2506
.pdfрН
медь
цинк
-Ig ПДК цинка
-Ig ПДК алюминия Линейный (железо) Линейный (цинк) Линейный (-Ig ПДК меди) Линейный (-Ig ПДК меди)
алюминий
железо
-Ig ПДК меди -Ig ПДК железа
Линейный (алюминий ) Линейный (медь) Линейный (-Ig ПДК железа) Линейный (-Ig ПДК цинка)
Рисунок 1- Активность ионов i-го тяжелого металла в зависимости от
значения рН
Вкачестве объектов исследования выбраны терриконы, расположенные в
г.Гуково: №1 - породный отвал «ЦОФ - Гуковская», начало складирования с 1999г., отвал эксплуатируемый; №2 - породный отвал «ЦОФ - Гуковская»,
(1967г., отвал неэксплуатируемый), №3 -породный отвал шахты «Ростовская», (1948г., горящий с 1953г., неэксплуатируемый отвал). Произведен отбор проб дождевых и талых вод, стекающих с поверхности терриконов различных генетических возрастов, с шагом 500 м по периметру (табл.1.). Данные результатов исследований отобранных проб дождевых и талых вод, стекающих с поверхности терриконов различных генетических возрастов, обработаны методами математической статистики. Достоверность проведенных исследований составляет 95%.
Зависимость содержания цинка и меди в дождевых и талых водах, стекающих с поверхности терриконов, отражена в виде уравнений регрессии:
для цинка в дождевых водах: |
У= 2Е -0,6х2 - 0,0003 х+0,003 |
(5) |
для цинка в талых водах: |
У= 4Е-0,6х2+0,0014 х+0,0914 |
(6) |
|
|
12 |
|
для меди в дождевых водах: |
У=-8Е-0,7х2+7Е-0,5х +0,0032 |
(7) |
|
для меди в талых водах: |
|
У=-4Е-0,6х2+0,0001х +0,0063 |
(8) |
Для марганца, железа, |
хрома, алюминия и свинца также |
получены |
|
уравнения регрессии, которые представлены в диссертационной работе. |
|||
Полученные кривые по уравнениям регрессии свидетельствуют о |
|||
квадратичной зависимости |
концентрации различных компонентов |
в стоке от |
возраста террикона и рекомендуются для прогнозных расчетов количества загрязнений, поступающих в окружающую среду с дождевым и талыми стоками. Подобные зависимости получены в отечественной практике впервые. Максимальные концентрации по SiO2 , NO2 , Na+ + К+, сухому остатку НСО3-, NOз-, Zn2+, Sr2+ и высокие значения рН обнаруживаются в стоке с террикона №1 (термонеизменённые отвальные породы угольных шахт). Минимальные концентрации по этим же компонентам характерны для стока с террикона №3 (термоизменённые отвальные породы угольных шахт), при этом значение рН в стоке уменьшается. Для террикона №2 (термонеизменённые отвальные породы
угольных шахт) в стоке отмечаются |
максимальные концентрации по Мn2+, |
Са2+, Mg2+, А13+, Сu2+, S042- |
|
Установлено, что для террикона №1 |
и террикона №2 характерно преоб- |
ладание ионов Са2+, Mg2+, Sr2+, Na+, К+, NH4+ и повышение содержания глинозема (Аl2Оз).
Изучено влияние дождевого и талого стока с терриконов на состав почв на расстоянии 10 и 50 м от террикона №3 в двух точках. В них определены содержания следующих ингредиентов: кальций, магний, хром, свинец, кобальт, молибден, железо, медь, цинк, алюминий, мышьяк, гумус и зольность (табл. 2.).
Установлено, что по мере удаленности от подножия террикона №3 содержание в почве тяжелых металлов: кальция, магния, алюминия, железа, хрома, свинца, стронция - уменьшается, а цинка и марганца - увеличивается, что объясняется их взаимодействием с гуминовыми и фульвокислотами почв почвенных растворов. Процентное содержание влажности, зольности и гумуса увеличивается в образцах почвы, отобранных на расстоянии 50 м от подножия террикона №3.
13
Таблица I - Средние значения определяемых компонентов, в талых и дождевых водах, стекающих с поверхности терриконов
|
Концентрациякомпонентовзагрязнениявталыхводах,мг/л |
|||||
|
|
|
|
|
|
Возраст |
NH4+ |
Mg2+ |
SiO2- |
NO2- |
Са2+ |
Ж0бщ |
террикона, |
|
|
|
|
|
|
год |
2,213 |
1,800 |
5,800 |
0,490 |
26,203 |
1,515 |
1 |
2,2.13 |
3,325 |
3,838 |
0,278 |
26,203 |
1,515 |
33 |
1,900 |
1,650 |
3,838 |
0,278 |
20,25 |
1,150 |
52 |
Na+ +K+ |
Сухой |
РН |
НСО3 - |
N03- |
Сl- |
|
остаток |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
22,950 |
169,75 |
7,15 |
67,865 |
5,238 |
7,1 |
1 |
11,525 |
169,75 |
7,15 |
67,865 |
5,238 |
7,1 |
33 |
11,525 |
118,50 |
6,70 |
38,130 |
5,075 |
7,1 |
52 |
Sr2+ |
Мn2+ |
Аl3+ |
Zn2+ |
S042- |
Сu2+ |
|
0,270 |
0,011 |
0,298 |
0,09 |
52,275 |
0,0064 |
1 |
0,110 |
0,049 |
0,298 |
0,05 |
52,275 |
0,0064 |
33 |
0,042 |
0,006 |
0,152 |
0,03 |
35,8 |
0,003 |
52 |
|
Концентрация компонентов загрязнения вдождевых водах, мг/л |
|||||
Сu2+ |
Zn2+ |
Мn2+ |
Al3+ |
Sr2+ |
РЬ2+ |
|
0,0033 |
0,0033 |
0,0098 |
0,168 |
0,013 |
0,0005 |
} |
0,00465 |
0,0154 |
0,098 |
0,268 |
0,040 |
0,0003 |
J J |
|
|
|
|
|
|
33 |
0,00465 |
0,0250 |
0,0131 |
0,095 |
0,021 |
0,0021 |
52 |
Fe3+ |
Сг3+ |
|
|
|
|
|
3,1780 |
0,00105 |
|
|
|
|
1 |
0,7915 |
0,00105 |
|
|
|
|
33 |
0,7915 |
0,0008 |
|
|
|
|
52 |
14
Исследованы сорбционные характеристики ОПУШ с целью использования их в качестве сорбента для защиты педосферы и гидросферы.
Исследования проведены в лабораторных условиях на модельных
установках, представляющих собой фильтровальные колонки, загруженные исследуемыми материалами, предварительно высушенными до постоянного веса при 105° С. Эквивалентный диаметр зерен загрузки составлял 1,25- 2,5 мм.
Исследуемую дождевую воду фильтровали и фиксировали объем фильтрата до
проскока тяжелых металлов в концентрациях, превышающих предельно допустимые для водоемов рыбохозяйственного назначения. Определение
концентрации тяжелых металлов в исходных пробах и в фильтрате проводили на спектрографе ДФС-8-2 №71004.
Установлено, что при фильтровании |
через термонеизменённые ОПУШ с |
|||
периодом складирования до 1 года |
концентрации |
Zn2+, Pb2+ снижаются, |
||
соответственно, в 10 раз и 1,5 раза |
и |
составляют |
0,75ПДК |
и 0,002ПДК; а |
концентрации Cu2+, Mn2+, Аl3+ увеличиваются, соответственно, |
в 2,5; 6,7; 1,3 |
|||
раза и составляют 7,5ПДК; 2ПДК |
и ЗПДК. Следует отметить, что при |
|||
фильтровании через термоизменённые |
ОПУШ и термонеизменённые ОПУШ с |
периодом складирования больше 1 года концентрации Zn2+, хотя и снижаются
3,3 и 4 раза, но превышают ПДК в 1,5 и 2,5 раза, соответственно. При фильтровании через термонеизменённые ОПУШ с периодом складирования больше 1 года концентрации Сu2+ и Мn2+ не изменяются и составляют 5ПДК и
0,5ПДК, а при фильтровании через термоизменённые ОПУШ - составляют
15ПДК и 1,5ПДК, соответственно.
Установлено, что термонеизменённые ОПУШ с периодом складирования до I года снижают концентрации Zn2+, Pb2+, однако, при этом наблюдается процесс выщелачивания из них Cu2+, Mn2+,A13+,Fe3+, Сг3+ .
Таким образом, исследования на первом этапе свидетельствуют о невозможности использования отвальных пород угольных шахт различного генетического возраста без предварительной подготовки в качестве сорбента широкого спектра тяжелых металлов, вследствие их выщелачивания. Поэтому на втором этапе автором предложена методика повышения сорбционной способности ОПУШ по отношению тяжелым металлам и фосфатам, путём
15
внесения в них избыточного стабилизированного ила очистных сооружений сточных вод, позволяющая фиксировать тяжелые металлы и переводить их в неподвижные формы при определенных значениях рН.
Таблица 2 - Средние значения определяемых компонентов |
в образцах почв |
|||
|
на расстоянии 10 и 50 м от террикона №3 |
|||
Наименование |
Содержание металлов, мг/кг |
Содержание металлов, % |
||
компонента |
10 м. |
50м. |
10 м. |
50м. |
Кальций |
16300 |
14250 |
1,630 |
1,425 |
Магний |
.13250 |
12250 |
1,325 |
1,225 |
Алюминий |
73700 |
69100 |
7,370 |
6,910 |
Железо |
41400 |
37950 |
4,140 |
3,795 |
Молибден |
1 |
1 |
0.0001 |
0,0001 |
Хром |
125 |
100 |
0,0125 |
0,0100 |
Кобальт |
20 |
20 |
0,002 |
0,002 |
Свинец |
18 |
10 |
0,0018 |
0,0010 |
Марганец |
600 |
650 |
0,060 |
0,065 |
Медь |
35 |
35 |
0,0035 |
0,0035 |
Цинк |
70 |
80 |
0,007 |
0,008 |
Бериллий |
2 |
2 |
0,0002 |
0,0002 |
Мышьяк |
100 |
100 |
0,01 |
0,0] |
Стронций |
200 |
175 |
0,0200 |
0,0175 |
Определение вида уравнения регрессии осуществляли в ходе выполнения опытов и обработки полученных данных по методу планирования эксперимента - дробный факторный эксперимент типа 23-1, где x1 - скорость фильтрования
(V=0, 1:0,5м/ч); х2 |
-соотношение доз |
избыточного стабилизированного ила |
и |
отвальных пород |
угольных шахт |
с периодом складирования до 1 |
года |
(D1/D2=0,05-0,2); х3 -значение рН среды (в пределах 5,54-8,5). Влажность ила -
99,7%. Зольность ила- |
24,85%. |
|
|
|
Полученные уравнения регрессии в натуральных переменных имеют вид: |
||||
для меди: у= -0,0066+0,03.V +0,037.(D1 / D2) |
|
(9) |
||
для цинка: y=0,1044+0,2345-V+0,014-pH |
|
(10) |
||
для железа: у= - 0,2029+0,939.V +1,207. (D1 /D2) |
( 1 1 ) |
|||
Исследование |
эффективности |
адсорбции |
гидрофосфат-ионов |
|
осуществляли путем |
фильтрования |
модельной воды |
с |
содержанием |
16
гидрофосфат-ионов в диапазоне концентраций характерных для склонового стока с полей.
Установлено, что только термонеизменённые отвальные породы угольных шахт (с периодом складирования до 1 года) могут быть предложены в качестве сорбента фосфат-ионов. Поскольку концентрация фосфат-ионов реального склонового стока не превышает 1-1,5 мг/л, можно определить дозу вносимого в почву сорбента - термонеизменённых отвальных пород угольных шахт (с периодом складирования до 1 года) при удельной сорбции 23,7 мкг/г.
При использовании ОПУШ для выделения из склонового стока фосфатионов регенерация исключает изъятие сорбента и отделение его от почвы, изучена возможность восстановления сорбционной активности при следующих вариантах:
- адсорбент + увлажненная почва, при соотношении 1:1;
-адсорбент + увлажненная почва (соотношение компонентов 1 : l ) + прорастающие семена пшеницы.
В опытах использовали почву ростовского ботанического сада (далее фоновая). Масса адсорбента, насыщенного фосфат-ионами, составляет 35,7г. В качестве контрольных проб использовали следующие варианты:
-адсорбент + сухая почва (соотношение компонентов 1:1); -адсорбент + увлажненная почва промзоны ростовского вертолетного завода.
Во всех случаях использовали термонеизменённые ОПУШ, насыщенные фосфат - ионами. Полученные результаты приведены в диссертационной работе. Для исследования на интенсификацию развития растений - тест - культуры применена стандартная методика для определения токсичности. Построены графики зависимости высоты наземной части растений - тесткультуры по дням недели (рис.2).
В четвертой главе представлены результаты опытно - промышленных исследований по определению закономерностей масс выноса загрязняющих веществ с поверхности терриконов в зависимости от факторов окружающей среды. Описано влияние коэффициента стока и уклона террикона на концентрацию поллютантов в поверхностном расходе с терриконов.
17
сутки
1 - фоновая почва (R2 =0.9977);
2- фоновая почва + насыщенный сорбент (доза внесения — 50 г/м3); (R2 =0.9847);
3- фоновая почва + насыщенный сорбент (доза внесения - 300 г/м3); (R2=0.9489);
4- фоновая почва + ненасыщенный сорбент; (R =0.9735).
Рисунок 2 - Фиторегенерация почв Определены основные гидравлические характеристики, влияющие на
расчётное значение коэффициента стока: скорость потока (Уф, м/сут);
гидравлический уклон (tgaTep); число Рейнольдса (Re); площадь поперечного сечения (w, м2) и расход стекающей жидкости (Q, м 3/сут). Границы
исследований: для термоизменённых ОПУШ: αтер от 21° до 37°; ] от 0,3 до 10 мм/мин; Re от 190 до 360 и для термонеизменённых ОПУШ αтер от 21° до 37°, I от 0,3 до 10 мм/мин; Re от 180 до 750.
Определение вида уравнения регрессии осуществляли в ходе выполнения опытов и обработки полученных данных по методу планирования эксперимента (рис.3, и рис.4.). Расчёты произведены при использовании программы ((Планирование экспериментальностатистических моделей 4 факторов (ПЭСМ 4Ф)», разработанной на кафедре ВВ РГСУ. Полученные уравнения регрессии коэффициента стока в натуральных переменных имеют вид:
- для термоизменённых ОПУШ:
у= 0,04271 - 0,0008 αтер + 0,0008 • I + 0,0000236 • Re |
(12) |
-для термонеизменённых ОПУШ:
-у= -3,4819 + 0,001278 αrep +0,00851.1 - 0,00021 αтер .1 - 0,0000012 атер Re
++0,0000648 Re |
(13) |
интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 21°; интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 21°; - интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 37°; интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 37°; -интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 37°; - интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 37°;
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента стока от числа Рейнольдса для термонеизменённых ОПУШ
интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 29°; интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 37°;
• интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 21°; интенсивность 10 мм/мин, уклон террикона 21°; -интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 37°;
• интенсивность 0,3 мм/мин, уклон террикона 29°;
Рисунок 4 — Зависимость коэффициента стока от числа Рейнольдса для термоизменённых ОПУШ
19
Вработе было также изучено изменение концентрации тяжелых металлов
вдождевом стоке в зависимости от уклона террикона. На поверхности каждого из терриконов были заложены три опытные площадки, с размерами 1м х 2м
каждая, и уклонами соответственно равными 21°, 29 ° и 37°. На них осуществляли искусственное дождевание с интенсивностями, характерными для дождей, выпадающих в Ростовской области, равными соответственно 0,3; 1; 3; 5; 10 мм/мин, (рис.5.)
Вопытно - промышленных условиях проведены исследования по
повышению сорбционной способности отвальных пород угольных шахт
(ОПУШ) при их использование в качестве эффективного сорбента для фиксации
тяжелых металлов. На поверхности термоизменённых ОПУШ были заложены
шесть опытных площадок, с размерами 1м х 2м каждая, и уклонами
соответственно равными 21°, 29 ° и 37°. На три из них был внесен стабилизированный активный ил, с учетом оптимального соотношения ОПУШ и ила (20:1), установленного при проведении лабораторных экспериментов. Через
трое суток на |
опытных площадках осуществляли искусственное |
дождевание |
с |
|||||
интенсивностями, характерными |
для дождей, |
выпадающих |
в Ростовской |
|||||
области, равными соответственно |
0,3 и 10 мм/мин (рис.5, и рис.6.). |
|
|
|||||
На основе результатов натурных исследований были получены |
||||||||
экспериментальные данные, характеризующие количества загрязняющих |
|
|||||||
веществ, выщелачиваемых |
под действием |
дождевых |
и |
талых |
вод |
с |
||
поверхности |
терриконов, |
что |
позволило разработать |
технологию |
защиты |
природных ландшафтов от загрязнения поверхностными стоками с терриконов
вопытно-промышленных условиях (рис.7.).
Впятой главе даны рекомендации для практической природоохранной деятельности по использованию ОПУШ в качестве эффективного сорбента основных поллютантов поверхностного диффузного стока:
-при использовании ОПУШ для снижения концентрации тяжелых металлов целесообразным является предварительная подготовка смеси компонентов
20
Рисунок 5 - Содержание i-го тяжелого металла в пробах воды, стекающей с термоизмененных отвальных пород угольных шахт без внесения активного ила (в долях ПДК)
Рисунок 6 - Содержание i-го тяжелого металла в пробах воды, стекающей с термоизмененных отвальных пород угольных шахт с внесения активного ила
(в долях ПДК)