Загрязнение придорожной полосы тяжелыми металлами

лургия, сырьевой базой которой являются разведанные месторождения садонских полиметаллических руд.

Предприятия АО «Электроцинк» и «Победит» работают по замкнутой схеме комплексного использования свинцово-цинкового и вольфрамовомолибденового сырья. Основной продукцией производства являются свинец, цинк, молибден, вольфрам, серная кислота, медный и цинковый ку-поросы, твердые сплавы на основе соединений вольфрама, молибдена, кобальта.

Несмотря на сокращение выпуска товарной продукции, цветная металлургия по масштабам влияния на окружающую среду занимает лидирующее место. Загрязнение окружающей природной среды тяжелыми металлами и их соединениями, сернистым ангидридом, вызывающими деградацию атмосферного воздуха, литосферы и гидросферы, является одной из наиболее острых экологических проблем. В общих объемах выбросов предприятий цветной металлургии преобладают газообразные загрязнители, со-

ставляющие 92,5 %, а твердые вещества - 7,5 %, в состав твердых веществ входят тяжелые металлы первого класса опасности. Учитывая замкнутость ветровых потоков в регионе Владикавказа, твердые частицы оседают на территории города, загрязняя дополнительно почву и воду.

Предприятия цветной металлургии являются основными потребителями технической и питьевой воды, которая используется в приготовлении растворов на обогатительной фабрике ССЦК, а также в гидрометаллургии цветных и редких металлов и является транспортным средством для хвостов обогатительного производства.

В регионе предприятия цветной металлургии лидируют по выходу отходов на единицу продукции. Другим по масштабам источником загрязнений являются деревообрабатывающие цеха и участки, цементные склады и бетонорастворные узлы, котельные и т.д.

В атмосферу выбрасываются древесная и цементная пыль, взвешен-

ные вещества, оксид углерода, диоксид азота и другие составляющие. Большое влияние на состояние атмосферного воздуха оказывают разгрузочно-погрузочные работы и перевозка сыпучих материалов от мест их добычи до участков переработки. Кроме того, на территории региона расположено 45 предприятий электронной и машиностроительной промышленности. Исследовано их влияние на окружающую среду за период 1995-2000 гг.

Особенностью региона РСО-Алания является комплексирование негативных воздействий многоотраслевого хозяйства в поражении окружающей среды.

В результате исследований установлены взаимосвязи между секторами многопрофильного промышленного производства и механизм регулирования соотношений техногенных и природных факторов интенсивного промышленного производства региона.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Джанянц А.В., Алборов И.Д., Алиханов В.А. — Северо-Кавказский государственный технологический университет.

© О.С. Шилкова, А.В. Джанянц, В.И. Сарбаев, 2002

УДК 622.8

О.С. Шилкова, А.В. Джанянц, В.И. Сарбаев ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИДОРОЖНОЙ ПОЛОСЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

агрязнение окружающей среды за многолетний период эксплуатации автодорог отходящими газами, продуктами истирания шин, тормозных колодок и покрытия автодорог приводит к изменению физикохимических свойств и структуры почв придорожной полосы. Особенно опасно накопление в почвах и растениях тяжелых металлов. Причем на

Зсами растения накопление тяжелых металлов влияет в меньшей степени, хотя они подвергаются прямому влиянию, а на организмы животных и человека воздействует косвенно - через пищу при потребле-

нии загрязненных растительных продуктов.

Почва — геохимический экран любого ландшафта, в том числе и техногенного. Через нее проходят все потоки вещества (водные, воздушные), под воздействием которых она геохимически изменяется, влияя на сопредельные среды. По сравнению с атмосферой, подземными и грунтовыми водами почва — малоподвижная среда, поэтому миграция в ней загрязняющих веществ происходит относительно медленно, что и обуславливает накопление продуктов загрязнения в почве. Почвы в малой степени обладают способностью к самоочищению.

Загрязнение почв тяжелыми металлами происходит главным образом двумя путями: через атмосферу и с опавшими листьями (за счет накопления листьями металлов). Часть металлов закрепляется в почвах, часть переходит в состав почвенных растворов и грунтовые воды.

Миграция загрязняющих веществ в почвах зависит от механического состава почвообразующих пород, физико-химических свойств почвенных растворов и геохимических особенностей самих мигрантов.

Обогащенные металлами фильтрующиеся осадки — источник загрязнения грунтовых вод и растительности. Загрязнение глубоких горизонтов почвогрунтов определяется не только проникновением с поверхности техногенных растворов, но и химическим разрушением захороненных в почвах техногенных включений. В этих условиях возможны накопления больших концентраций металлов.

Соединения свинца хорошо фиксируются верхними слоями почвы, содержащими большое количество органических веществ. Взаимодействуя с гумусовым слоем почв, они образуют труднорастворимые соединения. Это приводит к постоянному накоплению свинца в верхних слоях почвы. При кислой реакции среды возникает опасность поступления токсичных металлов в виде труднорастворимых форм в грунтовые воды.

По данным профильных анализов с приблизительно нормальным строением, отмечается закономерное уменьшение содержания химических элементов с глубиной. Глубина проникновения тяжелых металлов в за-

грязненных почвах обычно не превышает 20 см, при сильном загрязнении - 160 см. Максимальное содержание тяжелых металлов приходится на гумусово-аккумулятивный слой горизонт городских почв (от 0 до 10 см, в промышленных зонах — до 20 см), причем 58 % свинцовых загрязнений задерживается на глубине до 6 см [3]. Происходит накопление свинца, цинка, ванадия, хрома, кобальта, никеля, меди. В иллювиальном горизонте накапливаются хром, свинец, цинк, серебро, олово, медь.

В почвах с ненарушенным профилем накапливаются металлы в зависимости от местоположения пункта отбора пробы относительно промышленных источников загрязнения.

В почвах с нарушенным профилем могут наблюдатся разнообразные варианты распределения металлов. На участках, где производились засыпки, погребенные внутри почв старые гумусовые горизонты содержат больше загрязнений, чем горизонты на современном уровне дневной поверхности [3].

Свинец - наиболее токсичный из тяжелых металлов, содержащихся в отходящих газах автомобилей. Он оказывает отрицательное воздействие на центральную нервную систему, кроветворную и репродуктивную системы организма. В результате интоксикации свинец уменьшает количество эритроцитов в крови, повышается утомляемость и раздражительность, возникают головные боли, увеличивается кровяное давление, происходит нарушение обмена веществ. Частицы свинца размером менее 1 мкм легко проникают в легкие, более крупные задерживаются в носоглотке и гортани. В целом в легких оседает около 50 % свинцовых частиц, вдыхаемых человеком.

Источниками загрязнения свинцом и его соединениями является этилированный бензин. Тетраэтилсвинец (РЬ(С5Н6)4) является добавкой к топливу и играет роль антидетонатора для возможности увеличения октанового числа топлива. Антидетонатор необходим, так как при увеличении октанового числа увеличивается степень сжатия топливной смеси, увеличивается мощность двигателя, а следовательно, уменьшается расход топлива, значит, повышается эффективность работы автотранспорта. При

наличии ТЭС в топливе реакционная способность углеводородов к образованию смога уменьшается. Кроме того, тетраэтилсвинец играет роль смазки и таким образом способствует уменьшению износа двигателя, хотя при наличии ТЭС количество альдегидов в отходящих газах увеличивается на 10-16 % [2].

В соответствии с ГОСТ 2084-77 содержание тетраэтилсвинца в бензине А-76 должно быть равным 0,24 г/кг; в бензинах АИ-93 и АИ-98 содержание ТЭС — 0,5 г/кг. В Германии эти нормы более жесткие и составляют 0,15 г/кг и 0,4 г/кг, соответственно для бензинов А-76 и АИ-93 и АИ-98; в США содержание ТЭС в топливе не должно превышать значения 0,45 г/кг, а в Дании эта цифра составляет 0,84 г/кг [2].

Доля отходящих газов в общем объеме выбросов тяжелых металлов составляет 65 %. Источником еще 20 % загрязнений тяжелых металлов являются картерные газы, остальные 15 % составляют испарения из топливного бака и карбратора [2] По данным ВОЗ, распределение загрязнений тяжелыми металлами по источникам выглядит следующим образом: ОГ ДВС — 50 %, картерные газы — 25 %, испарения из топливного бака и карбюратора — 20 %.

Практически все количество свинца, содержащееся в топливе попадает в окружающую среду. Считается, что 20 % в виде аэрозолей выносится газами, а 80 % в виде частиц размером менее 25 мкм распределяется на поверхность земель, прилегающих к автодороге, формируя с течением времени новый фоновый уровень загрязнения в слое почвы глубиной 20 см.

Факторы, от которых зависит степень загрязнения придорожной полосы свинцом и его соединениями: интенсивность движения автотранспорта, срок эксплуатации автодороги и состав транспортного потока. Ширина зоны влияния дороги увеличивается пропорционально изменению числа автомобилей, прошедших по автодороге за отчетный период ее эксплуатации. Ширина интенсивного загрязнения автодороги, глубина и интенсивность загрязнения почв придорожной полосы зависят от совокупности этих факторов. Так, при проведении исследований [1] наименьшая степень загрязнений, близкая к фоновому со-

держания свинца в почвах, зафиксирована вблизи дороги, имеющей наибольшую интенсивность движения — 15000 ед./сут, но находящуюся в эксплуатации около трех месяцев.

В табл. 1 приведена зависимость содержания свинца в почвах придорожной полосы от интенсивности движения [1].

Распределение металлов в придорожной полосе зависит и от высоты насыпи. Это связано со скоростью оседания частиц, которая зависит от их крупности и плотности вещества. Основную роль в перемещении свинца и его перераспределении играют горизонтальные токи воздуха, то есть расстояние переноса частиц будет определяться скоростью горизонтальных потоков воздуха и высотой насыпи. Таким образом, с увеличением

высоты насыпи количество загрязняющих веществ на единицу площади уменьшается, что связано с уменьшением их концентрации в воздухе. Но площадь воздействия источника загрязнения увеличивается. На распределение металлов в придорожной полосе влияют скорость и направление ветра, роза ветров. Максимальная ширина зоны влияния дороги при прочих равных условиях соответствует высоте насыпи 8-10 м. При дальнейшем увеличении высоты насыпи ширина зоны влияния постоянно снижается. При высоте насыпи менее 1 м или в выемках глубиной до 4 м распределение свинца по придорожной полосе остается практически неизменным.

Размеры частиц свинца, попадающих в атмосферу, определяют

Таблица 1

ЗАВИСИМОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ СВИНЦА В ПОЧВАХ ПРИДОРОЖНОЙ ПОЛОСЫ ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ДВИЖЕНИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ РАССТОЯНИЯХ ОТ БРОВКИ НАСЫПИ

Таблица 2

СОДЕРЖАНИЕ СВИНЦА В ПОЧВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТЫ НАСЫПИ НА РАЗЛИЧНЫХ РАССТОЯНИЯХ ОТ АВТОДОРОГИ

Высота земляного полотна, м Расстояние до бровки, м

2 5 10 15 30 60 100 200

Содержание свинца в почве

2,5 71-66 51-42 40-32 20-24 10-17 7-10 4-5 0-5

3,5 75-86 47-59 27-32 20-24 8-12 7-10 0-5 0-8

5,8 54-60 42-48 30-35 24-28 12-16 8-11 7-8 3-8

7,2 50-59 42-45 31-32 24-32 10-21 13-17 6-10 4-5

10,1 44-55 35-43 29-30 30-32 17-22 12-18 8-12 5-6

Таблица 3

Расстояние, м 2 5 10 15 30 55

Концентрация свинца в растениях, г/кг 10,65 12,22 7,52 4,67 1,62 1,22

длительность их нахождение во взвешенном состоянии. Средний размер частиц свинца составляет 0,2-0,5 мкм. При этом 39 % (0,019 г) составляют частицы величиной больше 9 мкм, 22 % — частицы размером 1-9 мкм и 39 % — частицы величиной менее 1 мкм.

Содержание свинца в почве в зависимости от расстояния от дров-ки насыпи для автодорог с различной высотой насыпи, можно увидеть в табл. 2 [1].

Посредством спектрального анализа выявлено, что наибольшее содержание свинца в растениях наблюдается в пределах полосы, шириной 10 м. Непосредственно у бровки насыпи, концентрация свинца несколько снижается, так как крупные частицы оседают в непосредственной близости от автодороги, они плохо усваиваются и быстро смываются в почву атмосферными осадками. Кроме того, причиной снижения концентрации свинца у бровки насыпи дорожного полотна может быть большое количество пыли, влияющей на результаты химического анализа в связи с увеличением зольности и уменьшением количества свинца на килограмм сухой массы растения. Среднее содержание свинца в растениях, в зависимости от расстояния до бровки дорожного полотна следующее

(табл. 3) [1]:

Накопление свинца различными растениями неодинаково. Повышенное содержание наблюдается в зернах гречихи, клубнях картофеля, листьях кукурузы. В гречихе и картофеле содержание свинца превышает суточную норму потребления человека.

Наличие лесополосы у автодороги влияет на распределение свинца в почвах придорожной полосы. Эффективность зеленых посадок определяется плотностью посадки и ее высотой. При коэффициенте ажурности 0,7-0,8 и высоте более 6 м лесополоса задерживает основную массу свинца. При удалении зеленых насаждений от полотна автодороги их эффективность значительно уменьшается.

За лесополосой наблюдается снижение концентрации свинца, которое приближается к фоновому и лишь незначительно его превыша-

ет. Незначительное увеличение содержания свинца связано с перераспределением свинцовых частиц в результате переноса со снегом. Внутри лесополосы концентрация свинца в почвах может значительно увеличиваться. Это является результатом дополнительного поступления свинца с опавшими листьями в период листопада. Кроме того, внутри лесополосы резко снижается скорость ветра, способствуя более быстрому оседанию частиц свинца на поверхность почвы.

Общее количество свинца, накопленного почвами за период эксплуатации дорог в результате действия отходящих определяют по формуле [1]:

ЕР = 0,1У^1/к01р.1(а^1'вМ1 -

-А^)+ L2

где 0,1 — мощность слоя грунта, для которого выведена зависимость; Угр — плотность грунта придорожной полосы, т/м3; L1, L2 — ширина зоны влияния справа и слева от дороги, м; S — длина участка дороги, для которого выводится зависимость, м; к01 — коэффициент, учитывающий количество свинца в слое почвы. Для h = 0,1 м, к01 = 0,69; А1 — фоновое содержание

свинца в почве для данного участка, мг/кг.

Расчет количества свинца, аккумулированного почвой или растительностью в зависимости от расстояния от дороги предложено производить по формуле [1]:

Рп

где Рп(р) — коцентрация свинца в почве(растениях), мг/кг; Вп(р) — содержание свинца в почве (растениях) на незагрязненных участках, мг/кг; d — расстояние до бровки земляного полотна, м; Ап(р) — максимальное содержание свинца в почве (растениях) у бровки земляного полотна автодороги, мг/кг.

Исследования показали, что вблизи автодорог происходит снижение продуктивности сельскохозяйственных земель на 40 %.

Содержание свинца и кадмия в почвах до 500 мг/кг может повышать урожайность на 5 %. Но уксуснокислый свинец с содержанием в почвах от 500 до 5000 мг/кг снижает урожайность пшеницы на 25,333,3 %. При воздействии свинца, находящегося в атмосферном воздухе, снижается урожайность фасоли на 27 %.

В культурных растениях, выросших у дороги, содержание свин-

ца резко увеличено. Коэффициент аномальности достигает значения 6, концентрация свинца равна 10,2 мг на 1 кг растительной массы, при токсической дозе свинца в суточном рационе человека, вызывающей различные нервные заболевания — 0,83 мг/кг. Аномальные накопления наблюдаются в пределах полосы шириной 10 м. Размер санитарной зоны вредности принимается равный 100 м [4].

Исходя из имеющихся данных можно сделать вывод, что загрязнение придорожной полосы тяжелыми металлами изменяется как горизонтальном направлении (при удалении от автодороги), так и в вертикальном профиле почвогрунтов. Причем загрязненность придорожной полосы зависит от многих факторов (срок эксплуатации автодороги, загруженность дороги и другие). Основная часть загрязнения придорожной полосы тяжелыми металлами приходится на первые десятки метров - при удалении от автодороги, на 10-20 см в вертикальном направлении. а наибольшее количество свинца в растениях наблюдается в растениях, растущих в придорожной полосе на расстоянии до 10 м.

1. Измайлов Р.Х. Учет степени загрязнения придорожной полосы соединениями свинца при проектировании автодорог. Дисс. на соискание степ. к.т.н. - М., 1984.

2. Губайдуллин Н.М. Химмотологические аспекты загрязнения

окружающей среды автотранспортом. Дисс. на соиск. степ. к.т.н. -Уфа, 1999.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Родивилова О.В. Оценка воздействия автотранспорта на окружающую среду урбанизированных территорий (на примере г.Иваново). Дисс. на соиск. степ. к.т.н. -Иваново, 1999.

4. Никифорова ЕМ. Загрязнение природной среды свинцовыми соединениями от выхлопных газов автотранспорта. Вестник Московского Университета. - География, 1975, №3, - С. 28-36.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шилкова О.С. — Московский государственный горный университет.

Джанянц А.В., Сарбаев В.И. — Северо-Кавказский государственный технологический университет.