Оценка аэротехногенного загрязнения природных сред на базе анализа поступлений металлов на снежный покров в зоне влияния предприятий химической и нефтехимической промышленности (90

Работа выполнена в лаборатории малых рек Института экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан и на кафедре инженерной экологии Казанского государственного технологического университета.

Защита диссертации состоится 30.03.2011 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68, зал заседаний ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Электронный вариант автореферата размещен на официальном сайте Казанского государственного технологического университета htpp://www.kstu.ru.

Автореферат разослан _____ февраля 2011

- 2 -

Защищаемые положения

1.Способ оценки интенсивности загрязнения снежного покрова металлами,

основанный на использовании введенного впервые показателя – реальных предельнодопустимых поступлений металлов на 1 кг снега, размещенного на 1 м2 территории.

2.Результаты оценки интенсивности загрязнения природных сред (снежного покрова, поверхностных вод, почв, атмосферного воздуха) приоритетными загрязняющими веществами в зонах воздействия крупных промышленных центров и предприятий РТ позволяющие:

- выявить годовую динамику загрязнения территории РТ металлами; - ранжировать экономические зоны, административные районы РТ и крупные

промышленные центры по интенсивности загрязнения определенными металлами и их суммой;

- оценить загрязненность атмосферного воздуха над территориями аграрных районов РТ и ее крупных промышленных центров;

- определить приоритетные химические элементы, загрязняющие почву, снежный покров и, соответственно, снеговую воду и водоемы;

- сравнивать интенсивность загрязнения снежного покрова и почв в различных регионах и в разные годы;

- выявить динамику загрязнения природных сред металлами.

Практическое применение

Научная продукция, полученная в результате данного исследования: «Способ оценки интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами», «Способ оценки интенсивности загрязнения снежного покрова», «Способ определения загрязненности водного объекта с использованием гидробионтов», «Устройство для биотестирования», "Счетная спиралеобразная камера» (на которые получены патенты РФ), методические рекомендации «Оценка аэротехногенного загрязнения природных сред химическими элементами по результатам мониторинга снежного покрова», «Инструкция по отбору проб снега в условиях РТ», применяется при проведении экспериментальных работ и обработке экспедиционных данных работниками Министерства экологии и природных ресурсов РТ и сотрудниками Института экологии природных систем АН РТ.

Материалы исследований использованы при составлении государственных докладов «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан» в 2005, 2006, 2007 и 2008 г.г.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на 25 научных конференциях: Седьмом международном конгрессе «Вода; экология и технология» - Москва, 2006; Седьмой всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» - Екатеринбург, 2006; "Итоговой научной конференции Казанского государственного университета за 2006 г." – Казань, 1 февраля 2007; IX Международном симпозиуме "Чистая вода России – 2007" – Екатеринбург, 17-20 апреля 2007; Региональной научно-практической конференции «Картография, навигация, геоинформационные технологии» - Казань, 5-7 июня 2007; Второй межрегиональной конференции «Промэкология и безопасность» - Казань, 4-5 сентября 2007; Третьей международной научно-практической конференции «Современные экологические проблемы устойчивого развития Полесского региона и сопредельных территорий: наука, образование, культура» - Белоруссия, г. Мозырь, Мозырский гос. педагог. университет им. И.П.Шамякина, 26-27 сентября 2007; Четвертой международной научно-практической конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и экологической безопасности регионов» - Украина, г. Днепропетровск, 2-5 октября 2007; Седьмой научной конференции «Актуальные экологические проблемы РТ» - Казань, 11 декабря 2007; Всероссийской научно-практической конференции "Современные проблемы агропромышленного комплекса, лесного хозяйства и экологии" – Казань, 25-26 марта

- 4 -

2008; Третьей региональной научно-практической конференции «Геодезия и картография. Геоинформационные технологии. Дистанционное зонирование земли.» - Казань, 6 июня 2008 г.; Третьей научной конференции «Промышленная экология и безопасность.» - Казань, 10 сентября 2008 г.; Международной конференции "Экологические проблемы бассейнов крупных рек – 4" – Тольятти, 9-11 сентября 2008; Всероссийской научнопрактической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития.» - Киров, 25-27 ноября 2008 г.; Всероссийской научной конференции с международным участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований». КГУ-Казань, 19-22 мая 2009 г.; IV Международной научно-практическая конференция. «Современные экологические проблемы устойчивого развития Полесского региона и сопредельных территорий: наука, образование, культура». Беларусь, г. Мозырь Мозырский ГПУ 24–25 сентября 2009 года; IV научной конференции «Промышленная экология и безопасность» Казань, 9 сентября 2009 г.; V Международной научно-практическая конференция «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов» Украина, г. Днепропетровск, 6-9 октября 2009 г. Всероссийской научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование в регионах России» г. Воронеж, 2-4 декабря 2009 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы географических исследований региона»//Чув.ГУ г. Чебоксары, сентябрь 2009 г.; I международном конгрессе "Чистая вода", г. Казань, 17-19 февраля 2010; II Международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы современного общества», г. Набережные Челны, 2010; V Межрегиональной научно-практической конференции “Промышленная экология и безопасность», г. Казань, 9 сентября 2010 г.; IV Международной конференции «Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов – теория, методы, практика», г. Нижневартовск, 26-30 октября 2010 г.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 48 публикациях, в том числе: 28 статьях в научных изданиях (из них в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России – 3), 15 тезисах в материалах научных конференций, 5 патентах.

Фактическим материалом для настоящей работы послужили данные экспедиционных исследований загрязненности снежного покрова на территории всех 43 районов Республики Татарстан в 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 годах, а также крупных промышленных центров Республики: Казань – 2005-2009 г.г.; Альметьевск, Набережные Челны, Нижнекамск – 2006-2009 г.г.; Бугульма, Елабуга, Зеленодольск, Лениногорск – 2006 г.; Заинск – 2007 г., проведенных Институтом экологии природных систем АН РТ совместно с Министерством экологии и природных ресурсов РТ, полученные при личном участии автора данной работы.

Вклад автора

Автором выполнена геохимическая съемка снежного покрова г. Казани и отдельных районов РТ в 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 годах, подготовка снеговых проб к анализу методом атомно-абсорбционной спектроскопии, обработка результатов экспедиций и составление отчетов в 2006, 2007, 2008 и 2009 годах, разработка новых методов мониторинга снежного покрова и почв, биомониторинга водных объектов, сбор и обобщение натурных, фондовых и литературных материалов, оформление публикаций, апробация результатов на научных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация общим объемом 153 страницы состоит из введения, 3 глав и заключения. Содержит 47 таблиц и 44 рисунка. Список литературы включает 167 наименований работ.

Работа выполнена в период с 2005 по 2008 годы в лаборатории Малых рек Института экологии природных систем АН РТ и с 2006 по 2010 год на кафедре Инженерной экологии Казанского государственного технологического университета.

- 5 -

Приведены основные сведения, характеризующие территории, подвергнутые эколого-геохимическому обследованию в данной работе.

При анализе правомерности терминов «тяжелые металлы», «металлы», «химические элементы» сделан выбор в пользу использования термина «химические соединения металлов» (в тексте - «металлы»). Рассмотрены: токсичность металлов, их канцерогенные, мутагенные и тератогенные воздействия.

Выбор металлов (Cd, Mn, Cu, Ni, Pb, Zn) в качестве объектов исследования определен тем, что они: наиболее часто присутствуют в составе промышленных выбросов предприятий РТ и обладают высоким вредным воздействием на природную среду; Cd и Pb обладают высокой токсичностью; Mn, Cu, Ni, Zn присутствуют в промышленных выбросах в больших количествах; все эти элементы исследуются и в других работах, что дает возможность сравнивать результаты исследований.

Глава 2. Экспериментальная часть 2.1. Технология отбора снеговых проб

При планировании точек отбора проб на территории РТ использован смешанный векторно-площадный метод. При этом из административных центров районов проводились вектора по направлениям света и на них обозначались рекомендуемые места отбора проб.

В данной работе количество снеговых проб определялось техническими и материальными возможностями исполнителей с учетом необходимости получения объективной оценки при оптимальных (минимизированных) затратах времени и средств

массы при взятии пробы снега он снабжен дополнительно уплотняющим снежную массу поршнем .

Пробы снега отбирались в течение марта месяца, до начала интенсивного снеготаяния, в период максимального накопления снеговой массы.

2.2. Поступление пыли

Поступление пыли на снежный покров определялось по массе осадка на фильтре, оставшегося после фильтрования пробы снеговой воды.

Средние значения поступлений пыли (водонерастворимая часть) на территорию РТ и ее крупных промышленных центров приведены в табл. 2.

- 7 -

Таблица 2. Поступления пыли (водонерастворимая часть) на территорию РТ и ее

крупных промышленных центров, г/(м2·t)

2.3. Приготовление аналитических образцов

Отобранные снеговые пробы доставляли в химическую лабораторию, пересыпали из пакетов в полиэтиленовые ведра, плавили при комнатной температуре и переливали в 5-ти литровые пластиковые бутыли.

Предварительная обработка проб снега заключалась в фильтровании снеговой воды, после чего отфильтрованная талая вода (фильтрат) и взвешенное вещество (пыль) на фильтрах подвергали дальнейшей обработке и анализу.

Один литр профильтрованной снеговой воды упаривали досуха в фарфоровых чашках в электрообогреваемой воздушной камере. Остаток в чашке несколько раз обрабатывали 0,1 М азотной кислотой, фильтровали и переносили в мерную колбу на 50 мл. Объем раствора доводили до метки и переливали в 50 мл аптечные флаконы. Полученный аналитический образец подвергали анализу методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Фильтр с осадком высушивали в термошкафе при 1050С до постоянного веса, взвешивали, и определяли массу осадка. Затем осадок с фильтром обрабатывали смесью азотной и соляной кислот (1:3) при нагревании до слабого кипения в течение 3 – 4 часов, раствор фильтровали через бумажный фильтр, доводили в мерной колбе до объема 50 мл, переливали в аптечные склянки на 50 мл и анализировали в спектральной лаборатории.

2.4. Атомно-абсорбционный анализ аналитических образцов

Содержание металлов определялось методом атомно - абсорбционной спектроскопии с атомной или электротермической атоматизацией .

Анализ снеговых проб на содержание металлов выполнен в сертифицированной Центральной специализированной инспекции аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов РТ с использованием атомно-абсорбционных спектрометров Aanalyst-200 и Aanalyst-800 фирмы «Perkin Elmer».

- 8 -

Глава 3. Обсуждение основных результатов 3.1. Аэротехногенное поступление металлов на территорию Республики

Татарстан

Сиспользованием значений концентраций металлов в снеговой воде и количества снега на единицу площади каждой пробы вычислены поступления водорастворимых соединений металлов на снежный покров всех муниципальных районов РТ и ее крупных промышленных центров. Наблюдается значительный разброс значений поступления металлов в различных точках, связанный с метеорологическими условиями. В табл. 3. приведены значения массы поступлений металлов на территорию РТ.

Сиспользованием корреляционной зависимости между содержанием металлов в атмосферном воздухе и их поступлением на снежный покров рассчитано содержание металлов в атмосферном воздухе для всех элементов и затем

химического элемента на депонирующий объект не определяет эффект его влияния на степень загрязненности природной среды, так как не связана с его вредным воздействием, опасностью его присутствия в природной среде.

3.2. Оценка аэротехногенного загрязнения снежного покрова металлами (на примере Республики Татарстан)

Так как пространственная и временная изменчивость поступлений снега на депонирующую поверхность не даёт возможности сравнивать показатели загрязнённости, полученные для различных регионов и в различное время с использованием концентраций загрязняющих веществ в снеговой воде, фоновым коэффициентам концентраций, коэффициентам опасности, массе поступлений на депонирующую поверхность, превышению поступлений по отношению к предельно – допустимым поступлениям и др., необходимо было найти меру величины, которая была бы одинаковой для любых регионов в любое время. Основной неизменной единицей измерения, используемой для характеристики снежного покрова для любых регионов, в любые годы, является поступление 1 кг снежной массы на 1 м2 территории.

Для получения сопоставимых результатов о процессах загрязнения снежного покрова в различных регионах, независимых от "фонового" запаса снега и, соответственно, от "фоновых" предельно-допустимых поступлений металлов на снежный покров в данной работе предлагается ввести новый показатель – реальное предельнодопустимое поступление металлов на снежный покров (РПДПСп). РПДПСп – это поступление металлов в составе водорастворимых химических соединений на снежный покров из атмосферного воздуха, вызывающее повышение содержания химического элемента в 1 кг снега, размещенного на 1м2 снежного покрова, на 1 ПДК (табл. 4.).

РПДПСп = ПДК · 1кг/м2 = мг/кг(1л) · кг/м2 = мг/м2

- 9 -