Короткі теоретичні відомості. Екомоніторинг забруднення ґрунту

Екомоніторинг забруднення ґрунту

Лабораторна робота 8

8.1 Мета роботи. Вивчити джерела забруднення, основні забруднювачі ґрунту, їх екомоніторинг та експериментально визначити рівень забрудненості ґрунту з розра­хунком концентрації превалюючого забруднювача.

Ґрунт – це поверхневий шар земної кори, який сформувався сумісною дією клімату, рослинності, ґрунтових організмів. Глибина цього шару може коливатися від декількох мм на сучасних скельних ґрунтах до 10 км. Із гігієнічної точки зору найбільше значення має орний шар, так як з його поверхнею контактує людина (ґрунтове повітря, ґрунтовий пил), вирощуються сільськогосподарські рослини, які вживаються в їжу. Однак великий інтерес має і шар ґрунту, який розташований до першого водотривкого горизонту. Від його хімічного складу залежить якість підземних вод.

Ґрунт – система, яка керує обміном речовин у природі, основа процесу трансформації сонячної енергії, оскільки він приймає участь у фотосинтезі рослин, які акумулюють колосальну кількість сонячної енергії, зв’язаній у масі рослинної органічної речовини, наземна рослинність акумулює біля 0,5· 10¹⁵ кВт/рік енергії. Ґрунт не тільки трансформує енергію, але й формує якість основних джерел господарсько-питного водопостачання, до яких відносяться ґрунтові води, а також води рік озер та водосховищ.

Хімічні сполуки, що знаходяться у ґрунті, змиваються з його поверхні у відкриті водойми або мігрують у глибину ґрунту. За хімічним складом ґрунтових вод можна судити про хімічний склад ґрунту. В підземні води вимиваються як ендогенні хімічні речовини (властиві для типу даного ґрунту), так і екзогенні (штучно створені та перерозподілені людиною). До останніх належать пестициди, мінеральні добрива, солі важких металів і т. і.

Концентрація шкідливої речовини (ШР) на глибині "х" за час t – С_х,t при одноразовому надходженні в грунт складає:

С_х,t = (Q / )·e^{–х /4 Dt} (8.1)

D - коефіцієнт дифузії, мг/(см²·с); Q- кількість ШР на поверхні ґрунту: х, см; t, діб. При Q=0,02 мг/см² (пестицид), D=1,45·10^–5 мг/(см²·с), t=90 діб, х=50 см і з перерахунком на 1 кг ґрунту:

С@0,0125 мг/кг.

Схильність екзогенних ШР до кумуляції і міграції за харчовими ланцюгами призводить до того, що риба, молюски, ракоподібні, які концентрують в собі значну кількість ШР, можуть бути причиною отруєння людей (хвороба Мінамато нагадує тяжкий енцефаліт, причина – забруднення води Нg-органічними сполуками; або “ітай-ітай” – різке зменшення розмірів кісток, дуже сильні болі, причина – підвищена концентрація кадмію у питній воді). Обидві хвороби не лікуються дотепер, від них загинуло багато людей.

Дуже чутливі до надлишку міді в ґрунті – злакові, цитрусові і бобові культури (максимальні токсичні концентрації складають відповідно 10, 23, 32 мг/кг сухої біомаси).

Встановлено зв’язок між високим вмістом цинку в ґрунті і частотою захворювання на рак шлунку, між підвищеною концентрацією молібдену у ґрунті і раком стравоходу. Забруднення ґрунту бластомогенними (канцерогенними) речовинами спостерігається на значних відстанях (до 15 км) від джерела i глибинах (до 1,5 м). Тому виникає небезпека забруднення ґрунтових вод. Основні джерела забруднення ґрунту та його деградація внаслідок такого забруднення наведена в таблицях 8.1, 8.2. Дуже небезпечні з них - це вихлопні гази, які містять свинець і 3,4-бенз(а)пірен. Тому овочі, злаки, iнші рослинні продукти, які вирощують біля автомагістралей мають підвищену концентрацію (на 1-1,5 порядку) цих токсичних речовин. РЬ викликає хронічні захворювання головного мозку, особливо у дітей, діє на репродуктивну функцію, а також має мутагенний характер.

Таблиця 8.1 – Основні джерела забруднення ґрунту

Сфера матеріального виробництва	Сфера споживання
Промисловість	Транспорт	Сільське господарство	Житло людини
1.Промислові викиди в атмосферу	1.Вихлопні гази	1.Стічні води та тверді залишки тваринництва	1. 1.Димові гази
2.Промислові стічні води	2.Залишки змащувальних матеріалів та інші нафтопродукти	2.Мінеральні добрива	2. 2.Побутовві стічні води
3.Радіоактивні відходи	3.Втрати хімічних речовин при транспортуванні	3.Біоциди, отрутохімікати, пестициди	3. 3.Тверді побутові відходи
4.Тверді промислові відходи		4.Структуроутворювачі ґрунтів	4. 4.Екзогенні хімічні речовини, які використовуються в побуті

Таблиця 8.2 – Деградація ґрунтів

І категорія деградації	ІІ категорія деградації	ІІІ категорія деградації
1.Руйнація внаслідок забудови, транспортом комунікаціями	1.Забруднення міськими стічними водами та сміттям	1.Забруднення добривами
2.Ерозія та замулювання наносами	2.Забруднення промисловими неорганічними відходами	2.Забруднення біоцидами
3.Засолення та за солонцювання	3.Ураження радіоактивністю	3.Забруднення детергентами
4.Забруднення органічними рештками	4.Забруднення важкими металами
5.Забруднення носіями інфекційних захворювань

Разом з тим вміст свинцю в навколишньому середовищі все збільшу ється: в пилу тротуарів вже знаходять стільки свинцю, скільки його міститься у бідних РЬ-рудах. Взагалі у ґрунті міститься 4·10^–3% свинцю, але в рослинах накопичується РЬ на 2-3 порядки більше (особливо в рослинах у автодоріг). Але зростання концентрації РЬ в рослинах відбувається в більшій мірі за рахунок повітря, в порівнянні з ґрунтом. Багато свинцю поглинають коренеплоди, особливо картопля, буряк. морква не поглинає РЬ зелена цибуля. Загальна характеристика найбільш розповсюджених забруднювачів грунту по м. Чернігову наведена в таблиці 8.3.

Таблиця 8.3 – Характеристика забрудненості ґрунтів в м. Чернігові

Сполуки	Фонова концентрація, мг/кг	Фактична концентрація, мг/кг	ГДК, мг/кг	Аномальні зони (концентрація, мг/кг)
Свинець		10-32		Район залізничної станції Чернігів-Північний, заводів "Жовтневий молот" та 171-й, "Агрореммаш", Інструментального, ЗАТ "Ритм", АТП-17462, ВАТ "Холодторг", ВАТ "Чернігівриба" та Меблевої фабрики (30–90). Вул. Шевченка, проспекти Миру, Перемоги і інші, Чернігівське тролейбусне управління (150–200)
Цинк				Заводи "Жовтневий молот" (320), ВАТ "Чернігівавтодеталь" (250), Чернігівський річковий порт (550-1100)
Мідь		16-30	3,0	Завод "Металіст" (1000), ВАТ "ЧеЗаРа" (1200),Чернігівський річковий порт (2500-3200)
Олово	1-4	2-4		Вул. Щорса (10-100), Чернігівський річковий порт (10-100)

Продовження таблиці 8.3

Нікель		7-14		Завод "Металіст" (56-500), на територіях м'ясокомбінату та молокозаводу (до 150), вздовж вул. Шевченка (до 80). Найбільш значні, як по площі, так і по вмісту, аномалії зафіксовані в зоні впливу ТЕЦ і ВАТ ЧП "Хімволокно" (в окремих точках - навіть до 2500 мг/кг).
Ванадій				Цегельний завод № 3 (до 120), на території ТВЦ (90-320)
Ртуть Hg + Pb	0,01	0,08	2,1 1 + 20	Зелена зона на правому березі р. Десни (1,5), в 500 і 300 м на південь і південний захід від перехрестя вул. Шевченка і Кільцевої (1,0), території концерну "Чексіл", ВАТ "Чернігіввовна", ВАТ ЧП "Хімволокно" (1,0)
Кадмій	0,5	17,1	2,5	Завод "Агрореммаш" (17,1), меблева фабрика (4,5), ВАТ "ЧеЗаРа" (4,8)
Миш’як	0,2	0,2		В межах цегельного заводу № 3, в зоні виливу локомотивного депо; в північній частині міста - на вул. ген. Белова, в 150 м на захід від її перетину з вул. ген. Пухова і східніше території ВАТ "Чсрнігівавтодеталь" (16-22)

Великої шкоди завдають забруднення пестицидами (гербицидами - для боротьби з бур’яном, інсектицидами - для боротьби з шкідливими комахами, фунгіцидами для боротьби з грибковими). Це хлор-, ртуть-, фосфорорганічні речовини. Дуже шкідливі хлорорганічні поверхнево-активні речовини, деякі з них, наприклад симазин, лінурон заборонені до застосування, накопичені у великих кількостях на складах сільгоспідприємств і потребують термінової утилізації [22-24].

Тому важливо нормування вмісту хімічних речовин у ґрунті – ГДК_гр. ЇЇ величина визначається на основі декілъкох лімітуючих показників шкідливості (ЛПШ):

1. Транслокаційний показник (Т) - характеризує накопичення ШР у рослинах.

2. Міграційний повітряний показник (МА) - характеризує накопичення ШР в атмосферному повітрі.

3. Міграційний водний показник (МВ) - характеризує накопичення ШР у воді.

4. Загально-санітарний (ЗС) показник - враховує вплив ШР на процеси
самоочищення ґрунту. Тут дуже важлива хімічна стійкість, стабільність ШР (за основним критерієм –часом (діб)) зменшення концентрації ШР на 90-99%. Якщо t< 5-7діб, ШР- не леткі і продукти деструкції ШР не є токсичними, то цей показник не враховується. Це означає, що ШР досить легко піддається біодеградації.

5. Санітарно-токсикологічний показник шкідливості (СТ) - характеризує ступінь токсичності ШР.

В окремих випадках враховується ще один ЛПШ – фітотоксичний.

Знаючи всі ЛПШ, вибирають з них мінімальний показник, який
і буде лімітуючий (він позначається у таблицях ГДК_гр).
Якщо ГДК_гр. відсутній, розраховують орієнтовно допустиму концентрацію ОДК_гр:

ОДК_гр= 1,23 + 0,48 lgГДК_пр (8.2)

При відсутності ГДК_пр оцінюютьОДК_пр:

ОДК_пр=0,13·10^–2ЛД₅₀ + 0,76 (8.3)

Для Р–органічних пестицидів: ОДК_пр=1,45ГДК_в + 0.68 (8.4)

Cl –органічних: ОДК_пр=2,2ГДК_в + 0.33 (8.5)

Класифікацію небезпеки хімічних речовин в ґрунту проводять за індексом небезпеки J:

J=lg[(A ^. S)/(a ^. M ^. ГДК_гр)] (8.6)

де А – моль атомів елементу (атомна маса); S – розчинність у воді сполуки, мг/л; a – середнє арифметичне з 6 показників ГДК_пр – в продуктах (м’ясо, риба, молоко, хліб, овочі, фрукти), мг/кг; М – мольна маса речовини, мг/моль молекул; ГДК_гр (по елементу), мг/кг.

За J визначають клас небезпеки ШР:

Характер небезпеки	Клас небезпеки	J
Високо небезпечні	І	>4.1
Небезпечні	ІІ	2.6...4.1
Мало небезпечні	ІІІ	0.1...2.5
Безпечні	ІV	<0.1

Оцінку забрудненості ґрунту проводять за ГДК_г, з врахуванням лімітуючих показників шкідливості, а також за сумарним показником забрудненості ґрунту – Z_c.

(8.7)

де К_с – коефіцієнт концентрації ШР (дивись табл. 8.4):

(8.8)

Встановлено чотири категорії забрудненості ґрунту (табл. 8.5).

Таблиця 8.4 – Специфіка джерел забруднення

Джерела забруднення	Виробництво	Коефіцієнт концентрації
більше 10	менше 10
Кольорова металургія	Кольорових металів безпосередньо з руд та концентратів	Свинець, цинк, мідь, срібло	Свинець, цинк, мідь, срібло
Вторинна переробка кольорових металів	Свинець, цинк, мідь, олово	Свинець, цинк, мідь, олово
Твердих та тугоплавких кольорових металів	Вольфрам	Вольфрам
Титану	Свинець, цинк, мідь, срібло, бор	Свинець, цинк, мідь, срібло, бор
Чорна металургія	Легованих сталей	Кобальт, молібден, вісмут, вольфрам, цинк	Свинець, кадмій
Залізорудне	Свинець, срібло, миш’як	Цинк, вольфрам, кобальт, ванадій
Машинобудівна та металообробна промисловість	Термічна обробка металів	Свинець, цинк	Нікель, хром, ртуть, олово, мідь
Свинцевих акумуляторів та приладів для електротехнічної та електронної промисловості	Свинець. нікель, кадмій	Сурма, свинець, цинк, вісмут
Хімічна промисловість	Суперфосфатних добрив	Стронцій, цинк, фтор	Мідь, хром, миш’як, ітрій
Пластмас	–	Мідь, цинк, срібло
Виробництво будівельних матеріалів	Цементу та залізобетонних виробів	–	Ртуть, стронцій, цинк
Тверді побутові відходи, які застосовуються в якості добрив	–	Свинець, олово, мідь, срібло, сурма, цинк, кадмій	Ртуть
Каналізаційні стічні води	–	Свинець, олово, мідь, хром, цинк, кадмій, ванадій, нікель	Ртуть, срібло
Забруднені води для зрошування	–	Свинець, цинк	Мідь

Таблиця 8.5 – Наближена оціночна шкала небезпеки забруднення ґрунтів за сумарним показником забруднення (Z_c)

Категорія забрудненості ґрунту	Значення Zc	Характеристика забруднення	Можливість застосування земель для с/г	Зміни в стані здоров’я населення в осередках забруднення	Категорія забрудненості ґрунту
І	Допустима	< 16	ГДКгр<Сшр>Cфон	Під будь які культури	Найбільш низький рівень захворюваності дітей та мінімальна частота функціональних відхилень	Допустима
ІІ	Помірно небезпечна	16 … 32	Сшр > ГДКгр (ЗС, МВ, МА), Сшр<ГДКгр (Т)	Під будь які культури, але при умові контролю їх якості	Збільшення рівня загальної захворюваності	Помірнодопустима
ІІІ	Високо небезпечна	32 … 128	Сшр > ГДКгр (Т)	Під технічні культури. Використання під сільгоспкультури обмежено з врахуванням рослин концентраторів	Збільшення рівня загальної захворюваності, кількості часто хворіючи дітей, дітей з хронічними захворюваннями, порушеннями функціонального стану серцево-судинної системи	Небезпечна
IV	Надзвичайно небезпечна	> 128	Сшр > ГДКгр (за всіма ЛПШ)	Неможливо – під будь які культури. Лісозахисні смуги.	Збільшення рівня загальної захворюваності дітей, жінок з порушеннями репродуктивної функції (збільшення токсикозів вагітності, кількості передчасних пологів і т. і.)	Надзвичайно небезпечна

Ступінь небезпеки відходу встановлюють за індивідуальними та сумарними індексами токсичності. Індивідуальні індекси токсичності розраховують за формулою:

(8.9)

де С_ві – вміст даного компоненту в тонах в одній тоні відходу,т/т

S_i – коефіцієнт, який характеризує розчинність компоненту у воді визначають діленням розчинності речовини (г/100 Н₂О) на 100, приймає значення S=0…1

Сумарний індекс токсичності:

(8.10)

де n – кількість вибраних найбільш токсичних забруднювачів з

мінімальними значеннями. К_i(n£3).

При цьому К₁<К₂<К₃ а 2 К₁³ К₃. Якщо ця нерівність виконується то К_S знаходять за 3-ма показниками К_1, К₂ та К₃, якщо 2К₁<К₃ – то за 2 показниками, K₁ та К₂ (тобто n=3 або n=2).

При відсутності ГДК_гр розрахунок проводять за ЛД₅₀:

(8.11)

де F_i-коефіцієнт летючості компонента, визначають діленням тиску насиченого пару компонента (при Т=25⁰С) на 760 (F_i=0…1). F визначають тільки для речовин з Т_кип < 80⁰C при 760 мм рт. ст.

За К_S за таблицею (табл. 8.6) визначають клас токсичності відходу. Треба вважати, що захороненню підлягають відходи 2–4 класу небезпеки. Відходи 1 класу зберігаються (знешкоджуються) на самому підприємстві.

Таблиця 8.6 – Клас токсичності відходів та базові нормативи плати по охороні ґрунту (за розміщення відходів у навколишньому природному середовищі)

Клас токсич. відходу	Ступінь небезпеки відходів	КS	Ніл, грн./т
За ГДКгр	За ЛД50
І	Надзвичайно небезпечні	< 2	< 1.3
	Ртутьвмісне обладнання (за 1 штуку)
	Люмінісцентні лампи (за 1 штуку)			0.6
ІІ	Високо небезпечні	2…16	1.3…3.3
III	Помірно небезпечні	16…30	3.3…10	0.5
IV	Мало небезпечні	> 30	> 10	0.2
	Інертні			0.1
	Нетоксичні відходи гірнично-видобувної промисловості			0.02

Забруднення ґрунту в основному пов’язане із забрудненням повітря та водойм, тому необхідно першочергово передбачити якісну очистку повітря і стічних вод від ШР.

Основними заходами з охорони ґрунту є:

1) удосконалення методів очистки повітря;

2) удосконалення методів очистки стічних вод;

3) утилізація відходів;

4) використання технологій, які наближаються до маловідходних;

5) виключення стадій технологічного процесу, на яких утворюється максимальна кількість токсичних відходів;

6) перехід на водооборотне водопостачання;

7) будівництво територіально-виробничих комплексів, де відходи одного підприємства були б сировиною для другого;

8) науково обґрунтована регламентація внесення в ґрунт мінеральних добрив та отрутохімікатів;

9) регенерація, рекультивація та рекуперація вже втрачених земель;

10) організація спеціальних полігонів, де здійснюється централізоване збирання, знешкодження та поховання відходів.

Дата добавления: 2015-05-26