Эколого-химическая оценка влияния отходов переработки золоторудного сырья на экосферу и разработка способа их доочистки Гула Константин Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Современные проблемы воздействия горнорудных предприятий на окружающую среду

1.1 Воздействие на атмосферу

1.2 Воздействие на литосферу

1.3 Воздействие на растительный покров

1.4 Воздействие на водные объекты

ГЛАВА 2 Район работ, объекты и методы исследования

2.1. Характеристика рельефа, климата, гидрологии и гидрогеологии, животного мира, почв и растительности района

2.2 Объекты исследования

2.3 Методы исследования объектов

2.3.1 Биологические методы исследования

2.3.2 Физико-химические методы исследования

ГЛАВА 3 Оценка влияния природно горнопромышленной техногенной системы на состояние объектов окружающей среды

3.1 Основы технологии переработки золоторудного сырья

3.2 Оценка промышленных сточных вод золотоизвлекательной фабрики, как источника загрязнения окружающей среды

3.3 Эколого-химическая оценка влияния отходов на объекты окружающей среды

3.3.1 Снежный покров

3.3.2 Исследование почв и растительности в зоне влияния хвостохранилища

3.3.3 Загрязнение поверхностных вод 15

3.3.4 Загрязнение донных отложений ионами ТМ в границах влияния техногенной системы

3.3.5 Влияние техногенного загрязнения объектов окружающей среды на здоровье населения горняцкого поселка

3.3.6 Воздействие ионов токсичных металлов на организм человека

ГЛАВА 4. Новый метод доочистки сточных промышленных вод

4.1 Особенности очистки сточных промышленных вод в процессе золотодобычи. Общая характеристика способов очистки сточных вод

4.2 Принципы оценки и создания экологически безопасных горных технологий

4.3 Лабораторные исследования по доочистке сточных промышленных вод ЗИФ с использованием высшей водной растительности

ГЛАВА 5. Математические модели доочистки сточных промышленных вод (в виде пульпы) от тяжелых металлов и цианидов при золотодобыче с использованием гидрофитов

глава 6. Расчет ущерба окружающей среде. Экологический эффект от внедрения технологии доочистки сточныхпромышленных вод с использованием водной растительности

6.1 Методические положения определения эколого экономической эффективности природоохранных мероприятий

6.2 Расчёт экологического эффекта от существующих на предприятии сооружений по очистке сточных промышленных вод золотоизвлекающей фабрики (ЗИФ) ЗАО «Многовершинное» (2010 г.) 131

6.2.1 Расчёт возможного предотвращённого ущерба в случае сброса неочищенных сточных вод горного предприятия 131

6.2.2 Расчёт ущерба окружающей среде от сброса вредных химических веществ (ВХВ) в случае очистки сточных вод ЗИФ физико-химическими методами 133

6.3 Экологический эффект от внедрения очистки сточных промышленных вод с использованием водной растительности 134

6.3.1 Расчёт ущерба окружающей среде от сбросов сточных вод, очищенных биологическим методом 134

6.3.2 Расчёт чистого годового экономического эффект а 136

Заключение 137

Список использованных источников 139

• Воздействие на литосферу
• Биологические методы исследования
• Эколого-химическая оценка влияния отходов на объекты окружающей среды
• Расчёт экологического эффекта от существующих на предприятии сооружений по очистке сточных промышленных вод золотоизвлекающей фабрики (ЗИФ) ЗАО «Многовершинное» (2010 г.)

Введение к работе

Актуальность проблемы. Интенсивное освоение золоторудного сырья в Дальневосточном федеральном округе (ДФО) (в том числе «Многовершинного ГОКа») способствует формированию техногенных горнопромышленных систем и поступлению в окружающую среду различных химических веществ, что приводит к загрязнению гидросферы, атмосферы, биосферы и литосферы (Моисеенко и др., 1996; Даувальтер и др., 2000; Трубецкой и др., 2003; Lee S, 2006). Современные способы золотодобычи горнорудных предприятий позволяют значительно увеличить выход полезного продукта, но предпринимаемые мероприятия для снижения загрязнения объектов природной среды недостаточно эффективны (Тимофеева, 1985, 1995; Лескова и др., 2007). Использование высокотоксичного реагента - цианида натрия (NaCN) - для извлечения Аи и Ag из руды, а также обезвреживание сточных вод (в виде пульпы) посредством обработки гипохлоритом кальция [Са(С10)₂] является характерной особенностью технологии, используемой в настоящее время. Сбрасываемые в водные объекты сточные воды содержат значительное количество загрязняющих веществ (ЗВ): цианистых соединений и ионов тяжелых металлов (ТМ), обладающих общетоксическим, кумулятивным, канцерогенным и мутагенным действием, и представляют угрозу экологическому равновесию природных систем. Следовательно, защита воздуха, почвы, биоты, поверхностных и подземных вод от загрязнения токсичными ЗВ является важной экологической задачей (Гарбузов, 2000; Кондратьева и др., 2011, 2012; Гаськова и др., 2012; Саева и др., 2012; Галченко и др., 2015). К сожалению, рекультивация нарушенной территории в ДФО практически не проводится (Лескова и др., 2007, Патент РФ 2275779, 2006), поэтому факторы техногенного воздействия оказывают отрицательное влияние на объекты окружающей среды и здоровье населения.

Происходящие гипергенные и техногенные процессы в отходах, складируемых в хвостохранилище, благодаря механизму окисления сульфидов, а также в результате гидролиза приводят к образованию агрессивных высококонцентрированных микропоровых растворов. Все это способствует загрязнению экосферы в целом и нарушению фоновых показателей района исследования. К числу токсичных элементов, выносимых за пределы производственной зоны, относятся соединения, содержащие ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, As^f+, Fe³⁺, Mn⁴⁺, Co²⁺ и др. Знание закономерностей формирования техногенной системы и процессов, в ней происходящих, позволит разработать комплекс мероприятий, направленных на снижение ее негативного влияния на объекты окружающей среды и здоровье человека (Трубецкой и др., 2009; Rapant S., 2006). Поэтому актуальной экологической задачей является защита всех природных составляющих: воздуха, почвы, биоты, донных осадков, поверхностных и подземных вод от загрязнения токсичными веществами. Экологическую и социальную безопасность для всего живого, в том числе и человека, следует обеспечить в данном районе в ближайшее время, что можно сделать с помощью усовершенствования технологии очистки и доочистки сточных промышленных вод.

Объектом исследования является природно-горнопромышленная техногенная система (ПГТС), сформированная в процессе освоения золоторудного сырья горным предприятием ЗАО «Многовершинное», в состав которой входят отходы обогащения золоторудного сырья, складируемые в хвостохранилище в виде пульпы и объекты окружающей среды: вода из местных ручьев (Улчонок и Бирсалали), почвы, снежный покров и донные осадки, а также проверяемые на возможность доочистки стоков такие биологические объекты, как Ряска малая (Lemna minor), Тростник обыкновенный (Phragmites australis).

Предмет исследования - распределение и накопление соединений токсичных химических элементов в объектах окружающей среды и совершенствование системы доочистки сточных промышленных вод в процессе золотодобычи.

Цель работы - эколого-химическая оценка влияния отходов переработки

золоторудного сырья в виде пульпы на объекты окружающей среды и разработка способа их доочистки путм биодеструкции, биоокисления и биосорбции из растворов с помощью гидрофитных растений семейства рясковых и злаковых.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обобщить и систематизировать литературные данные по проблеме оценки влияния
отходов горнорудного производства на окружающую среду в процессе золотодобычи и
разработке технологий их доочистки;

проанализировать состав и свойства промышленных сточных вод в процессе переработки золоторудного сырья, как источника загрязнения экосферы;

оценить влияние отходов горнорудного производства в виде пульпы на объекты окружающей среды и выявить закономерности распределения соединений тяжелых металлов в них;

оценить биолого-экологические характеристики, показать целесообразность использования водных растений Ряски малой и Тростника обыкновенного как возможных концентраторов соединений тяжлых металлов (Zn, Си, Pb, Fe, Ni, Со, Мп) и As, а также биодеструкции цианидов, для доочистки промышленных сточных вод;

- показать возможность использования математической модели для доочистки
промышленных сточных вод, позволяющей довести их до заданных значений
нормативных показателей;

- предложить техническое решение, разработать экспериментальную установку,
получить исходные данные для создания технологии доочистки сточных промышленных
вод с использованием гидрофитов.

Методы исследований. В работе использованы общепринятые современные физико-химические, химические, биологические и математико-статистические, а также: аналитическое обобщение результатов изучения оценки влияния твердых и жидких отходов на окружающую среду; анализ проб почвы, растений, и промышленных сточных вод золото-серебросодержащих руд; лабораторные исследования; опытно-полупромышленные испытания по доочистке сточных вод.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Характеристика снежного покрова (СП), аккумулирующего соединения токсичных химических элементов As, Pb, Си, Ni, Mn, Zn и др. на расстоянии до 7 км от источника в количестве 11000-14000 мг/дм , показывает, что его пылевая нагрузка (Рп), содержание ионов ТМ и суммарный показатель (Zc) превышают фоновые значения от 3 до 17 раз;

2. Оценка техногенной почвы показывает высокую степень ее нарушения, интенсивное загрязнение подвижными формами токсикантов и значительную концентрацию в верхней части профиля (0-10 см) валовых форм ТМ. Количество загрязняющих компонентов снижается с увеличением в ней органического вещества, степени насыщенности ее поглощающего комплекса обменными основаниями, в условиях нейтральной или слабощелочной реакции среды, а также при наличии минералов из класса силикатов (монтмориллонит, нонтронит и др.).

3. Характеристика растительности в границах влияния природно-горнопромышленной техногенной системы (до 7 км) свидетельствует о повышенном содержании в ней соединений, содержащих ионы As⁵⁺, Zn²⁺, Рb²⁺, Cu²⁺, Fe³⁺ и других ионов по сравнению с фоновыми значениями, что способствует изменению метаболизма, физиологических функций, нарушению структуры клеток и приводит к снижению показателей биоразнообразия и биопродуктивности.

4. Оценка поверхностных и грунтовых вод, а также донных отложений подтверждает накопление токсичных соединений ТМ и As, причем их концентрация в поверхностных водах выше фоновых характеристик до 18 раз, в питьевой - колодезной воде - до 194 и донных осадках - до 17.

5. Доочистка сточных промышленных вод от цианистых соединений, ионов ТМ и As с применением гидрофитов - Ряски малой и Тростника обыкновенного обеспечивает эффективность системы и экологическую безопасность отходов обогащения. Математическая модель доочистки сточных промышленных вод от соединений ТМ и цианидов позволяет проводить ее до нормативных показателей.

Достоверность защищаемых положений обеспечена: использованием современных методов исследования с применением аттестованных измерительных приборов и апробированных методик, воспроизводимостью результатов, длительным наблюдением за изменением концентрации токсикантов в сточных водах, а также применением методов математической статистики, математического планирования научного эксперимента, моделирования и результатами опытно-полупромышленных испытаний; апробацией результатов на конференциях разного уровня (региональных, российских, международных) и их публикацией в высокорейтинговых журналах.

Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые выполнена комплексная оценка и изучены закономерности влияния отходов золоторудного предприятия ЗАО «Многовершинное» на объекты окружающей среды (снежный покров, почвы, растительность, поверхностные и грунтовые воды, донные отложения), свидетельствующие о высоком уровне их техногенного загрязнения цианистыми соединениями, ионами ТМ и As. Предложен новый методологический подход к оценке воздействия соединений ТМ сульфидной составляющей золоторудной техногенной системы на объекты окружающей среды и разработаны принципы обеспечения экологической безопасности отходов переработки золоторудного сырья. На основе экспериментальных исследований впервые выявлены биолого-экологические особенности водных растений Ряски малой и Тростника обыкновенного как возможных концентраторов токсичных соединений, исследована их способность к аккумуляции ионов тяжлых металлов (Zn⁺², Cu²⁺, Pb²⁺, Fe, Ni²⁺, Co²⁺, Mn⁴⁺), а также As⁵⁺ и биодеструкции цианидов, а также доказана целесообразность их использования для доочистки промышленных сточных вод. Впервые для исследуемого района установлено увеличение стерильности пыльцевых зерен и негативное воздействие токсикантов на живые организмы, приводящее к изменению метаболизма и нарушению физиологических функций.

Разработано технологическое решение по доочистке сточных вод от цианистых соединений, ТМ и As, новизна которого подтверждена Патентом РФ (от № 25045179 от 20.01.2014 г.).

Практическая ценность работы. Создана экологически безопасная технология доочистки сточных промышленных вод, позволяющая значительно снизить техногенное воздействие на окружающую среду до допустимого уровня. Проведены испытания разработанной технологии доочистки сточных вод в лабораторных и полупромышленных условиях, определено качество исходной сточной промышленной воды, обоснованы рациональность и получаемый эколого-экономический эффект. Технология передана горному предприятию. Показаны возможности использования математической модели для доочистки сточных промышленных вод, позволяющей выявить параметры, обеспечивающие максимальное, по сравнению с используемой на горном предприятии методикой, извлечение загрязняющих веществ гидрофитами. Результаты могут быть использованы в практике управления отходами и организации мониторинга изменения объектов окружающей среды, находящихся под влиянием горнопромышленных техногенных систем. Данные диссертационной работы могут найти применение при разработке и реализации Программы экологической безопасности горнопромышленных отходов в Хабаровском крае, так как направлены на снижение их отрицательного воздействия на окружающую среду. Результаты внедрены в учебном процессе (Тихоокеанский государственный университет) при подготовке специалистов по следующим дисциплинам: «Экология», «Горнопромышленная экология» и «Горное дело и

окружающая среда». В 2014 г. разработка удостоена Диплома второй степени и Серебряной медали в номинации «Лучший инновационный проект и лучшая разработка года» на Всероссийском Конкурсе - Технической Ярмарке в Санкт-Петербурге.

Личный вклад автора состоит в проведении экспедиционных исследований, с целью изучения влияния отходов переработки золоторудного сырья на объекты окружающей среды; в изучении применения гидрофитных растений (Ряски малой и Тростника обыкновенного), распространенных в Хабаровском крае, при исследовании процесса деструкции цианидов и роданидов; в сборе полевых материалов, их обработке, постановке экспериментов в лабораторных и полупромышленных условиях, анализе образцов в сертифицированной лаборатории ИТИГ ДВО РАН и горного предприятия; в обобщении и интерпретации полученных результатов, разработке практических предложений и подготовке публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 7 - в рецензируемых научных журналах из списка ВАК, а также два Патента РФ.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены: на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи -регионам» (г. Вологда, 2006, 2007); Международной конференции «Комплексное использование георесурсов, 2007 и 2009 гг. (г. Хабаровск, 2007, 2009), а также «International Conference on Frontiers of Energy, Materials and Information Engineering» (г. Гонконг, 21-22 сентября 2014); на Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере», (г. Сыктывкар, 2008); на Региональных научно-технических конференциях (г. Хабаровск, 2006, 2007, 2009); номинировались в материалах исследований на Губернаторском конкурсе научных работ молодых ученых (г. Хабаровск, 2009); на Олимпиаде «Созвездие» (Московская область, г. Наукоград-Королев, 2004); на Краевой конференции «Студенческая Весна» - 2004, 2005 (г. Хабаровск, 2004, 2005). Доклады и выступления отмечены благодарственными письмами, премиями и дипломами на конференциях разного уровня.

Реализация работы. Результаты использованы: 1) при выполнении «Программы комплексных экспедиционных исследований природной среды в бассейне р. Амур» (2004-2008 гг.)» (ДВО РАН); 2) «Программы стратегического развития Тихоокеанского государственного развития (2012-2016 гг.)» по теме «Создание научных основ снижения экологической опасности загрязнения окружающей среды отходами переработки минерального сырья в условиях Дальневосточного федерального округа»; 3) гранта Российского научного фонда (2015-2017 гг.) по теме «Фундаментальные основы оценки современного состояния техногенной системы для создания новых технологий ликвидации накопленного экологического ущерба прошлой хозяйственной деятельности оловорудной промышленности в ДФО.

Соответствие паспорту научной специальности. Так как горнорудное производство является отраслью химической промышленности, то диссертационная работа соответствует паспорту специальности 03.02.08 - экология (химия) (химические науки) в пунктах: 4.1. Исследования влияния абиотических факторов технологических процессов и продукции легкой, текстильной, химических и нефтехимических отраслей промышленности на окружающую среду в естественных и искусственных условиях с целью установления пределов устойчивости компонентов биосферы к техногенному воздействию. 4.3. Принципы и механизмы системного экологического мониторинга, аналитического контроля в легкой, текстильной, химических и нефтехимических отраслях промышленности. 4.9. Разработка систем управления отходами производства и потребления предприятий легкой, текстильной, химических и нефтехимических отраслей промышленности; 5.4. Разработка, исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий и устройств, позволяющих снизить негативное воздействие объектов энергетики на окружающую среду. 5.6. Разработка экологически безопасных технологий очистки, утилизации и хранения вредных промышленных отходов.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, Приложения, списка использованной литературы из 447 наименований, в том числе и иностранных источников. Содержание работы изложено на 219 страницах машинописного текста, иллюстрировано 80 рисунками и 63 таблицами.

Благодарности. Выражаю искреннюю признательность д.б.н., проф., Заслуженному экологу РФ Л.Т. Крупской за научное руководство работой, д.г.-м.н., проф. В.П. Зверевой, д.х.н., проф. Л.А. Земнуховой, д.б.н., проф. Н.К. Христофоровой и к.х.н., доценту кафедры «Химии» ТОГУ Л.И. Чекмаревой за советы и консультации. Автор благодарен дирекции ЗАО «Многовершинное» за содействие и практическую помощь, особую благодарность выражаю руководителю лаборатории ЦПАЛ инженеру-химику Л.К. Золотаревой, а также всему ее коллективу за помощь в проведении лабораторных исследований.

Воздействие на литосферу

В процессе работы золотодобывающих предприятий происходит нарушение целостности и разрушение не только почвенного слоя, но и растительного покрова, а также уничтожение устоявшихся биосистем, что приводит к гибели и миграции представителей животного мира [155, 245, 311]. Особенно опасен этот процесс на Севере и в районах, приравненных к крайнему Северу, так как здесь восстановление разрушенных горными работами экосистем происходит очень медленно и занимает сотни и тысячи лет [169, 180, 357].

Как отмечалось ранее благодаря ветровому разносу сульфиды попадают в почвы и там взаимодействуя с кислородом воздуха, водой, углекислым газом и т. д., формируют высококонцентрированные микропоровые растворы, из которых через корневую систему элементы попадают в растения.

Произрастающие в районах техногенного загрязнения растения обладают способностью поглощатьиз окружающей среды практически все соединения химических элементов, в том числе и ТМ [86, 271]. Так, А.П. Поповым с соавторами [261] выявлено, что их содержание в растениях (мхах, грибах, хвое, листьях деревьев, кустарниках,), произрастающих на техногенных ландшафтах, превышает фоновые показатели от 500 до 800 раз в радиусе 200- 300 м от источника загрязнения, причем оно падает до 10 раз в радиусе 1500- 2000 м в зависимости от розы ветров. Необходимо отметить, что мхи, лишайники, черника, папоротник, хвощ характеризуются повышенным содержанием Рb. Н.А. Черкашина [329] на основе анализа распределения Pb в золе типичных растений пойменных местообитаний показала следующие результаты исследования (мкг/г): пырей – от 5 до 150, в тростник – 10-300, листья тополя – 20-100, полынь – 10-150, овсянница – 5-60, рогоз – 10-100, листья ивы – 30-300 и люцерна – 5-40.

Существует противоречивое мнение о распределении соединений тяжелых металлов в органах растений: в корнях или в наземных органах [235, 330, 331]. Ряд авторов отмечают, что накопление ТМ в органах растений последовательно убывает в ряду: корни – стебли – листья – семена – плоды [61].

Некоторые исследователи утверждают [424], что растения, произрастающие на почвах, обогащенных соединениями ТМ, не могут предотвратить поступления последних и только ограничивают их накопление и передвижение. Ограничить поступление ТМ в организм человека позволяет знание особенностей аккумуляции токсичных элементов в органах и тканях растений.

Индикатором техногенного загрязнение почв является состояние растений [436, 437, 442], а критерием может служить ПДК тяжелых металлов в растительности. При использовании этого метода, можно установить не только наличие опасного уровня содержания поллютантов, но и оценить синергический эффект двух и более элементов [56]. В.С. Котов [162], например, показал, что при совместном воздействии ионов Hg2+, Cd2+ и Ni2+ на водоросли наблюдается усиление токсичности каждого металла, но в зависимости от концентрации этих металлов может прослеживаться и антагонизм их действия. Данные о совместном воздействии Hg2+ и Cd2+, Hg2+ и Zn2+ приведены в работе А.Г. Кочаряна с соавторами [163].

Известно, что растения являются индикатором на техногенное загрязнение. В.П. Молчанов с соавторами [215] установил растения – индикаторы на соединения ртути – это клевер люпиновый и леспедеция двухцвётная. Они позволяет выявить биогеохимические аномалии, указывающие на наиболее зараженные участки старых отвалов золотодобычи Приморского края. Ряд исследователей [130, 427] считают, что наибольшей металлоаккумулирующей способностью обладают лишайники.

Для тестирования уровня загрязнения окружающей среды используют показатель роста растений. Однако вопрос о содержании соединений ТМ в тканях растений и угнетении ростовых процессов остается сложным и не проработанным [309]. Некоторые авторы полагают, что с увеличением концентрации ТМ происходит торможение роста. При условии, если семена предварительно замачивали не в воде, а в растворе ТМ, то их ингибирующее действие отмечается в меньшей степени [24, 309]. Замедление роста проявляется в задержке прохождения фаз развития растений.

В качестве наиболее часто применяемых критериев оценки используются темпы ростовых процессов и накопление соеднений тяжелых металлов. Оценивая токсичность необходимо учитывать интенсивность роста растений, которая зависит в основном от концентрации этих элементов. Установлено угнетающее действие ТМ на рост и развитие растений [212, 415]. W. Ernst [394] считает, что выработка устойчивости растений к соединениям ТМ требует дополнительных затрат энергии, причем устойчивые имеют продуктивность, ниже на 20-50 %, чем неустойчивые. Многие исследователи считают, что у большинства растений рост корня ингибируется сильнее, чем рост побега [38, 119, 374, 375, 392, 393, 394, 425]. Работами этих ученых выявлено, что, если концентрация соединений тяжелых металлов не слишком высока, число боковых корней уменьшается в меньшей степени, чем длина главного корня, и корневая система имеет более компактный вид.

На территориях, примыкающих к рудникам или промышленным предприятиям, уровень микробиологической активности крайне низок. Г.А. Евдокимова [92] пришла к выводу, что доминирующее развитие миксомицетов характеризует поздние стадии микробной сукцессии в загрязненной Cu и Ni почве.

Необходимо отметить значительное количество литературных источников, посвященных механизму защиты экосистем, в том числе почв и растительности [126, 132, 225, 246, 275, 331, 375, 379, 382, 392, 417, 418, 419, 421, 422, 423, 427, 428, 429, 431, 436]. Дальневосточные ученые отмечают, что для восстановления естественной растительности на отвалах требуется несколько сотен лет [310, 345, 367]. Однако в последние годы Л.Т. Крупская с соавторами проводятся интенсивные исследования [167, 169, 173] в направлении разработки ускоренной рекультивации техногенных образований, в том числе хвостохранилищ, содержащих токсичные отходы, с использованием потенциала биологических систем (биоремедиации). Новизна предложенных способов подтверждена Патентами РФ [239, 240].

Ученые едины во мнении, что разработка метода оценки экологической опасности предприятий горнопромышленного комплекса на природную среду является весьма актуальной проблемой, так как обеспечивает экологическую и социальную его безопасность путем выбора природозащитных мероприятий, направленных на оздоровление нарушенных экосистем как для проектируемых, так и действующих горных предприятий [244].

Биологические методы исследования

В процессе исследований использованы биологические методы (тест-системы «Ростовой тест», «Стерильность пыльцы», микробиологические показатели) [67]. Метод «Ростового теста» заключается в учете изменений показателей роста проростков индикаторной растительной культуры, выращенной на исследуемых образцах почвы, в том числе техногенной. Метод биотестирования позволяет установить наличие или отсутствие токсичного эффекта действия почвы на ростовые процессы растений. Для проведения теста были взяты чашки Петри, дно которых было покрыто фильтровальной бумагой. Затем в каждую чашку добавлен 1 грамм исследуемой почвы или сухой твердой части пульпы, которая была залита дистиллированной водой, в количестве 5 мл. В качестве контроля использована проба почвы, отобранная из Большехехцирского заповедника. Техногенная почва отобрана вблизи источника загрязнения. После этого произведен посев в чашки Петри бобово-злаковой травосмеси в количестве 10 штук (клевер, тимофеевка или овсяница), и они были помещены в термостат. Проверка всхожести семян и расчет произведены через неделю.

Оценка отклика биоты на негативное воздействие отходов переработки золоторудного сырья проведена с помощью тест-системы «Стерильность пыльцы».

Нами впервые для условий горных предприятий севера Хабаровского края применена методика экспресс оценки состояния компонентов биосферы с использованием тест-системы «Стерильность пыльцы». Стерильность пыльцы растений определена во временных препаратах, окрашенных йодным раствором по Грамму [67]. Для этого хорошо развитые, готовые к раскрытию, бутоны цветков видов-биоиндикаторов (ромашка, кипрей) были собраны в сухую погоду в зоне влияния горных работ. Бутоны собраны у неповрежденных здоровых экземпляров, произрастающих в центре популяции. Зрелые бутоны препарировались на предметном стекле. Пыльца мелких цветков раскрывалась препаровальной иглой в капле йодного раствора. Затем, отделив ненужные ткани, объект был накрыт покровным стеклом. При необходимости добавлялось еще 2-3 капли йодного раствора. Через 2-3 минуты приготовленный препарат исследовали под микроскопом. В каждом приготовленном препарате просматривалось от 500 до 1000 зерен пыльцы. После чего произведен подсчет стерильных и фертильных пыльцевых зерен. Количество стерильных зерен определено в процентах.

Для учета количества почвенных микроорганизмов [117] исследуемого участка стерильным ножом отобрана средняя почвенная проба в заранее приготовленные стерильные полиэтиленовые мешки, обработанные спиртом. На мясопептонном агаре (МПА) выявлены микроорганизмы, использующие органические формы азота. На крахмально-аммиачном агаре (КАА) выделены бактерии и актиномицеты, способные использовать минеральные формы азота. Олигонитрофильные микроорганизмы, мелкие, слизистые, бесцветные колонии учитывали на среде Эшби. Микроскопические грибы обнаруживали на сусло агаре. Проводен учет численности почвенных микроорганизмов прямыми методами по С.Н. Виноградскому [50].

Биологический материал (волосы детей до 14 лет) отобран по методике, утвержденной начальником управления организации медицинской помощи населению А.И. Вялковым [265]. Для проведения анализа использована прядь прикорневых волос длиной 3-5 см с затылочной части головы, массой пробы от 0,1 до 0,3 г.

В зоне влияния хвостохранилища отобраны образцы отходов горного производства, снежного покрова, почвогрунтов, растительности, токсичной пыли, биологического материала. Для изучения геохимических особенностей поверхностного слоя хвостохранилища (до глубины 0,2 м), в различных его частях были отобраны и затем проанализированы пробы отходов обогащения – хвосты (с глубин 0-10 см и 10-20 см). Выполнена оценка степени влияния пылевого разноса хвостов на почвенный покров путем заложения профиля поперек долины р. Л. Ул, ниже по течению, на расстоянии (по прямой) более 10 км от хвостохранилища. Для комплексной характеристики аэрогенного воздействия использована оценка загрязнения депонирующих сред – почвы и снежный покров (СП). Отбор техногенных почвогрунтов проведен с разных глубин (0-10 см и 10-20 см) с учетом розы ветров [72].

Снежный покров (СП) был изучен по методу [42]. Отбор проб снега проведен с помощью пластмассовой трубкой диаметром 6 сантиметров. В месте отбора пробы труба была врезана на всю толщину снежного покрова до поверхности земли, после чего вместе с керном снега ее извлекали, поддерживая снизу полиэтиленовой лопаткой. Нижняя часть трубы и основание столбика снежного керна тщательно была очищена от частиц грунта. Пробу снега из трубки высыпали в полиэтиленовый мешок, взвешивали, пересыпали в чистую посуду для таяния, либо снег оставляли в пакете до полного таяния. После таяния снега и достижения талой воды комнатной температуры был определен её объём и определена плотность, затем проведены анализы. Пробы СП проанализированы на содержание тяжелых металлов в лаборатории ИТиГ ДВО РАН. Отобранные образцы готовили по единой методике, подвергали кислотному разложению в микроволновом поле и анализировали методом масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой на ISP-MS ELASN DRC II PerkinElmer. Подвижные формы следующих соединений ТМ: Zn2+, Pb2+, Cu2+, Mn4+ определены атомно-абсорбционной спектрофотомерией на AAs-30. Всего было проанализировано 2733 пробы на 10560 элемент-определений.

Концентрация соединений тяжелых металлов, взвешенных веществ в атмосферном воздухе определена по методикам, изложенным в РД 52.04.186-89 и ГОСТ 17.2.4.02-81 «Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ» [70, 274]. Во время отбора проб на содержание загрязняющих веществ определены направление и скорость ветра, давление, температура воздуха, состояние атмосферы.

Эколого-химическая оценка влияния отходов на объекты окружающей среды

Нарушение почвенного покрова в исследуемом районе представлено тремя формами: 1) полное разрушение, 2) частичное нарушение в виде снятия верхнего органоаккумулятивного горизонта и 3) техногенное загрязнение различными ТМ из техногенных геохимических потоков.

В районе исследования преобладающим типом фоновых почв являются буроземы, которые характеризуются малой мощностью почвенного профиля, кислой реакцией среды, невысоким содержанием гумуса фульватного состава, значительным количеством соединений Fe, наибольшим количеством поглощенного H (водорода) в органогенном горизонте (Приложение В).

В процессе почвообразования техногенных почв определяющую роль играют состав вскрышных и вмещающих пород, а также отходов переработки золоторудных месторождений, которые обусловлены количеством сульфидных минералов, влияющих на кислотность субстрата. Их складирование на почвах и размещение в отвалах способствует сильному подкислению почвенной толщи. Как правило, рН снижается до величины 3,5-4. При этом почвенный поглощающий комплекс оказывается нарушенным: разрушаются коллоиды, происходит вынос Ca2+, Mg2+ и соединений фосфора из верхнего плодородного слоя (гор. А1), органическое вещество (гумус) становится подвижным и верхние горизонты обогащаются подвижными формами соединений железа, меди, цинка, мышьяка, а также сопутствующим – сурьмой. Другие элементы – Pb и As накапливается в верхнем слое. Аномальные содержания меди, мышьяка и цинка прослеживаются по всему профилю погребенной почвы.

Скорость регенерации ландшафта зависит от содержания сульфидов: она максимальна для отвалов бессульфидных вскрышных пород, например, и минимальна для сульфидосодержащих субстратов. Наличие гипергенного и техногенного минералообразования здесь способствует техногенному загрязнению, наносящему значительный ущерб объектам окружающей среды. Наиболее активно техногенные процессы протекают в зоне гипергенеза. В решении задач охраны окружающей среды в зонах горнопромышленного комплекса особое значение имеет изучение минерального состава гипергенных и техногенных образований, знание реакций по которым происходит окисление, гидролиз и восстановление первичных минералов, условий кристаллизации вторичных. Все это позволит определить территории с неблагополучной экологической ситуацией. Минеральный состав и ассоциации гипергенных, техногенных минералов и элементов являются индикатором экологического состояния техногенной системы и стадии ее развития. В результате гипергенных процессов из хвостохранилищ выносятся главным образом соединения элементов сульфидных руд: цинк, медь, свинц, железо, а также мышьяка и серы [110, 114].

Формирование техногенной системы способствует увеличению содержания рудных элементов в почвах и растениях. Техногенные почвы, приуроченные к отвалам вскрышных и вмещающих пород, хвостохранилищу, значительно обогащены соединениями железа, а также цинка, меди, свинца, кадмия, мышьяка, сурьмы и серы, содержание которых выше фоновых значений в 2-14 раз. В почвах велика доля сульфидной формы. Важную роль играет образование глинистых минералов и гидроксидов железа, обладающих адсорбционными свойствами. Являясь депонентом техногенного загрязнения, почвенный покров, аккумулирует соединения токсичных химических элементов. В верхнем горизонте техногенных почв, приуроченных к хвостохранилищу (вблизи его) выявлена аккумуляция ряда соединений токсичных элементов (г/т): меди – 454, цинка – 1241, свинеца – 934. С удалением от техногенного объекта на 8-17 км их содержание снижается (рис. 3.8, 3.9, 3.10).

Техногенные почвы в границах влияния отходов характеризуются не только высокой степенью механических нарушений, но и загрязнением соединениями ТМ, причем распределение их валовых форм (цинка, меди, свинца) имеет вид убывающей кривой с максимумом концентрации в самой верхней части почвенного профиля (до 0-10 см) (рис. 3.10). Необходимо отметить, что техногенное загрязнение почвогрунтов ионами токсичных химических элементов постоянно расширяется, порой на расстояние до 12 и более километров.

Концентрация ионов водорода (рН) оказывает влияние на распределение ТМ в органогенном горизонте техногенных почв и на ее изменение, что сказывается на их подвижности. В условиях кислой реакции почвенных вод металлы, образуя катионы, переходят в раствор. Однако с увеличение рН они обычно выпадают в осадок в виде гидроксидов. В кислых почвенных водах (с рН 4,4-6,5) соединения меди, цинка и свинца легко мигрируют. Активное вытеснение сорбированных металлов ионами водорода происходит под воздействием почвенных вод с кислой реакцией.

Установлено, что при увеличении щелочности почвенного раствора, концентрация ионов ртути, вольфрама, а также соединений мышьяка и олова (валовая форма) повышается, так как происходит осаждение катионов металлов, что согласуется с литературными данными [220, 417].

Содержание ионов токсичных химических элементов в техногенных почвогрунтах (валовая форма) на глубине 10-20 см и на расстоянии 0,3-17 км от источника загрязнения (хвостохранилище ЗАО «Многовершинное») РЬ2+И Zn 2 Sn 2+ As 5+ - W Рисунок 3.10 – Распределение ионов тяжелых металлов и мышьяка в профиле почвогрунтов (валовая форма) Примечание: H – глубина отбора образцов, см; С – концентрация металлов, мг/кг почвенных вод с кислой реакцией.

Важную роль в процессах сорбции металлов в почве играет интенсивность миграции тяжелых металлов, которая находится в зависимости от содержания органического вещества. Общее его содержание в исследуемых почвах невысоко (от 0,58 до 4 %). Однако в геохимическом плане оно имеет большое значение, в частности в распределении металлов. Подвижность соединений свинца, меди, цинка снижается, а количество валовой формы металлов возрастает при увеличении содержании органического вещества (рис. 3.11-3.15), что согласуется с исследованиями ряда авторов [17, 383].

Расчёт экологического эффекта от существующих на предприятии сооружений по очистке сточных промышленных вод золотоизвлекающей фабрики (ЗИФ) ЗАО «Многовершинное» (2010 г.)

С.С. Тимофеевой [306] предлагается использование отмерших частей (листовой опад) или нарезки растений. Она основывает свое предложение на том, что растительные материалы содержат большое количество сульфгидрильных и дисульфидных групп (S – H и S – S), за счет химического взаимодействия с которыми происходит хемосорбция тяжелых металлов. Количество сорбированных ионов тяжелых металлов эквивалентно содержанию в тканях растений этих групп. Эффект очистки достигается при контакте в 1000 раз меньшей навески растительного материала и в 6 раз меньшем времени контакта. Степень очистки от соединений таких металлов: как: хром, марганец, свинец, ртуть, золото и другие, достигает 95 % и более.

Наиболее обычным представляется процесс очистки сточных вод активным илом в биологических прудах. В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов. Основными из них являются: углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии-нитрификаторы. Первые нужны для деградации БПК, вторые – для превращения углерода в углекислый газ, а нитрификаторы – для превращения аммонийного азота в нитраты. Таким образом, активный ил представляет собой микрофлору, содержащую все ферментные системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить. Он имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью.

Для очистки больших объемов сточных вод используются крупномасштабные аэрационные системы (окислительные каналы) – это простые по конструкции длинные каналы, в которых аэрация и циркуляция содержимого осуществляется одновременно горизонтально установленными поверхностными аэраторами [308]. При этом удаление ионов металлов происходит до следующих концентраций (%): алюминия – 70, кадмия – 30, хрома – 63, меди – 69, железа – 87, свинца – 45, марганца – 25, ртути – 68, никеля – 25, цинка – 44. Биологические пруды получили широкое распространение в России и за рубежом. В нормально функционирующих аэробных прудах кислород, необходимый для бактериального окисления загрязняющих веществ, доставляют планктонные водоросли, выделяющие его в процессе фотосинтеза. Значение водных растений в самоочищении водоёмов

Сбрасываемые в природные водоемы сточные воды оказывают существенное влияние на внутриводоёмные процессы, способствуют нарушению биологического равновесия и тем самым затрудняют рациональное водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят водоемы из строя. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на кислородном режиме, прозрачности и цветности воды, ее кислотности. При этом снижается продуктивность водоемов, нарушаются процессы самоочищения [258, 278, 301]. Самоочищение – это совокупность процессов (гидродинамических, химических, микробиологических и гидробиологических) в природных водах, направленных на восстановление первоначальных свойств и состава водных объектов, а именно процессов созидания органических веществ, их трансформации и разрушения. Токсические загрязнения проявляют свое действие на фоне биотического круговорота веществ, в той или иной мере влияя на процессы самоочищения [301]. При попадании в водоемы нарушаются химический состав, кислотность и температурный режим водного объекта, что приводит к изменению как физической, так и биологической его составляющей (происходит гибель одних растений и организмов и мутация других). Воды становятся непригодными для хозяйственно-бытового применения. Также происходят изменения и в околоводном пространстве (изменяются флора и фауна) [301].

Высшие водные растения (ВВР) благотворно влияют на процессы формирования качества воды, а образующиеся вдоль берегов заросли воздушно-водных растений защищают откосы от разрушения [258, 278, 301, 306, 332].

На мелководьях водоемов необходимо создавать густые заросли и специальные фильтрационные полосы из тростника, рогоза узколистного и дальневосточного дикого риса [153, 228].

Многие высшие водные растения – тростник обыкновенный, рогоз узколистный, камыш озерный, ежеголовка ветвистая и др. – поселяются в шламонакопителях, в отстойных прудах, на иловых площадках, вблизи серных источников, в сточных канавах предприятий и в других сильно загрязненных водоемах и успешно развиваются в этих экстремальных условиях.

Наиболее полная очистка загрязненных вод происходит при пропускании их через заросли полупогруженных растений, затем растений с плавающими листьями и, наконец, через погруженные растения. При этом побеги, и водные корни растений механически задерживают минеральные и органические взвеси, волокна, коллоиды, суспензии, эмульсии, а растворенные в воде биогенные, минеральные, органические и токсические вещества в больших количествах поглощаются, трансформируются и инактивируются в растительных тканях, затем аккумулируются в подземной, подводной и наземной биомассе. Под влиянием этих факторов сильно увеличивается прозрачность воды, а минерализация ее значительно снижается.

Высшая водная растительность оказывает благотворное влияние на кислородный режим водоема. Содержание растворенного кислорода под влиянием растений увеличивается, особенно погруженных и полупогруженных, происходит быстрое окисление органического вещества, ускоряется процесс нитрификации [258, 308, 332, 360].

Гидрофиты лучше адаптируются к токсическим и нетоксическим веществам по сравнению с низшими организмами (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) активного ила. Поэтому их можно применять для очистки сточных вод высокой концентрации без разбавления свежей водой.