Компания Гидрострой >> Интересное о гидротехнике >> Курочкина В.А. Часть 3

 

Курочкина В.А. Часть 3

 

Часть  1 2 3 4

 

 

В третьей главе приведены задачи экспериментальных исследований, план экспериментов, методика и техника измерений.

Экспериментальные исследования выполнялись по следующим направлениям:

1. количественный и качественный анализ загрязненности донных отложений водотоков на урбанизированных территориях с оценкой с уровня их экологической опасности.

2. Исследование миграции тяжелых металлов из загрязненных донных отложений в растения, которые использовались в качестве биоиндикаторов их загрязненности.

3. Выявление факторов, определяющих интенсивность и длительность процесса вторичного загрязнения речной воды вследствие диффузии примесей из донных отложений с речную воду.

В качестве исходных объектов исследования использовались загрязненные русловые отложения р. Яузы и природные незагрязненные грунты однородной консистенции (плодородные почвы), а также их смеси в весовых соотношениях от 34 % до 79 %. Таким образом, было исследовано 56 грунтов и грунтовых смесей.

Пробы грунта анализировались согласно РД 52.18.191-89.

Поскольку наиболее опасными загрязнителями являются со-единения тяжелых металлов, программой экспериментальных исследований предусматривалось определение 9 элементов, в том числе: кадмий, кобальт, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, хром и цинк. Таким образом, было выполнено 1008 элементо-определений содержания тяжелых металлов в грунтах и грунтовых смесях.

В экспериментах определялись концентрации валовых и подвижных форм тяжелых металлов, отличающиеся процедурой пробоподготовки. Для определения валового содержания соединений тяжелых металлов пробоподготовка производилась с использованием микроволнового разложения с добавлением концентрированной азотной кислоты в системе «Марс Экспресс СЕМ». Подвижные формы тяжелых металлов извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4,8.

Характерным загрязнением для водотоков на урбанизированных территориях являются также нефтепродукты. Для определения содержания нефтепродуктов использовался экспрессный вариант ИК-спектрометрического анализа, разработанный для бензинов и автола.

Для оценки экологической опасности загрязненных отложений изымаемых при очистке речных использовалось биотестирование. В качестве тестовых биообъектов использование злаковых культур (пшеницы, ржи, ячменя овса и проса), пасленовых (томатов), а также однолетние травянистые растения семейства тыквенных (тыкв).

Методикой предусматривалось сопоставление темпов роста растений, выращенных на смесях грунта с донными отложениями, а также оценка миграции тяжелых металлов в растения и установление характера их влияния на темп роста и жизнеспособность растений. Растения выращивались в лабораторных условиях на грунтах и грунтовых смесях с различным содержанием загрязняющих примесей, которое подвергалось контролю. Опыты по выращиванию растений производились в течение трех недель, после чего растения срезались, высушивались и озолялись. Определение тяжелых металлов в растениях производилось с использованием атомно-абсорбционного метода после кислотной экстракции их из золы в соответствии с методикой, разработанной НИИ минерального сырья.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований:

• по установлению загрязненности донных отложений в водотоках на урбанизированных территориях и степени их экологической опасности;

• сопоставлению темпов роста растений, выращенных на смесях грунта с донными отложениями;

• выявлению миграции соединений тяжелых металлов в растения (тестовые биообъекты) из грунтовых смесей с различ-ным процентным содержанием добавок загрязненных донных отложений;

• изучению диффузии примесей из загрязненных донных отложений в водные массы в статических условиях и при движении воды с различной скоростью, а также в условиях воздействия фильтрации.

В связи с отсутствием предельно допустимых концентраций (ПДК) для оценки степени загрязненности донных отложений установленные опытным путем концентрации тяжелых металлов сопоставлялись с их ПДК для почв и водных объектов культурно-бытового назначения, а так же с опытными данными по концентрации тяжелых металлов в донных отложениях, полученными другими авторами (Янин, 2006). Установлено, что содержание ТМ в донных отложениях в водотоках на территории г. Москвы в 100...1000 раз превышает ПДК для воды (рис. 2).

Рис. 2. Отношение содержания ТМ в донных отложениях к ПК примесей в воде, мг/кг

В результате было зафиксировано в среднем пятикратное превышение содержания ТМ в донных отложениях по отношению к уровню фонового загрязнения почв г. Москвы.

На основе исследования загрязненности и экологической опасности донных отложений, полученных данных по содержанию ТМ, загрязненные донные отложения базового водного объекта , которые использовались для анализов и выращивания растений, можно отнести к классу сильно загрязненных донных отложений, которые подлежат удалению, переработке и утилизации с применением специальных защитных мероприятий.

Выполненные анализы по содержанию подвижных форм со-единений тяжелых металлов в загрязненных донных отложениях и грунтовых смесях показали, что их доля по отношению к валовому содержанию составляет от 10 до 20 %, и только для цинка достигает 40 %. Установлено также, что содержание подвижных форм в грунтовых смесях возрастает с увеличением доли загрязненных отложений.

В пятой главе. представлены результаты экспериментальных исследований миграции примесей в системе «грунт – вода».

Процессы деструкции примесей в донных отложениях приводят к образованию высококонцентрированных поровых растворов, которые диффундируют в речную воду и вызывают ее вторичное загрязнение. Лабораторные исследования массообменных процессов между донными отложениями и водной массой производились в статических условиях, а также в кольцевом канале при движении воды над слоем отложений с различной скоростью при числах Рейнольдса от 42240 до 85200. Толщина слоя отложений составляла 40 мм, глубина водного потока 60 мм.В качестве модельных примесей в опытах использовались растворы поваренной соли и нефтепродукты (смеси бензина и автола). Исследования миграции примесей из донных отложений в водную массу производились  также в условиях фильтрации через грунтовый массив при различной крупности частиц грунта. Обработка результатов измерений производилась на основе закона Фика (6)

где Спр – предельная концентрация примеси в слое грунта; С – концентрация примеси в воде; S – площадь поверхности контакта воды с донными отложениями; δ – толщина диффузионного слоя; t –время; Dм – коэффициент молекулярной диффузии примеси.

Обработка приведенных данных показала, что крупность зерен грунта, изменяющаяся в пределах от 0,63 мм до 0,07 мм, при отсутствии фильтрации не оказывает заметного влияния на процесс переноса примесей. Это объясняется молекулярным характером процесса диффузии. Было определено время установления равновесной концентрации в системе «грунт – вода», которое в статических условий эксперимента может  определяться по полученной зависимости (7)

где hв – глубина водной массы; Wв, Wн  – объем жидкой фазы выше и ниже границы раздела «грунт – вода».

Исследования переноса примесей из отложений в воду в условиях ее движения показали, что он существенно интенсифицируется с увеличением скорости водного потока (рис. 3).

  

Рис. 3. Зависимость интенсивности переноса примесей от скорости водного потока

Была получена следующая формула для описания этой зависимости (8)

где j – удельный  секундный поток примесей  из отложений в воду; ΔC – разница концентраций содержания примесей в грунте и воде;  α – -коэффициент, характеризующий неравномерность распределения скоростей; ν – кинематическая вязкость воды;        u0  – скорость водного потока; D – коэфф диффузии.

Полученное выражение (8) может быть использовано при прогнозировании вторичного загрязнения водных потоков, движущихся с различной скоростью.

Исследования диффузии нефтепродуктов из загрязненных донных отложений в водную массу показали, что интенсивность процесса диффузии зависит от типа грунта. Так для мелкозернистых песков содержание нефтепродуктов в поверхностном слое уменьшилось на 30 % в течение 10 суток контакта «вода – грунт». Установлено, что процесс переноса примесей из слоя загрязненных отложений существенно ускоряется в условиях фильтрации (разгрузки) грунтовых вод в речное русло (рис. 4).

При этом коэффициент диффузии примеси Dф возрастает с увеличением крупности зерен грунта d и скорости инфильтрации uф (9)/

Формулы 6-9:


Полученные результаты относительно влияния фильтрации грунтовых вод на перенос примесей из донных отложений в водную массу указывают на необходимость учета этого фактора при прогнозировании вторичного загрязнения речной воды.

  

Рис. 4. Влияние крупности частиц на процесс переноса в условиях инфильтрации

 В шестой главе приведены результаты сравнительных исследований характера и темпа роста тестовых растений, которые показали, что характер и темп роста для всей группы тестируемых растений изменяется во времени практически одинаково. Для всех растений наибольший темп роста наблюдается в течение первых пяти дней вегетации (рис. 5).

Результаты опытов биотестирования показывают, что добавка загрязненных донных отложений в грунт в количестве 12...15 % по весу оказывают положительное воздействие на рост растений. С увеличением добавки свыше 20% темп роста растений уменьшается.

  

Рис. 5. Влияние добавок загрязненных донных отложений на рост растений

(на примере проса)

 Установлено, что уровень содержания тяжелых металлов в тестовых растениях во всех случаях оказался значительно ниже ПДК, для растений. Это обстоятельство возможно связано с ограниченным сроком выращивания опытных растений, который не превышал 30 суток. Тем не менее, это обстоятельство открывает обнадеживающие перспективы использования загрязненных русловых отложений Результаты выполненных исследований и полученная база данных по миграции загрязняющих примесей из донных отложений в речную воду и в тестовые растения свидетельствуют о том, что для улучшения экологического состояния водных объектов на урбанизированных территориях необходимо удаление загрязненных донных отложений, которые могут быть использованы в качестве 15-20% добавок в грунты, используемые в лесном хозяйстве, с/х производстве и при ландшафтно-планировочных работах в строительстве с соблюдением нормативов экологической безопасности

В ряде случаев возможна передача загрязненной иловой компоненты удаляемых иловых отложений на городские очистные сооружения после выделения песчаных фракций, которые могут быть использованы в строительстве и городском хозяйстве. 

 

 

Часть  1 2 3 4