Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе "вода - донные отложения" в зоне антропогенного воздействия

Выводы.

1) Обнаружена пространственная и временная изменчивость гидрохимического типа речных и поровых вод р.Ички (переход из гидрокарбонатного в хлоридный и обратно), обусловленная поступлением противогололедных реагентов с дорожного полотна МКАД. В течение всего периода наблюдений воды р. Яузы и р. Нехлюдова рукава характеризуются стабильным гидрокарбонатным составом.

2) Поровые воды исследуемых водотоков наследуют минерализацию и гидрохимический тип связанных с ними речных вод, а также основные закономерности их формирования. Концентрации металлов в поровых водах выше, чем в речном потоке, что указывает на возможность вторичной мобилизации части накопившихся в осадках тяжелых металлов.

3) В донных отложениях основная доля Zn, Cu и Pb находится в остаточной форме. Из прочих форм, способных к трансформации в осадках, для Zn и Pb преобладают сорбированные на гидроксидах Fe, для Cu - сорбированные на органическом веществе. В зоне техногенного загрязнения возрастает доля подвижных и условно подвижных форм: для Zn и Pb связанных с гидроксидами Fe, для Cu - с органическим веществом.

4) На примере Zn показана трансформация ТМ в системе "речная вода - взвесь - донные отложения" р.Ички. На пути из снеговой в речную воду Zn изменяет форму нахождения из взвешенных (преобладающих в снеговом покрове) в растворенные формы (доминирующие в речной воде). Одновременно происходят процессы сорбционного концентрирования Zn гидроксидами Fe, присутствующими в речной взвеси, что приводит к накоплению высоких содержаний металла в донных отложениях в формах, обеспечивающих возможность мобилизации в поровый раствор при изменении окислительно-восстановительных условий в осадках.

5) Предложена новая методика термодинамического моделирования, позволяющая на основе эмпирической информации по формам нахождения ТМ в осадках, рассчитывать межфазовые распределения металлов в системе "поровый раствор - твердая фаза донных отложений". С помощью этой методики определены условия, при которых осадки могут стать источником вторичного загрязнения водоема, и определен элемент (Zn), который можно использовать в качестве раннего индикатора начинающихся изменений системы.

6) Термодинамический расчет форм нахождения ТМ показал, что в речных и поровых водах р.Ички Cu и Pb находятся преимущественно в виде комплексных соединений CuFu и PbCO₃, а Zn - в виде свободного иона Zn²⁺. Макрокомпоненты (Ca, Mg) являются конкурирующими элементами, снижающими содержание комплексных форм Cu и Pb.

7) Моделирование загрязнения р.Ички противогололедными препаратами, содержащими NaCl и CaCl₂ показало, что применение реагентов на основе CaCl₂ может интенсифицировать процесс десорбции Zn из донных отложений в поровый раствор и привести к увеличению доли токсичных растворенных форм металлов (свободных ионов и хлоридных комплексов).

8) Развитие восстановительных условий и исчезновение железогидроксидного сорбента приводит к перераспределению Zn и Pb в твердой фазе с гидроксидного сорбента на глинистый и органический и увеличению в поровом растворе концентраций данных металлов.

9) С помощью лабораторных экспериментов (72 опыта) по взаимодействию речной воды с донными отложениями различного состава, была верифицирована термодинамическая модель "поровый раствор - твердая фаза донных отложений". Полученные данные подтверждают результаты моделирования, предсказывающие большую миграционную подвижность Zn в сравнении с другими металлами при загрязнении водоемов реагентами, содержащими CaCl₂.

10) Разработанная комбинированная равновесно-динамическая модель, основанная на принципе проточного ступенчатого реактора, позволила описать распространение Zn, Pb и Cu в системе "речная вода - донные отложения" р. Ички. Предложенная модель согласуется с природным прототипом по ряду признаков: формам нахождения, протяженности и контрастности аномалий в осадках. Это позволяет использовать модель для прогноза поведения тяжелых металлов в системе "речная вода - донные отложения":

11) Смена состава противогололедных реагентов в 2002 г, с технической соли NaCl на смесь ХКМ (CaCl₂), повлекшее изменение гидрохимического типа речной воды, влияет на распределение Zn и Pb в осадках. Аномалии данных металлов становятся более протяженными, но менее контрастными.