, поскольку обладают высокой пористостью и развитой удельной поверхностью, что влечет, по-видимому, и улучшение их сорбционных свойств.
В третьей главе дана характеристика объектов, методов исследования и экспериментальных результатов по снижению концентрации поллютантов в поверхностном стоке с терриконов, а также экологическая оценка влияния на природные ландшафты ОПУШ различных возрастов.
Объектами исследования являлись техногенные образования - ОПУШ различного генетического возраста, загрязняющие водные и почвенные объекты окружающей среды тяжелыми металлами и биогенными элементами.
Впервые проведены натурные исследования по степени насыщения тяжелыми металлами поверхностного стока с терриконов при выпадении атмосферных осадков. Автором исследованы специфические условия формирования качественного состава поверхностного диффузного стока под влиянием ОПУШ.