ТЕМА 12. ХІМІЧНЕ ЗАБРУДНЕННЯ ГРУНТІВ.

1. Загальні уявлення про забруднюючі речовини ґрунту.

Zc= Кс – (n-1)

де: Кс – коефіцієнт концентрацій, що дорівнює частці від ділення вмісту забруднювача в верхньому шарі ґрунту на його фоновий вміст;

п – число забруднювачів (цей показник також має недоліки, оскільки не враховує можливості синергічної і антагоністичної їх взаємодії у ґру- нтовому середовищі.

З екологічної точки зору важлива не тільки токсичність речовини, але і їх здатність мігрувати або накопичуватися в ґрунтах і рослинах, впливаючи на як- ість і харчову цінність продуктів.

2. Види забруднюючих речовин, джерела їх надходження у ґрунт.

Загальнопланетарне техногенне надходження діоксиду сірки в атмосферу становить в середньому 140 - 290 млн. т на рік, причому її викиди в недалекому майбутньому можуть збільшитися в 3-5 разів. Більше половини обсягів викидів сірки в атмосферу забезпечується відходами паливної промисловості. На металургійну промисловість припадає до 25% від загального надходження, ще близько 20% припадає на транспорт, хімічну і переробну промисловість.

2.     Забруднення ґрунтів важкими металами

До важких металів відносять більше 40 хімічних елементів, маса атомів яких перевищує 50 атомних одиниць. Серед металоїдів в складі забруднюючих речовин знаходять As, Sb, Se, В, Мо. Найбільш потужними постачальниками ві- дходів, збагачених важкими металами, є підприємства з виплавки кольорових металів (алюмінієві, глиноземні, мідно-цинкові, свинцево-плавильні, нікелеві, титаномагнієві, ртутні та ін.), а також з переробки і використання кольорових металів (радіотехнічні, електротехнічні, приладобудівні, електротехнічні та гальванічні).

Під впливом збагачених металами викидів, переважно на регіональному та локальному рівнях, формуються ареали забруднення ландшафтів. Загальна кіль- кість забруднюючих речовин, що містяться у викидах в атмосферне повітря, осі- дає на ґрунтах у радіусі переважно до 5км від джерела забруднення. Практично скрізь у містах загальним джерелом забруднення ґрунтів важкими металами є підприємства чорної і кольорової металургії, теплоенергетики, а також викиди відпрацьованих газів від автотранспорту. Ґрунти є природними накопичувачами важких металів у навколишньому середовищі та основним джерелом забруднення суміжних середовищ, включно з вищими рослинами. Близько 90% важких металів, що потрапили в довкілля, акумулюються саме ґрунтами.

Аналізуючи сільськогосподарські джерела забруднення біосфери, слід від- значити вплив не тільки домішок, присутніх в добривах, а й самих діючих речовин, розпорошення яких в екосистемі супроводжує їх корисну дію. Підраховано, що з 23 млн. т азоту добрив внесених у ґрунт на планеті, з урожаєм виноситься половина або 12 млн. т, третина потрапляє в атмосферу, а десята частина попадає в поверхневі і підґрунтові води. Надходження азотних сполук з ґрунту в атмосферу - це не лише економічні втрати, але й пряма загроза озоновому шару пла- нети і внесок в парниковий ефект.

Забруднення ґрунтів відбувається при надходженні в навколишнє середо- вище техногенних сполук в будь-якому фазовому стані. В цілому на планеті пе- реважає аерозольне забруднення, за якого найбільш великі частки > 2 мкм випа- дають на відстані кількох кілометрів від джерела забруднення, формуючи зону з максимальною концентрацією полютантів. Частинки менших розмірів можуть переміщуватися на відстані кількох десятків кілометрів.

Розподіл в ландшафті техногенних металів і металоїдів, які надійшли атмосферним шляхом, залежить від відстані від джерела забруднення, рози вітрів, рельєфу місцевості, технологічних показників підприємства та стану відходів.

Акумуляція основної частини забруднюючих речовин спостерігається переважно в гумусово-акумулятивному ґрунтовому горизонті. Зв'язуються вони органічною речовиною, глинистими мінералами та колоїдами півтораокислів за рахунок різних реакцій взаємодії. Частина їх утримується цими компонентами міцно і не тільки не бере участь в міграції по ґрунтовому профілю, але і не являє небезпеки для живих організмів.

Кількість поглинених елементів і міцність їх утримування ґрунтами зале- жать як від властивостей елементів, так і ґрунтів. Вплив цих властивостей на по- ведінку металів і металоїдів має загальні та специфічні закономірності.

3.     Забруднення ґрунтів залишками пестицидами.

Пестициди - це хімічні речовини, призначені для знищення шкідників сільського господарства, бур'янів та засмічуючої рослинності. До цієї ж групи відносять і десиканти – хімічні препарати, які використовують для обезводнювання рослин, прискорення їх дозрівання та поліпшують умови збирання врожаю. Світовий асортимент пестицидів нараховує більше 100 тис. найменувань, річне виробництво пестицидів в світі перевищує 2 млн. т. Вони застосовуються в широких масштабах для боротьби зі шкідниками та хворобами сільськогосподарських рослин і деревних насаджень, для знищення кровосисних паразитів тварин і лю- дини. Висока економічна ефективність цих речовин обумовлює неухильне зрос- тання їх застосування, особливо в інтенсивних технологіях, де гербіциди, напри- клад, знижують засміченість полів на 70−95%. Втрати врожаю за рахунок вико- ристання хімічних засобів захисту рослин знижуються в 2 - 3 рази.

Стійкість залишкових пестицидів до розкладання залежить від структури речовин, що входять до їх складу, і від впливу природних умов: температури, властивостей ґрунту, ґрунтової біоти. До найбільш стійким відноситься біль- шість хлорорганічних пестицидів, які можуть зберігатися у ґрунті 18 місяців і більше. Карбонові, карбамінові кислоти та їх похідні менш стійкі.

Швидкість розкладання пестицидів залежить не тільки від властивостей препарату, а й від температури і вологості ґрунтів. Наприклад, симазин в жар- кому і вологому кліматі може розкластися за 5-6 місяців, а в менш сприятливих умовах він зберігається протягом 2-3 років. Вплив кислотно-основних умов, вмісту гумусу, гранулометричного складу носить нелінійний характер. Так, висока сорбційна здатність ґрунтів знижує швидкість деструкції пестицидів. У той же час гумус, вміст якого збільшує сорбційну здатність ґрунту, може грати і каталітичну роль, підвищуючи швидкість розкладання пестицидів.

4.     Забруднення ґрунтів нафтою і нафтопродуктами.

Процес видобування нафти і її первинна переробка на промислі призводить до всезростаючого забруднення навколишнього середовища через великі масш- таби використання і високий попит на паливо. Щорічний світовий видобуток си- рої нафти становить понад 2,5 млрд. т та продовжує зростати щорічно на 5 %. При видобутку, транспортуванні, переробці і використанні нафти і нафтопроду- ктів втрачається 1-2% від загального їх видобутку.

Нафта це сума більш ніж 450 різних речовин, переважно вуглеводів з різ- ними молекулярними масами і різними властивостями. В рідких вуглеводнях ро- зчинені тверді і газоподібні, які нерозчинні у воді.

Екологічні наслідки забруднення ландшафту нафтою і нафтопродуктами залежить від їх властивостей, а особливо від співвідношення легких і важких фракцій. Летючі фракції володіють підвищеною токсичністю до ґрунтових орга- нізмів, але дія їх короткочасна. Важкі фракції нафти малорухомі і можуть ство- рювати в ґрунтах стійкі осередки забруднення. Багаті смолами і парафінами ком- поненти нафти закупорюють пори і проміжки ґрунту, скріпляють часточки ґру- нту та сприяють його цементації. Вони погіршують водно-фізичні властивості ґрунту і порушують його вологообмін. Обволікаючи коріння рослин, важкі фра- кції нафти знижують надходження в них вологи.

5.     Радіоактивне забруднення ґрунтів.

Під радіаційним забрудненням розуміють знаходження в ґрунті радіоактив- них речовин, вміст яких перевищує рівень встановлений стандартами, нормами і правилами радіаційної безпеки. Радіоактивне забруднення ґрунтів у нинішніх умовах розглядається як самостійний тип хімічного забруднення, що має специ- фічні особливості і впливи.

Віднесення радіоактивно забруднених ґрунтів до деградованих базується на значній втраті можливостей виробляти на них доброякісну сільськогосподарську продукцію. Рівень радіоактивного забруднення ґрунту (штучне підвищення його радіоактивністю) визначається природною радіоактивністю (такими радіо- нуклеотидами як ⁴⁰К, ²²⁶Ra,²³²Th), так техногенними радіонуклідами.

Ґрунт як природне утворення, містить у своєму складі радіоактивні елеме- нти природного походження. Природною радіоактивністю володіють насампе- ред уран і торій, що зустрічаються в складі руд і мінералів. Ґрунт як продукт взаємодії великого геологічного і малого біологічного колообігів речовин і ене- ргії в літосфері має відповідну фонову радіоактивність, яка викликається крім урану, торію та супутніх їм елементів також наявністю радіоактивного калію та елементів космічного випромінювання, насамперед вуглецю.

Джерелами інтенсивних забруднень найчастіше стають підприємства яде- рнопаливного циклу. До трагічних наслідків призвела катастрофа на Чорно- бильській атомній електростанції в 1986 році. Радіоактивного забруднення за- знали території практично всього Північної півкулі, але найбільшою мірою від аварії постраждали Україна, Білорусь і центральні райони Росії. Ступінь забруд- нення виявилася максимальною поблизу епіцентру аварії і сильно залежала від атмосферної циркуляції в момент аварії. Більшість радіоактивного матеріалу осіла в 30-кілометровій зоні навколо ЧАЕС, проте окремі території забруднилися на відстані 3000 км від місця аварії.

3. Заходи із запобігання забруднення ґрунтів і їх ремідіація.

Очищення забруднених ґрунтів потребує комплексного підходу до вирішення і можливе лише за поєднання правових, організаційних і технологічних заходів в одну дієву систему охорони і раціонального використання ґрунтів. Така система повинна включати як попереджувальні (профілактичні) заходи, що запобігають потраплянню забруднювачів у ґрунти, так і технологічні прийоми їх ефективного очищення від токсичних речовин.

Поєднання цих двох напрямів боротьби з забрудненням ґрунтів передбачає запровадження ефективного нормативно-правового регулювання використання земельних ресурсів, технологічного переоснащення підприємств, перехід їх на ресурсозберігаючі і безвідхідні технології, нормування надходження токсичних речовин з викидами, пестицидами, меліорантами, добривами, запровадження передових технологій очищення ґрунтів, ефективного еколого-токсикологічного контролю довкілля.

Основні принципи правової охорони ґрунтів від забруднення викладені у Земельному Кодексі України, відповідно з якими, забороняється господарська та інша діяльність, що зумовлює забруднення земель і ґрунтів понад встановлені граничні допустимі концентрацій небезпечних речовин. Нормативи гранично допустимих концентрацій небезпечних речовин у ґрунтах, а також перелік цих речовин мають запроваджуватися спеціально уповноваженими органами виконавчої влади у галузі охорони здоров’я та санітарного нагляду, екології та природних ресурсів.

Передбачена також відповідальність винних у забрудненні, засміченні чи псуванні ґрунтів. Кодекс України про адміністративні правопорушення передбачає, що спеціально уповноважені органи виконавчої влади в галузі охорони земель у разі виявлення фактів забруднення ґрунтів небезпечними речовинами мають ужити заходів до обмеження, тимчасової заборони чи припинення діяльності підприємств, установ, організацій незалежно від форм власності, притягнення винних до відповідальності згідно із законом і проведення в установленому по- рядку робіт із дезактивації забруднених земель, консервації угідь та визначення їх цільового використання.

Залежно від масштабу і характеру забруднення можливі два основних напрямки санації ґрунтів: видалення верхнього шару ґрунту для зберігання у відведених місцях або для переробки на спеціальних установках і руйнування шкідливих речовин різними способами безпосередньо на місці. Відзначимо, що відомі методи іммобілізації забруднень в ґрунті, наприклад цементування окремих ділянок, їх обвалування та ін., часто розглядаються як способи очищення територій, ними не є, оскільки не забезпечують видалення шкідливих речовин. Способи очищення ґрунтів від забруднень можна розділити на фізичні, хімічні, фізико-хімічні та біохімічні.

Фізичні методи передбачають видалення верхнього шару ґрунту з забруднених територій на захоронення або в спеціально відведені місця. До них слід віднести всі варіанти промивання з розчиненням забруднювачів в відмиванням у рідини (воді).

Хімічні методи включають термічні способи, процеси вилуговування, зв'язування забруднювачів в комплексні з'єднання і т.д. Термічні способи використовують для видалення органічних речовин і деяких кольорових металів, хімічної стабілізації ґрунтів. Їх реалізують в різних варіантах: нагрів на повітрі, у ва- куумі, піроліз та ін.

Нагрівання на повітрі застосовують для земель, забруднених нафтою, маслами, бензином, галогеновмісними та іншими органічними сполуками. Термообробка зазвичай полягає у витримці матеріалу при 700−800 ° С з вигорянням вуглеводнів.

Біохімічні методи очищення ґрунтів стають все більш популярними в Єв- ропі і США. У Німеччині понад 50 компаній, а в США ще більше їх число пропонують такі послуги. Ці методи в даний час включають застосування бактерій у поєднанні з вентиляцією ґрунту повітрям або киснем (біовентилювання), фіто- ремідіацію, грибкові технології, використання мулу.

Біовентилювання успішно використовують за кордоном для видалення з ґрунтів нафти і нафтопродуктів. Як приклад можна навести виконані в Австралії роботи по очищенню ґрунту на ділянці площею близько 1,5 тис. м² забрудненому дизельним паливом на глибину 1,5-3,5 м.

Для прискорення природного процесу біорозкладення^: забруднювача була організована киснева біовентиляція ґрунту. За 6 місяців загальний зміст мазуту на глибині до 3 м зменшилося на 10-30%. Подальша біовентіляція з додатковим введенням в ґрунт необхідних для мікроорганізмів поживних речовин призвела до зменшення вмісту палива по всій глибині забруднення ще на 30 %.

Фіторемідіація, або очищення ґрунтів за допомогою рослин, запатентована в США. Виявлено, що рослини сімейства Brassicaceae здатні адсорбувати важкі метали в кореневій системі і потім переводити їх в стеблових частинах, витягуючи таким чином забруднювачі з ґрунту. Наземна частина рослин забирається звичайними способами.

Грибкові технології передбачають заселення забруднених ґрунтів різними грибковими культурами. Розроблені способи придатні для руйнування стійких до розкладання токсичних речовин, у тому числі поліароматичних вуглеводнів. У разі випадків для сапування забруднених земель використовують комбінації розглянутих вище способів.

Кількість забруднення і співвідношення компонентів нафти визначає швидкість їх розкладання і реадімації ґрунтів. Велике значення має їх мікробіологічна трансформація, в результаті якої можливе розкладання вихідних речовин до низькомолекулярних і включення їх у макромолекули природних органічних речовин.