ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 5, с. 401-410
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 556.383:628.4
ФОРМИРОВАНИЕ ЗОНАЛЬНОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТАХ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПОЛИГОНОВ И СВАЛОК ТБО
© 2008 г. И. В. Галицкая, В. С. Путилина, Т. И. Юганова
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН Поступила в редакцию 09.10.2007 г.
Поступление органического вещества со свалочным фильтратом в водоносные горизонты на участках расположения полигонов ТБО оказывает существенное влияние на окислительно-восстановительные условия подземных вод. В результате формируются окислительно-восстановительные зоны, расположенные в определенной последовательности по мере удаления от источника загрязнения: метаногенная, сульфатредукции, восстановления железа, марганца, нитрата и аэробная. В формировании анаэробных условий особое значение имеют содержащиеся в породах соединения Fe (III) - важного акцептора электронов, который служит основным буфером окислительно-восстановительных процессов и ограничивает протяженность анаэробной части шлейфа фильтрата. Показано, что высокие концентрации железа в подземных водах в районе свалок ТБО могут быть связаны не только с выщелачиванием железа из свалочного тела, но и с восстановлением природного или природно-техногенного железа, содержащегося в твердой фазе водовмещающих пород, при окислительных преобразованиях органических веществ свалочного фильтрата.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема загрязнения компонентов природной среды на участках захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) остается достаточно острой, несмотря на предпринимаемые меры по обеспечению экологической безопасности. В особенности это относится к тем полигонам ТБО, которые создавались без эффективных защитных мер или в местах, не соответствующих требованиям стандартов охраны окружающей среды, а также к несанкционированным свалкам отходов различного происхождения. Степень опасности данных источников антропогенного воздействия для водных систем определяется как составом поступающего фильтрата, количеством и формами загрязняющих веществ, условиями их миграции, так и процессами перехода химических элементов из твердой фазы пород в жидкую в результате изменения окислительно-восстановительных условий в зоне влияния свалки. Многообразие физико-химических процессов в массиве отходов и в окружающей природной среде обусловливает необходимость достаточно детального изучения характера и масштабов изменения окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в теле свалки и в зоне ее влияния. Эти условия, в свою очередь, зависят от состава свалочного фильтрата и подземных вод, ионно-солевого комплекса пород, в частности, от трансформации их минералогического состава в результате растворения исходных и образования новых минеральных фаз.
Проведение подобных исследований в полном объеме требует вложения значительных финансовых средств и длительного времени. Недостаток знаний о закономерностях развития происходящих процессов ограничивает возможность выполнения достоверного гидрогеохимического прогноза и увеличивает риск принятия ошибочных решений при выборе способа рекультивации свалки. В этих случаях может оказаться полезной информация о формировании гидрогеохимической обстановки в аналогичных условиях. В предыдущих статьях [2, 3] рассматривались современные представления о преобразованиях органического вещества (ОВ) в местах захоронения твердых бытовых отходов в течение всего "жизненного цикла" свалки с последовательным анализом фаз и стадий разложения ОВ и о его влиянии на миграцию тяжелых металлов. Настоящая статья посвящена исследованию изменений окислительно-восстановительного состояния водоносного горизонта в зоне влияния свалки ТБО.
ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ В ТЕЛЕ СВАЛКИ
За счет атмосферных осадков, просачивающихся через толщу свалочных отложений, а также влаги, которая поступает из отходов, в теле свалки образуется фильтрат, существенно загрязненный разнообразными соединениями как органической, так и неорганической природы.
Состав растворенного органического вещества (РОВ) свалочного фильтрата в значительной степени зависит от возраста свалки и степени деградации отходов. На стадии образования карбо-новых кислот - ацетогенеза - содержание органического вещества в фильтрате очень высокое, на 95% оно состоит из летучих жирных кислот. На стадии метаногенеза органическая нагрузка в фильтрате относительно низкая. В основном она представлена высокомолекулярными соединениями, из которых около 32% - с молекулярным весом выше 1000 [18]; содержание карбоновых кислот, аминов и спиртов незначительно. Несмотря на то, что на стадии метаногенеза содержание органического вещества в фильтрате заметно снижается, количество РОВ остается значительным и составляет тысячи мг/л. По мере увеличения возраста свалки в составе РОВ появляются гумусовые вещества, которые в настоящее время принято делить по молекулярному весу на три фракции: гумусовые кислоты, фульвокислоты и гидрофильная фракция. I. СШз!ешеп и др. [14] при исследовании состава фильтрата на метаноген-ной стадии развития свалки показали, что фульвокислоты с молекулярным весом около 1800 составляли около 60% от общего количества РОВ, гидрофильная фракция с молекулярным весом около 2100 - 30%, гумусовая фракция с молекулярным весом около 2600 - 10%. В составе фуль-вокислот и гидрофильной фракции преобладали карбоксильные функциональные группы и слабокислые группы.
Результаты детального изучения состава органической части фильтратов свалок ТБО приведены в работах [1, 5, 23]. В фильтрате Воронежского полигона [1, 5] (возраст полигона 5 лет) было установлено присутствие 58 органических соединений, среди которых идентифицировано 17 одноосновных кислот алифатического и ароматического ряда, одноосновная циклогексанкарбоно-вая кислота и фенол. Помимо карбоновых кислот, в фильтратах свалок присутствуют и другие органические соединения, в состав которых входят такие функциональные группы, как амины = КИ или -К= (полисахара), кето- (-С=0), альдегидные и гидроксо-группы (-С0Н), серосодержащие и галогенсодержащие [11, 17, 22, 39]. Как правило, эти соединения обладают сложной структурой, содержат в своих молекулах ароматическую, алифатическую, а также гетероциклическую части. По сравнению с карбоновыми кислотами концентрация этих соединений в фильтратах обычно невелика, некоторые из них скорее являются индикаторами загрязнения фильтрата [17, 39].
Сложность процессов, происходящих в свалочном теле, проиллюстрирована в более ранней работе авторов на примере миграции металлов в свалке на всех этапах ее жизненного цикла [4].
Наиболее важными в этой связи физико-химическими процессами являются комплексообразова-ние, осаждение, растворение, адсорбция, ионный обмен, окисление и восстановление. Во многих исследованиях отмечалось увеличение миграционной способности металлов в свалке в результате образования комплексов с органическим веществом. При этом часто недоучитывали существенную или даже определяющую роль сорбции и осаждения в контролировании загрязнения свалочного фильтрата, поступающего в подземные воды.
Основные адсорбенты металлов - оксигидрок-сиды железа и марганца, а также органическая материя - либо как объемная фаза, либо как пленка на минеральных частицах [10]. Помимо сорбции, к процессам удаления компонентов из фильтрата относится образование новых минеральных фаз. Результаты исследований, проведенных на свалке Raindorf в Германии (Бавария), позволили выявить в ее теле минеральные новообразования, содержащие тяжелые металлы [16]. Наиболее часто встречались фосфаты, сульфаты, основные соли тяжелых металлов. Отмечается, что большинство из них известны как типичные металлсодержащие вторичные минералы при рудообразовании. Не менее существенное значение имеет фиксация тяжелых металлов в минералах группы гидроталькита. Растворимость вторичных минералов в основном низкая. Некоторые минералы, идентифицированные в скважинах, пробуренных в теле свалки, представлены в табл. 1. Более подробно состав минеральных фаз рассмотрен в работе [16] и обзоре [4].
ИЗМЕНЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ В ВОДОНОСНОМ ГОРИЗОНТЕ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ СВАЛКИ
Поступление органического вещества со свалочным фильтратом в подземные воды приводит к уменьшению окислительно-восстановительного потенциала в результате микробиальной деградации органической материи. Формирование окислительно-восстановительных условий в значительной степени зависит от наличия в подземной гидросфере различных соединений, являющихся акцепторами электронов. G. Heron и др. [19] выделили основные электроно-донорные реакции, происходящие в аэробных водоносных горизонтах:
O2 + 4H+ + 4e- > 2H2O (жидкая фаза) N O- + 6H+ + 5e- > 0.5N2 + 3H2O (жидкая фаза) Fe(OH)3 + 3H+ + e- > Fe2+ + 3H2O (твердая фаза)
Таблица 1. Минеральные фазы свалочного тела и образование вторичных минералов во времени [16]
Минеральные фазы 1-й год 3-й год 5-й год
Оксиды
У-Ре^ Магнетит
7п0 Цинкит Цинкит
Мп02 Пиролюзит
Си20 Куприт
Гидрооксиды
а-А1(0И)3 Байерит
гп(0И)2 "иИ^йе
у-7п(0И)2 А8ЬоуегИе
Са(0И)2 Портландит
у-Бе00И Лепидокрокит Лепидокрокит
а-Бе00И Гетит
Галогениды
СаБ2 Флюорит Флюорит Флюорит
7п5(0И)С12 ■ И20 81шопко11еИе
Си2С1(0И)3 Атакамит
Карбонаты
СаС03 Кальцит Кальцит Кальцит
Меб(П)Ме2(Ш)[(0И)1б](С03) ■ 4Щ0 Гидроталькит Гидроталькит
№3(0И)4(С03) ■ 4И20 Заратит
К12С03(0И)2 Ки11а§1пИе
7пС03 Смитсонит
7п5(0И)б(С03)2 Гидроцинкит
Сульфаты
Са804 ■ 2И20 Гипс Гипс Гипс
Са3(С03)(804)[8К0И)6] ■ 12И20 Таумасит
Са6А12(0И)4(Б04)3 ■ 32И20 Эттрингит Эттрингит
Ба804 Барит Барит
№804 ■ 6И20 Ретгерсит
Си4(804)(0И)6 ■ 4И20 Роуволфит Роуволфит
(7п,Си)2А12(0И)6(804)05 ■ 3И20 7п-вудвардит
7пБе2(804)4 ■ 14И20 Lishizhenite
7п804 ■ И20 Гуннингит
7пБе(804)2(0И) ■ 7И20 Цинкоботриоген
Си15(804)4(0И)22 ■ 6И20 Рамсбекит
СиРЪ(804)(0И)2 Линарит
Си!9С14(804)(0И)32 ■ 3И20 Коннелит
Си4А12804(0И)12 ■ хИ20 Вудварди
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.