Мероприятия по очистке почв, загрязненных тяжелыми металлами
Практическое занятие
Расчет загрязнения почв тяжелыми металлами
Цель занятия: ознакомиться с термином «тяжелые металлы» и их токсикологической характеристикой
Из большого количества загрязнителей природной среды и сельскохозяйственной продукции наибольшее распространение получили ТМ. По способности накапливаться в экосистемах и токсичности выделяют 10 приоритетных загрязнителей: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, олово, цинк, кобальт, никель и молибден. Из них ртуть, свинец, кадмий и цинк относятся к первому классу опасности.
Источники поступления ТМ в биотический круговорот формируются в результате природных (естественных) и антропогенных (деятельности человека) процессов. К основным антропогенным источникам поступления тяжелых металлов относят: теплоэлектростанции, предприятия тяжелой промышленности, автомобильный транспорт. В агроландшафты тяжелые металлы поступают из атмосферы (мокрое и сухое осаждение), с поверхностным стоком, с минеральными и органическими удобрениями, агрохимикатами, в результате эксплуатации сельскохозяйственной техники и др.
К тяжелым металлам относятся химические элементы, имеющие плотность более 5 /см 3 или атомную массу более 50 единиц. Таких элементов около 40.
Большинство тяжелых металлов относится к группе микроэлементов, они входят в состав некоторых ферментов, которые необходимы для жизнедеятельности животных, растений, микроорганизмов. Например, медь входит в состав гемоцианина, регулирующего перенос кислорода у некоторых беспозвоночных. Цинк входит в состав тирозиназы, отвечающей за образование меланина. Марганец входит в состав фосфатазы, регулирующей развитие костей. Однако в больших количествах тяжелые металлы могут быть очень опасными для организма. По степени токсичности тяжелые металлы делятся на три класса (таблица 1).
Таблица 1— Классификация тяжелых металлов по степени токсичности
I класс Особо токсичные
II класс Токсичные
III класс Слабо токсичные
As, Cd, Hg, Pb, Zn
Co, Ni, Mo, Cr, Cu
Ba, V, W, Mn, Sr
Повышенное содержание концентраций тяжелых металлов в почве может вызывать развитие многих заболеваний:
Co – более 30 мг/кг угнетает синтез витамина С;
Cu – более 60 мг/кг приводит к поражению печени, желтухе, анемии;
Mn – более 400-3000 мг/кг вызывает заболевание костной системы;
Sr – более 600 мг/кг способствует развитию уровской болезни, рахиту, ломкости костей.
Опасность загрязнения почв тяжелыми металлами заключается еще и в том, что они очень медленно выводятся из почвы. Период полураспада тяжелых металлов колеблется в зависимости от вида элемента и почвенно-климатических условий и для некоторых составляет: Zn – 70-150 лет; Cd – 13-1100; Cu – 310-1500; Pb – 740-5900.
Оценка степени загрязнения почв тяжелыми металлами
Оценка степени загрязнения почв тяжелыми металлами выполняется путем сопоставления фактических значений концентраций (валовых и подвижных форм) с нормативными, на основании использования нормативных методов.
В качестве нормативных показателей используются нормированные значения концентраций ТМ в почве или фоновые концентрации. Оценка дается как по отдельным ТМ так и по суммарному индексу загрязнения. Критерием уровня загрязнения почвы является предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в пахотном горизонте почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного влияния на соприкасающиеся среды и здоровье человека, а также на самоочищающуюся способность почвы.
В зависимости от пути поступления загрязняющих веществ в сопредельные среды для почв существуют четыре показателя опасности и соответствующие им ПДК:
1. транслокационный отражает переход химических веществ из почвы в растения и возможность накопления токсикантов в выращиваемых продуктах питания и кормах;
2. миграционный водный характеризует поступление химических веществ из почв в грунтовые воды и водоисточники;
3. миграционный воздушный учитывает переход химических веществ из почвы в атмосферу;
4. общесанитарный характеризует влияние химических веществ на самоочищающую способность почвы и микробиоценозы.
Для определения загрязненности почв сельскохозяйственного назначения по отдельным химическим элементам проводят сравнение его фактического содержания с ПДК по валовым или подвижным формам (таблица 2).
Таблица — 2 ПДК химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности (Госкомприрода СССР, № 02-10 51-2333 от 10.12.90)
Наименование веществ
ПДК, мк/кг
почвы с учетом фона
Показатели опасности, мг/кг
транслокационный
водный
общесанитарный
Медь
3,0
3,5
72,0
3,0
Никель
4,0
6,7
14,0
4,0
Цинк
23,0
23,0
200,0
37,0
Кобальт
5,0
25,0
>1000,0
5,0
Фтор
2,8
2,8
—
—
Хром
6,0
—
—
6,0
Сурьма
4,5
4,5
4,5
50,0
Марганец
1500,0
3500,0
1500,0
1500,0
Ванадий
150,0
170,0
350,0
150,0
Свинец
30,0
35,0
260,0
30,0
Мышьяк
2,0
2,0
15,0
10,0
Ртуть
2,1
2,1
33,3
5,0
Свинец +ртуть
20+1
20+1
30+2
30+2
Медь *
55,0
—
—
—
Никель *
85,0
—
—
—
Цинк *
100,0
—
—
—
* — валовое содержание ориентировочное
Степень опасности загрязнения почв ТМ во многом зависит от ее физико-химических свойств и гранулометрического состава. Основным показателем степени загрязнения почв тяжелыми металлами является транслокационный показатель вредности.
Расчет и оценка загрязнения почв тяжелыми металлами
Оценку степени загрязнения почв ТМ следует выполнять по их валовому содержанию и суммарному показателю загрязнения.
Расчет и оценка загрязнения почв ТМ проводится по следующей схеме:
1. Рассчитывается коэффициент концентрации каждого химического элемента (металла) (Кс):
где С –фактическое содержание ТМ в почве (мг/кг); Сф – фоновое содержание ТМ в почве (мг/кг).
2. Определяется суммарный показатель загрязнения, который отражает сумму вредного воздействия группы элементов:
где n – число определяемых элементов.
3. определяется категория степени загрязнения по схеме оценки почв сельскохозяйственного назначения по загрязнению химическими веществами (таблица 3).
Мероприятия по очистке почв, загрязненных тяжелыми металлами
Приемы снижения токсичности загрязненных тяжелыми металлами почв делятся на профилактические и реабилитационные.
Профилактические приемы основаны на оптимизации технологии производства, создании замкнутых технологических циклов, а также в проведении контроля за отходами промышленного производства, вносимых в почву в качестве мелиорантов и удобрений.
Реабилитационные приемы применяются для ликвидации уже загрязненных почв и являются мерами по санации почв. Под санацией почвы понимается система методов и приемов, приводящих к снижению вредного (токсичного) воздействия ТМ или снижению содержания ТМ до фонового уровня. Санацию почв проводят методами очистки и детоксикации.
Очистка – совокупность приемов и методов, направленных на создание в почвах, подверженных загрязнению, условий, приводящих к снижению концентрации ТМ или уменьшающих содержание до фонового уровня. Она проводится путем промывок, извлечения ТМ из почвы посредством растений (фитомелиорация), удаления загрязненного слоя почвы и др.
Детоксикация – совокупность приемов и методов, приводящих к ослаблению или полному отсутствию токсического действия ТМ, а также направленных на создание в почвах условий, способствующих самоочищению. Она проводится с помощью агромелиоративных приемов (глубокая вспашка, рыхление, щелевание и т.д.), внесение органических и минеральных удобрений, сорбент-мелиорантов, композиционных смесей, а также микроорганизмов, переводящих ТМ в недоступные для растений формы.
Таблица 3 —Оценка почв сельскохозяйственного использования
Источник
Глава 3. Качество окружающей среды
3.5. Качество почв
3.5.4. Нормирование загрязнения почв
Нормирование загрязнения почв представляет собой чрезвычайно сложную задачу. С одной стороны, существуют десятки типов почв, сильно отличающихся по как по составу, так и по структуре. Основными типами почв принято считать: песчаные, дерново-подзолистые, луговые, солонцы, черноземные, красноземные. Они подразделяются на большое число подвидов.
Почва представляет собой среду с очень сложным химическим составом и сложной структурой. Почвенная среда обладает гораздо меньшей подвижностью, чем поверхностные воды и атмосфера, в ней циркулируют подземные воды, она медленно аккумулирует вредные вещества в течение длительного времени. С другой стороны, активная работа почвенных микроорганизмов способствует трансформации, деградации и миграции поступающих в почву вредных веществ. Таким образом, ПДК загрязняющих веществ в почвах зависят не только от их химических свойств и токсичности, но и от особенностей самих почв.
Почвы, в силу своих природных свойств, способны накапливать значительные количества загрязняющих веществ. Санитарно-гигиенический подход к выбору критериев экологической оценки почв (грунтов) населённых пунктов определяется с одной стороны возможностью переноса загрязняющих веществ в воздух и воды этих территорий, с другой стороны непосредственным влиянием отдельных показателей на здоровье населения.
Предельно допустимая концентрация ЭХВ в почве – это такое максимальное его количество (в мг/кг пахотного слоя абсолютно сухой почвы), установленное в экстремальных почвенно-климатических условиях, которое гарантирует отсутствие отрицательного прямого или опосредованного через контактирующие с почвой среды воздействия на здоровье человека, его потомство и санитарные условия жизни населения.
Химические вещества из почвы различными путями попадают в организм человека. Они оказывают вредное влияние на состояние самой почвы, на органолептические показатели атмосферного воздуха, воды и пищевых продуктов, поэтому загрязнённость почвы тем или иным веществом оценивается несколькими показателями вредности. Рассмотрим их более подробно.
Токсикологический показатель вредности характеризует степень опасности для здоровья людей при суммарном воздействии ЭХВ почвы на человека всевозможными путями.
Под пороговой концентрацией ЭХВ в почве по токсикологическому показателю вредности понимают такое его количество в почве (мг/кг абсолютно сухой почвы), при котором поступление этого вещества в организм человека при непосредственном контакте с почвой, по одному или многим путям миграции не оказывает прямого или отдалённого действия на здоровье популяции (населения).
Миграционно-воздушный показатель вредности учитывает поступление ЭХВ из почвы в атмосферный воздух с почвенной пылью, с водными парами и другими носителями. При этом за пороговую концентрацию по этому показателю вредности принимают то содержание ЭХВ в почве (в мг/кг абсолютно сухой почвы), при котором среднесуточное поступление вещества в атмосферный воздух не приведёт к превышению установленной для него среднесуточной ПДК в атмосферном воздухе.
Миграционно-водный показатель вредности характеризует процессы миграции ЭХВ в поверхностные и грунтовые воды. Пороговой концентрацией по этому показателю вредности является то его максимальное количество в почве, при котором поступление химического соединения в грунтовые воды и открытые водоёмы с поверхностным стоком не создает концентраций, превышающих ПДК для воды водоёмов.
Фитоаккумуляционный (транслокационный) показатель вредности характеризует процесс миграции химического вещества из почвы в культурное растение и накопления его в фитомассе товарной части растения, используемой в качестве продуктов питания. Под пороговой концентрацией по этому показателю вредности понимают то количество химического вещества в почве, при котором накопление этого вещества фитомассой товарных частей к моменту сбора урожая не превысит установленных для продуктов питания допустимых концентраций (ПДК). С учётом миграции вредных веществ в сельскохозяйственную продукцию устанавливают ПДК для почв сельскохозяйственного назначения.
Органолептический показатель вредности характеризует изменение запаха атмосферного воздуха, вкуса, цвета и запаха воды и пищевых продуктов. Под пороговой концентрацией по органолептическому показателю вредности понимают то максимальное количество ЭХВ в почве, которое не влияет на органолептические свойства атмосферного воздуха, воды и продуктов питания, полученных из растений, выросших на этой почве.
Общесанитарный показатель вредности характеризует изменение биологической активности почвы, определяющее самоочищение почвы от ЭХВ. Под пороговой концентрацией ЭХВ по этому показателю вредности понимают то его максимальное количество (мг/кг абсолютно сухой почвы), которое вызывает на 5-7-е сутки, как изменение общей численности почвенных микроорганизмов, так и численности микроорганизмов основных физиологических групп не более чем на 50%, а также ферментативной активности почвы не более чем на 25 % по сравнению с аналогичными показателями контрольных проб.
ПДК для ряда химических веществ в почве, действующие в настоящее время в Российской Федерации приведены в табл. 3.23.
При определении предельно допустимых концентраций химических веществ в почве определяют пороговые концентрации по всем рассмотренным показателям вредности и принимают в качестве ПДК наименьшее значение (см. табл. 3.26).
Пороговые концентрации по отдельным показателям вредности
и ПДК ЭХВ в почве (Гончарук Е.И., Сидоренко Г.И. 1996)
Пороговые концентрации по показателям вредности, мг/кг
