Дьяченко Г.И., Статов М.А. Загрязнение окружающей среды редкими токсичными элементами - файл n1.doc

Дьяченко Г.И., Статов М.А. Загрязнение окружающей среды редкими токсичными элементами
скачать (537 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc537kb.20.11.2012 04:51скачать

n1.doc



Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ технический УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________

5

З-146 № 2733
Загрязнение окружающей среды редкими токсичными элементами


Методические указания
к лабораторным работам
для студентов всех форм обучения
специальностей 330100 ФЭН и 330500 ФЛА


НОВОСИБИРСК

2004

УДК 502.5(076.5)

З-146


Составители: Г.И. Дьяченко, канд. геол.-минерал. наук, доцент;

М.А. Статов, инженер


Рецензент: М.Д. Горбатенков, канд. техн. наук, доцент
Работа подготовлена на кафедре безопасности труда


 Новосибирский государственный


технический университет, 2004

Оглавление

Введение 4

1. Элементы-токсиканты 5

1.1. Мышьяк 7

1.2. Таллий 10

1.3. Кадмий 11

1.4. Ртуть 12

1.5. Свинец 15

1.6. Сурьма 17

2. Горнорудная промышленность

как источник загрязнения окружающей среды 18

2.1. Золоторудные месторождения 19

2.2. Свинцово-цинковые месторождения 20

3. Токсичные элементы в зоне гипергенеза 21

3.1. Формы существования металлов в поверхностных водах 21

3.2. Факторы миграции химических элементов и геохимические

барьеры 23

3.3. Геохимические аномалии 25

3.4. Концентрация токсичных элементов в растениях 27

4. Примеры влияния горнометаллургических

предприятий на окружающую природную среду 29

4.1. Загрязнение окружающей среды при отработке

железнорудного месторождения открытым способом 29

4.2. Загрязнение окружающей среды Учалинским горно-

обогатительным комбинатом 31

Заключение 34

Рекомендуемая литература 35

Введение


В естественных условиях, при отсутствии антропогенного влияния, содер­жание токсичных элементов в водах и почвах в абсолютном большинстве случа­ев не представляет опасности для биоты. Но существуют регионы, где концен­трация одного, реже нескольких токсичных элементов существенно выше. В та­ких регионах отмечаются разнообразные отклонения в развитии животных и рас­те­ний, формируются специфические биоценозы, включающие в себя эндемические ви­ды.

Гораздо более высокие концентрации токсичных элементов могут форми­роваться вблизи месторождений, руды которых расположены выше уровня грун­товых вод. Ещё более высокие концентрации токсичных элементов в почвах и во­­дах образуются на всём пути от добычи руды до получения конечного про­дукта и его использования.

Основными загрязнителями окружающей среды являются горная промыш­ленность, топливно-энергетический комплекс, нефтехимия и строительство, ме­та­л­лургия, непосредственно связанные с добычей и переработкой полезных ис­ко­паемых. Ежегодно добывается, перемещается и лишь частично используется до миллиарда тонн пород и грунтов. В новых условиях при доступе кислоро­до­со­де­ржащих вод природные соединения изменяют свою минеральную форму, образуются но­­вые химические вещества, в том числе и растворимые соединения токсичных эле­ментов. Значительное поступление токсичных элементов в окружающую сре­ду происходит и при обогащении руд в их металлургическом переделе.



1. Элементы-токсиканты

Натрий, калий, магний, кальций и железо составляют почти 99 % всех ме­тал­лов в организме человека. Гидратированные атомы четырёх вышеназванных эле­ментов, а име­нно: натрия, калия, кальция и магния, участвуют в процессах ос­моса и пе­ре­да­чи нервных сигналов, а также обуславливают прочность костной ткани ске­ле­та. Железо входит в состав молекулы гемоглобина – важнейшего бел­ка, уча­ст­ву­ю­ще­го в транспорте О2 и СО2, то есть в газообмене. Интерес к фун­кциональной ро­­ли переходных элементов, содержащихся в организме в сле­довых коли­че­­ствах, появился сравнительно недавно. Сформировался новый раз­дел науки – би­о­неорганическая химия, изучающая структуру, свойства и ре­ак­­ции биогенных эле­ментов.

Важность таких микроэлементов, как марганец, цинк, молибден, фтор, йод и се­лен в осуществлении жизненных функций человека доказана. В отношении других (хром, никель, ванадий, олово, мышьяк, кремний) она вероятна. Главный кри­терий, по которому отличают макроэлементы от микроэлементов – пот­ре­б­ность организма в элементе, определяемая в мг/кг массы в сутки. Все перечи­с­лен­ные микроэлементы в организме функционируют либо в форме гид­рати­ро­ван­ных ионов, либо, подобно железу, в виде координационных соединений.

Среднее содержание металлсодержащих соединений в живом организме при­­бли­зительно сохраняется постоянным, поскольку прочность химических свя­зей белков и других биологически важных компонентов крови с ионами любого ме­тал­ла достаточна, чтобы металл относительно долго находился в ор­га­низ­ме в виде комплекса с биологически активными соединениями. Однако в про­цессе метаболизма часть таких комплексов разрушается, и часть металлов вы­во­дится из организма. Поэтому появляется необходимость возмещать эти по­те­ри.

С другой стороны, внесение в организм избытка металлов также вызы­ва­ет нарушение его функций, отравление или гибель. Степень такого воздейст­вия зависит не только от концентрации, превышающей некоторый уровень, но и при­ро­ды металла, прежде всего его комплексообразующей способности. Так если ком­п­лек­сообразующая способность металла-токсиканта достаточно велика, то он мо­жет вытеснить биогенный металл-катализатор из активного центра фермента в ре­зуль­тате конкурентного взаимодействия. Среди загрязнителей, опасных для би­о­ты, металлы занимают особое место. В настоящее время они являются одними из главных по объёму сбросов в водоёмы в результате добычи и переработки ми­не­ральных ресурсов. Многие металлы чрезвычайно токсичны для позвоночных уже в малых дозах (Hg, Pb, Cd, Tl), другие вызывают токсические эффекты в боль­ших дозах (например, микроэлементы Cu, Zn).

Проблема токсичности металлов и их соединений сложна и требует даль­ней­шего изучения. В специальной токсикологической литературе приводится ряд то­к­сич­ности металлов:

Al
Всё чаще появляются материалы о влиянии тяжёлых металлов (цветные ме­тал­лы с плотностью большей, чем у железа (7,9 г/см3)) на здоровье людей. Так, в США обратили внимание на появление агрессивности у детей в связи с повы­шен­ным содержанием в их организме свинца. С токсикантами связывают и рост чис­ла правонару­шений и самоубийств.

Вообще неядовитых веществ в природе нет: всё зависит от дозы. Для суле­мы (хлорида ртути) эта доза невелика, а для карбоната кальция столь зна­чи­тельна, что говорить о токсичности мела, известняка или мрамора, по существу, бес­смысленно.

Деление химических элементов на биологически важные, биологически нейт­раль­ные и ядовитые отвергается практикой. Опыт показывает, что важно знать пределы токсичности химических элементов, то есть их концентрации в среде, при которых живой организм погибает по одной причине – воздействию того или иного элемента.

Металлы-токсиканты вездесущи: в различных формах они могут загрязнять все три области биосферы – воздух, воду и почву.

Токсичность металлов различна для разных групп животных, и механизмы ток­сичности для них также различны. Нередко избыток одного металла-мик­ро­элемента в организме животного или человека приводит к снижению содержания дру­гих важных элементов. Появление дисбаланса, в свою очередь, провоцирует развитие различных заболеваний. Например, при высоком аномальном со­дер­жа­нии молибдена в почве и, соответственно, в пастбищных растениях на этой поч­ве появляются признаки дефицита меди у крупнорогатого скота, а симптомы цин­кового отравления сопряжены с анемией (малокровием) из-за нехватки желе­за в рационе человека.

Наиболее активное накопление металлов происходит в морской воде. Имен­но поэтому морепродукты, способные концентрировать загрязнения до уг­ро­жа­ющих здоровью человека уровней, вызывают тревогу и создают про­блему безопасности пищи. Американский исследователь Гольдберг считает, что для любого химического элемента найдётся, по крайней мере, один вид планк­то­на, способный эффективно его концентрировать. Действительно, медь, на­пример, концентрируется в некоторых видах планктона в 90 000 раз больше, чем в окру­жающей морской воде. Для свинца и кобальта эти цифры соответственно 12 000 и 16 000. Нахождение человека на самом конце пищевой цепи де­ла­ет его особенно уязвимым к действию таких кумулятивных токсикантов.

1.1. Мышьяк

As (Arsenicum)элемент V группы пери­о­ди­че­с­кой сис­темы Менделеева, ат. номер 33, ат. масса 75. Русское название происходит от слова «мы­шь», так как его препараты использовались для борьбы с грызунами.

Мышьяк,биохимически активный, повышенной токсичности (1–2 класс опас­ности), предельно допустимая концентрация в рабочей зоне (ПДКрз,мг/м3) для арсина 0,1, для оксидов – 0,3; ПДКСС (среднесуточное, г/м3) для неорганических со­единений в пересчете на мышьяк – 0,003, AsH3 – 0,002; ПДКводоёмов (мг/дм3) – 0,5 (мор­ских – 0,01); ПДКпочв – 2 мг/м3 валового мышьяка. Серый, хрупкий, возгоняется при 615°С; придает в сплавах твёрдость свинцу (дробь) и меди – устойчивость к окислению.

Известно около 370 минералов мышьяка. Большая часть из них образуется в поверхностных условиях при окислении арсенидов и самородного мышьяка.

Добывается при переработке руд цветных и благородных металлов. Про­изводство (главным образом США и Швеция) –
60–70 тыс. т в форме оксида. Ис­пользуется в медицине (общеукрепляющее, лечение сифилиса, амёбиоза) в про­из­водстве ядохимикатов и боевых отравляющих веществ (запасы БОВ исчисляются десятками тысяч тонн). Наиболее крупным поставщиком мышьяка является месторождение Бьют (США). Основные источники загрязнения мышьяком окружающей среды: тепло­вые электростанции, цветная металлургия, радиоэлектронная, текстильная, сте­кольная промышленности.

Кларк – среднее содержание элемента в почвах, породах и т.д. на значительных территориях.

Кларк в литосфере оценивается в 1,7 мг/кг, в рудах широко распространён и образует свыше 150 минералов. Наиболее широко распространены минералы трёх­валентного мышьяка – реальгар As4S4, аурипигмент As2S3, арсенопирит FeAsS. Реальгар и
аурипигмент, ярко окрашенные в оранжево-красный и золо­тисто-жёлтый цвет, известны с древнейших времён и широко использовались в про­изводстве мышьяковых бронз. Широко распространён минерал пятива­лен­тного мышьяка – серо-зелёный скородит Fe [AsO4]2H2O, образующийся при оки­слении мышьяксодержащих руд. Арсениды и комплексные соли мышьяка и се­ры известны на многих месторождениях Алтае-Саянской складчатой области, са­мородный мышьяк известен в Горной Шории.

Миграционная способность мышьяка определяется физико-химическими ус­ловиями среды и, прежде всего, величиной рН. Он хорошо мигрирует в водных рас­творах, среднее содержание в речных водах составляет 3·106 г/л. На­и­более распространенной формой мышьяка в окружающей среде является H3AsO4, но в кислых растворах при низких значениях Eh присутствует гораздо более ток­сичный трёхвалентный мышьяк в форме H3AsO3 [35]. Арсенат-ион сорбируется гид­рооксидами железа и алюминия, минералами глин и гумусом. В атмосферных осадках содержание мышьяка в форме HAsO4, HAsO42, H2AsO3 составляет 0,006–13,0 мг/л. При попадании в грунт часть его осаждается в форме арсената каль­ция; форма и доля подвижного мышьяка определяется Eh и рН среды.

Антропогенным источником мышьяка являются цветная металлургия, хи­мическая промышленность, добыча и переработка каменного угля, теплоэнер­гетика. Фоновые содержания мышьяка в почвах изменяются в пределах 1,5–5,6 мг/кг, среднее – 5,0 мг/кг. Содержание в почвах Российской Федерации – 1–10 г/м при среднем 3,6 г/м3; меньше в подзолистых (1,2–3,0),больше в чернозёмах (4,5–8,0). Под­вижность мышьяка в почвах прямо пропорциональна его поступлению и обратно пропорциональна содержанию железа и алюминия. Снижает урожайность при недостатке фос­фора, накапливается в корневой части растений (до 6000 мг/кг). Повышенное со­дер­жание мышьяка установлено в морепродуктах. Так, в жире трески 3,0–4,5 мг/дм3мышьяка, а в коровьем молоке лишь 0,1 мг/дм3. В организм человека с пищей и пы­лью поступает 1–7,5 мг/сут. При отравлениях поражает нервную систему, сердце, вы­зывает раковые заболевания. Допустимые уровни содержания в моче – 0,5–1,0 мг/дм3, в волосах – 1 мг/кг; летальная доза – 50–340 мг. Попадая с пищей в ор­ганизм, мышьяк легко всасывается желудочно-кишечным трактом, особенно его ор­ганические соединения, и концентрируется в печени, почках, селезёнке и эри­т­роцитах. Его повышенные содержания вызывают распад белковых тканей и жи­ро­вое перерождение паренхиматозных органов. Хроническое отравление приво­дит к раку кожи и лёгких, параличу. Фоновое содержание мышьяка в биологи­ческих объектах – 610-6 %, активно накапливается бурыми водорослями и некоторыми мо­л­люсками. В растениях (травах), произрастающих на загрязнённых почвах, кон­центрация мышьяка может достигать 1,5 % сухого веса.

В окрестностях г. Галифакс (Канада) вследствие отработки золоторудного месторождения содержание мышьяка (5 мг/дм3) в во­дах колодцев привело к от­равлению многих жителей. В Венгрии на землях, заселённых через 80 лет после об­работки виноградников препаратами мышьяка, отмечены случаи с летальным ис­хо­дом.

В России в 1995 г. принят новый норматив для мышьяка по группам проб (валовое содержание): песчаные – 2, кислые глинистые (рН КСl<5,5) – 5, нейт­ральные суглинистые и глинистые – 10 мг/кг.

Подтверждено отношение мышьяка в почвах к ? классу опасности.

1.2. Таллий

TL (Thallium)элемент III группы периодической систе­мы Менделеева, ат. номер 81, ат. масса 204,4. Мягкий металл, назван по ярко-зелёной линии спектра (с гре­ческого «зелёная ветка»); серебристо-белый, температура плавления tпл = +303 ˚С. Соединения тал­лия входят в состав стекол для оптических, люминесцентных и фотоэлект­рических приборов, в США – используются в ядах против грызунов. Таллий очень токсичный ме­талл. ПДК 0,0004 мг/дм3 (карбонат в пересчёте на металл) и ПДК 0,01 мг/дм3 (бромид, иодид в пересчёте на металл), ПДКвод 0,0001мг/дм3 (все – 1 класс опасности). Ос­новным источником таллия служат руды цветных металлов. Мировое производство в 80-е го­ды составляло 30 т.

Кларк таллия 1 мг/кг. Элемент рассеянный и редкий, входит в кристал­лическую решётку сульфидов, концентрируется в колломорфных дисульфидах же­леза (до 0,26 %); постоянно ассоциирует со свинцом, калием, марганцем. В зоне окисления сульфидных месторождений образует хорошо растворимый суль­фат (TlSO4, до 48 г/л при t = 20 ˚С), который выносится за пределы мес­торождений и частично сорбируется глинами, углями и органическими ве­щес­т­вами почв. Отравление возможно при металлургическом переделе руд, ког­да образуются летучие соединения таллия, при вдыхании пыли, содержащей окислы и соли тал­лия. Последние легко проникают через слизистую оболочку дыхательных пу­тей. Содержание таллия в почвах от 0,1 до 0,6 г/м3, но в рай­онах ртутных месторождений существенно выше. В США – 0,2–2,8 г/м3, в Украине – 0,3–1,1 г/м3. В гли­нистой фракции почв Рудного Алтая, вблизи колчеданно-полиметаллических мес­торождений – до 200 г/м3. Содержание таллия в морской воде 1·10 мг/дм3. Со­держание таллия в хлебе – 0,5–1,0 мг/кг сухого веса, в говяжьей печени – 0,3 мг/кг, существенно выше в гидробионтах – до 4,3 мг/кг. Суточное поступление в ор­га­низм человека 0,0015 мг; летальная доза 8 мг/кг веса, поражает волосяной пок­ров, нервную систему, почки, выводит фосфор из костей. Легко выводится из ор­га­низма, до 80 % за 5,5 суток. Как летучий элемент может накапливаться в па­ро­га­зовой фазе воздуха вместе с ртутью и свинцом. Повышенные содержания тал­лия характерны для горячих источников вулканического происхождения – до 0,007 мг/дм3 (Но­вая Зеландия), в гидротермах – 1,6–1,75 мг/дм3 (Челекен) при содержании в по­вер­хностных рудах не более 14 мкг/дм3.

Техно-экогеохимия таллия изучена слабо. Источниками его поступления в ок­ружающую среду могут служить горно-металлургическая промышленность, химическая промышленность, производство калийных удобрений. Таллий легко ассимилируется орга­низмом, замещая калий, нарушает действие фер­мен­тов и витаминов группы В, а также метаболизм кальция и железа. Таллий легко проникает через кожу, даже непов­реждённую. Массовое облысение детей в г. Черновцы (Украина) связывают с от­равлением таллием.

1.3. Кадмий

Cd (Cadmium) – химический элемент ?? группы периоди­ческой системы Менделеева, ат. номер 48, ат. масса 112,4. Название от греческого «цинковая ру­да»; серебристый мягкий металл, плотность 8,65 г/см3, tпл = +321 ˚С. Добывается при переработке руд свинца, цинка, меди. Применяется для защитных покрытий (кад­мирование), в мощных аккумуляторах, ядерной энергетике (регулирующие стер­жни реакторов); входит в состав легкоплавких сплавов; сульфид и селенид кад­мия – полупроводниковые материалы. Кларк кадмия равен 0,13 мг/кг. Изоморфно за­мещает цинк в сульфидах, где его содержание обычно составляет сотые доли про­цента, но иногда достигает 5 %. В зоне окисления сульфидных место­рождений образует легкорастворимые сульфаты (CdSО4, до 430 г/л при 20 ˚С), устойчивые в водных растворах при рН 4,5–5,5. Его содержание в поверхностных и грунтовых водах может значительно повышаться. Образует соли с минераль­ными и органическими кислотами, комплексные соединения с белками и органи­ческими лигандами. В атмосферу попадает в форме аэрозолей при металлур­гическом переделе руд, сжигании кадмийсодержащих углей и нефти (в углях и неф­ти его содержание составляет соответственно 0,2–2 и 0,001–2 г/т). Аэрозоли, оседая на повер­хности почвы, в дальнейшем с атмосферными осадками фильтруются в грунто­вые и подземные воды. Кадмий загрязняет и шахтные воды, и сточные во­ды горно-обогати­тельных предприятий. В природных водах содержание кад­мия составляет 0,05–1,0 мг/дм3, в отдельных регионах – до 10 мг/дм3, в промыш­ленных стоках – 0,2–4,0 мг/дм3, среднее содержание в почвах – 0,5 мг/кг и выше, в глинистых и обогащенных органикой – до 1,0–2,0 мг/кг.

Загрязнённые почвы в районах предприятий цветной металлургии содер­жат десятки мг/кг кадмия. Ещё выше его концентрация в почвах горнорудных райо­нов (до 400–500 мг/кг). Кадмий – один из наиболее токсичных элементов, что обус­ловлено его высоким сродством с нуклеиновыми кислотами и белками. Интоксикация кад­мия приводит к поражению почек, где он концентрируется, и нарушению сер­дечного ритма, нарушает синтез ДНК и вызывает мутации. Чаще всего отрав­ление происходит при вдыхании паров оксида кадмия, но в присутствии в выб­­­­­­­­­ро­сах ангидридов образуются соответствующие соли, высокотоксичные и хорошо рас­тво­римые. В одной сигарете содержится около 2·10-9 г кадмия, так что куриль­щики дополнительно получают его около 1–4 мкг ежедневно. Кадмиевое отравле­ние констатируют при повышенном содержании его в моче (с использованием реа­ген­та
?-2-микроглобулина). Безопасным уровнем считается содержание кадмия в пи­ще не более 1·10-9 %. Он медленно выводится из организма – около 0,1 % за сутки.

Кадмий легко аккумулируется живыми организмами, особенно грибами, мол­люсками. Концентрируется в корнях растений, снижая рост растений и эф­фек­тивность фотосинтеза. Болезнь «итай-итай» в Японии явилась следствием употребления в пищу риса, выращенного с использованием сточных вод, со­держание кадмия в которых достигало 1000 мг/кг. В настоящее время в Балтий­ское море поступает около 100 т кадмия в год.

1.4. Ртуть

Hg (Hydrargyrum) – элемент ?? группы периодической сис­темы Менделеева, ат. номер 80, ат. масса 200,6. Название происходит от греческих слов «жид­кий» и «серебро»; плотность
13,5 г/см3, tпл = –40 ˚С. Основным источником пос­туп­ления в окружающую среду является естественный процесс миграции из зем­ной коры, осуществляемый воздушным (испарение) или водным путём. В по­верх­нос­тные воды она попадает при разрушении пород, разложении расти­тельности и водных организмов, накапливающих ртуть. Ртутные месторождения до­вольно чётко локализованы и по мере удаления от них содержание ртути в ок­ружающей среде, как правило, резко падает. Мировое производство ртути оценивается на уровне 10 тысяч тонн в год (некоторые источники приводят значение 100 ты­сяч тонн). Наиболее крупными потребителями являются производство ще­ло­чей и электротехническая промышленность.

В последнее время некоторые виды хозяйственной деятельности человека (да­же не связанные непосредственно с ртутью) приводят к поступлению значи­тельных её количеств в окружающую среду, сопоставимых с естественным пос­туп­лением за счет эрозии горных пород. В первую очередь, это сжигание ис­копаемого топлива, производство стали, цемента и фосфатов, а также выплавка металлов из сернистых руд. По разным оценкам, поток ртути из антропогенных источников сос­тавляет от 5000 до 20000 тонн в год. Человеческая деятельность может су­щественно нарушать естественный кругооборот ртути в природной среде, приводя к зна­чительным отклонениям ее содержания в различных компонентах среды от фо­новых значений. Ниже приводятся типичные значения содержания ртути в ок­ружающей среде.

  • Коренные породы. Среднее содержание ртути для разных типов по­род земной коры находится в пределах 0,03–0,09 мг/кг. Интерес для добычи пред­ставляют породы с содержанием не менее 100 мг/кг.

  • Почвы. Фоновое содержание ртути в почвах составляет 0,01–0,3 мг/кг. Для почв азиатской части российской Федерации, не подверженных значительному техно­ген­ному влиянию, характерны значения на уровне сотых долей мг/кг. Предельно до­пустимая концентрация на использование почв в сельскохозяйственных це­лях равна 2,1 мг/кг. Над рудными телами или вблизи мощных антропогенных ис­точников отмечаются концентрации до десятков мг/кг.

  • Воздух. Средняя концентрация ртути в атмосфере составляет при­мерно 3–20 нг/м3. Максимальные концентрации наблюдаются в цехах пред­приятий горнодобывающей промышленности и щелочного производства – до 5·106 нг/м3, то есть примерно в миллион раз выше фона. Высокие содер­жа­ния характерны для районов ртутных месторождений – десятки и сотни тысяч нг ртути в м3 воздуха. Классические признаки отравления парами ртути на произ­водстве могут появляться после хронического воздействия концентраций, превы­шаю­щих 105 нг/м3. Для производственных помещений установлен норматив ПДК су­щес­твенно ниже – 300 нг/м3.

  • Вода. В незагрязнённых поверхностных водах ртуть присутствует в чрез­вычайно низких концентрациях Типичные значения – 0,02–0,1 мкг/л. По мнению многих специалистов, наиболее характерное значение  0,1 мкг/л. Водоисточники вблизи залежей ртутной руды мо­гут отличаться высоким содержанием – до
    80 мкг/л. Повышенные концентрации от­мечаются в реках, подверженных значительной антропогенной нагрузке: Рейн – в среднем 0,3 мкг/л, Дунай – 0,9 мкг/л. Всемирная организация здраво­ох­ранения рекомендует в качестве предельного уровня содержания ртути в пить­евой воде значение 1 мкг/л, действующая в Российской Федерации аналогичная величина ПДК составляет 0,5 мкг/л. Для водоемов, используемых в рыбохозяйственных це­лях, принятый еще в СССР норматив ПДК равен 1 мкг/л.

  • Донные отложения. По оценкам западных экспертов,
    современное сред­нее содержание ртути в верхнем слое донных отложений пресноводных во­до­емов находится на уровне
    0,1–0,3 мг/кг (сухой вес). Высокие концентрации ха­рак­терны для донных отложений водоёмов в местах сброса промышленных от­ходов или локализованных вблизи ртутных месторождений. Для них типичны зна­че­ния порядка 10–100 мг/кг, а в отдельных местах – до 103 мг/кг. Донные от­ло­же­ния рек в промышленно развитых регионах также характеризуются повы­шенным содержанием ртути: р. Рейн – до 10 мг/кг, р. Дунай – 0,2–2,7 мг/кг. От­рав­ленный ртутными отходами океан отомстил в 60-е годы. В заливе Минамата (Япо­ния) ртуть, сброшенная заводами по переработке руд, была превращена бак­териями в диметилртуть. Последняя накапливалась в рыбе, а люди, пи­тающиеся рыбой, получали сильнейшие отравления (погибло более 50 человек). Рыб­ный промысел в заливе до сих пор запрещён: на дне моря лежит около 600 тонн различных соединений ртути.

  • Растения. Растения поглощают ртуть либо из почв (с питающим рас­т­вором через корневую систему), либо непосредственно из воздуха. Фоновые уров­ни ртути в овощах и фруктах колеблются в пределах 2,6–8,6 мкг/кг сухой мас­сы или 0,6–70 мкг/кг влажной массы. В качестве ПДК предлагалось зна­чение 50 мкг/кг влажной массы, однако в действительности необходимо всег­да рассчитывать на основе допустимого суточного поглощения ртути для конкретной группы населения (не более 0,04 мг). Действующий в РФ норматив ПДК ра­вен: зерно (в т. ч. хлеб) и фрукты – 10 мкг/кг, овощи – 20 мкг/кг.

  • Рыба. В незагрязнённых водоёмах рыба характеризуется содержа­ни­ем ртути на уровне 0,2–0,4 мг/кг сырого веса. При этом видовые и воз­рас­т­ные отличия могут быть достаточно велики – даже при отсутствии источников ртут­но­го загрязнения наиболее крупные экземпляры хищных видов накапливают зна­чительное количество ртути – до 1–2 мг/кг. В загрязнённых водоёмах рыба, как правило, содержит ртуть в пределах 0,2–5,0 мг/кг, при сильном загрязнении – до 20 мг/кг. Нормативные значения ПДК в разных стра­нах несколько различаются и находятся на уровне 0,5–1,0 мг/кг сырого веса. В РФ ПДК равен 0,5 мг/кг, (с учетом реального суточного потребления рыбы от­дель­ными группами населения).

  • Волосы и биожидкости человека. Содержание ртути в волосах и био­жидкостях отдельных индивидуумов существенно зависит от среды обитания. Ос­нов­ным источником ртути для контингентов населения, подвергающихся их воз­действию вне производственных условий, является пища (главным образом, ры­ба). В настоящее время принято считать, что фоновое содержание рту­ти в человеческом организме определяется следующими величинами: волосы – 2 мг/кг, кровь – 10 мкг/л, моча – менее 20 мкг/л. Первые признаки воздействия рту­ти на взрослого человека обнаруживаются при уровнях содержания ртути в волосах – 20–50 мг/кг, в крови – 80 мкг/л, в моче – 150 мкг/л. В настоящее время ВОЗ установило предел допустимого потребления ртути с пищей 0,3 мг в неделю (примерно 0,04 мг/день).

1.5. Свинец

Pb (Plumbum) – элемент IV группы периодической систе­мы Менделеева, ат. номер 82, ат. масса 207,2. Синевато-серый, мягкий, ковкий металл; плот­ность – 11,3 г/см3, tпл = +327 ˚C. ПДК для атмосферы 0,0003 мг/м3 (1 класс опасности). Метилсвинец – супертоксикант; ПДК PbS – 0,0017 мг/м3; ПДК для валового содержания в почвах – 37 мг/кг, для подвиж­ных форм свинца – 6 мг/кг (1 класс опасности); для водных источников – 0,03 мг/л.

Общее количество известных минералов превышает 300; наиболее рас­­прост­ранены галенит – PbS и продукты его окисления PbCO3 – церуссит и PbSO4 – англеозит. Прогнозные запасы
0,2 млрд т., ежегодная добыча свинца на конец 20 века – 2,4 млн т., свинцовых руд – до 50 млн. т. Применение: сплавы, аккумуляторы, элек­тротехника, оптика, радиационная защита, красители, взрывчатые (иници­ирующие) вещества, жидкое топливо. Соединения свинца подвижны в нейтраль­ной и щелочной среде; их растворимость повышается с ростом солёности воды.

В пресных водах большая часть свинца связана во взвесях и коррелируется с его содержанием в атмосферной пыли. Валовое содержание свинца в атмосфере и реках изменяется в очень широких пределах (Кубань – 48, Северная Двина до 420 мг/дм3, в морской воде существенно ниже – 0,03 мг/дм3). Большая часть его осаждается в пределах авандельт рек.

Антарктида – единственное место на Земле, где техногенное загрязнение свин­цом ограничено. Отмечается повышение концентраций свинца в почвах: 1962 г. – 10 мг/кг, 1968г., – 35 мг/кг. По Х. Боуэну количество свинца в почве до индус­триальной эпохи было 12 мг/кг, в настоящее время – 35 мг/кг. Обогащение почв свин­цом происходит за счёт поглощения глинистым, органическим веществом и гид­роокислами марганца и железа. В РФ приняты ориентировочно допустимые кон­центрации свинца в почвах (мг/кг): песчаные – 32, в кислых гли­нистых (рН KCl<5,5) – 65, в нейтральных глинистых – 130, подтверждён 1 класс опасности (гигиенические нормативы 2.1.7.020-94-М.: Госсан­эпи­дем­над­зор, 1995). Свинец полностью поглощается растениями при концентрации 1–5 мг/л. Труднорастворимые формы свинца, характерные для рудничных тех­но­генных пылей, попадая в почву, легко переходят в подвижные и водораст­воримые формы. В выбросах ТЭЦ преобладает сульфатная форма, в автовыбро­сах – соединения хлора, брома, кислорода.

Эталон чистоты – воздух южного полюса – в 70-е годы содержал свинца 0,19–1,2нг/м3, в сред­нем 0,5 нг/м3. В атмосферной пыли содержание свинца достигает 1,7 %, ПДК – 0,13 мкг/м3. Фоновое содержание свинца в СССР в 1980г. составило – 0,006 мкг/м3 (за­по­ведники); среднее по данным режимных наблюдений в
196 индустриальных го­ро­дах в 1988г. равнялось 0,15 мкг/м3. Над Петербургским регионом – в сред­нем 90 нг/м3 (аномальное
900 нг/м3). В Минске наибольшее загрязнение вдоль автострад – 51, меньше в промышленных райо­нах – 21,7 и минимальное в жилых – 16,3 г/т аэрозольных выпадений. Глав­ный источник загрязнения – выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания – 260 тыс. т, горно-металлургическая промышленность – 90 тыс. т, энергетика – 30 тыс. т в год.

Растения поглощают свинец не только корнями, но и листьями. Прак­тически всегда повышенные концентрации свинца обнаруживаются в папоротнике, чер­нике, хвощах, осоках. Во мхах его содержание за сто лет возросло в нес­колько раз. Минимально свинец накапливается в зерновых. При этом в большей степени в корнях и листьях и менее всего собственно в зерне. Сви­нец для позвоночных особенно опасен в раннем возрасте при дефиците в ор­га­низме кальция и железа. Токсичность разных форм свинца для теплокровных убы­вает в ряду нитрат – хлорид – оксид – карбонат – ортофосфат. Последний не выз­вал гибели подопытных крыс. При отравлении свинцом у человека нару­шается обмен гемоглобина и протеинов, возможны хромосомные на­ру­шения. Хроническое отравление приводит к анемии, неврологическим рас­строй­ствам.

ПДК для пищевых продуктов (мг/кг): хлеб – 0,1; овощи – 0,5; рыба – 1,0; мя­со – 0,5. Обычное содержание: грибы – 0,26; вода питьевая – 0,009; пиво – 0,0009; вино – 0,117 мг/л. Допустимые нормы содержания в крови – 200–400 мкг/л (дети – 200, женщины беременные – 300), в моче – 30–40 мкг/л.

1.6. Сурьма

Sb (Stibium) – элемент V группы периодической системы Мен­делеева. Ат. номер 51, ат. масса 121,8 (от турецкого «стибиум» – «красить брови»). Металл серовато-бе­лый, хрупкий, плотность 6,7 г/см3, tпл = +630,5 ˚С; входит в состав типогра­фи­чес­ких сплавов, подшипников скольжения; используется в пиротехнике, в производ­с­т­ве полупроводников и резин.

Кларк в литосфере 5–10%; известно более 70 минералов сурьмы – суль­фи­ды и сложные соединения с цинком, свинцом, медью, серебром и ртутью. При оки­слении образуются 3- и 5-валентные оксиды, слаборастворимые в воде; которые миг­рируют в форме суспензий и коллоидных растворов, в щелочной среде обра­зуют растворимые комплексные соли.

Основной источник загрязнения сурьмой – горнорудные и металлур­ги­ческие предприятия. В пылевых фракциях атмосферных осадков установлено до 15,4 мг/кг сурьмы, что в сотни раз выше фона.

В морской воде содержание сурьмы менее 7–10-7 г/дм3, но концентрируется в морских организмах (до 2,4–105 г/кг). Содержание в почвах – 0,05–4,0 мг/кг, на месторождениях – до 100–1000 мг/кг.

Отравление сурьмой возможно при производстве элементарной сурьмы и ее спла­вов. При попадании в лёгкие, соединения сурьмы легко сорбируются и вызы­ва­ют раздражение; накапливается в лёгких, почках, печени, сердце и щитовид­ной железе, накапливается в плазме крови и эритроцитах; при хроническом от­рав­лении вызывает рак кожи и крови.

2. Горнорудная промышленность

как источник загрязнения

окружающей среды

Добыча полезных ископаемых, особенно открытым способом, а также обо­га­щение и переработка руд традиционными методами является мощным источ­ником загрязнения воздуха, вод и почв токсичными элементами. Состав элемен­тов-токсикантов, их минеральная форма определяются как соста­вом самих руд, так и физическим состоянием вмещающих пород.

Как правило, горнорудные районы характеризуются повышенным содержа­ни­ем специфических токсичных элементов. Состав вторичных химических со­еди­не­ний, в которые они входят, существенно отличается от их минеральных (пер­вичных) форм.

В рудных отвалах и хвостохранилищах породы и руды в разной степени дезинтегрированы и подвержены активному воздействию кислородсодержащих вод. Резкие перепады температур приводят к дальнейшей дезинтеграции матери­а­ла отвалов и терриконов, его распылению и переносу на значительные расстоя­ния. Химическое выветривание приводит к образованию в рудах вместо окислов, сульфи­дов и арсенидов солей, главным образом, сульфатов. Кислородсодержащие со­ли тяжелых металлов значительно лучше растворимы, чем их минералы. Это одна из причин загрязнения гидросети. При этом следует иметь в виду, что при на­ру­шении естественного равновесия любого типа происходит не только рассеива­ние токсичных элементов, но также их концентрация на геохимических, биоло­ги­ческих и прочих барьерах.

Кроме того, загрязнение вод и атмосферы в районах месторождений про­исходит вследствие эксплуатации техники, оборудования (нефтепродукты, ас­бест и пр.) и проведения буровзрывных работ (оксиды азота, нитраты ртути, свин­ца).

При определении влияния горнорудных и горно-металлур­гических меро­прия­тий на окружающую среду изучается кислотность и содержание токсикантов в водах как результат ряда процессов – окисления пирита (прочих сульфидов и ар­сени­дов); осаждения окислов и гидроокислов железа; вторичного растворения ра­нее выпавших солей; поверхностного испарения; взаимодействия шахтных и подотвальных вод с практическим нейтральными поверхност­ны­ми водами; влияние во­до­рослей и бактерий.

Изучается по разрезам минералого-геохимический состав выветренных руд, зон вторичного обогащения, первичных руд, это позволяет оценить ско­рость выветривания и количество поступающих в окружающую среду токсикантов. Изучается сос­тав атмосферных осадков, поверхностных и грунтовых вод, что позволяет оп­ре­делить пути поступления соответствующих элементов на конкретную тер­ри­то­рию.

Считается, что если добыча данного элемента опережает его естественный пе­ре­нос в биохимическом цикле в 10 раз, то такой элемент должен рассмат­ри­ваться как загрязнитель. По многим металлам эта норма сейчас превышена в 15-20 и более раз.

При экологических исследованиях обычно определяют содержание и рас­прос­т­ранение тяжёлых элементов – меди, цинка, никеля, кобальта, молибдена, оло­ва, свинца. Особое внимание проявляется к «малым» токсикантам – ртути, мышь­яку, кадмию, таллию и сурьме. Все они, кроме сурьмы, относятся к пер­во­му классу опасности.

2.1. Золоторудные месторождения.

Большинство коренных месторождений имеет сложный состав и, кроме зо­ло­та, в их рудах содержатся переменные количества серебра, свинца, цинка, ме­ди, кадмия, ртути, селена, таллия, мышьяка и теллура. В значительных количес­т­вах – сера в форме сульфидов железа, карбоната кальция, магния, железа, а также суль­фат бария – содержание золота в рудах составляет от десятых долей до целых г/т. Загрязнение окружающей среды в естественных условиях определяется ха­рак­­тером зоны окисления – обводнённостью, проницаемостью вмещающих пород, наличием карбонатов, нейтра­ли­зу­ю­щих серную кислоту, образующуюся при окислении сульфидов и т. д. При эксплуатации загрязнение может быть вызвано ток­сичными реагентами, используемыми для извлечения дисперсного золота, со­дер­жащегося в сульфидах.
В рассыпных месторождениях, где практически нет ток­сичных элементов, для улавливания мелкого золота широко используется ртуть.

Примером успешного решения проблемы защиты гидросети от загрязнения шах­т­ными водами может служить месторождение Рейни (США). Очистка шах­т­ных вод осуществляется в отстойниках, содержание микрокомпонентов в водах и шла­мах которых приведено в табл. 1.

Таблица 1

Содержание микрокомпонентов в водах (графа 1, мг/дм3)

и шламах (графа 2, мг/кг) отстойников

Компоненты

1

2

Цианиды

0,088–0,590




Мышьяк

0,005




Кадмий

0,005

0,0039–0,0086

Ртуть

0,010

0,019–0,023

Свинец

0,005–0,120

с 0,00025–0,0091

Цинк

0,005–0,014

0,007–0,048

Таллий






Сурьма







По составу шахтные воды хлор-бикарбонат-сульфатные, магний-кальциевые, рН 7,1–7,8, минерализация 1,5-2,1 г/дм3. Здесь складировано свыше 60 млн. т. отвальных пород. Воды, просачивающиеся из-под отвалов, имеют рН 2,37–3,21, содержат, в разные месяцы, 1,5–4,6 мг/дм3 мышьяка и 0,0019-0,19мг/дм3 ртути. Из них на расстоянии до двух миль выпадает красно-бурый оса­док гидроокислов железа, вследствие самоочищения вод содержание мышьяка сни­жается до 0,005–0,023 мг/дм3, ртути до 0,0001–0,0003 мг/дм3.

В Румынии австралийской компанией осуществлялось извлечение золота из бедных руд методом кучного выщелачивания с использованием цианидов. Всле­д­ствие несоблюдения технических условий эксплуатации произошёл прорыв от­стойников, что привело к катастрофическому загрязнению вод р. Дуная на про­тя­жении более 1000 км.

2.2. Свинцово-цинковые месторождения

Руды свинцово-цинковых месторождений обычно содержат: медь, серебро, кад­мий, таллий. Реже – висмут, селен, теллур, ртуть, мышьяк, иногда – золото, гал­лий, сурьму. Основными промышленными материалами являются галенит (PbS), сфалерит (ZnS) и халькопирит (CuFeSb).

Свинец попадает в окружающую среду при эксплуатации месторождения, обо­гащении руд, металлургическом переделе как с пылевыми выделениями, так и с технологическими водами. При высоком (более 5 %) содержании в почве ор­га­ни­ки или рН почвенных вод более 5 свинец накапливается в их верхнем слое, толщиной до 2–5 см.

При окислении полиметаллических руд свинец образует труднораст­во­ри­мый сульфат. Сульфат цинка, наоборот, хорошо растворим. Интенсивнее происходит заг­ряз­нение цинком и при металлургическом переделе.

Производство свинца в США сосредоточено, главным образом, в юго-вос­точ­ной части штата Миссури. Здесь выявлено до 600 источников и свыше 200 пун­ктов поверхностных вод, загрязнённых технологическими водами гор­но­руд­­ных и металлургических предприятий с содержанием свинца более 0,005 мг/дм3.

При эксплуатации цинкового месторождения на Аляске с 1980 по 1990 г. содержание цинка в озере, расположенном в 20 милях от месторождения, по­­­­­высилось с 7–52 до 100–970 мг/дм3.

Кроме свинца и цинка рудничные воды содержат (в мг/дм3): медь – 2–15, кад­мий – 0,02–0,12, ртуть – 0,0001–0,1.

По данным природоохранных органов США за период
1987–1993 гг. про­мыш­лен­­­ными предприятиями, главным образом горнорудного комплекса, в воды и на сушу было «сброшено» соответственно 2606 и 2770 фунтов таллия, 31487 и 2059574 фунтов кадмия, 330064 и 12003375 фунтов сурьмы.

3. Токсичные элементы

в зоне гипергенеза

3.1. Формы существования металлов
в поверхностных водах


Важнейшим показателем качества среды обитания является степень чистоты по­верхностных вод.

Многие параметры экосистемы влияют на поведение находящихся в ней ток­сикантов, например соленость, Eh1, рН2 и температура воды. В водах, со­дер­жа­щих мало кислорода, токсичность большинства ксенобиотиков усиливается. На­ли­чие в водах определённого уровня пероксида Н2О2 способствует более эф­фек­тивному самоочищению вод. Интересна и значима также проблема сезонного и вертикального распределения металлических загрязнений в природных водах. Так, например, концентрация цинка в загрязнённых акваториях летом на 2–3 порядка вы­ше, чем в зимние месяцы. В некоторых загрязнённых морских заливах кон­цен­­т­рация кадмия 3–80 мкг/л летом и 2–10 мкг/л зимой.

В илистых осадках стоячих водоемов концентрация металлов на много по­ряд­ков выше, чем в проточной воде. Особенно богата загрязнителями (в том чис­ле и металлическими) поверхностная плёнка.

Металл-токсикант, попав в водоём или в реку, распределяется между ком­по­нентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество загрязнителя вызывает расстройство данной системы. При оценке способности экосистемы соп­ро­тив­лять­ся внешнему токсическому воздействию принято говорить о буферной ём­кос­ти экосистемы. Так, под буферной ёмкостью пресноводных экосистем по от­но­­­шению к тяжёлым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, пос­тупление которого существенно не нарушает естественного фун­к­ци­о­ни­ро­ва­ния всей изучаемой экосистемы. При этом сам металл-токсикант распределяется по следующим формам содержания: 1) растворенный металл;
2) сорбирован­ный и аккумулированный фитопланктоном (растительными микроорга­низ­мами); 3) удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взве­шен­ных органических и минеральных частиц из водной среды; 4) адсор­би­ро­ван­ный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в раст­воримой форме; 5) находящийся в адсорбированной форме на частицах взве­си.

На формы нахождения металлов в водах оказывают влияние гидробионты (на­п­ример, моллюски). В связи с этим возможны сезонные колебания кон­цен­т­рации металла (например, меди): в зимний период она может быть максималь­­ной, а летом вследствие активного роста биомассы она снижается.

Различные поверхностные воды по-разному связывают ионы металлов-ток­си­кан­тов, проявляя при этом различную буферную ёмкость. Воды южных озёр, рек, водоёмов, имеющие большой набор природных компонентов (гумусовые ве­щест­ва, гуминовые кислоты) в высокой концентрации, способны к более эф­фек­тивной природной детоксикации по сравнению с водами водоёмов Севера и уме­ренной полосы. Таким образом, при прочих равных условиях, токсичность вод, в которых оказались загрязнители, зависит и от климатических условий при­род­ной зоны. Следует отметить, что буферная ёмкость поверхностных вод по от­ношению к металлам-токсикантам определяется не только наличием раство­рён­­ного органического вещества и взвесей, но и аккумулирующей способностью гид­робионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми ком­по­не­н­та­ми экосистемы, включая комплексообразование с растворёнными органичес­ки­ми веществами.

3.2. Факторы миграции химических элементов
и геохимические барьеры


Химическая обстановка миграции на поверхности земной коры может быть непосредственно изучена путём геохимического исследования процессов гипергенного (поверхностного) изменения горных пород, химического состава природных вод, почв, воздуха и т. д. Важную роль в миграции химических элементов в зоне гипергенеза играют биологические факторы, а также перенос вещества в коллоидной и адсорбированных формах.

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов в первую очередь определяется значениями водородного потенциала рН и окислительно-восстановительного потенциала Eh природных систем, даёт полную информацию о составе катионной части растворов, взаимодействующих с тонкодисперсными частицами сорбента.

Геохимический барьер – ограниченная часть пространства, где происходит резкое изменение физико-химических условий на путях миграции элементов, вызывающее осаждение определённых элементов из растворов. В условиях гипергенной миграции элементов ведущее значение приобретают адсорбционный и окислительно-восстановительный барьеры, действие которых часто проявляется совместно.

Миграция химических элементов в условиях поверхности Земной коры, в зоне гипергенеза, происходит при незначительных колебаниях температуры и практически при постоянном давлении. Концентрации интересующих нас элементов в большинстве случаев составляют доли миллиграмма на литр. При этом растворы многокомпонентные и в них присутствуют (в концентрациях на один – два порядка более высоких) натрий, магний, кальций и тонкодисперсный материал – глины, органическое вещество, гидроокислы железа и алюминия. Состав природных растворов изменяется как во времени, так и в процессе миграции.

Важную роль в миграции микроэлементов играют биологические факторы и перенос вещества в коллоидной и адсорбированной формах.

Химическая обстановка определяется, в первую очередь, значениями водородного потенциала рН и окислительно-восстанови­тельного потенциала Eh природных поверхностных систем. Концентрация элементов происходит на геохимических барьерах.

По характеру фактора, вызывающего осаждение, принято выделять следующие типы барьеров.

  1. Механический – действует при изменении скорости движения вод, реже воздуха; здесь происходит вынос лёгких минералов и обогащение осадков тяжёлыми. Так, в плёсовых частях русла рек накапливается «туристский» мусор – бутылки, консервные банки и пр.

  2. Испарительный – при дефиците атмосферных осадков за счёт интенсивного испарения грунтовых вод происходит засоление почв; при этом формируется определённая зональность от наиболее растворимых солей на поверхности почв до наименее растворимых на глубине 0,5–1,5 м. В юго-западных районах Новосибирской области фрагментарно прослеживается засоление от сульфатов, хлоридов натрия через сульфат кальция до карбоната кальция на глубине 0,5–1,0 м.

  3. Окислительный (кислородный) – при смешении глубинных вод, содержащих растворимые соединения двухвалентного железа, с грунтовыми водами, относительно богатыми кислородом, происходит окисление железа до трёхвалентного состояния и выпадение гидроокислов. С этим процессом связано образование стяжений (обособлений) бурых железняков в местах просачивания глеевых, т. е. восстановительных углекислых вод в береговых обрывах р. Иня и её притоков.

  4. Сероводородный – в местах гниения органических отходов образуется сероводород и происходит осаждение большинства тяжёлых металлов с образованием сульфидов.

  5. Глеевый – при поступлении восстановителей (углеводороды, тонкодисперсное органическое вещество болотных вод) происходит снижение Eh анионогенных металлов поверхностных растворов и осаждение урана, ванадия, молибдена.

  6. Кислотно-щелочной – при смешении растворов разного состава или их взаимодействии с вмещающими породами происходит приближение рН вод к 7 и осаждение из кислых растворов гидроокислов железа, марганца, никеля, а из щелочных – кремнезёма и гидроокислов алюминия.

7. Адсорбционный – процесс соосаждения микроэлементов в случаях, когда из раствора выделяются гидроокислы железа, марганца, алюминия, тонкодисперсное органическое вещество или кремнезём. Адсорбционный барьер определяет осаждение на поверхности разного рода тонкодисперсных положительно заряженных частиц (осадители – глинистые частицы, различные органические коллоиды, торф и т.д.) и отрицательно заряженных (осадители – гидроокислы железа и алюминия и т. д.) ионов. В частности, выпадение тонкодисперсной фазы гидроокислов железа на окислительном барьере одновременно вызывает сорбцию и осаждение отрицательно заряженных комплексных ионов мышьяка, фосфора, урана, ванадия и др. В свою очередь, коагуляция органических коллоидов сопровождается сорбционным осаждением катионов меди, свинца, цинка и др. Соответственно концентрация перечисленных групп катионов и анионов на сорбционном барьере происходит также в процессах просачивания растворов через глинистые и органические среды.

3.3. Геохимические аномалии

Геохимические аномалии подразделяются на положительные (с повышенным относительно кларка содержанием элемента), и отрицательные (когда его содержание существенно ниже фона).

Положительные геохимические аномалии оказывают существенное влияние на органический мир.

Высокую заболеваемость рассеянным склерозом на Оркнейских и Шотландских островах связывают с большим содержанием свинца в материнской породе – красноцветных песчаниках.

В Туве некоторые виды растений страдают от избытка кобальта, никеля и меди, вследствие чего здесь часто встречаются уродливые, недоразвитые цветы. Такие растения не плодоносят или дают невсхожие семена.

В вулканических районах наблюдаются ртутные аномалии.
В частности, недавно такая аномалия была обнаружена на Гаваях. Согласно исследованиям А. Эшлимана, концентрация ртути там иногда превышает 20 мкг на 1 м3 воздуха. Фумаролы выделяют как парообразную ртуть, так и металлическую – в форме частиц диаметром менее 0,3 микрона. В морских рыбах, обитающих у берегов архипелага, иногда обнаруживается тревожно высокое содержание ртути. Отрицательные аномалии (недостаточность микроэлементов) проявляются иногда на весьма обширных территориях, охватывающих целые физико-географические зоны. Так, например, согласно схеме биогеохимического районирования В.В. Ковальского (1971), таёжно-лесная зона характеризуется в целом недостаточностью меди и кобальта. Очень страдают от недостатка меди злаки; внесение её необходимого количества может увеличить сбор ячменя и пшеницы на 5–7 и более центнеров с гектара. Меди не хватает в почвах лесостепей, степей и полупустынь, поэтому она применяется в качестве микроудобрения на хлопковых плантациях.

В дерново-подзолистых и серых лесных почвах ощущается нехватка молибдена. Особенно велика потребность в нём у бобовых: молибден способствует фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Кукуруза, плодовые и цитрусовые культуры на карбонатных почвах часто нуждаются в цинке.

В Швейцарии, Новой Зеландии (долина Вайотапу) и некоторых других местах описаны мышьяковые аномалии. В этих районах его концентрация в почве достигает 1 % – в 2000 раз выше среднего фонового содержания. Там угнетена растительность, погибает скот.

Обычно реальные геохимические аномалии действуют на человека медленно, исподволь (табл. 2). Иногда они неожиданно обнаруживаются в давно обжитых районах. Так, например, при детальных исследованиях географии распространения близорукости на Украине было установлено, что более высокий её процент (среди школьников сельских районов) наблюдается в тех местностях, где понижено содержание меди, цинка, кобальта, йода и некоторых других элементов. Таковы, в первую очередь, горные, лесные ландшафты. Наименьший процент близорукости зафиксирован в степных районах.
Таблица 2

Пороговые концентрации химических элементов в почвах (мг/кг)

и возможные реакции теплокровных организмов

Химический

элемент

Недостаток (нижняя пороговая концентрация)

Норма

Избыток (верхняя пороговая
концентрация)

Кобальт

Меньше 2–7:

анемия, гипо- и авитами­нозы В, эндемический зоб

7–30

Более 30:

угнетение синтеза витамина В

Медь

Меньше 6–15:

анемия, заболевания костной системы, полегание и невызревание злаков, суховершинность плодовых деревьев

15–60

Более 60:

поражение печени, анемия желудка

Марганец

До 400:

заболевание костной системы, увеличение зоба

400–3000

Более 3000:

заболевание костной системы

Цинк

До 30:

карликовый рост растений и животных

30–70

Более 70:

угнетение окислительных процессов, анемия

Молибден

До 1,5:

заболевания растений

1,5–4

Более 4:

подагра у человека, молибденовый токсикоз у животных

Бор

Меньше 3–6:

Отмирание точек роста стеблей и корней

6–30

Более 30:

боровые энтериты у животных и растений

Стронций

(данных нет)

?–600

Более 600:

уровская болезнь, рахит, ломкость костей

Йод

Менее 2–5:

эндемический зоб, эндемия может усиливаться при несбалансированности йода с кобальтом, марганцем и медью

5–40

Более 40:

ослабление синтеза йодистых соединений щитовидной железы

3.4. Концентрация токсичных элементов
в растениях


Под влиянием высоких содержаний некоторых элементов в почвах у растений также могут возникнуть различные формы различные заболевания, выражающиеся в появлении уродливых форм (табл. 3).

Таблица 3

Изменения у растений, связанные с повышенным содержанием

некоторых микроэлементов в почвах

Элемент

Характер изменений

U, Th, Ra

В небольших дозах ускоряют рост и развитие растений. При высоких концентрациях ведут к появлению уродливых форм побегов, кар­ликовости, появлению темно-окрашенных или осветлённых листьев

Фтор (топазо­вые грейзены)

Чрезвычайно раннее пожелтение и опадание листьев

B

Задержка в росте, созревании семян, карликовость, стелющиеся фор­мы. Тёмно-зелёные листья, опалённость краёв листьев. При на­ли­­чии высоких концентраций в почве полное или частичное исчезновение растительности

Mg

Покраснение стеблей и черенков листьев, скручивание и отмирание краёв листьев

Cr

Пожелтение листьев, в некоторых случаях поредение растительного покрова, вплоть до полного его исчезновения

Cu

Посветление листьев, омертвление их кончиков, покраснение стеб­лей, образование стелющихся, вырождающихся форм.
В отдельных слу­ча­ях полное исчезновение растительности

Ni

Вырождение и исчезновение некоторых форм, появление белых пя­тен на листьях, уродливые формы, редукция лепестков венчика

Co

Появление белых пятен на листьях

Pb

Поредение растительного покрова, появление угнетённых форм, раз­витие аномальных форм у цветов и соцветий

Zn

Хлороз листьев и отмирание их кончиков, появление белых недораз­витых и карликовых форм

Nb

Появление белых налётов на стеблях и листьях некоторых видов рас­тений

Be

Уродливые побеги у молодых сосен

TR

Резкое увеличение размеров листьев у некоторых древесных пород

Примечание. Таблица составлена по данным Е. Кэннон, Л. И. Грабовской и других исследовате­лей.


4. Примеры влияния

горнометаллургических предприятий

на окружающую природную среду

4.1. Загрязнение окружающей среды

при отработке железорудного месторождения открытым способом

Разработка и добыча руды отрытым способом с помощью взрывных работ на карьерах Курской магнитной аномалии сопровождается огромными газопылевыми выбросами в атмосферу, сейсмическими и акустическими возмущениями, которые могут иметь негативные последствия. При проведении массовых взрывов в газо-пылевое облако в расчете на 1кг взрывчатого вещества (ВВ) поступает от 80 до 300 г пылевого аэрозоля с частицами размером менее 20 мкм. Результаты исследований свидетельствуют, что все природные источники поставляют в атмосферу от 1000 до 10000 млн. т., а техногенные – от 1 до 600 млн. т. пылевого аэрозоля. Установлено также, что при типичном взрыве 1000 т. ВВ высота облака газо-пылевой смеси достигает 700 м, а масса пыли с частицами размерами менее 20 мкм – 80–300 т.

Исследования, выполненные на Лебединском карьере, показывают, что при массовых взрывах 1000 т ВВ ареал выпадения частиц размером 100 мкм (с учетом розы ветров) составляет
15–20 км, а время нахождения этих частиц в атмосфере – 1 час.

Частицы пыли диаметром до 10 мкм могут находиться в атмосфере до 2–3 суток и в зависимости от силы ветра опускаться на землю на максимальном расстоянии от места взрыва – до 1000 км. Представление о характере взрывных работ на Курской магнитной аномалии можно получить на основании данных, приведенных в табл. 4.

Таблица 4

Годовой объем взрывных и горных работ


Карьер

Число взрывов

Масса ВВ

одного взрыва, т

Добыча руды, млн т/год

Количество пыли, тыс. т

Горная масса, млн т

Лебединский

25

300–900

43

3,7–7,4

53

Михайловский

50

300–500

39

3,4–6,7

48

Стойленский

26

100–150

16

1,3–2,7

19

По данным таблицы можно определить количество вредных выбросов, которые оседают на ближайшие районы. По утверждению специалистов, взрывы зарядов ВВ сопровождаются образованием газообразных ядовитых продуктов. Примерно 10 % общего объема газов – это CO, NO, NO2, и т.д. При взрыве 1кг ВВ образуется примерно 80–1100 л газообразных продуктов взрыва.

С целью установления степени воздействия выбросов карьера и Лебединского горно-обогатительного комбината (ГОК) на почвы вокруг этих объектов в 1999 г. были отобраны и проанализированы образцы почв вокруг источников загрязнения.

Анализ отобранных почвенных образцов показал, что на пахотных угодьях с ровным рельефом и ненарушенным профилем величина накопления некоторых солей тяжелых металлов (ТМ) Pb, Zn и Cd не превышает ПДК и находится на уровне ПДК подзолистых почв и фона. Превышение ПДК в черноземах обнаружено только по Cr, Ni и Cu, причем если для Cr и Cu превышение незначительно – соответственно до 10–13 и 5,8–6,0 мг/кг, то для Ni оно составляет 12,8–17,4 мг/кг. Сравнительно повышенное содержание подвижных форм ТМ (Cr, Ni и Cu) в этих почвах определяется спецификой производства этих предприятий. Известно, что в процессе открытой добычи руды 6–8 % газопылевых выбросов, содержащих железо и его спутники (Cr, Со, Ni, Zn, Cu и т.д.), попадают на почвенно-растительный покров, и почва, являющаяся местом максимального накопления всех выбросов, выступает в роли мощного фильтра, который прочно фиксирует все ТМ и существенно ослабляет их попадание в наземную растительную массу и грунтовые воды. Сравнительно повышенное содержание Cr, Ni и Cu в контролируемой почве, взятой на удалении 10 км юго-западнее карьера ГОКа, объясняется тем, что мелкие частицы (до 100 мкм) в период работы предприятия и взрывов могут переноситься ветрами на расстояние до 15–20 км и соответственно накапливаются в почве.

Во всех почвах, за исключением образцов с гидроотвала, содержание Cr, Ni и Cu превышает ПДК, но незначительно. Эти элементы входят в группу железа и в условиях добычи и обогащения железной руды их переход в подвижные формы невелик.

В хвостохранилищах находятся миллионы тонн отходов, где содержание железа невелико и колеблется в пределах от 0,5 до
5–10 %. Современная наука не располагает методикой его извлечения. Однако эти хвосты представляют собой опасность загрязнения окружающей среды. Отдельные исследования свидетельствуют, что в почвах и водоемах, опоясывающих хвостохранилища, содержание Zn, Cu, Mn, Cr, Mg и Fe выше, чем в подзолистых почвах и водах в 1,5–3 раза. Результаты исследований и анализ банка данных показывают, что вокруг промышленной площадки Лебединского ГОКа на удалении 150 и 300м ежегодно оседает соответственно 607 и 469 кг пыли на 1 га земли; в 150 м от карьера оседает около 1 т пыли, а на расстоянии 1, 2, 3, 4 км – соответственно 401, 226, 97 и 47 кг/га. В таких условиях формируются техногенные аномалии, где содержание валовых форм Zn, Cu и Fe в почвах выше зональных в 2–3 раза. Ареал рассеяния Fe прослеживается на расстоянии до 7–15 км и занимает площадь более 100 км2. В травосмеси отмеченных территорий очень высокое содержание Fe на расстоянии до 7 км. В пахотном горизонте черноземов вокруг ГОКа содержание Fe превышает 6 %, что свидетельствует о процессе ожелезнения почв. Общеизвестно, что наиболее чувствительны к недостатку или избытку железа многие плодовые культуры и полевые растения. Как правило, концентрация железа в почве варьирует в пределах 2–3 % от ее массы, однако в доступной растениям форме в почвах содержится очень небольшое его количество. Доступность железа растениям зависит от реакции почвы и окислительно-восстановительного потенциала. С усилением кислотности растворимость Fe снижается. В районе Курской магнитной аномалии избыток Fe в почве ведет к ее постепенной деградации. Общий объем вскрыши на месторождениях Курской магнитной аномалии превышает 80 млн.м3, отходы обогащения горно-обогатительных фабрик составляют более 43 млн т.

4.2. Загрязнение окружающей среды
Учалинским горно-обогатительным
комбинатом


Аэрогенное загрязнение территории оценивалось по суммарному показателю нагрузки (Zc– аддитивная сумма превышения коэффициентов концентрации над фоном). Территория города в умеренно опасной степени загрязнена тяжелыми металлами (рис. 1, 2). К северу и северо-востоку от УГОК выявлен ореол чрезвычайно опасного загрязнения (Zc в сотни и тысячи раз выше фона). Растворимые формы Zn в снеговой воде составляют 0,009 – 0,272, Cu – от 0,0005 до 0,022 мг/л.




Рис. 1.Схема техногенного воздействия Учалинского горно-обогатительного комбината на окружающую среду:

1 – Zc от 16 до 32 (среднее, умеренно опасное загрязнение); 2Zc от 32 до 128 (высокое, опасное загрязнение); 3Zc > 128 (очень высокое, чрезвы-
                      чайно опасное загрязнение); 4 – коллективные сады



Рис. 2. Суммарный уровень загрязнения почвы
токсичными металлами (Zc):

1Zc от 16 до 32 (среднее, умеренно опасное загрязнение); 2Zc от 32 до 128 (высокое, опасное загрязнение); 3Zc > 128 (очень высокое, чрезвычайно опасное загрязнение);
                                                    4 – коллективные сады
Концентрации ТМ в приотвальных водах: Zn в 15400–51200 раз выше ПДК (рыб.хоз.) и в 31–102 раза в сточных водах; Cu соответственно в 1870–30370 и 374–6074; Fe – 122–2528 и 12–25; Cd – 172–342 и 1–1,7 раз. В озерах Б. Учалы и Карагайлы, расположенных в зоне интенсивного загрязнения, повышены содержания Cu и Zn, но ниже ПДК (рыб.хоз.). В воде котлованов для полива садов превышены те же нормы по ТМ от 2 до 40 раз. Вместе с тем химический состав подземных вод соответствует установленным требованиям к качеству питьевых вод.

Ореол техногенного загрязнения почвы ТМ представлен ассоциацией: Zn – Cu – Pb – Cd – Ba и As. Коэффициенты концентрации варьируют: Zn – от 2 до 60, Cu – от1 до 30, Pb – до100, Cd – от 2 до 10. Границы выявления ореолов совпадают с зоной пылевой нагрузки снега. Влияние естественных геохимических аномалий не существенно и проявляется на незначительной площади.

Степень загрязнения почвы также представлена суммарным коэффициентом загрязнения ТМ (Zc): «опасная» – Zc от 32 до 128 и «умеренно опасная» зоны – Zc от 16 до 32 включают часть г. Учалы, г. Учалы-2 и коллективные сады. В пределах последней зоны расположены оз. Б. Учалы, южная часть с. Учалы, оз. Кара­гайлы. Территория комбината находится в зоне «опасного» и «чрезвычайно опасного» (Zc > 128) загрязнения почвы металлами (см. рис. 2). Элементы техногенного происхождения накапливаются в верхних горизонтах почвы.

Озеро М. Учалы завалено отвалами и хвостохранилищем
(за 38 лет площадь зеркала уменьшилась в 35 раз), pH снизилась с 7,6 до 2,9, минерализация возросла примерно в 20 раз: содержание сульфат-иона – в 35 раз, меди – в 600, цинка – более чем в 1500 раз. Промышленные и сточные воды стали поступать в руч. Буйда. Здесь pH уменьшился на 3 единицы, сумма растворимых солей увеличилась в 5 раз, сульфат-иона в 174 раза, хлорид-иона – в 26, цинка – в 20, меди – в 5 раз.

Заключение


Закон Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» № 2060 от 19.12.91, в редакции Законов РФ от 21.02.92 № 2397-1, от 02.06.93 № 5076-1 устанавливает плату за загрязнение среды, которая производится с 01.01.93.

Плата за загрязнение в бесспорном порядке перечисляется всеми природопользователями на счета экологических фондов (Статья 21 Закона). Министерство РФ утвердило Рекомендации по определению предельных размеров платы за загрязнение окружающей природной среды, а также федеральный коэффициент индексации платы в размере 10 по отношению к базовым нормам.

Система платежей за природные ресурсы – основной рычаг экономического механизма регулирования природопользования и охраны природной среды.

Для уменьшения потерь полезных ископаемых при добыче и переработке, для предупреждения загрязнения окружающей среды отходами производства внедряются новые, более эффективные способы и системы разработки месторождений и технологические схемы переработки минерального сырья, обеспечивающие наиболее полное, комплексное и экономически целесообразное извлечение из недр запасов основных и совместно с ними залегающих полезных ископаемых.

Необходимо строительство новых и реконструкция многих ранее построенных цехов, фабрик и установок по комплексной переработке горнорудного сырья, отвалов и шлаков. Прежде всего необходима организация производства нового, более совершенного оборудования и аппаратуры для очистки промышленных выбросов в атмосферу и сбросов в гидросеть.

Необходимо осуществление государственного контроля за работой очистных установок на промышленных предприятиях.

Рекомендуемая литература


  1. Добровольский Г.В. Экология и почвы. – т. 1, 2. – М.,1995.

  2. Малкин В.П. Мониторинг поверхностных вод. – М., 2001.

  3. Реймерс М.Ф. Природопользование. – М., 1990.

  4. Рыбальсий П.С. Экология и безопасность. – М., 1995.

5


. Шевелев В.П. Мониторинг и охрана атмосферного воздуха. – Курган, 2001.

1 Окислительно-восстановительный потенциал Eh (или редокс-потенциал) определяет способность системы снабжать электронами восстанавливаемые компоненты в реакции – nē = R+n, где ē – количество электронов, отданных восстановленным компонентом окислителю. Eh измеряется в вольтах, при этом за нулевой уровень потенциала принимается переход газообразной молекулы водорода в состояние иона. H2 (газ ? 2Н+1 + 2ē = 0,000В). Окислительно-восстановительный потенциал реакции, в которой активности окисленной и восстановительной форм в растворе равны, носит название стандартного и обозначается Е0.

2 Водородным показателем рН называется десятичный логарифм активности водородных ионов в растворе, взятый с обратным знаком: рН = lg aН+. Активность водородных ионов аН+ чистой воды при 25єС равна 10-7, т. е. рН её равен 7. В кислых растворах аН+ > 10-7 (например, 10-6, 10-5, 10-2 и т. д.), т. е. их рН < 7. Чем кислее раствор, тем больше в нём активность водородных ионов и, соответственно, меньше рН. В щелочных растворах аН+ < 10-7 и, таким образом, рН щелочных растворов > 7 (8, 9, 11 и т. д.).



Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации