Забруднення ґрунтів: природа та джерела забруднення

2.1. ЗАБРУДНЕННЯ ҐРУНТІВ ПРИ ВІДКРИТИХ РОЗРОБКАХ

Забруднення фунтів при відкритих розробках викликано їх руйнуванням при видобутку щебеню, розробці кар'єрів, свердловин і інших робіт подібного типу, необхідних при здійсненні р.ізних будівництв.

Найактивнішою формою руйнування фунтів є відкриті розробки, особливо при видобутку кам'яного вугілля. Ця форма руйнування фунтів найбільш поширена в розвинутих країнах.

Крім фунтів, зруйнованих безпосередньо відкритими розробками, ушкоджуються й прилеглі ділянки площею в 4, а іноді навіть у 10 разів більші. На таких площах змінюються режим фунтових вод, природна геохімічна міфація елементів, процеси ерозії і т.д.

Для повернення таких площ, що мають назву "промислові пустелі", у сільськогосподарські й лісогосподарські обороти в останні три десятиліття були розпочаті спеціальні комплексні дослідження (технічні, інженерно-технологічні, гідромеліоративні, афотехнічні роботи й т.д.), відомі як рекультивація земель.

Ціль рекультивації як активної форми охорони природи полягає, з одного боку, у захисті й відновленні природних ресурсів, включаючи фунтові, а з іншого - створенні нових ландшафтів, що сприяють відновленню навколишнього середовища з високою якістю біогеоценозу.

Під рекультивацією розуміють утворення з порожньої породи фунту з новим профілем, придатного для використання в сільському й лісовому господарстві для різних видів суспільно-економічних робіт. При створенні нового ґрунтового профілю враховуються властивості вийнятої порожньої породи, тому в кожному окремому випадку виїмку й укладання її у відвали роблять у певній

послідовності. Грунт, раніше зруйнований відкритою розробкою, вважається рекультивованим і придатним для залучення в сільськогосподарський оборот за умови одержання з нього врожаїв, якісно й кількісно еквівалентних врожаям, одержуваним із нормальних грунтів цієї зони в нормальних кліматичних і технологічних умовах.

Накопичення твердих відходів і викидів на заселених територіях — неминучий результат сучасної цивілізації. Це можуть бути мінеральні відходи чи відкладення порожньої породи поблизу діючих шахт, промислові, міські (господарські, торгові) та сільські відходи, викиди й сміття.

Накопичення твердих відходів і викидів негативно впливає на навколишнє середовище. За останні роки забруднення грунтів відходами й викидами досягло таких розмірів, які знешкодило великі площі родючих земель. Відвали промислових відходів займають великі площі, які стають цілком непридатними для використання, причому вони розміщені так нераціонально, що становлять іноді серйозну загрозу для населення. При таких обсягах забруднень цілком зникає рослинність і немає можливості її відновлення. Ще багато сторіч ці відвали будуть являти собою штучні пустелі, створені в результаті прискореного вилучення багатств із надр землі

Для обмеження вилучення ґрунтів із сільськогосподарського обороту та втрати рослинної продукції з площ, зайнятих відходами й викидами, і відновлення грунтів використовують різні технології, за допомогою яких вдається перетворити ці відходи на життєве середовище рослин. Розроблено технології окультурення земель, забруднених відвалами фосфогіпсу, для оброблення сільськогосподарських рослин. Були розроблені також технології посіву трав на відвалах порожньої породи при видобутку кольорових металів, закріпленню й окультуренню відвалів золи від теплоцентралей і теплоелектроцентралей.

2.2. ЗАБРУДНЕННІ! ГРУНТІВ НЕОРГАНІЧНИМИ ВІДХОДАМИ Й ВИКИДАМИ

У результаті діяльності людини утворюються неорганічні відходи, що при незадовільному очищенні служать джерелом забруднення грунтів. їх накопичення спричиняє зниження родючості грунтів або непридатність використання таких земель у господарському обороті.

Відходи й викиди — продукти різних технологічних процесів, шо включають сировину, кінцеві чи проміжні матеріали дуже різноманітного складу. метали, металоїди, хімічні речовини (кислоти, солі, луги), мул станцій з очищення відходів, мінеральний пил, зола, хімічні шлами, шлаки, скло, кераміка і под.

До них приєднуються також різні відходи й викиди від будівництва. благоустрою населених пунктів і тд.

При забрудненні грунтів через атмосферу важливе значення має відстань від первинного джерела забруднення. При віддаленні від нього, наприклад збільшенні висоти відвідних труб, інтенсивність забруднення грунтів зменшується, але розширюється площа, що піддається забрудненню.

За своїм положенням і властивостями грунти фактично -с місцем зосередження всіх забруднювачів, що потрапляють головним чином з повітрям (рис. 5).

Рис. 5. Схема потрапляння забруднювачів до грунту та інших об'єктів

Забруднювачі грунтів, що переносяться повітрям,— результат не тільки діяльності людини, але й впливу природних факторів, що обумовлює такий розподіл основних джерел забруднювачів: Д. Природні:

-грунт (мінеральні й органічні частки);

-вулкани й інші природні стихійні лиха( мінеральні частки, гази й пари); -космос (космічний пил). 2. Антропогенні:

-теплоенергетичні станції (вугільний пил, зола, дим і деякі токсичні тверді

частки, гази (8О₂, 5О₃, Н₂8, N0*, деякі циклічні вуглеводні й под., фтористі

й арсенатні сполуки); видобувна промисловість (шахти, нафта (пил, ЗО₂,

8О₃, Н^З, що містять арсен і свинцеві сполуки й т.д.);

-чорна металургія (рудний пил, залозистий пил, оксиди феруму, мангану,

арсену, зола, сажа, 8О₂, 8О₃, Ш₃, N0, НСІ); , -кольорова металургія (пил, пари й металеві оксиди свинцю, цинку, кадмію,

міді, арсену, ртуті, фтору, 8О₂ та ін.); -промисловість будівельних матеріалів (цементний пил, фтор і ін.);

18

-хімічна промисловість із виробництва неорганічних речовин (SO₂, SO₃, Сі,

HF, H₂S, HC1, HNO₃, NH₃, фтористі сполуки й под.); -хімічна промисловість із виробництва органічних речовин (вуглеводні,

розчинники, ефіри, феноли, меркаптани, кіптява та ін.); -целюлозна та паперова промисловість (пил, SO₂, СІ, меркаптани тощо.); -фармацевтична промисловість(вуглеводні); -промисловість синтетичного каучуху(ефіри, кетони, феноли); -харчова й м'ясо-молочна промисловість (пил, SO2, SO3, NH₃, HjS, сполуки

свинцю і под.); -транспорт (вуглеводні, натрій, свинець, частки вихлопних газів автомашин.

вугільний пил, зола, SO₂, SO₃, H₂S); -населені пункти (зола, дим, SO₂ і т.д.); -сільське і лісове господарство (добрива, пестициди та ін.).

За деякими даними, до першої групи основних забруднювачів грунту, що переносяться повітрям, включені тверді мінеральні частки, а також різні хімічні сполуки у формі сульфатів, фосфатів, карбонатів і под.

До другої групи забруднювачів належать газоподібні сполуки типу оксидів сульфуру, нітрогену, вуглецю та вуглеводні.

До третьої групи входять елементи, з яких слід виділити аргентум, арсен, берилій, бром, кадмій, хром, мідь, фтор, ртуть, нікель, свинець, селен, стибій, ванадій, цинк та ін.

Спалювання горючих копалин, видобуток яких у даний час складає близько 6 млрд т вугілля й нафти й більш 2 000 млрд м³ природних газів, спричиняє вивільнення значної кількості забруднювачів, особливо в газоподібній формі Серед них важливе місце займають СО₂ і SO₂.

За деякими даними щорічно в земну атмосферу виділяється тільки в результаті діяльності людини приблизно 10 т різних речовин. Із них кількість SO2 і H;S складає 220 10⁶т у рік, аерозолі — 10⁹т у рік.

Важливу роль у насиченні ґрунтів різними забруднювачами відіграють опади. Ступінь насичення ними залежить від обсягу опадів і місця формування. Опади не тільки очищають атмосферу від забруднювачів, переносячи їх у грунт, але й сприяють транспортуванню забруднювачів до водойм, тобто забрудненню гр> нтів на глибині.

З викидами комбінатів із виробництва мінеральних фосфорних добрив, алюмінію, скла, кераміки й інших підприємств в атмосферу потрапляють сполуки фтору (HF, H₂SiF₆, SiF₄), а також пил, що містить CaSiF₆, Na₂SiF₆, CaF₃ і т.д. Дощі. розчиняючи ці газоподібні фторвмісні сполуки, вносять їх у фунт, звідки вони надходять до рослин. Рослини, які містять високі концентрації фтору, є шкідливими для тварин і людини. Негативний вплив фтору на рослинність спостерігався на відстані до 3,5 км від джерел забруднення.

Важкі метали (табл. 4), як правило, накопичуються в ґрунтовій товщі, особливо у верхніх гумусових горизонтах. Період напіввидалення важких металів із ґрунту (видужування, ерозія, засвоєння рослинами, дефляція) складає в роках

19

залежно від типу фунту для цинку - 70-510, кадмію - 13-110, міді - 310-1500, свинцю - 740-5900.

Свинцеве забруднення. Унаслідок геологічної ерозії і вивержень вулканів в атмосферне повітря викидається 19 000 т свинцю в рік і 12 600 т свинцю щорічно потрапляє в повітря при його видобутку. Однак значна частка в забрудненні ґрунту свинцем автомобільного транспорту, що працює на етилованому бензині.

У більшості міст вміст свинцю змінюється в межах 30 - 150 мкг/кг при середньому значенні близько 100 мкг/кг. Розміри зони впливу автотранспорту на екосистеми дуже варіюють, і ширина пришляхових аномалій вмісту свинцю в грунті може досягати 100 - 150 м. Лісосмуги уздовж доріг затримують у своїх кронах потоки свинцю. В умовах міста розміри свинцевих аномалій визначаються умовами забудови й структурою зелених насаджень. У суху погоду відбувається накопичення свинцю на поверхні рослин; після рясних дощів значна його частина (до половини) змивається. На забруднених свинцем грунтах допускається вирощувати зернові культури. Вирощування в цих зонах овочів, кукурудзи на силос, кормових трав може мати небезпечні наслідки.

Іншими забруднювачами служать частки, що переносяться повітрям, наприклад мармуровий, глинистий, металевий, цементний, вугільний пил. Ступінь впливу його на грунти^алежить як від фізико-хімічних властивостей грунтів (механічний склад, рН і т.д.), так і від кліматичних умов, особливо опадів. Хоча цементний пил вважається нетоксичним, він є причиною деяких змін властивостей грунту, оскільки накопичення деяких хімічних елементів у великих концентраціях може викликати забруднення грунтів.

Одержуваний при обробці деяких металів і спалюванні пальних матеріалів пил належить до іншої групи речовин, що забруднюють ґрунти. Цей пил містить елементи, що залежно від здатності до забруднення класифікуються на 4 групи:

1. Із дуже високим потенціалом забруднення: Cd, Hg, Pb, Cu, Tl, Sn, Cr, Sb,
Ag, Au.

2. Із високим потенціалом забруднення: Ві, U, Mo, Ba, Mn, Ті, Fe, Se, Ті.

3. Із середнім потенціалом забруднення: F, Be, V, Rb, Ni, Co, As, Li, Ge, In, У,
Br, I, Cs, W, Al.

4. Зі слабким потенціалом забруднення: Sr, Zr, La, Nb.

Проникаючи в ґрунт, пил металів акумулюється і з рослинами потрапляє в їжу людини й тварин.

Таким чином, існує велика різноманітність забруднювачів ґрунтів, що надходять з атмосфери.

Індустріалізація та виробництво енергії спричиняють ще одну велику проблему — кислотні дощі.

Накопичення хімічних елементів у грунтах н іон	впливу промислових шлііригмспі
Джерела забруднення	Тип виробництва	Коефіцієнт концентрації (Кс)*
від 2 до 10	більше K.I
Кольорова металургія	Виробництво кольорових металів безпосередньо з руд та концентратів	Pb,Zn,Cu,Ag	Sn, Bi.As. ai, Sb, llg, So
Вторинна переробка кольорових металів	Pb, Zn, Sn, Cu	Hi
Виробництво твердих і тугоплавких кольорових мітингів	W	Mo
Виробництво титану	Ag, Zn, Pb, B, Cu	Ті, Ми. Mo. Sn. V
Чорна металургія	Виробництво легованих сталей	Co, Mo, Bi, W.Zn	Pb, Cd, Cr. Zn
Залізорудне виробництво	Pb, Ag, As	Zn, W, Co, V
Машино­будівна й металообробна промисловість	Підприємства з термічною обробкою металів (без ливарних цехів)	Pb.Zn-	Ni, Cr, Hg, Sn,Cu
Виробництво свинцевих акумуляторів	Pb,Ni,Cd	Sb, Ph
Виробництво приладів для електронної та електронно-технічної промисловості	—	Sb, Zn. Bi
Хімічна промисловість	Виробництво суперфосфату	Sr, Zn, фтор	Рідкісні землі, Cu, Cr. As
Виробництво пластмас	—	Y,Ag
Виробництво цементу	—	Hg, Sr, Zn
Поліграфічна промисловість	Шрифтоливарні заводи, друкарні	—	Pb, Zn. Sn
Тверді побутові відходи великих міст	—	Pb, Cd, Sn, Cu, Ag, Sb, Zn	Hg
Осади каналізаційних стічних вод	—	Pb, Cd, V, Ni, Sn, Cr, Cu, Zn	Hg,Ag
Стічні води для зрошення	—	Pb.Zn	Cu

•Kc - коефіцієнт концентраті хімічного елемента визначається відношенням його реального вмісту в грунті (С) до фонового (Сф)

До періоду індустріалізації хімічний склад атмосфери був більш-менш постійним, а величина відхилень складала приблизно 0,1% на рік. На даний час стан змінився, величина відхилення стала в три рази вище, причому ці відхи_лення значно позначаються на навколишньому середовищі, викликаючи позитивні чи негативні явища, що залежить від природи речовини й сектора середовищ^ _що ушкоджується. Кислотний дощ - домінуючий фактор змін, викликаних лкц_иною в «хімічному» кліматі Землі. Такі зміни дуже значні в сільських і міських зонзд.

Природний дощ без забруднювача завдяки діоксиду вуглецю атмосфери _має величину рН — 6,65. При забрудненні рН може знизитися до 4, а іноді й ни>к_ЧС з. Кислотні дощі - • наслідок дії в основному газоподібних забруднювачів, таких як оксиди нітрогену, сульфуру, що утворюються головним чином (але не винятково) у результаті згоряння горючих копалин. Ці забруднювачі, з'єднуючись з киснем атмосфери, утворюють збезводнені сульфатну Й нітратну кислоти. Наявність нітратної кислоти в атмосфері — результат роботи двигунів автомобілів і інших транспортних засобів, сульфатної — наслідок стаціонарних джерел, таких.як теплоцентралі, доменні печі й важка промисловість. За допомогою високих труб матеріал, що викидається на висоту в кілька сотень метрів в атмосферу, піднімається нагору й з потоками повітря розподіляється на великій території. У цей період, що часто продовжується протягом багатьох днів, відбуваються фотохімічні реакції, у результаті яіих оксиди перетворюються на кислоти.

Випадання кислотних дощів пов'язане як із близькістю джерел забруднення, так і з природою й особливостями матеріалів, підданих їх впливу.

Вплив кислотних дощів на грунт виражається, з одного боку, у вимиванні з нього живильних елементів, а з іншого - зменшенні рН (підкисленні). Підкислення, у свою чергу, впливає на розчинність живильних речовин, а також на ріст і життєдіяльність бактерій у ґрунті. Здатність нейтралізувати такі дощі обмежена в зонах, де геологічна будова сприяє формуванню кислих грунтів з водами низької лужності та бідних на кальцій. Надалі під сильним впливом кислотних дощів кислотність таких фунтів збільшується. Особливо чутливі до кислотних дощів фунти, сформовані на кислих породах. Вважається, що в таких фунтах рН згодом повинен досягти величини рН опадів. Однак час, протягом якого ці фунти досягнуть такої величини рН, залежить від властивостей фунтів. Оскільки йон водню має дуже високу адсорбційну енергію, інші катіони (натрій, калій, кальцій і магній) будуть заміщатися воднем і вимиватися опадами. Звичайно, цей процес не буде розвиватися, якщо виникають катіони, здатні компенсувати втрати від вилуження. У зонах з карбонатними фунтами опади повинні бути дуже кислими, щоб помітно змінити ці фунти.

Зміна системи кругообіг поживних елементів, швидкості розкладання органічної речовини, інтенсивності вилуження поживних елементів відображується на продуктивності сільськогосподарських культур і лісових насаджень. Дослідження Агентства по охороні навколишнього середовища США встановили, що на кислих фунтах можна вирощувати деякі сільськогосподарські

•

культури, наприклад томати, суниці й под. Проте вплив кислих дощів більшою мірою є шкідливий, ніж корисний.

2.3. ЗАБРУДНЕННЯ ГРУНТІВ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ

Поширена увага до охорони навколишнього середовища викликала особливий інтерес до питань впливу на фунт важких металів.

З історичної точки зору інтерес до цієї проблеми пробудився з початком досліджень родючості фунтів, оскільки такі елементи, як ферум, манган, мідь, цинк, молібден, і, можливо, кобальт, дуже важливі для життя рослин і, отже, для тварин і людини. їх називають мікроелементами тому, що вони необхідні рослинам у малих кількостях. До групи мікроелементів відносять також метали, вміст яких у фунті досить високий, наприклад ферум, що входить до складу більшості фунтів і займає четверте місце в складі земної кори (5%) після кисню (46,6%), кремнію (27,7%) й алюмінію (8,1%).

Усі мікроелементи можуть впливати на рослини, якщо концентрація їх доступних форм перевищує певні межі. Деякі важкі метали, наприклад ртуть, свинець і кадмій, що, як відомо, не дуже важливі для рослин і тварин, небезпечні для здоров'я людини навіть при низьких концентраціях.

Вихлопні гази транспортних засобів, вивіз у поле "мулу станцій очищення стічних вод, зрошення стічними водами, відходи, залишки та викиди при експлуатації шахт і промислових площадок, внесення фосфорних і органічних добрив, застосування пестицидів тощо призвели до збільшення концентрації важких металів у фунті.

Доти, поки важкі метали міцно зв'язані зі складовими частинами фунту й важкодостулні, їх негативний вплив на фунт і навколишнє середовище буде незначним. Однак за умови переходу, важких металів у фунтовий розчин виникаг пряма небезпека забруднення фунтів, збільшується імовірність проникнення їх у рослини, а також в організм людини й тварин, що споживають ці рослини. Крім того, важкі метали можуть бути забруднювачами рослин і водойм у результаті використання мулу стічних вод. Небезпека забруднення фунтів і рослин залежить: від виду рослин; форм хімічних сполук у фунті; присутності елементів, що протидіють впливу важких металів і речовин, які утворюють з ними комплексні сполуки; процесів адсорбції і десорбції; кількості доступних форм цих металів у фунті й фунтово-кліматичних умов. Отже, негативний вплив важких металів залежить, власне кажучи, від їх рухливості, тобто розчинності.

2.3.1 ГРУНТОВІ ФАКТОРИ, ЩО СПРИЧИНЯЮТЬ ПРОНИКНЕННЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІ В ДО РОСЛИН

Процес проникнення важких металів до рослин — не є постійним. Він варіює в межах виду рослин, залежить від фунтових і кліматичних умов. Для кожного виду рослин концентрації важких металів можуть варіювати в різних частинах і органах, залежно від віку рослини.

До фунтових факторів, що значно впливають на ступінь доступності важких металів до рослин, належать: механічний склад, кислотна реакція (рН) фунту, вміст органічної речовини, катіонообмінна здатність і дренаж.

Механічний склад фунтів впливає на рівень закріплення важких металів і їх вивільнення, а отже у важчих фунтах менша небезпека можливої адсорбції рослинами надлишкової (токсичної) кількості важких металів.

Кислотна реакція (рН) грунту. Для того щоб який-небудь метал був абсорбований кореневою системою рослини, він має бути в розчинній формі. Гідроокиси й карбонати важких металів малорозчинні, і з підвищенням рН фунтового розчину зростає імовірність утворення нерозчинних гідроокисів і карбонатів. Існує єдина думка, що для зниження до мінімуму доступності токсичного металу в фунті необхідно підтримувати величину рН близько 6,5.

Вміст органічної речовини. Метали можуть утворювати складні й комплексні сполуки з органічною речовиною фунту, тому в фунтах з високим вмістом гумусу вони менш доступні для поглинання рослинами.

Обмінна ємність катіонів залежить в основному від вмісту й мінералогічної сполуки глинистої фракції та вмісту органічної речовини в фунті. Чим вища обмінна ємність катіонів, тим більша стримувальна здатність фунтів (у певних межах) щодо важких метрів, що виключає їх потрапляння в токсичних концентраціях у рослини, а також в організм тварин чи людини, що споживають їх.

Дренаж грунту. Надлишок води в фунті сприяє появі в ній металів з низькою валентністю в більш розчинній формі. Внесення в фунт великої кількості мулу стічних вод (більше 75— 100 т/га) може на тривалий час створити анаеробні умови, підвищити доступність важких металів. Для підтримки мінімальної розчинності важких металів мул вноситься в фунт і відразу ж зашпаровується в борозну. З цією ж метою рекомендують глибоке розпушування й періодичну культивацію слабкодренованих фунтів.

2.3.2. ГРУНТОВО-ГЕОХШІЧНІ КРИТЕРІЇ ПОТЕНЦІЙНОЇ НЕБЕЗПЕКИ ЗАБРУДНЕННЯ ГРУНТІВ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ

Хімічні елементи, присутні у земній корі, концентруються внаслідок природних геохімічних процесів, що відіфають важливу роль у регуляції хімічних реакцій і кристалізації.

Хімічні елементи можуть зустрічатися в складі земної кори у формі мономінеральних (кварц, гіпс, вапняк і т.д.) і полімінеральних (фаніт, діорит, слюдяний сланець і под.) агрегатів.

Деякі елементи накопичуються в групі осадових порід. Силіцій і Цинк концентруються в піщаниках. На Алюміній, Ферум, Калій, Барій, Торій, Бор більш багаті глини. Кальцій, Магній і Карбон накопичуються у вапняках. Поряд із Ферумом і Манганом в оксидах акумулюються Барій, Кобальт і Арсен. Елементи, що утворюють розчинні сполуки, залишаються в морській воді, накопичуються в

24

продуктах випару. До таких елементів належать: Натрій, Хлор, Калій, Магній, Сульфур.

Унаслідок процесів ґрунтоутворення кількість цих хімічних елементів змінюється. Наприклад, кількість Бору, Фтору, Брому, Йоду зменшується, а деяких інших — збільшується.

Геохімічне вивчення порід і ґрунтів показало, що кругообіг хімічних елементів у процесі екзогенезу здійснюється залежно від фізико-хімічних умов, які впливають на розчинність елементів, що вивільнилися у певному середовищі. У зв'язку з цим деякі дослідники класифікують хімічні елементи за ступенем їх розчинності (табл. 5).

Відповідно до цих властивостей хімічні елементи можуть бути в стані дисперсії чи накопичення в процесі міграції. Різні хімічні сполуки (наприклад, гідроокиси) осаджуються з розчину при певній величині рН (табл. 6).

. ■ Іабчиця 5

. Класифікація хімічних елементів залежно від деяких фізико-хімічних властивості ей