СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Российский патент 2007 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области экологического мониторинга природных сред.

Одна из важнейших проблем крупных городов - всевозрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, которое представляет опасность для живых организмов и в первую очередь для человека.

Тяжелые металлы, входящие в состав органических и неорганических выбросов промышленных предприятий и автотранспорта в атмосферный воздух, поступают на подстилающую поверхность (почва, снег, растительный покров) с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и могут накапливаться на ней. Однако при существующих потоках ежегодные приращения содержания тяжелых металлов в верхнем слое почв, даже если не учитывать их оттоки, очень невелики. С учетом современного содержания тяжелых металлов в почвах статистически значимое увеличение содержания тяжелых металлов в них можно будет зафиксировать лишь через несколько десятков лет.

Снег обладает уникальной способностью извлекать из атмосферного воздуха загрязняющие вещества во время снегопада, сорбировать на поверхности снежного покрова атмосферные выпадения и аккумулировать их в своей массе от начала установления снежного покрова до его схода. Поэтому снежный покров является очень точным индикатором загрязнений природной среды, позволяющим учитывать не только массу выпадений атмосферных осадков и загрязняющих примесей в атмосферном воздухе, но и последующее загрязнение водных объектов и почв.

В качестве критерия интенсивности процесса загрязнения почвы предлагался параметр времени удвоения загрязнения, т.е. времени, за которое накапливающиеся на поверхности почвы техногенные выпадения приведут к удвоению фонового содержания токсикантов в поверхностном слое почвы естественного залегания толщиной в 1 см [1, 2]. Это предложение включает в себя все недостатки фоновых методов и не учитывает "вредность" различных элементов.

1. При фоновой оценке степени загрязненности природных сред

- произволен выбор участка для отбора проб с целью определения фонового показателя;

- значения фонового показателя различны для разных регионов.

2. Удвоение содержания каких-либо продуктов в природной среде не характеризует степень загрязнения, т.к. вещества имеют различную степень "вредности", определяемую через систему ПДК (предельно допустимых концентраций).

Для количественной оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, поступающими на подстилающую поверхность в составе твердых водонерастворимых выпадений (пыли) при таянии снежного покрова нами предлагается ввести новый показатель - предельно-допустимое поступление тяжелых металлов на почву.

Предельно допустимое поступление тяжелых металлов на почву (ПДП_п) - это поступление тяжелых металлов в составе водонерастворимых выпадений (пыли) из атмосферного воздуха на 1 м² территории, вызывающее повышение содержания тяжелого металла в 1 кг почвы на 1 ПДК_п.

При плотности грунта 1-1,5 кг/дм³ [3] 1 кг грунта распределяется на 1 м² территории слоем в 0,7-1 мм. Поступления пыли на подстилающую поверхность могут происходить в результате "сухого" выпадения, с мокрыми осадками (дождем) и со снегом.

Исходя из определения ПДК_п и ПДП_п тяжелых металлов они имеют численно равные значения, отличаясь лишь размерностью (табл.1)

Таблица 1Предельно допустимые поступления некоторых тяжелых металлов на почвуХимический элементПДК_п, мг/кг [4, 5]ПДП_п, мг/м²Cd0,50,5Mn15001500Cu3333Ni2020Pb3232Cr66Zn5555

С использованием ПДП_п можно определить интенсивность загрязнения почвы (ИЗП) тяжелыми металлами за определенный период времени.

где t - продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

Индекс интенсивности загрязнения почв (ИЗП) характеризует скорость, с которой происходит накопление тяжелого металла в массе почвы в 1 кг, размещенной на 1 м² аккумулирующей поверхности. Чем больше значение ИЗП, тем быстрее содержание тяжелых металлов в почве достигнет 1 ПДК и тем меньше времени нужно на достижение этого значения (табл.2).

Таблица 2ИЗП и время достижения 1 ПДК_п Время достижения 1 ПДК_пИЗПЗимний сезон = 5 меслет100,10,04 (15 дн)110,4 (5 мес)0,11040,01100400,0011000400

Исходя из этого сущность изобретения заключается в следующем:

1. В результате снегомерных съемок на обследуемой территории отбираются пробы снега снегоотборниками, представляющими собой полимерную трубу с определенным внутренним диаметром, снабженным для уплотнения снежной массы поршнем.

2. После растаивания снежной массы нерастворимая пылевая часть отфильтровывается, высушивается и взвешивается.

3. Определяется масса поступлений пыли (П_пыли) на 1 м² подстилающей поверхности по формуле П_пыли=P_о/S·t, г/м²·5 мес,

где Р_o - масса пыли в пробе, г;

S - площадь шурфа (при отборе снеговой пробы снегоотборником, равная площади снегоотборника, умноженная на количество кернов), м²;

t - время от начала установления устойчивого снежного покрова до момента отбора проб, мес.

4. Образцы пыли анализируются на содержание в них тяжелых металлов.

5. Определяется поступление тяжелых металлов на 1 м² обследуемой подстилающей поверхности по формуле П_тм=П_пыли·С, мг/м²·5 мес,

где С - концентрация тяжелого металла в пробе пыли, мг/кг.

6. Вычисляется интенсивность загрязнения почв на обследуемой территории тяжелыми металлами (ИЗП) за определенный период времени по формуле

где t продолжительность поступления загрязняющих веществ (сутки, месяц, зимний период, год).

Примеры.

Ранее нами были опубликованы результаты исследований о поступлениях тяжелых металлов на снежный покров г.Казани в 1999, 2000 и 2001 гг. [6]. Индекс интенсивности загрязнения почв г. Казани за эти годы будет иметь следующие значения (табл.3).

Таблица 3Поступление тяжелых металлов в составе пыли на снежный покров г.Казани и его влияние на загрязненность почвыЭлемент1999 г.2000 г.2001 г. поступл. мг/м²·5 месИЗП 1/5 мессрок достижения 1 ПДК_п, летпоступл. мг/м²·5 месИЗП 1/5 мессрок достижения 1 ПДК_п, летпоступ. мг/м²·5 месИЗП 1/5 мессрок достижения 1 ПДК_п, летCd0,3010,60,690,160,321,30,470,940,44Mn4,870,0031393,100,0022082,730,002208Cu1,880,05772,360,0725,82,00,0616,8Ni1,110,0567,52,910,1462,90,80,0410,4Pb0,670,021201,760,0557,60,890,02814,9Cr1,090,1822,31,160,1932,11,20,22,1Zn7,110,1293,24,980,0914,65,150,0944,4

Порядок расчетов в данной таблице следующий. Например, для поступлений Cd в 1999 г.:

1) Поступление Cd из экспедиционных данных - 0,301 мг/м·5 мес;

2) ПДП_п из таблицы 1 - 0,5 мг/м²;

3)

4) При интенсивности поступления Cd в почву - 0,6 ПДП_п/за один зимний сезон для достижения 1 ПДК_п необходимо 1/0,6=1,67 сезонов=1,67×5=8,35 мес = 8,35/12=0,69 лет.

Пользуясь сведениями о сроках загрязненности почвы на 1 ПДК_п, можно ориентироваться в выборе приоритетных ингредиентов для контроля за загрязнением почв в данном районе. Так, для условий г. Казани выбросы в атмосферу соединений марганца в данное время не представляют опасности для почв, т.к. для загрязнения 1 кг почвы на 1 м территории марганца потребуется более 200 лет, а для загрязнения почвы на глубину пахотного слоя (200 мм) - 40000 лет. Особую опасность представляют соединения кадмия, которые могут загрязнить верхний слой почвы в 1 мм менее, чем за 1 год. Затем следуют хром, цинк, медь, никель и свинец.

На отдельных участках, наиболее опасных с экологической точки зрения (промышленные предприятия, перекрестки, автозаправочные станции, автостоянки и т.д.), накопление тяжелых металлов в поверхностном слое почвы, очевидно, будет происходить намного интенсивнее. Например, при поступлениях меди в окрестностях Назаровской ГРЭС, равных 0,12 кг/км²·сут [6] или 18 мг/м²·5 мес, ИЗП_п составит 0,55 1/5 мес, а время достижения в почве содержания меди до 1 ПДК_п будет равно 1/0,55=1,82 зимних сезонов=9,09 мес=0,76 лет, что почти в 10 раз меньше, чем в г.Казани. В связи с этим необходимо постоянно контролировать содержание тяжелых металлов в природных компонентах городской среды и принимать меры по ее оздоровлению.

К настоящему времени содержание тяжелых металлов в почвах г.Казани превышает ПДК_п в несколько раз. Например, по меди в 2-3 раза, марганцу - в 2-5 раз, цинку - 2-6 раз [7].

Сравнивая эти сведения с интенсивностью поступления тяжелых металлов с атмосферными выбросами, необходимо сделать вывод, что причиной высокого содержания тяжелых металлов в почвах г.Казани являются не атмосферные выпадения, а основную ресурсную функцию выполняет геологическая среда.

Литература

1. Махонько Э.П., Малахов С.Г., Вертинская Г.К. Опыт исследования загрязнения почв металлами вокруг металлургических предприятий //Труды института экспериментальной метеорологии, вып. 13 (118), М., Московское отделение гидрометеоиздата, 1985. - С.50-59.

2. Э.П.Махонько, С.Г.Малахов, Г.К.Вертинская. О методике и результатах исследования выпадения металлов на поверхность почвы //Труды института экспериментальной метеорологии, вып. 13 (118), М., Московское отделение гидрометеоиздата, 1985. - С.59-66.

3. Александрова А.Б. Общая характеристика почвенного покрова г. Казани. В монографии "Экология города Казани", "ФЭН", Академия наук РТ, Казань, 2005. - С.139.

4. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве № 6229-91 /Госкомсанэпиднадзор России - М., 1993 г.

5. ГН 2.1.7.020-94 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание, мг/кг). (Дополнение N 1 к перечню ПДК и ОДК N 6229-91). - М.: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1995 г.

6. Степанова Н.В., Валетдинов А.Р., Хамитова Р.Я. Динамика поступлений различных фракций тяжелых металлов в снежном покрове города //Вестник ТО РЭА, № 2, 2004. - С.31-34.

7. Латыпова В.З., Валеева Г.Р. Геохимическая характеристика почв г.Казани. В монографии "Экология города Казани", "ФЭН", Академия наук РТ, Казань, 2005. - С.145.

Способ заключается в том, что отбирают пробы снега, отфильтровывают нерастворимую пылевую часть снежной массы, высушивают ее и взвешивают. Затем определяют массу поступления пыли П_пыли на 1 м² подстилающей поверхности по формуле П_пыли=P₀/(S·t), где Р₀ - масса пыли в пробе, г; S - площадь шурфа (при отборе снеговой пробы снегоотборником, равная площади снегоотборника, умноженной на количество кернов), м²; t - время от начала установления устойчивого снежного покрова до момента отбора проб, мес. После чего определяют поступление тяжелых металлов П_тм на 1 м² обследуемой подстилающей поверхности по формуле П_тм=П_пыли·С, мг/(м²·t), где С - концентрация тяжелого металла в пробе пыли, мг/кг. Затем вычисляют интенсивность загрязнения почв в единицах ПДК_п на обследуемой территории тяжелыми металлами (ИЗП) за определенный период времени по формуле ИЗП=П_тм/ПДП_п, 1/t, где ПДК_п - предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почве, мг/кг; ПДП_п - предельно допустимое поступление тяжелого металла на почву - поступление тяжелого металла в составе водонерастворимых выпадений (пыли) из атмосферного воздуха на 1 м² территории, вызывающее повышение содержания тяжелого металла в 1 кг почвы на 1 ПДК_п, численно равное 1 ПДК_п. Способ позволяет контролировать содержание тяжелых металлов в природных средах. 3 табл.

Способ оценки интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами по результатам исследования снежного покрова, в котором отбирают пробы снега, отфильтровывают нерастворимую пылевую часть снежной массы, высушивают ее и взвешивают, затем определяют массу поступления пыли П_пыли на 1 м² подстилающей поверхности по формуле:

П_пыли=P₀/(S·t),

где Р₀ - масса пыли в пробе, г;

S - площадь шурфа при отборе снеговой пробы снегоотборником, равная площади снегоотборника, умноженной на количество кернов, м²;

t - время от начала установления устойчивого снежного покрова до момента отбора проб, мес.;

после чего определяют поступление тяжелых металлов П_тм на 1 м² обследуемой подстилающей поверхности по формуле:

П_тм=П_пыли·С, мг/(м²·t),

где С - концентрация тяжелого металла в пробе пыли, мг/кг;

и затем вычисляют интенсивность загрязнения почв в единицах ПДК_п на обследуемой территории тяжелыми металлами (ИЗП) за определенный период времени по формуле:

ИЗП=П_тм/ПДП_п, 1/t,

где ПДП_п - предельно-допустимое поступление тяжелого металла на почву - поступление тяжелого металла в составе водонерастворимых выпадений (пыли) из атмосферного воздуха на 1 м² территории, вызывающее повышение содержания тяжелого металла в 1 кг почвы на 1 ПДК_п, численно равное 1 ПДК_п, мг/м²;

ПДК_п - предельно-допустимая концентрация тяжелых металлов в почве, мг/кг.