ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 5, с. 413-420
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 504.054:669.018.674
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕНАЖНЫХ ПОТОКАХ И ГИДРООТВАЛЕ БЕЛОВСКОГО ЦИНКОВОГО ЗАВОДА (КЕМЕРОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)
© 2007 г. А. А. Богуш*, С. В. Летов**, Л. В. Мирошниченко**
*Институт геологии Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН ** Аналитический центр Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН Поступила в редакцию 10.06.2005 г. После исправления 13.02.2006 г.
Проведено исследование отходов, складированных на территории Беловского цинкового завода (Кемеровская обл.), который расположен в жилой зоне г. Белово. Кислые воды дренажных ручьев (рН 3-4) относятся к SO4-Q-Ca-Na-типу, а слабокислые воды Беловского отстойника (рН 5.5) - к SO4-HCO3-Q-Ca-Na-типу с высокой минерализацией и высоким содержанием тяжелых металлов, особенно Си и Zn. Основные химические формы тяжелых металлов в дренажных потоках и водах отстойника - это аква-ионы и сульфатные комплексы. Флокуляты, формирующиеся на дне отстойника, состоят из аморфных водных сульфатов Си с небольшим содержанием аморфного кремнезема, гипса, хлорита и барита. Миграционноспособные формы токсикантов могут легко выноситься из донных осадков, особенно это относится к цинку и кадмию, у которых доли водорастворимых форм достигают 36-45 об. %, а ионообменных - 8.0-12 об. %. Основную роль в связывании потенциально токсичных элементов в донном осадке играют вторичные железистые фазы. Ряд уменьшения подвижности в системе поверхностная вода отстойника-донный осадок выглядит следующим образом: Cd > Zn > Си > РЬ > Ва > Fe. На основе минералогических исследований и физико-химического моделирования выявлена последовательность минералообразования, а также выделены основные этапы испарительного процесса.
ВВЕДЕНИЕ
Человечество становится ведущей геологической силой, и его деятельность определяет современное состояние атмосферы, гидросферы и верхних зон литосферы [3]. Особенно это относится к горнодобывающей деятельности, в результате которой поверхность Земли в некоторых регионах изменяется до неузнаваемости и превращается в "лунные ландшафты". Сведения о характере и масштабах загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами начали появляться в открытой печати в конце 70-х годов XX столетия [14, 16, 22 и др.]. Довольно много научных работ посвящено изучению миграции элементов в твердом веществе отходов и прилегающих почвах [5, 6, 10-12, 15-21 и др.], поверхностных водах [4, 7 и др.] и в других компонентах окружающей среды. Несмотря на то, что проблема влияния отходов на окружающую среду довольно подробно изучается в различных аспектах, все же остается много невыясненных вопросов, решение которых могло бы спрогнозировать поведение потенциально токсичных элементов, а следовательно, существенно минимизировать угрозу локального и регионального загрязнения территорий тяжелыми металлами. К таким вопросам относится комплексное исследование форм миграции тяжелых металлов, а особенно
подвижных форм (наиболее опасных для человека), в техногенных и природных потоках, поскольку разнообразие физико-химических параметров среды порождает и большие вариации в состоянии элементов. Также дискуссионен вопрос о судьбе металлов, захороненных в донных осадках, и их опасности для биоты, а следовательно, и для трофических цепей. В тесной связи с упомянутыми вопросами находится и исследование геохимических барьеров. В частности, испарительные геохимические барьеры F представляют собой участки, на которых увеличение концентрации химических элементов происходит в результате процессов испарения [8]. Исследование физико-химических особенностей процесса испарения и формирования твердых фаз на поверхности отвалов - важная проблема в экогео-химическом отношении. Большинство водных сульфатов, образующихся на поверхности отходов, включают в себя потенциально токсичные элементы (2и, Си, Сё, РЬ). Многие минералы, формирующиеся на испарительном барьере, являются сезонными образованиями, появляющимися в определенных климатических условиях в зависимости от степени влажности среды и характера циркуляции вод. Высокая растворимость многих сульфатов в воде - их основное качество, обусловливающее такие их морфологические
Рис. 1. Схема расположения г. Белово (я); б - общий вид хвостохранилища БЦЗ (цвет воды голубовато-зеленый); в -дренажные ручьи отвалов БЦЗ (цвет воды голубой).
черты, как образование в виде выцветов, корочек, натечно-почковидных и порошковатых агрегатов. Основные особенности этих образований, например окраска, могут легко меняться при изменении влажности среды.
Данная работа направлена на решение фундаментальной проблемы экогеохимии, связанной с изучением форм нахождения тяжелых металлов, их подвижности и миграции в системах с повышенной антропогенной нагрузкой. Цель работы заключается в количественном описании процессов миграции, распространения и переотложения тяжелых металлов в техногенных системах на примере отходов Беловского цинкового завода (БЦЗ).
Для этого решались следующие задачи:
1) выявление закономерностей распределения химических форм элементов в растворах (дренажные ручьи и воды Беловского отстойника) в зависимости от изменения макро- и микрокомпонентного состава и физико-химических параметров,
2) выявление особенностей распределения и переотложения элементов в донных осадках гидроотвала БЦЗ при помощи минералогических исследований и методик ступенчатого выщелачивания,
3) оценка степени подвижности элементов в системе поверхностная вода отстойника-донный осадок,
4) построение последовательности минерало-образования с выделением основных этапов испарительного процесса на основе минералогических исследований и физико-химического моделирования;
На основе полученных результатов и серии экспериментов предложены способы минимизации вредного влияния отходов.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА
Первоначально материал отвалов Беловского цинкового завода (г. Белово, Кемеровская область, рис. 1) представлял собой клинкер, который получался при вальцевании цинксодержащих отходов. Клинкер - это сплавленный продукт, по виду напоминающий котельный шлак, содержащий значительные количества цветных металлов. Содержания компонентов в клинкере БЦЗ следующие: SiO2 = 15-25%, СаО = 4-6%, MgO = = 0.3-0.6%, А1203 = 3-5%, Fe = 10-20%, С = 1025%, Си = 1.5-2.5%, Zn = 0.5-1.5%, РЬ = 0.1-0.2%, S = 0.5-1.5%. Большое количество углерода (1512%) в исходном клинкере в виде коксовой мелочи приводит к самовозгоранию [9]. За период 1950-1994 гг. накоплено 600-700 тыс. т. отходов, складированных на территории завода, который находится в жилой зоне города. При сезонных паводках в отходах происходят процессы выщелачивания многих металлов (Си, Fe, Zn). Вдоль восточного склона у подножия отвалов протягивается канава, в которой собираются воды, дренирующиеся из отходов. Поток, вытекающий из дренажной канавы, впадает в гидроотвал (см. рис. 1), на дне которого видны многочисленные флокуляты синего, зеленовато-синего и рыже-коричневого цвета. По берегам отстойника и дренажных ручьев образуются агрегаты разных размеров и окраски.
Таблица 1. Состав дренажных вод, мг/л
Номер пробы рН Eh, мВ K+ Na+ Ca2+ + Mg2+ Cl- so4-
Канава 1 3.45 +593 120 950 1000 250 9200
Канава 2 3.77 +590 61 440 740 140 4600
Др. р. 4.97 +520 31 500 600 210 3500
Примечание. Здесь и в табл. 2 канава 1 и 2 - пробы воды из канавы около Беловских клинкеров, Др. р. - дренажный ручей, соединяющий канаву и отстойник БЦЗ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал, положенный в основу данной работы, собран в течение полевого сезона 2002 г. Новообразованные минеральные фазы, образцы выцветов отбирали по берегам гидроотвала и дренажных ручьев. Водные пробы отбирали в пластиковые 0.5-литровые бутылки (после 3-кратного споласкивания) с глубины 20 см от поверхности. Одновременно с отбором проб замеряли рН при помощи миниатюрного электронного цифрового микропроцессорного рН-метра (марка: рН-PRO, фирмы "SUNWING COMPUTERS" (Сингапур)) с точностью определения 0.01 рН, с автоматической температурной компенсацией и временем стабилизации показания 1.5-2 мин. Пробы воды фильтровали. Фильтрат консервировали концентрированной азотной кислотой (3 мл кислоты на 1 л пробы). Донные осадки отбирали с помощью специального пробоотборника. Для минимизации воздействия на пробы факторов внешней среды, в первую очередь атмосферного кислорода, и ин-гибирования развития микроорганизмов их герметично запаковывали и помещали в темное прохладное место. Основной ионный состав (концентрации K+, Na+, Cl-, S O4 , F ) в неподкисленных водных пробах определяли методом ионной хроматографии (на ионном хроматографе ХПИ-1), а
определение концентраций Ca2+ и Mg2+, НС O33 проводили титрованием исходных или разбавленных проб. Концентрации тяжелых металлов (Zn, Cu, Cd, Pb, Fe, As, Ва) в воде определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе "Perkin-Elmer" модели 3030E. При минералогических исследованиях хвостохрани-лищ использовали оптическую и электронную микроскопию, рентгеноструктурный и химические анализы. Минеральный состав проб определяли посредством рентгеноструктурного анализа (порошковая рентгенография на приборе "ДРОН-3М" с CuKa-излучением). Минералы изучали оптическими методами и при помощи сканирующего микроскопа JSM-36 (фирмы "JEOL") с энергодисперсионной приставкой "KEVEX". Формы нахождения элементов (Zn, Cd, Cu, Pb, Fe, As) в донных осадках гидроотвала БЦЗ определя-
ли по "классической" схеме экстракции [21]: 1) водорастворимая фракция (Н20, V = 25 мл, Т = 25°С, t = 1 ч); 2) обменная (1 М Mga2, рН 7, V = 20 мл, Т = = 25°С, t = 1 ч); 3) карбонатная (1 М №ОАс, рН 5 буфер (НОАс), V = 20 мл, Т = 25°С, t = 5 ч); 4) связанная с оксидами и гидроксидами железа (2 М NH2OH ■ НС1 в 25% НОАс, V = 25 мл, Т = 96°С, t = 6 ч); 5) связанная с органическим веществом (0.02 М HNO3 V = 10 мл + 30% Н2О2 V = 20 мл, рН 2 буфер. HNO3, Т = 85°С, t = 2 ч); 6) остаточная (кислотное разложение: ОТ-Н
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.