Способ определения максимума геохимической емкости почв и грунтов при их уплотнении на полигонах захоронения отходов
METHOD FOR DETERMINING MAXIMUM GEOCHEMICAL CAPACITY OF SOIL AND GROUND WHEN COMPACTED AT LANDFILL SITES

Изобретение относится к охране окружающей среды. Оно может быть использовано в целях оценки экологического состояния почв и грунтов на полигонах захоронения отходов с последующим прогнозированием изменения потенциала геоаккумуляции тяжелых металлов при уплотнении почв и грунтов.
Известны способы оценки загрязнения почв тяжелыми металлами (Богданов Н. А., Чуйков Ю. С., Рыбкин  В. С. Метод оценки состояния земель по индексу загрязнения почв // Астраханский вестник экологического образования. 2013. №1(23). С. 102-112; Дабахов М. В., Дабахова Е. В., Титова В. И. Методические подходы к комплексной оценке загрязнения почв тяжелыми металлами // Агрохимический вестник. 2011. №6. С. 9-11). Способы и технологии нормирования окружающей среды сейчас имеют повышенную актуальность. Процедура и технологии оценки экологического состояния и качества окружающей среды крайне многогранны и не имеют явно выраженных унифицированных подходов. Это обусловливается многогранностью и динамичностью окружающей природной, природно-антропогенной и антропогенной среды. Размещение и захоронение отходов,  химическое загрязнение создают прецедент для поиска методик оценки степени изменения экологического состояния среды. Этот поиск крайне необходим для прогнозирования дальнейшего развития событий и моделирования свойств антропогенно-измененных объектов окружающей среды. Это может позволить сохранить особенности экологического баланса территорий и повысить устойчивость антропогенно-измененных ландшафтов. Приоритетными загрязняющими элементами являются тяжелые металлы, которые  в основном являются загрязнителями почв и грунтов. Спектр загрязнений почв тяжелыми металлами достаточно широк, учеными неоднократно отмечается целый ряд элементов (Pb, Cd, Zn, Cu, Hg, Co, Ni, Mn, V, Fe и др.), которые достаточно часто встречаются в почвах в высоких и даже «ураганных» дозах. Разнообразие методических подходов в области оценки степени загрязненности почв и грунтов тяжелыми металлами объясняется не только динамикой среды и поведением тяжелых металлов в почвах, но и  особенностями землепользования.
Известен ресурсный подход в оценке загрязненности почв городских территорий, предложенный А.В. Смагиным (Смагин А. В. Критерии и нормативы экологической оценки городских почвенных ресурсов // Экологический вестник Северного Кавказа. 2008. Т. 4, № 4. С. 24-41.). Он  позволил пересмотреть методику оценки качества почв и шкалы уровней загрязнения почв ТМ. По мнению А.В. Смагина, при оценке загрязненности почв городов ТМ недостаточно учитывать только лишь концентрации ТМ в поверхностных горизонтах. Почва является динамичной средой и поллютанты имеют способность к латеральным и вертикальным перемещениям, что значительно усложняет ситуацию. Поэтому для более корректной экологической оценки территорий предлагается принимать во внимание объемные концентрации загрязняющего элемента в метровой толще почвы или так называемый запас элемента в метровом слое.
3
3
Надо отметить, что к недостаткам аналога относится возможность его использования в основном для пахотных почв с неизменной плотностью, а не для городских, представляющих собой разнородные по гранулометрическому составу слои. Кроме того, при расчете запасов загрязняющих веществ в аналоге применяется плотность почв, равная 1,5 г/см, что не всегда оправдано, так как не учитываются особенности почв регионов и изменение плотности с глубиной, также не учитывается гранулометрический состав почв. Кроме того, данный подход не учитывает локальные особенности почвенного покрова, в частности не подходит для черноземов, плотность которых варьирует от .0,95 до 1,25 г/см.
Технической задачей изобретения является количественная оценка актуального загрязнения тяжелыми металлами заданного объема почв и грунтов, а также количественный прогноз потенциально возможного максимального содержания (размещения) загрязнителей с применением относительно устойчивого для конкретной почвы и грунта параметра - удельной массы.
3
В городских экосистемах в условиях урбанизации, а также на полигонах захоронения отходов плотность почвы становится чрезвычайно динамичной величиной - слои грунта уплотняются тяжелой техникой, переслаивается песок и глина, при рекультивации добавляются торфяные и гумусированные горизонты, поэтому прогнозировать будущее содержание загрязнителя в определенном объеме почвы, например, в мне представляется возможным, а это совершенно необходимо при обращении с отходами. В отличие от аналога предлагаемый способ позволяет определить и оценить не только ныне существующие количественные загрязнения в определенном объеме почв или грунтов, но и определить потенциально возможное максимальное содержание загрязнителей (при данном уровне загрязнения) при стремящемся к максимальному уплотнению почв или грунтов, что чрезвычайно важно для загрязненных почв и грунтов полигонов захоронения отходов. При подобной оценке  целесообразно использовать такой показатель как удельная масса грунтов или масса твердой фазы в определенном объеме (без воды и порового пространства). Этот показатель остается константой при любых антропогенных воздействиях, не зависит от уплотнения, и связан только с вещественным составом твердой фазы почв (грунтов).
Технический результат достигается тем, что способ определения максимума геохимической емкости почв и грунтов при их уплотнении на полигонах захоронения отходов заключающийся в том, что определяют количественное распределение загрязняющих веществ в профиле почв или отходов с учетом плотности отдельных слоев, при этом определяют удельную массу твердой фазы почвы, плотность почвы, затем определяют объемное потенциальное загрязнение как разницу между содержанием загрязнителя в определенном объеме твердой фазы почв и в определенном объеме почв естественного сложения, с учетом порового пространства, что позволяет определить, какое максимально возможное количество загрязнителя при уплотнении (в кг/га в определенном слое) может быть дополнительно размещено в данном объеме почвы или отхода при известном содержании загрязнителя, по формуле
4
3
Vc = (Ум - Пп)*Ск*10К/10 где
Vc - потенциальное объемное загрязнение, в кг/га в слое (0-100 см);
3
Ум - удельная масса почвы (грунта), т/м;
3
Пп - плотность почвы (грунта), т/м;
Ск – толщина слоя почв или грунтов, м
4
10– количество квадратных метров в 1 гектаре
К - концентрация загрязнителя, мг/кг (г/т) почвы
3
10– коэффициент переводамассы загрязнителяв кг.
Пример осуществления способа
Для подтверждения технических результатов проведено исследование содержания массовых концентраций валовой формы загрязнителя (тяжелого металла на примере свинца) в слое 0-1,0 м, с целью определения объема потенциального загрязнения.
В качестве объектов исследования была выбрана промышленная зона г. Курска.
На исследуемом участке отбор проб проводился методом конверта. Определение концентраций валовой формы свинца проводилось на базе аккредитованного «Испытательного центра Курского государственного университета» методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА–4.
На данном участке проведены следующие определения и измерения: послойно, через каждые 20 см определялась плотность загрязненной почвы или отходов, удельная масса твердой фазы, а также содержание загрязнителя (свинца). Именно послойное определение необходимо проводить в связи с высокой вариабельностью как плотности, так содержания загрязнителя в грунтах, особенно на полигонах захоронения отходов.
В промышленной зоне г. Курска зафиксировано превышение ПДК по свинцу на глубине 0-20 см в 3 раза, на глубине 20-40 см в 2,1 раз, на глубине 40-60 см в 1,3 раза и на глубине 60-100 см в 1,1.раза.
В таблице 1 приведены показатели накопления валовой формы загрязнителя (свинца), кг/га в различных слоях загрязненных грунтов в промышленной зоне г. Курска.
Как следует из таблицы 1, при содержании свинца в пределах или меньше ПДК в метровом слое (верхняя часть таблицы) в пересчете на 1 гектар при данном существующем уплотнении грунтов (почв) в данном объеме будет содержаться не более 415,4 кг/га свинца. При максимальном уплотнении загрязнение достигло бы 867,8 кг/га свинца. А разница между ними (потенциальное объемное загрязнение) в метровом слое на гектар составило 452,5 кг/га свинца.
В то же время на загрязненных объектах, где нормы ПДК уже превышены (накопление свинца с учетом плотности почвы) в метровом слое составляет 711,2 кг/га, дальнейшее уплотнение данных загрязненных грунтов может привести при данном уровне загрязнения потенциально  к накоплению 1524,0 кг/га свинца, что в 3,7 раза выше ПДК. Однако, достичь такого уплотнения на практике невозможно, для этого необходимо грунт полностью обезводить, лишив его порового пространства. В этой связи определение объемного потенциального загрязнения Vc – с учетом разницы между удельной массой твердой фазы и плотностью почвы дает конкретное представление о возможном потенциальном загрязнении объектов.
Для динамически подвижных систем, таких как грунты полигонов захоронения или  отходы разнообразного состава, определение объема потенциального загрязнения (максимальной геохимической емкости) важно с точки зрения прогнозирования накопления загрязнений при уплотнении почв, грунтов и уплотненных отходов при их прессовании, обезвоживании и т.д. Этот показатель будет зависеть не только от количества загрязняющего вещества, но и от свойств твердой фазы грунта - чем больше содержится органического материала (гумуса, торфа, органической составляющей отходов и др.), тем ниже будет значение удельной массы твердой фазы, чем больше глинистых частиц и тяжелых минералов в составе, тем больше будет значение удельной массы твердой фазы, но для данного грунта – это константа, зависящая от вещественного состава почвы или грунта.
В то же время плотность почвы изменяется под действием уплотняющих проходов тяжелой техники. Поэтому определение максимальной массы загрязнителя почв или грунтов при их уплотнении на полигонах захоронения отходов необходимый показатель, который позволяет определить максимально возможное количество загрязнителя при уплотнении (в кг/га в определенном слое), которое может быть дополнительно размещено в данном объеме почвы или отхода при известном содержании загрязнителя.
Таблица 1
Толщи-на слоя почв или грунтов, м
Плотность почв, т/м<sup>3</sup>Пп
Удельная масса твердой фазы, т/м<sup>3</sup>Ум
Содержание в образце, мг/кг(г/т)сухого веществаС
Содержание свинца в кг в слое/га с учетомПп
Содержание свинца в кг, в слое/га с учетомУм
Объем-ное потенци-альное загрязнение в кг в слое/гаVc
1
2
3
4
5
6
7
при содержании свинца в пределах или ниже ПДК
0 – 0,2
1,15
2,68
32*)
73,6
171,5
97,9
0,2 – 0,4
1,24
2,7
32
79,4
172,8
93,4
0,4 –0,6
1,31
2,72
32
83,8
174,1
90,2
0,6 – 0,8
1,37
2,72
32
87,7
174,1
86,4
0,8-1,0
1,42
2,74
32
90,9
175,4
84,5
Сумма, в кг/га в слое0-1,0 м
415,4
867,8
452,5
при антропогенном загрязнении
0 – 0,2
1,15
2,68
96,3
221,5
516,2
294,7
0,2 – 0,4
1,24
2,7
65,8
163,2
355,3
192,1
0,4 –0,6
1,31
2,72
40,2
105,3
218,7
113,4
0,6 – 0,8
1,37
2,72
45,5
124,7
247,5
122,9
0,8-1,0
1,42
2,74
34,0
96,6
186,3
89,8
Сумма, в кг/га в слое0-1,0 м
711,2
1524,0
812,8
*) - ПДК загрязнителя (свинца)