2506

На 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

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

программе ПЭСМ4ф, математической формализацией результатов большого

экспериментов (относительная погрешность ±10%, при доверительной вероятности 0,95).

-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;

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

22 рисунка. В приложении представлено 2 акта, подтверждающих практическое применениерезультатовработы.

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

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.

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

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.

необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований по разработке методов предотвращения негативного воздействия ОПУШ на гидросферу и педосферу с одновременным их использованием в качестве сорбентов.

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:

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.