Использование геохимических барьеров для очистки техногенных вод промышленных зон ликвидированных угольных шахт г. Партизанска Приморского края

При ликвидации угольных шахт происходит выход загрязненных шахтных вод на поверхность. Для охраны защиты поверхностных и грунтовых вод от загрязнения используются технологии с использованием естественных геохимических барьеров. В данной работе были проведены модельные эксперименты по извлечению катионов меди(II) и цинка(II) из водных растворов методом геохимических барьеров. В качестве барьеров использовалась почва ‑ бурозем темногумусовый, отобранный из гумусово-аккумулятивного и глинистого горизонтов. Результаты исследований показали, что при пропускании через почвенные горизонты модельных растворов содержание катионов меди(II) и цинка(II) снижается на 65 - 73 %, при этом глинистый горизонт закрепляет катионы меди и цинка лучше, чем гумусовый горизонт.

После извлечения продуктивных угольных пластов деятельность шахты прекращается. Иногда это происходит и по другим причинам, среди которых основной является нерентабельность добычи угля. В этих случаях производится ликвидация шахты [1]. При ликвидации угольных шахт происходит выход шахтных вод на поверхность. Выходящие на поверхность шахтные воды могут содержать токсичные соединения в концентрациях, превышающих предельно-допустимые, что приводит к загрязнению рек и связанных с ними грунтовых вод.

Партизанское угольное месторождение юга Дальнего Востока интенсивно разрабатывалось подземным способом с 1918 г. по 1998 г. Природные ландшафты были трансформированы в техногенные. К концу 1996 г. практически все шахты г. Партизанска были ликвидированы. Ликвидация шахт происходила самозатоплением. На сегодняшний день в местах просадок поверхности вблизи терриконов происходит просачивание шахтных вод, что приводит к загрязнению природных вод и почв [2].

В последние годы для охраны окружающей среды от загрязнения все более широкое применение находят идеи использования защитного потенциала самой среды – разрабатываются технологии с использованием естественных и искусственных геохимических барьеров [3]. Почвы, как поверхностные образования, в первую очередь принимают нагрузку загрязнения водорастворимыми компонентами, содержащимися в техногенных водах. Они являются достаточно хорошими природными сорбентами и, следовательно, аккумулируют соединения – загрязнители, и в последствии сами становятся причиной загрязнения природных вод. Однако, механизм поглощения катионов металлов почвенными горизонтами в геохимических барьерах является недостаточно изученным.

Цель настоящей работы – провести модельные эксперименты по извлечению катионов меди(II) и цинка(II) из водных растворов методом геохимических барьеров.

Объекты и методы исследования

Для построения модели использовались образцы почв бурозема темногумусового из разреза, заложенного в Лазовском районе в бухте Северной на мысе Суткового (на окончании мыса, вдающегося в море). Образцы почвы для эксперимента отбирались послойно из гумусово-аккумулятивного (АU1 (0-22 см)) и глинистого (ВМ1 (29-48 см)) горизонтов.

Очистка модельных растворов проводилась методом трубок [4] с использованием радиальной модели геохимического барьера. В работе использовали модельные растворы солей Cu(II) с концентрациями 50 мг/л, 25 мг/л, 10 мг/л и 5 мг/л и Zn(II) с концентрациями 20 мг/л, 10 мг/л, 4 мг/л и 2 мг/л. При проведении эксперимента для каждого модельного раствора соли меди(II) и Zn(II) бралась новая навеска почвы гумусового или глинистого горизонтов. В отобранных фильтратах (V_ф1) и модельных растворах определялось содержание катионов меди(II) или цинка(II) спектрофотометрическим методом на портативном спектрофотометре Hach DR2700-01B1. По полученным данным рассчитывали массу поглощенной меди(II) или цинка(II).

Удаление катионов металлов из модельных растворов проводили следующим образом. Брались две стеклянные трубки диаметром 3 см и высотой 15 см, на каждой из них делалась шкала по 5 см. Каждую трубку устанавливали на сито, на «дно» которого был положен фильтр «синяя лента». Далее трубки загружали (по 5 см) почвой гумусового или глинистого горизонтов. Плотность почв по всему заполненному объему трубок была равномерной. Модельный раствор пропускали под постоянным напором в 5 см для создания определенного давления, с которым вода просачивалась через почву. Под воронки ставили мерные цилиндры для сбора и учета отфильтрованной воды.

После проведения процесса извлечения металлов из модельных растворов образцы загрязненных почв высушивались на воздухе до воздушно-сухого состояния и были использованы в эксперименте по удалению катионов металлов. С этой целью в трубки загружались образцы почв, загрязненных модельными растворами меди (50, 25, 10 и 5 мг/л) или цинка (20, 10, 4 и 2 мг/л). В отобранных фильтратах определялось содержание катионов меди или цинка спектрофотометрическим методом на портативном спектрофотометре Hach DR2700-01B1. По полученным данным рассчитывали массу извлеченной меди(II) или Zn(II).

По мере пропускания модельных растворов Cu(II) или Zn(II) через почвенные горизонты поровое пространство насыщается, поток жидкости стабилизируется, заканчивается процесс впитывания и наступает стадия фильтрации. Из табл. 1 видно, что концентрация меди(II) в фильтрате после поглощения гумусовым горизонтом и однократной фильтрации дистиллированной водой через загрязненную почву превышает ПДК по СанПиН.

Таблица 1

Концентрация меди(II) и цинка(II) в фильтратах после их поглощения и извлечения почвенными горизонтами

*С_исх - концентрация меди или цинка в модельном растворе;

**С_ф1 - концентрация меди или цинка в фильтрате, после пропускания модельного раствора через почвенный горизонт;

***С_ф2 - концентрация меди или цинка в фильтрате, после пропускания дистиллированной воды через загрязненный почвенный горизонт.

После поглощения меди(II) глинистым горизонтом и однократной фильтрации дистиллированной водой ее концентрация находится в пределах ПДК по СанПиН. Норматив для водоемов рыбохозяйственного назначения по меди(II) превышен в 270-1500 раз в фильтратах как после поглощения, так и после извлечения. Цинк(II) является менее токсичным и его ПДК для питьевых вод в 5 раз выше ПДК меди(II). Концентрация цинка(II) в фильтратах после гумусового и глинистого горизонтов не превышает ПДК по СанПиН, но при этом значения ПДК для рыбохозяйственных водоемов составляют 42-320 ПДК.

Масса поглощенной и закрепленной меди превышает ПДК_п в гумусовом и глинистом горизонтах независимо от степени загрязненности почвы (табл. 2). Содержание поглощенного и закрепленного цинка(II) превышает установленный норматив при более высоких загрязнениях почвы (24,2 мг/л, 14,52 мг/л – для гумусового горизонта, 24,00 мг/л – для глинистого горизонта).

Таблица 2

Содержание меди(II) и цинка(II) в почвенных горизонтах

^**m_закр- масса закрепленной меди или цинка.

На рис. 1, 2 представлена доля закрепленной меди и цинка гумусовым и глинистым горизонтами в зависимости от их загрязненности.

Из гистограмм (рис. 1, 2) видно, что закрепление меди и цинка почвенными горизонтами изменяется незначительно в зависимости от загрязненности почвы. Глинистый горизонт закрепляет катионы меди и цинка лучше, чем гумусовый горизонт. Доля закрепленных катионов меди и цинка глинистым горизонтом составляет в среднем 71 % и 73 % соответственно, а гумусовым горизонтом ‑ 65 %.

Рис. 1. Закрепление меди(II) почвенными горизонтами

Рис. 2. Закрепление цинка(II) глинистым и гумусовым горизонтами

Заключение

Почва как естественный фильтр снижает концентрацию катионов металлов при фильтрации техногенных вод. При пропускании через почву воды, загрязненной катионами меди(II) и цинка(II), их содержание в растворе снижается на 65 - 73 %. В фильтратах после поглощения и при извлечении могут присутствовать остаточные концентрации данных металлов, превышающие значения ПДК для водных объектов. При этом катионы меди(II) и цинка(II) фиксируются почвенными горизонтами в концентрациях, превышающих ПДК в почве для подвижных форм.

Литература:

1. Фисенко И.А. Планирование очередности финансирования природоохранных работ при ликвидации угольных шахт // Вестник Хмельницкого национального университета. – 2009. – № 3. – С. 218-221.
2. Тарасенко И.А. О состоянии окружающей природной среды в районах ликвидированных угольных шахт (на примере Партизанского района Приморского края) // Вестник ДВО РАН . – 2010. – № 3. – С. 113-118.
3. Висков М.В., Воронкова Т.В. Возможности применения естественных грунтов как геохимических барьеров на эксплуатационном и постэксплуатационном этапах жизненного цикла полигона захоронения ТБО // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. – 2014. – № 2. – С. 144-152.
4. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов . – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1973. – 345 с.
5. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. – Введ. 01.01.2002. – 53 с.
6. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: приказ Федерального агентства по рыболовству от 18.01.2010 г. № 20. – Введ. 09.02.2010 г. – 153 с.
7. ГН 2.1.7.2042-06 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве // Помощь по ГОСТам. URL: http://www.gosthelp.ru/text/GN217204206Orientirovochn.html (дата обращения: 20.12.2016).