ВВЕДЕНИЕ 8
1 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 13
1.1 Характеристика тяжелых металлов 13
1.2 Трансформация и миграция тяжелых металлов в почве 19
1.3 Физико-химические характеристики почвы, влияющие на подвижность тяжелых металлов 24
2 ОБЩАЯ СИТУАЦИЯ С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ
МЕТАЛЛАМИ В РФ И НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ 27
2.1 Анализ загрязнения почв тяжелыми металлами в РФ 27
2.2 Анализ загрязнения почв тяжелыми металлами в г. Новосибирск 29
3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НОВОСИБИРСКОГО ОЛОВЯННОГО
КОМБИНАТА 34
3.1 Общие сведения о Новосибирском оловянном комбинате 34
3.2 Технологический процесс производства олова 36
4 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
4.1 Методика отбора проб 41
4.2 Пробоподготовка 44
4.3 Определение физико-химических характеристик почвы, влияющих на
подвижность металлов в почве 44
4.4 Количественное определение тяжелых металлов методом масс-
спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой 47
4.5 Количественное определение тяжелых металлов методом атомно¬
абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией 49
4.6 Методика вычисления результатов измерений 51
4.7 Методы санитарно-гигиенической оценки степени загрязнения почв
тяжелыми металлами 52
5 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ КИРОВСКОГО
РАЙОНА Г. НОВОСИБИРСКА
6 АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В
ПОЧВАХ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА Г.НОВОСИБИРСК 60
7 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ДЛЯ РЕМЕДИАЦИИ
ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 71
8 ОХРАНА ТРУДА. ОЦЕНКА ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ РИСКОВ ДЛЯ
СОТРУДНИКОВ ИХТТМХ СО РАН 76
9 БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧС. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АВАРИИ ПРИ
ПРОВЕДЕНИИ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 87
9.1 Расчет избыточного давления, развиваемого при сгорании
газовоздушных смесей в помещении 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 98
ПРИЛОЖЕНИЯ 107
Актуальность темы исследования. В результате стремительно развивающейся промышленной деятельности, повсеместной урбанизации и постоянного роста автотранспорта поступление тяжелых металлов в окружающую среду значительно увеличивается из года в год [1-4]. Основной средой, в которой накапливаются тяжелые металлы, является почва. Она может служить источником вторичного загрязнения сопредельных сред (воздух, вода, растения) [5,6]. Загрязнение почвы тяжелыми металлами является глобальной проблемой, которая требует принятия соответствующих мер по предотвращению загрязнения биосферы [7].
Опасность тяжелых металлов заключается в том, что они не подвергаются деградации, а только переходят из одного соединения в другое. Попадая в почву, тяжелые металлы накапливаются в ней, ведут себя как экотоксиканты и способны передаваться по пищевым цепям в организм человека [8]. Некоторые тяжелые металлы и металлоиды помимо прямого токсического воздействия на живые организмы, способны вызывать канцерогенные, мутагенные и тератогенные эффекты [9-11].
К основным источникам техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами относятся предприятия цветной металлургии [5, 12, 13]. Крупным предприятием, оказывающим техногенное воздействие на объекты окружающей среды г. Новосибирска, является Новосибирский оловянный комбинат, расположенный в промышленной зоне Кировского района. Характер технологического процесса оловокомбината, несовершенные системы очистки и нерациональная утилизация отходов обогащения привели к масштабному загрязнению близлежащей территории.
было определено валовое содержание тяжелых металлов в почве. Однако в силу ее буферной способности, определение только валового содержания элементов не является информативным показателем наличия реальной опасности загрязнения. Способность тяжелых металлов аккумулироваться растениями, мигрировать по пищевым цепям, оказывая токсичное и канцерогенное действие на живые организмы, указывает на необходимость определения подвижных форм элементов [17, 18]. Анализ содержания мобильных форм тяжелых металлов позволяет оценить биологическую доступность, возможность миграции элементов в почве и выщелачивание в другие среды (грунтовые и поверхностные воды).
Для Кировского района необходимость проведения исследования почв на содержание подвижных форм тяжелых металлов объясняется тем, что на рассматриваемой территории находятся действующие дачные участки и рекреационная зона. Почвы этих участков и растущие на них растения подвергаются загрязнению различными соединениями тяжелых металлов. Вместе с тем, на территории, которая находится в районе влияния оловянного комбината, идет интенсивная застройка многоэтажными жилыми домами. Кроме этого, к 2030 году планируется вынос оловокомбината за территорию города с последующей рекультивацией и поэтапным перепрофилированием территории, занимаемой предприятием, под общественно-деловую, торговую, производственную застройку [19]. Из вышеперечисленного следует, что максимальный риск негативного воздействия загрязнения почв тяжелыми металлами на организм человека имеет место в жилых, рекреационных и общественных зонах.
1. Отработать методические основы отбора проб, пробоподготовки и химического анализа почв на содержание в них подвижных форм тяжелых металлов.
2. Оценить содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах на территории исследуемой части Кировского района г. Новосибирска.
3. Провести анализ существующих способов ремедиации (очистки)
загрязненных почв и выбрать наиболее перспективный способ.
4. Провести оценку профессиональных рисков для сотрудников
лаборатории интеркаляционных и механохимических реакций Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
5. Спрогнозировать последствия возможного взрыва при проведении химического анализа в лаборатории интеркаляционных и механохимических реакций Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Объект исследования: загрязнение почвы тяжелыми металлами в районе влияния Новосибирского оловянного комбината.
Предмет исследования: содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах в районе влияния Новосибирского оловянного комбината.
Объект наблюдения: Новосибирский оловянный комбинат.
Научная новизна. На рассматриваемой территории города, находящейся в районе влияния оловянного комбината, впервые были получены сведения о содержании подвижных форм тяжелых металлов в почве. Дана экологическая оценка полиэлементного загрязнения почв подвижными формами тяжелых металлов.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные дополняют и конкретизируют сведения периодического мониторинга состояния окружающей среды Кировского района, проводимым научными организациями Сибирского отделения Российской академии наук.
На представленную работу получено положительное заключение о практическом использовании результатов: справка о практическом использовании результатов научных исследований Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.
Апробация работы. Основные результаты магистерской диссертации доложены и обсуждены на 8 конференциях, в том числе 2 Международных, 3 Всероссийских и 1 Региональной:
- 57-ая Международная научная студенческая конференция МНСК - 2019;
- Стендовая научная студенческая конференция в рамках «Дни студенческой науки НГТУ 2019» (диплом за лучший доклад);
- Международная научно-практическая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «Aspire to science» (2019 г.);
- Всероссийская научно-техническая конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Промышленность. Оборона» (НПО - 2019 г.) (диплом 1 степени);
- Студенческая научная конференция «Студенческая наука НГТУ - 2019», секция «Безопасность труда» (диплом I степени);
- XI Всероссийская конференция по анализу объектов окружающей среды с международным участием «ЭКОАНАЛИТИКА-2019»;
- Региональная научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири» РНСК-2019 (диплом I степени);
- XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2019 (диплом III степени).
Материалы исследования представлены на нескольких конкурсах:
- Международный проект «Экологическая культура. Мир и согласие» Неправительственного экологического фонда имени В.И. Вернадского;
- V Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВУЗов России по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Шаг в науку».
Результаты научно-исследовательской работы поддержаны на Внутривузовском конкурсе научных студенческих грантов НГТУ (2019 г.) (Грант: №034 - НСГ - 19) (Приложение 1).
Публикация материалов исследований. По материалам исследований опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 - в материалах Международных конференций. Все научные журналы и сборники индексируются в РИНЦ. Принята к публикации статья «Анализ содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах в районе влияния предприятия цветной металлургии» в Международном научном журнале «Химия в интересах устойчивого развития».
Структура и объем диссертации. Магистерская диссертация представлена на 112 страницах, содержит 16 таблиц, 36 рисунков, 6 приложений. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, главы охрана труда, прогнозирования чрезвычайной ситуации (ЧС), заключения и списка используемой литературы, который включает в себя 80 наименований.
Вся практическая часть научной работы была выполнена в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) в лаборатории интеркаляционных и механохимических реакций.
Научная работа проводилась в рамках проектной деятельности кафедры Безопасности труда НГТУ. Отдельные аспекты исследуемой проблемы были рассмотрены студентками Сторожко И.В. и Епревой А.Д. Автор благодарит их за проделанную работу. Особую признательность автор выражает кандидату химических наук Шацкой С.С., заведующей лабораторией интеркаляционных и механохимических реакций ИХТТМ СО РАН, и кандидату химических наук Бычкову А.Л., старшему научному сотруднику лаборатории химии твердого тела ИХТТМ СО РАН за ценные и конструктивные предложения и помощь в проведении лабораторных исследований.
Среди основных экологических проблем г. Новосибирска особое место занимает поступление в окружающую среду загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов. Почва является основной средой, в которой накапливаются данные элементы. Размеры распространения и степень миграции тяжелых металлов в почве приобрели опасный характер для нормального функционирования экосистем и для здоровья человека.
По результатам исследования в почвенном покрове промышленной зоны Кировского района отмечено повышенное содержание подвижных форм Си, Ni, Cr, Pb, Zn, As, Mn, Co, Cd, Sn, Sb. К числу загрязнителей для всей рассматриваемой территории следует отнести Cu, Ni, Cr, Pb, Zn, As, Co, Mn, их содержания превышают предельно-допустимые концентрации на всех пробных площадках. Локальными загрязнителями почвы вблизи оловокомбината можно считать Sn, Cd, Sb.
Концентрация многих элементов уменьшается по мере удаления от предприятия. Анализ технологического процесса производства олова и рассчитанные коэффициенты корреляции, позволяющие определить взаимосвязь между содержанием элемента и степени удаленности от предприятия, указывают на то, что Новосибирский оловянный комбинат является приоритетным источником поступления в окружающую среду следующих элементов: Cu, Sn, As, Pb, Cd, Sb, Zn.
Сформирован ряд накопления подвижных форм тяжелых металлов в почве относительно регионального фонового уровня:
Cd
Рассчитанный суммарный показатель загрязнения (Z с= 1 2 2 ) свидетельствует об опасной категории загрязненности почв. При данной экологической ситуации возможно увеличение числа людей с хроническими заболеваниями, а также общей заболеваемости населения, проживающего вблизи металлургического предприятия.
Как показали результаты исследования в Кировском районе, в частности на дачных участках и рекреационной зоне, желательно проведение работ по очистке загрязненных почв. Предложен перспективный способ очитки путем внесения в почву гуминсодержащего порошкообразного продукта на основе бурого угля. Данный сорбент соответствует требованиям экологической безопасности, обладает высокими показателями емкости и степени связывания подвижных форм тяжелых металлов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
