Короткі теоретичні відомості. Екомоніторинг забруднення ґрунту

Лабораторна робота 8

Екомоніторинг забруднення ґрунту

8.1 Мета роботи. Вивчити джерела забруднення, основні забруднювачі ґрунту, їх екомоніторинг та експериментально визначити рівень забрудненості ґрунту з розра­хунком концентрації превалюючого забруднювача.

Короткі теоретичні відомості

Ґрунт – це поверхневий шар земної кори, який сформувався сумісною дією клімату, рослинності, ґрунтових організмів. Глибина цього шару може коливатися від декількох мм на сучасних скельних ґрунтах до 10 км. Із гігієнічної точки зору найбільше значення має орний шар, так як з його поверхнею контактує людина (ґрунтове повітря, ґрунтовий пил), вирощуються сільськогосподарські рослини, які вживаються в їжу. Однак великий інтерес має і шар ґрунту, який розташований до першого водотривкого горизонту. Від його хімічного складу залежить якість підземних вод.

Ґрунт – система, яка керує обміном речовин у природі, основа процесу трансформації сонячної енергії, оскільки він приймає участь у фотосинтезі рослин, які акумулюють колосальну кількість сонячної енергії, зв’язаній у масі рослинної органічної речовини, наземна рослинність акумулює біля 0,5· 10¹⁵ кВт/рік енергії. Ґрунт не тільки трансформує енергію, але й формує якість основних джерел господарсько-питного водопостачання, до яких відносяться ґрунтові води, а також води рік озер та водосховищ.

Хімічні сполуки, що знаходяться у ґрунті, змиваються з його поверхні у відкриті водойми або мігрують у глибину ґрунту. За хімічним складом ґрунтових вод можна судити про хімічний склад ґрунту. В підземні води вимиваються як ендогенні хімічні речовини (властиві для типу даного ґрунту), так і екзогенні (штучно створені та перерозподілені людиною). До останніх належать пестициди, мінеральні добрива, солі важких металів і т. і.

Концентрація шкідливої речовини (ШР) на глибині "х" за час t – С_х,t при одноразовому надходженні в грунт складає:

С_х,t = (Q / )·e^{–х /4Dt} (8.1)

D - коефіцієнт дифузії, мг/(см²·с); Q- кількість ШР на поверхні ґрунту: х, см; t, діб. При Q=0,02 мг/см² (пестицид), D=1,45·10^–5 мг/(см²·с), t=90 діб, х=50 см і з перерахунком на 1 кг ґрунту:

С@0,0125 мг/кг.

Схильність екзогенних ШР до кумуляції і міграції за харчовими ланцюгами призводить до того, що риба, молюски, ракоподібні, які концентрують в собі значну кількість ШР, можуть бути причиною отруєння людей (хвороба Мінамато нагадує тяжкий енцефаліт, причина – забруднення води Нg-органічними сполуками; або “ітай-ітай” – різке зменшення розмірів кісток, дуже сильні болі, причина – підвищена концентрація кадмію у питній воді). Обидві хвороби не лікуються дотепер, від них загинуло багато людей.

Дуже чутливі до надлишку міді в ґрунті – злакові, цитрусові і бобові культури (максимальні токсичні концентрації складають відповідно 10, 23, 32 мг/кг сухої біомаси).

Встановлено зв’язок між високим вмістом цинку в ґрунті і частотою захворювання на рак шлунку, між підвищеною концентрацією молібдену у ґрунті і раком стравоходу. Забруднення ґрунту бластомогенними (канцерогенними) речовинами спостерігається на значних відстанях ( до 15 км) від джерела i глибинах (до 1,5 м). Тому виникає небезпека забруднення ґрунтових вод. Основні джерела забруднення ґрунту та його деградація внаслідок такого забруднення наведена в таблицях 8.1, 8.2. Дуже небезпечні з них - це вихлопні гази, які містять свинець і 3,4-бенз(а)пірен. Тому овочі, злаки, iнші рослинні продукти, які вирощують біля автомагістралей мають підвищену концентрацію (на 1-1,5 порядку) цих токсичних речовин. РЬ викликає хронічні захворювання головного мозку, особливо у дітей, діє на репродуктивну функцію, а також має мутагенний характер.

Разом з тим вміст свинцю в навколишньому середовищі все збільшу ється: в пилу тротуарів вже знаходять стільки свинцю, скільки його міститься у бідних РЬ-рудах. Взагалі у ґрунті міститься 4·10^–3% свинцю, але в рослинах накопичується РЬ на 2-3 порядки більше (особливо в рослинах у автодоріг). Але зростання концентрації РЬ в рослинах відбувається в більшій мірі за рахунок повітря, в порівнянні з ґрунтом. Багато свинцю поглинають коренеплоди, особливо картопля, буряк. морква не поглинає РЬ зелена цибуля.Великої шкоди завдають забруднення пестицидами (гербицидами - для боротьби з бур’яном, інсектицидами - для боротьби з шкідливими комахами, фунгіцидами для боротьби з грибковими). Це хлор-, ртуть-, фосфорорганічні речовини. Дуже шкідливі хлорорганічні поверхнево-активні речовини, деякі з них, наприклад симазин, лінурон заборонені до застосування, накопичені у великих кількостях на складах сільгоспідприємств і потребують термінової утилізації [22-24].

Тому важливо нормування вмісту хімічних речовин у ґрунті – ГДК_гр. ЇЇ величина визначається на основі декілъкох лімітуючих показників шкідливості (ЛПШ):

1. Транслокаційний показник (Т) - характеризує накопичення ШР у рослинах.

2. Міграційний повітряний показник (МА) - характеризує накопичення ШР в атмосферному повітрі.

3. Міграційний водний показник (МВ) - характеризує накопичення ШР у воді.

4. Загально-санітарний (ЗС) показник - враховує вплив ШР на процеси
самоочищення ґрунту. Тут дуже важлива хімічна стійкість, стабільність ШР (за основним критерієм –часом (діб)) зменшення концентрації ШР на 90-99%. Якщо t< 5-7діб, ШР- не леткі і продукти деструкції ШР не є токсичними, то цей показник не враховується. Це означає, що ШР досить легко піддається біодеградації.

5. Санітарно-токсикологічний показник шкідливості (СТ) - характеризує ступінь токсичності ШР.

В окремих випадках враховується ще один ЛПШ – фітотоксичний.

Знаючи всі ЛПШ, вибирають з них мінімальний показник, який
і буде лімітуючий (він позначається у таблицях ГДК_гр).
Якщо ГДК_гр. відсутній, розраховують орієнтовно допустиму концентрацію ОДК_гр:

ОДК_гр= 1,23 + 0,48 lgГДК_пр (8.2)

При відсутності ГДК_пр оцінюютьОДК_пр:

ОДК_пр=0,13·10^–2ЛД₅₀ + 0,76 (8.3)

Для Р–органічних пестицидів: ОДК_пр=1,45ГДК_в + 0.68 (8.4)

Cl –органічних: ОДК_пр=2,2ГДК_в + 0.33 (8.5)

Класифікацію небезпеки хімічних речовин в ґрунту проводять за індексом небезпеки J:

J=lg[(A ^. S)/(a ^. M ^. ГДК_гр)] (8.6)

де А – моль атомів елементу (атомна маса); S – розчинність у воді сполуки, мг/л; a – середнє арифметичне з 6 показників ГДК_пр – в продуктах (м’ясо, риба, молоко, хліб, овочі, фрукти), мг/кг; М – мольна маса речовини, мг/моль молекул; ГДК_гр (по елементу), мг/кг .

За J визначають клас небезпеки ШР:

Характер небезпеки	Клас небезпеки	J
Високо небезпечні	І	>4.1
Небезпечні	ІІ	2.6...4.1
Мало небезпечні	ІІІ	0.1...2.5
Безпечні	ІV	<0.1

Оцінку забрудненості ґрунту проводять за ГДК_г, з врахуванням лімітуючих показників шкідливості, а також за сумарним показником забрудненості ґрунту – Z_c.

(8.7)

де К_с – коефіцієнт концентрації ШР (дивись табл. 8.4):

(8.8)

Встановлено чотири категорії забрудненості ґрунту (табл. 8.5).

Ступінь небезпеки відходу встановлюють за індивідуальними та сумарними індексами токсичності. Індивідуальні індекси токсичності розраховують за формулою:

(8.9)

де С_ві – вміст даного компоненту в тонах в одній тоні відходу ,т/т

S_i – коефіцієнт, який характеризує розчинність компоненту у воді визначають діленням розчинності речовини (г/100 Н₂О) на 100, приймає значення S=0…1

Сумарний індекс токсичності :

(8.10)

де n – кількість вибраних найбільш токсичних забруднювачів з

мінімальними значеннями. К_i(n£3).

При цьому К₁<К₂<К₃ а 2 К₁³ К₃. Якщо ця нерівність виконується то К_S знаходять за 3-ма показниками К_1, К₂ та К₃, якщо 2К₁<К₃ – то за 2 показниками, K₁ та К₂ (тобто n=3 або n=2).

При відсутності ГДК_гр розрахунок проводять за ЛД₅₀:

(8.11)

де F_i-коефіцієнт летючості компонента, визначають діленням тиску насиченого пару компонента (при Т=25⁰С) на 760 (F_i=0…1). F визначають тільки для речовин з Т_кип<80⁰C при 760 мм рт. ст.

За К_S за таблицею (табл. 8.6) визначають клас токсичності відходу. Треба вважати, що захороненню підлягають відходи 2–4 класу небезпеки. Відходи 1 класу зберігаються (знешкоджуються) на самому підприємстві.

Таблиця 8.6 – Клас токсичності відходів та базові нормативи плати по охороні ґрунту (за розміщення відходів у навколишньому природному середовищі)

Забруднення ґрунту в основному пов’язане із забрудненням повітря та водойм, тому необхідно першочергово передбачити якісну очистку повітря і стічних вод від ШР.

Основними заходами з охорони ґрунту є:

1) удосконалення методів очистки повітря;

2) удосконалення методів очистки стічних вод;

3) утилізація відходів;

4) використання технологій, які наближаються до маловідходних;

5) виключення стадій технологічного процесу, на яких утворюється максимальна кількість токсичних відходів;

6) перехід на водооборотне водопостачання;

7) будівництво територіально-виробничих комплексів, де відходи одного підприємства були б сировиною для другого;

8) науково обґрунтована регламентація внесення в ґрунт мінеральних добрив та отрутохімікатів;

9) регенерація, рекультивація та рекуперація вже втрачених земель;

10) організація спеціальних полігонів, де здійснюється централізоване збирання, знешкодження та поховання відходів.

Експериментальна частина

8.3.1 Якісний аналіз ґрунту

Візьміть пробу ґрунту (5-10 г), додайте до нього 20-25 мл дистильованої води, добре розмішайте, i профільтруйте за допомогою складчатого фільтру.

Ø Проведіть аналіз фільтрату на наявність неорган1чних, орган1чних забруднювачів (за вказівкою викладача) за схемою:

Визначіть рН розчину за допомогою ун1версального індикаторного паперу i відмітьте колір фільтрату. Зроб1ть висновки щодо попереднього дослідження якісного складу ґрунту, майте на увазі, що низький рН (0...2) може свідчити про наявність неорган1чних забруднювачів: Ві³⁺ ,Sn³⁺ (особливо, якщо розчин безкольоровий). Жовтий кол1р розчину та рН 2...3 може вказувати на наявність забруднення ґрунту зал1зом (Fe³⁺). Блакитний колір може означати, що в ґрунті є мідь (Cu²⁺), салатовий (світло-зелений) – Ni²⁺, рожевий – Cо²⁺, дуже слабо-рожевий – Mn²⁺, зеленкуватий – Cr³⁺ і т. і. Складіть таблицю попереднього дослідження забруднювачів (табл. 8.7).

Висновок: в ґрунті присутні такі забруднювачі – NH₄⁺; Сu²⁺, SO₄^2–. Реакції, за допомогою яких знайдені забруднювачі:

NH₃+2[HgI₄]^2–+3OH^– ® [Hg₂ONH2]I_¯+7I^–+2H₂O

2Cu²⁺+4I^–=Cu₂I_2¯+I₂

Ba²⁺+SO₄^2–=BaSO₄

3. Для визначення органічних забруднювачів, наприклад, формальдегіду бажано провести якісну реакцію "срібного дзеркала": до аміачного розчину нітрату срібла ( 2-3 краплі) додаємо 2-3 краплі досліджуваного розчину. Про наявність формальдегіду свідчить сріблястий осад (срібло) . Кількість СН₂О у водній витяжці ґрунту визначають також за методикою, наведеною в лабораторній роботі 3.

8. 3. 2. Кількісний аналіз ґрунту

Візьміть пробу ґрунту ( 1-2 г) на аналітичних терезах (з точністю до 4-5-го знаку після коми), додайте 20-25 мл дистильованої води, добре перемішайте і профільтруйте за допомогою складчатого фільтру, декілька разів (2-3) промийте його 10-15 мл дистильованої води. Кількісно перемістіть фільтрат в мірну колбу на 100 мл (краще фільтрувати в мірну колбу ) і доведіть дистильованою водою до мітки. Добре перемішайте вміст колби і беріть з неї розчин піпеткою (10-20 мл) на аналіз забруднювача (за вказівкою викладача).

Ø Аналіз NH₄⁺. Додайте до 10-20 мл досліджуваного розчину в колбі Ер-ленмейера (конічна колба на 100-200 мл) 1-2 краплі індикатору метилрот та титруйте розчин в колбі розчином Н₂SO₄ (НСІ) точної концентрації, приливаючи його по краплям із бюретки до зміни кольору розчину від жовтого до рожево-помаранчового. Розрахунок ведіть за формулою:

а=N·V·Е, мг (8.12)

N – нормальність кислоти; V – об’єм кислоти, що пішов на титрування, мл; Е – еквівалентна маса NH₃.

Для розрахунку, кількості NH₃ в 100 мл розчину "а" треба помножити відповідно на 10 (для 10 мл) або на 5 (для 20 мл досліджуваного розчину). Розрахуйте концентрацію NH₃ в ґрунті (мг/кг), наприклад:

СNH₃=5а·1000/m, мг/кг(8.13)

m – наважка ґрунту, г ; 5- для 20 мл досліджуваного розчину.

Ø Аналіз водної витяжки ґрунту на наявність Cu²⁺ проводимо йодометричним методом чи фотоелектроколориметричним методом (див. лабораторну роботу 2).

Ø Аналіз Fe²⁺ проводять редоксиметрією-перманганатометрією. До 25 мл
(піпетка!) дослідженого розчину (з мірної колби на 100 мл) додають 5-10
мл Н₂SO₄ (1:4) і титрують перманганатом із бюретки до блідно-рожевого
кольору, який не зникає протягом 30 с. Розрахунок проводимо за формулою:

а=4·T·V·1000/m , мг/кг (8.14)

Т – ТKMnO₄/Fе =(N·Е)/1000 = 0,02·55,85/1000=0,001117 г/мл; V – об’єм KMnO₄, що пішов на титрування, мл; N – нормальність KMnO₄, N=0,02, Е=55,85, m – наважка ґрунту, г.

Кількість Fе²⁺ можна визначити і хроматометрією. Для чого до 25 мл розчину (піпетка!) в колбі Ерленмейера на 250 мл додають 5-10 мл Н₂SO₄ (1:4) і 1-2 краплі дифеніламіну. Tитруємо із бюретки 0,1 N К₂Cr₂O₇ до зеленого кольору. Додаємо 20 мл 30% H₃PO₄ і титруємо до синьо-фіолетового кольору. Розрахунок проводимо за формулою:

а=4·N·V·E_Fe·1000/m, мг/кг (8.15)

NК₂Cr₂O₇=0,1; V – об’єм К₂Cr₂O₇, що пішов на титрування, мл;

m – наважка ґрунту, г, Е=55,85.

Таблиця 8.1- Результат попереднього дослідження

Колір розчину	pH	Попередні висновки
Безбарвний		Присутні катіони та аніони 1-4 групи
Блакитний		Можлива присутність Cu^2+
Жовтий		Fe^2+; Fe^3+

Таблиця 8.2 – Якісний аналіз грунту

Що досліджується	Операція	Спостереження	Висновок
Фільтрат, окрема проба.	Виявлення катіонів Zn	Поява жовто-коричневого осаду	Zn-присутній
Фільтрат, окрема проба.	Виявлення міді	Поява синього кольору	Cu присутній
Фільтрат, окрема проба.	Появлення кольору	Поява синього кольору	Fe присутній

8.4 Висновки:Експериментально визначена забрудненість ґрунту. За якісним аналізом встановлено, що ґрунт містить такі забруднювачі: Zn^2+; Cu^2+; Fe^3+.