Устойчивость городских почв к загрязнению свинцом, перспективы их оздоровления

Регулирование содержания свинца в почвах может быть осуществлено путем применения радикальных технологии очистки, корректировкой способности почв к самоочищению, использованием методов повышения устойчивости почв к свинцовому загрязнению. Радикальные технологии очистки почвы от свинца основаны на явлениях экстракции и ионообменных реакций, промывки под высоким давлением с последующей экстракцией. Эти технологии уменьшают содержание свинца в почвах в 100—1000 раз. Стоимость обработки 1т загрязненной свинцом почвы эквивалентна 80—200 долларам США. Для очистки от свинца 10-сантиметрового слоя только сильно - и очень сильно загрязненных почв г. Тюмени в случае применения вышеназванных технологий сегодня по курсу 25 рублей за 1 доллар потребуется 11—27 млрд. руб.

Что же касается самоочищения почв, об этом имеет смысл говорить только по отношению к органическим загрязнителям или легколетучим элементам. Самоочищение почв от свинца если и может идти, то только путем растворения его соединений и последующего их удаления из почвенной толщи. Но абсолютное большинство распространенных в почвах соединений свинца труднорастворимо. Поэтому в наиболее благоприятных условиях лишь малая часть (до 1%) от ежегодно поступающего техногенного свинца выносится за пределы почвенного профиля, более чем 99% накапливается почвами. Даже при полном прекращении поступления свинца в почвы самоочищение от уже накопившихся запасов свинца в ландшафтно-климатических условиях г. Тюмени может длиться десятки, сотни тысяч лет. Природные средства удаления свинца в масштабах времени, соизмеримого с жизнью человека, таким образом, неэффективны, и фактически происходит загрязнение почв «на вечные времена». Практически свинцовое загрязнение может изжить и пережить всю земную цивилизацию.

Но при этом не следует забывать, что городские почвы как открытая система, с некоторыми допущениями, постоянно находятся в поле действия принципа Ле Шателье, который гласит: если в химическую систему, находящуюся в равновесии, добавить какое-нибудь вещество, реакция сместится таким образом, чтобы равновесие восстанавливалось в результате поглощения части добавленного вещества. В условиях города Тюмени, где уровень загрязнения достигает десятков фоновых уровней, ответная реакция почв будет иметь направленность, в основном, в сторону уменьшения активности свинца, в сторону его закрепления. В результате почвы приобретают свойство буферности, устойчивости к загрязнению свинцом.

Степень этой устойчивости определяется комплексом собственно почвенных физико-химических и ландшафтно-геохимических факторов. Наибольшую устойчивость почвам обеспечивают факторы, способствующие процессам концентрации, приводящие к уменьшению подвижности свинца, закреплению и накоплению его в умеренно подвижных и малоподвижных формах посредством сорбции, хемосорбции и хемоседиментации. Чем больше и прочнее может удерживать почва различные соединения свинца (показатель емкости), тем активнее они удаляются из почвенного раствора (показатель интенсивности) в состав соединений твердой фазы, тем лучше почвы сопротивляются повышению концентрации свинца в почвенном растворе. Наиболее значительными почвенными физико-химическими и ландшафтно-геохимическими факторами повышения показателей емкости свинца в почвах являются мощность горизонта подстилки, мощность гумусового горизонта, количество гумуса, дисперсные фракции почв, глинистые минералы (аллофаноиды, монтмориллонит), высокая емкость поглощения катионов, насыщенность поглощающего комплекса основаниями, аморфные гидроксиды железа, марганца и алюминия, нейтральная и слабощелочная среда (рН 6,5 — 8,0), нейтральные и щелочные окислительные, нейтральные и щелочные восстановительные, восстановительные сероводородные барьеры, наличие карбонатов и фосфатов.

В каждый момент времени, в каждой точке существует динамическое равновесие между показателями емкости и интенсивности свинца в почве. Для некоторых показателей равновесное состояние может быть выражено количественно.

Например, при загрязнении почвы труднорастворимыми солями свинца равновесие между твердыми и жидкими фазами почвы будет определяться произведением растворимости (ПР) этих солей: чем меньше ПР соли, тем устойчивее почва к данному соединению. Если сравнить устойчивость почв к двум распространенным солям свинца, то окажется, что она выше по отношению к фосфатам (ПР _PbS = 8,2х10^-48), чем сульфидам (ПР _PbS = 1xl0^-29).

Но для всех без исключения вышеперечисленных показателей емкости определение количественных параметров равновесного состояния не представляется возможным, особенно если оценивается пространственная картина устойчивости почвенного покрова всего города. Поэтому для определения степени устойчивости почв г. Тюмени к загрязнению свинцом в каждом из 999 пунктов наблюдений выведен интегральный показатель емкости. Этот показатель равен сумме частных значений, основанных на лабораторных данных во всех пунктах наблюдений по: кислотности почв, окислительно-восстановительному потенциалу почв и валовому содержанию фосфора в почвах. Полученные интегральные показатели емкости и составленная на их основе карта относительной устойчивости почв к техногенному давлению свинца выявляют территории города с крайне неустойчивыми, неустойчивыми, среднеустойчивыми, устойчивыми и весьма устойчивыми почвами к загрязнению

В пределах современной городской черты крайне неустойчивые и неустойчивые почвы приурочены в основном к пойменным территориям р. Туры и занимают всего около 13% рассматриваемой территории. Наибольшую тревогу, из-за опасности проникновения свинца через пищевые цепи в организм человека, вызывают крайне неустойчивые почвы садоводческих обществ, расположенных на пойме в районе оз. Турбеково и между поселками Казарово и Мелиораторов, в северной части города. В застроенной части города, особенно на правом берегу р. Туры, преобладают среднеустойчивые, устойчивые и весьма устойчивые к загрязнению свинцом почвы, занимающие 87 % территории.

Накопленные запасы свинца, даже при весьма устойчивых в современной физико-химической обстановке почвах представляют собой не что иное как «химические бомбы» замедленного действия. Изменение условий, определяющих параметры наиболее значимых показателей емкости, может сдвигать равновесное состояние в сторону уменьшения устойчивости городских почв, увеличению геохимической активности накопленного свинца.

Наиболее вероятно в этом плане увеличение кислотности почв, которому могут способствовать:

— трансграничный региональный перенос загрязняющих веществ кислотной природы;

— выбросы городских теплоэлектроцентралей, работающих на газе;

— высокие темпы роста автомобильного парка города.

Трансграничный региональный перенос кислотной природы связан с положением г. Тюмени относительно крупных промышленных центров Свердловской области (гг. Екатеринбург, Нижний Тагил, Каменск-Уральский и др.). От стационарных промышленных источников области в атмосферный воздух ежегодно поступает около 1500 тыс. т загрязняющих веществ, что составляет более 7% (2-ое место) по Российской Федерации. В составе выбросов преобладают оксиды серы и азота, приводящие к образованию серной и азотной кислот. Серная и азотная кислоты вместе с естественными источниками ионов водорода главным образом и обусловливают общую концентрацию водород-ионов, отрицательный логарифм из которой показывает значение рН осадков в каждый момент времени переноса.

Установлено, что в исходной точке и в начальный момент времени при концентрации диоксида серы и оксидов азота, равной предельно допустимым концентрациям (соответственно 50 и 20 мкг/ м³), кислотность осадков при их годовом количестве 600 мм составляет 3,5 единиц рН [18]. С ростом дальности переноса показатели рН увеличиваются. Расчеты по региональному переносу показывают, что в г. Тюмени, находящемся на расстоянии 300 — 400 км от основных промышленных источников Свердловской области, при скорости переноса, равной примерно 20 км/ ч, осадки выпаду] с показателями рН около 3,7. В реальных условиях кислотность атмосферных осадков в г. Тюмени меньше расчетных значений (рН 4,2 — 7,5) и это в немалой степени связано с повышенной и устойчивой запыленностью городского воздуха, где немалую роль, как уже отмечалось, играет недостаточная озелененность города и интенсивное автомобильное движение.

Существенными источниками оксидов серы и азота в самом городе являются теплоэлектроцентрали (соответственно 55 и 37% в структуре антропогенных выбросов), оксидов азота — автотранспорт (более 50%). Процессы закисления почв выбросами городских теплоэлектроцентралей при прочих равных условиях наиболее вероятны в восточной и юго-восточной частях города, в зоне атмогеохимического воздействия ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Как показывают результаты исследования снегового покрова, здесь на каждый квадратный километр поверхности почвы только в холодный период года выпадает 200—500.

Воздействие автотранспорта через улично-дорожную сеть распространяется, в отличие от теплоэлектроцентралей, на весь город и, что особенно опасно, в наибольшей степени на селитебную зону. В городских магистралях Тюмени с интенсивным движением транспорта за 12 часов количество выбросов N0, составляет по расчетным данным в среднем около 65 кг на 1 км.

Если учесть, что протяженность магистральных улиц, проходящих по селитебной зоне, составляет 86 км, то только в селитебной зоне за сутки почвы получают около 6 т оксидов азота (предполагается, что подавляющая часть выбросов происходит в течение 12-часового интервала суток), за год — более 2000 т.

По мере выделения оксиды азота, главным образом с помощью газофазных реакций, в течение примерно 10 часов превращаются в азотную кислоту. Далее эквивалентная доля азотной кислоты нейтрализуется присутствующим всегда в атмосфере города аммиаком. Оставшаяся часть кислот посредством вымывания дождем, туманом или снегом, а также и сухого поглощения поступает на поверхность почвы.

В почве кислоты последовательно нейтрализуются на пяти эшелонированных буферных зонах (карбонатной 6,2 < рН < 8,6; силикатной 5,0 < рН < 6,2; катионо-обменной 4,2 < рН < 5,0; алюминиевой 3,0 < рН < 4,2 и железной 2,5 < рН < 3,0). Сдвиг из одной буферной зоны с более высокими значениями рН в другую, с более низкими значениями водородного показателя, в результате дополнительного поступления в почву кислот не только ухудшает комплекс физико-химических свойств почв, но и резко увеличивает скорость возможного выхода в раствор различных соединений свинца.

Анализ полей концентрации водород-ионов в почвах показывает, что в настоящее время в г. Тюмени непосредственной угрозы приведения в действие «химической бомбы замедленного действия», несмотря на интенсивное поступление кислотообразующих ингредиентов, нет. Судя по показателям рН городских почв (6,0—8,2), карбонатная буферная зона все еще имеет достаточную емкость для противостояния свинцовому давлению.

Известкование почв, внесение фосфорных удобрений, особенно в частном секторе городской застройки и садовых участках, расположенных в городской черте, как меры, наиболее доступные в современной социально-экономической ситуации, могут способствовать сохранению сложившегося квазиздорового состояния городских почв. Наиболее перспективным в этом плане, конечно же, является решение проблем свинцового загрязнения, непосредственно связанных с автотранспортом.

почва свинец безопасный концентрация