| |
|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ
КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА (НДМГ) В ПОЧВАХ
(П.П. Кречетов, Т.В. Королева, Географический факультет МГУ им. М.В.
Ломоносова)
В настоящее время для обеспечения
экологической безопасности при штатных и аварийных пусках ракетно-космической
техники наиболее остро стоит задача разработки методических рекомендаций
по определению экологической устойчивости окружающей среды к воздействию
компонентов ракетного топлива.
В период 1991 – 2002 г.г. Географическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова
проведены масштабные мониторинговые исследования на территориях районов
падений отделяющихся частей ракет-носителей. Полученные результаты позволяют
утверждать, что компоненты жидкого ракетного топлива, и в частности, несимметричный
диметилгидразин (НДМГ) способны накапливаться в экосистемах. Их концентрации
зависят от ландшафтно-геохимических, климатических, геологических, водно-физических
и других характеристик этих территорий [1-5 ].
Однако, на сегодняшний день не определены критерии состояния экосистем,
находящихся в зоне влияния объектов ракетно-космической деятельности и количественные
характеристики устойчивости экосистем к загрязнению компонентами ракетного
топлива. Неизвестны величины критических нагрузок ракетного топлива на экосистемы
– максимального количества токсикантов, которое не вызывает химических изменений,
приводящих к долговременным негативным воздействиям на структуру и функционирование
экосистем. Крайне слабо изучено воздействие компонентов ракетного топлива
на живые организмы в цепочке: загрязненная почва – микроорганизмы – растения
– животные.
Для решения существующих проблем Географическим факультетом МГУ им. М.В.
Ломоносова в 2002 году в рамках НИР "ОВОС РКК 2" были начаты исследования
по выявлению факторов, влияющих на величину емкости поглощения одного из
наиболее токсичных компонентов ракетного топлива - несимметричного диметилгидразина
(НДМГ) различными почвами районов падений отделяющихся частей ракет-носителей,
и оценке миграционной способности и стабильности данного топлива в почвах.
Для получения количественных связей между степенью поглощения загрязняющего
вещества и свойствами почв районов падений отделяющихся частей ракет-носителей
была проделана серия лабораторных экспериментов, основной целью которых
являлось определение величины нагрузки НДМГ, при которой в почвенном растворе
концентрация НДМГ не превысит ПДК для вод хозяйственно-бытового использования,
а следовательно, не будет происходить загрязнения сопредельных сред. При
этом содержание НДМГ в почве может превышать ОБУВ для почв. Под поглощением
НДМГ понимались все виды перевода НДМГ в неактивное состояние: образование
нерастворимых соединений, физико-химическая сорбция и окисление.
Объектом исследований являлись почвы районов падений Алтае-Саянского региона,
распространенные в различных высотных поясах: горно-тундровая торфянисто-перегнойная
почва, горно-лесная дерново-глубокооподзоленная почва, дерново-глеевая почва,
аллювиальная дерновая почва.
Анализ экспериментальных результатов подтвердил теоретические предположения
о влиянии почвенных свойств на поглощение НДМГ. В целом, исходя из анализа
свойств исследованных почв, был сделан вывод о том, что наибольшей поглотительной
способностью по отношению к НДМГ характеризуются почвы с высоким содержанием
органического вещества – дерново-глеевая и горно-тундровая торфянисто-перегнойная.
Наибольшей величине сорбированного НДМГ в верхних горизонтах горно-тундровой
торфянисто-перегнойной почвы способствуют также низкие значения рН.
В ходе проведенных экспериментов было установлено, что при концентрации
заливаемого раствора НДМГ 0,1 мг/л дифференциации по почвенному профилю
поглощенного НДМГ не происходит. В равновесном растворе его концентрация
равна нулю, а ожидаемая концентрация в почве - 1 мг/кг. Однако, прямое определение
НДМГ в почве после взаимодействия с раствором его наличия не обнаруживает.
По-видимому, это обусловлено быстрым окислением малых количеств НДМГ кислородом
воздуха и окисленными формами соединений химических элементов, например,
Fe3+.
Таким образом, нагрузка НДМГ на почвы в 1 мг/кг может рассматриваться как
экологически допустимая.
При концентрациях исходного раствора НДМГ 1 мг/л и 5 мг/л отмечается некоторое
увеличение поглощенного НДМГ в верхней части почвенных профилей и постепенное
его уменьшение с глубиной (рис. 1).
При повышении концентраций исходного раствора НДМГ (10, 100, 500 мг/л) распределение
НДМГ в почвенном профиле зависит от физических и химических свойств почвы.
Причем чем выше концентрация, тем лучше выражена зависимость количества
поглощенного НДМГ от особенностей строения почвенного профиля (рис. 1).
Полученные величины емкости поглощения компонентов ракетного
топлива (НДМГ) для почв районов падений отделяющихся частей ракет-носителей
Алтае-Саянского региона позволили провести расчеты, которые показали, что
для того, чтобы после разрушения второй ступени РН «Протон» на высоте 25-30
км с гарантийными остатками топлива (НДМГ) в количестве 500 кг, в почвах
на площади возможного загрязнения (6 х 9 км) была достигнута величина ОБУВ
(0,1 мг/кг) количество НДМГ, выпадающее на почву, должно в 300 раз (для
слоя 0-5 см) или в 600 раз (для слоя 0-20 см) превышать количество существующих
ныне гарантийных остатков НДМГ. Для того, чтобы НДМГ был обнаружен в почвенном
растворе, его количество должно превышать гарантийные запасы в 3000-6000
раз. Данные результаты получены со следующими допущениями:
- разрушение топливных баков происходит без воспламенения компонентов ракетного
топлива;
- топливо полностью долетает до земли с равномерным оседанием;
- окисления топлива при перемещении до земли не происходит;
- оседание топлива происходит непосредственно на почву, а не на поверхность
растений.
Таким образом, обнаруженные в период 1994-1998 г.г. большие количества НДМГ
в почвах РП ОЧРН Алтае-Саянского региона при отсутствие видимых обломков
ракет-носителей, по-видимому, являются следствием несовершенства методики
его определения, что было подтверждено и более поздними исследованиями,
не выявившими загрязнения почвенного покрова РП ОЧРН Алтае-Саянского региона
несимметричным диметилгидразином при использовании для аналитического контроля
чувствительного и более селективного метода ионной хроматографии.
Для изучения особенностей миграции, оценки закономерностей поглощения НДМГ
и динамики его трансформации в естественных условиях в мае-августе 2002
года на территории специального полигона был проведен полевой модельный
эксперимент .
Объектом исследований являлась дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая
почва на мореном суглинке, расположенная в южнотаежной подзоне. Экспериментальный
участок был расположен на водораздельной поверхности, под березово-еловым
с участием сосны злаково-широкотравно-кисличным лесом. На участке проведено
морфологическое описание строения дерново-среднеподзолистой среднесуглинистой
почвы и выполнен анализ свойств почв.
На водораздельной поверхности был выбран экспериментальный участок площадью
150 м2 (10м х 15м) и разбиты 15 площадок размером 20х20 см (Фото 1, 2).
На каждую площадку равномерно вносился чистый НДМГ в количестве 4 кг/м2.
Измерение концентраций НДМГ в отгонах из почвенных проб проводилось методом
ионной хроматографии с амперометрическим детектированием на химическом факультете
МГУ им. М.В. Ломоносова.
Результаты проведенного полевого эксперимента показывают, что через сутки
после начала опыта в почвенном профиле было обнаружено 4,3% от внесенного
количества НДМГ, 98,5% от всего количества НДМГ, обнаруженного в почвенном
профиле, находится в слое мощностью 0-5 см, где его концентрация достигает
6720,4 мг/кг. На глубине 5-10 см содержание НДМГ падает в 90 раз, на глубине
10-15 см - в 312 раз, по сравнению с поверхностным горизонтом (рис. 2).
Обнаруженные низкие значения содержания НДМГ объясняются тем, что сразу
после внесения происходит его интенсивное испарение с поверхности почвы.
Часть НДМГ, по-видимому, окисляется.
Отсутствие интенсивной миграции НДМГ в нижние горизонты и его накопление
в поверхностном горизонте через сутки после начала эксперимента обусловлено
его поглощением минеральной частью почвы и органическим веществом. Анализ
химических свойств почвы показал, что для поверхностного горизонта почвы
экспериментального участка характерно максимальное содержание органического
вещества (3.8%) и кислая реакция среды (4.5), которая приводит к образованию
катионной формы НДМГ, способной хорошо поглощаться отрицательно заряженными
почвенными частицами.
Можно предположить что, поверхностный горизонт дерново-среднеподзолистой
среднесуглинистой почвы является сорбционным биогеохимическим барьером для
НДМГ.
Через три дня после начала эксперимента в поверхностном горизонте почвы
концентрация НДМГ была по-прежнему максимальна и составляла 5333 мг/кг.
При этом произошло некоторое перемещение загрязнителя в составе свободной
влаги под действием сил гравитации из поверхностного горизонта в нижележащие.
На десятый день эксперимента концентрация НДМГ в слое 0-5 см составила 1494
мг/кг, что в 4 раза меньше концентрации первого дня, в слое 5-10 см концентрация
снижается до 54,5 мг/кг. Анализ внутрипрофильного распределения НДМГ показывает
продолжающееся снижение общего содержания НДМГ при увеличении глубины проникновения
НДМГ до 90 см. Однако, на втором участке десятого дня отбора глубина проникновения
НДМГ составила лишь 30 см.
На тридцатые сутки с начала эксперимента в почвенном профиле был обнаружен
1 % от внесенного количества НДМГ, при этом в слое 0-5 см обнаружено 0,8%,
что составило 1355 мг/кг, в слое 5-10 см – 57,8 мг/кг. Для внутрипрофильного
распределения НДМГ характерен второй максимум содержания на глубине 20-40
см, который может быть обусловлено тем, что, по-видимому, прошедшие перед
отбором проб на 30-й день эксперимента дожди, послужили причиной перемещения
почвенных растворов с повышенной концентрацией НДМГ из вышележащих горизонтов
на глубины 20-40 см.
На девяностые сутки содержание НДМГ в профиле почвы уменьшилось до 0,2%
от внесенного количества и составило 159 мг/кг в слое 0-5 см, а на глубине
5-10 см - 60,7 мг/кг. Нижняя граница проникновения НДМГ колеблется от 40
до 90 см. На глубине 90 см на одной из площадок содержание НДМГ составило
1,9 мг/кг. Вероятно, миграция НДМГ вглубь почвенного профиля может происходить
не только фронтально промачивая почву, но и на отдельных участках за счет
его проникновения по корням растений или ходам червей.
Анализируя динамику изменения содержания НДМГ в профиле исследуемой почвы
в различные сроки отбора можно сделать вывод о том, что концентрация загрязнителя
уменьшается с увеличением сроков отбора. Динамика изменения уровня содержания
НДМГ отличается в разных горизонтах. Так, наиболее интенсивно процесс падения
уровня концентрации (в 50 раз) протекает на глубине 0-5 см. На глубинах
20-40 см в период эксперимента происходило не уменьшение, а увеличение концентрации
по сравнению с первым днем, что может быть обусловлено постепенной миграцией
НДМГ из вышележащих горизонтов и замедлением процессов его трансформации
на этих глубинах. На глубине 40-50 см также произошло увеличение концентрации
на 10-й день эксперимента, вероятно, из-за его постепенного проникновения
на данную глубину и возможного накопления НДМГ за счет высокой сорбционной
емкости, обусловленной высоким содержанием илистой фракции.
Содержание НДМА за весь период эксперимента в поверхностном горизонте находилось
на пределе обнаружения и не превышало достоверного уровня определения 1
мкг/кг, а в более глубоких горизонтах совсем не обнаруживалось.
Обобщение и систематизация имеющихся результатов и дальнейшее проведение
лабораторных и полевых исследований (в 2003 году планируется проведение
экспериментальных работ с почвами РП ОЧРН Западной Сибири и лабораторных
модельных экспериментов по оценке влияния доз НДМГ, времени воздействия
НДМГ и гидротермического режима почв на миграционную способность и стабильность
компонентов ракетного топлива (НДМГ) в почвах РП ОЧРН Алтае-Саянского региона)
позволит разработать оригинальную методику определения величин критических
нагрузок компонентов ракетного топлива для экосистем, находящихся в зоне
влияния ракетно-космической техники и осуществление работ по созданию системы
экологического мониторинга, оценки, прогнозирования и контроля экологической
обстановки при осуществлении ракетно-космической деятельности.
Кроме того, результаты работ могут быть использованы для разработки методов
оценки ущерба окружающей среде при авариях на объектах ракетно-космической
деятельности и создании географической информационной системы принятия решений.
Список литературы
1. Ворожейкин А.П., Касимов Н.С., Королева Т.В., Проскуряков Ю.В. Геохимическое
воздействие ракетно-космической техники на окружающую среду. В кн.: Геохимия
ландшафтов и география почв. М.: «Ойкумена», 2002.
2. Касимов Н.С., Ворожейкин А.П., Королева Т.В. и др. Ландшафтно-геохимический
анализ районов падений первых ступеней космических ракет. // Вестник Моск.
Ун-та, сер. 5. География. 1994. №1.
3. Касимов Н.С., Гребенюк В.Б., Королева Т.В. и др. Поведение ракетного
топлива в почвах, водах и растениях. // Почвоведение, 1994.№ 9.
4. Королева Т.В. Ландшафтно-геохимический анализ загрязнения
несимметричным диметилгидразином районов падений первых ступеней космических
ракет. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических
наук. М.1995.
5. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999.
|
|
|
| |
|
 |
 |
|
