Assessment of phytotoxicity of ash and slag waste from low-capacity boiler houses and individual heating systems on the example of the town Shakhtersk, Sakhalin region

Full Text

Введение В процессе использования угля в качестве топлива образуются золошлаковые отходы, которые могут отличаться по фракционному и химическому составу, объему и прочим показателям в зависимости от технологии сжигания и состава угля. Рядом авторов описываются проблема воздействия отходов ТЭЦ на окружающую среду, а также возможность и особенности складирования, утилизации и переработки золошлаков (Черенцова А.А. 2013, Качаев Г.В. 2014, Таскин А.В. 2017 и др.) [1; 2]. Позитивными моментами данных исследований можно считать высокую степень изученности вопроса в условиях средних, больших, крупных и крупнейших городов (т.е. с численностью населения от 50 тысяч до 1 миллиона жителей)[4]. Тем не менее, подавляющее большинство городов России относится к категории малых (793 из 1117 на 2019 г., а также входящие в эту категорию поселки городского типа)[5], в условиях которых проблемы качества окружающей среды часто носят менее обсуждаемый характер. Кроме того, ряд технологических решений, применяемых в крупных населенных пунктах, нерентабелен либо невозможен по ряду причин для малых городов и более мелких муниципальных образований, таких как сельские поселения. Вопрос специфики влияния золошлаковых отходов от котельных малых мощностей и от индивидуальных отопительных систем на компоненты окружающей среды актуален для территории большей части Дальнего Востока. Воздействию отходов от сжигания угля подвергаются все компоненты природной среды. Наиболее нагружаемой является почва, обладающая депонирующими свойствами. С использованием методов биотестирования представляется возможным в достаточно сжатые сроки определить степень воздействия потенциально негативного фактора на тест-объект и, как следствие, на природные среды. Полученные экспериментальным путем данные позволяют сделать вывод о токсичности анализируемой пробы. Приоритетность данного метода в приведенном исследования обусловлена такими причинами, как техническая доступность, малозатратность, возможность наблюдения за действием потенциального загрязнителя на разные виды растений. Материалы и методы исследования В работе определялся фитотоксический эффект образцов золошлаковых отходов различного времени лежалости от котельной малой мощности и от отопительных систем индивидуального жилого сектора в условиях пгт. Шахтерск Сахалинской области. Отбор проб золошлаковых отходов (ЗШО) произведен в местах нерегламентированного хранения, что обусловлено отсутствием специализированных площадок для этой цели. Пробы отбирались согласно общим методикам для последующего фитотестирования методом проростков с целью определения наличия токсического эффекта (ГОСТ 32627-2014, ГОСТ 17.4.4.02-2017, МР 2.1.7.2297-07, ГОСТ 12071-2014)[6]. Использованы золошлаковые отходы: ЗШО печного отопления (частный сектор), котельного отопления лежалостью 1-3 и 3-6 месяцев и 3 года, образцы угля. Контрольной средой выступают почва без внесения загрязнителя и дистиллированная вода. В эксперименте использованы неповрежденные откалиброванные семена всхожестью не менее 95%. Путем сопоставления показателей тест-функции контрольных и опытных семян определялась степень фитотоксического эффекта. Экспериментальные исследования проводились в два этапа: учитывались всхожесть и энергия прорастания семян, затем параметры фитотоксичности, исходя из ростовых показателей анализируемых растений. Энергия прорастания рассчитывалась как количество нормально проросших семян в течение установленного срока (на третьи сутки), выраженное в процентах от количества семян, взятых для определения всхожести. Определение фитотоксического эффекта проводилось путем сопоставления показателей тест-функции (LСР) контрольных и опытных семян. Величина показателя вычислялась по формуле как среднее арифметическое из совокупности данных о длине корней проростков, полученных в трех повторностях эксперимента: (1) где Li - длина максимального корня каждого семени, мм; n - общее количество семян, взятых в опыт. Величина эффекта торможения (фитоэффект) рассчитывалась по формуле[7] (2) где Eт - эффект торможения, %; - средняя длина корней в опыте, мм; - средняя длина корней в контроле, мм [3]. Опыты проводились в трехкратной повторности (по 25 семян в каждой пробе). Проращивание семян осуществлялось при температуре 18-20 °С в течение 7 дней в чашках Петри. Посев производился на образцы золошлаковых отходов, а также на водную вытяжку образцов, показавших повышенные показатели фитотоксичности. Растения тест-объекты: клевер луговой (лат. Trifolium praténse); овес посевной (Avena sativa); редис (раннеспелый, сорт Жара) (Raphanus sativus var. Radicula). Взяты растения различных систематических групп, что дает более широкий диапазон оценки потенциального отклика на анализируемый образец. Ряд видов являются классическими образцами для данного типа исследований и иных исследований в рамках биомониторинга. Клевер, как представитель сем. Бобовые, вступает в симбиоз с бактериями рода Rhizodium, что можно расценивать как дополнительный компонент для оценки токсичности отходов [4]. Статистическая обработка выполнена с использованием надстройки Excel «Пакет анализа» и метода Boxplots (Ящик с усами, диаграмма размаха). Результаты и обсуждение Пгт. Шахтерск расположен в западной части о. Сахалин вдоль побережья Татарского пролива (рис. 1). Отопление жилых домов производится от котельной (часть населенного пункта с многоквартирными домами) и индивидуальных отопительных систем в районе ИЖС с использованием угольного топлива. Рельеф местности низкогорный. Населенный пункт имеет относительную географическую разобщенность и протяженность. Многоквартирные дома расположены в юго-западном направлении на естественной возвышенности, компактно. Частный сектор (ИЖС) находится преимущественно в распадке, имеет большую протяженность по отношению к многоквартирной части. Следует отметить, что в населенном пункте отсутствует регламентированное место для хранения золошлаковых отходов. Проблема актуальна как для многоквартирных домов, так и для частных строений. С целью дальнейшего развития исследования в рамках разработки предложений по использованию, хранению, утилизации золошлаковых отходов различного происхождения в условиях малых городов, на примере пгт. Шахтерск Сахалинской области, проведен ряд опытов по изучению потенциальной фитотоксичности рассмотренных ниже образцов. Скученность точек отбора проб в локации частного сектора обусловлена наличием золошлаковых отходов (ЗШО) длительной лежалости со стихийными площадками хранения, а также необходимостью непосредственного отбора проб ЗШО индивидуального печного отопления (рис. 1). Рисунок 1 Рис. 1. Расположение точек отбора проб золошлаковых отходов, пгт. Шахтерск Сахалинской области / Figure 1. Location of ash and slag waste sampling points, town Shakhtersk, Sakhalin region Образцы ЗШО и контрольных сред на местности представлены на рис. 2. На поверхности ЗШО котельного отопления лежалостью 3 года можно наблюдать процесс естественного заселения растительностью. Визуальный анализ фракционного состава поверхностного слоя свидетельствует об отсутствии/минимальном содержании мелких и пылеватых частиц, что может давать определенную картину при рассмотрении растворения веществ и их дальнейшей миграции как в естественных условиях, так и в ходе лабораторного эксперимента. Был поставлен ряд опытов на пробах золошлаковых отходов различной лежалости. Средами сравнения выступали образцы незагрязненной почвы, отобранной в условиях пгт. Шахтерск, дистиллированная вода и уголь, использующийся в качестве топлива. Размеры проростков, рассмотренных в опыте растений на различных образцах ЗШО, представлены на рис. 3-5. Рисунок 2 Рис. 2. Образцы золошлаковых отходов и контрольных сред: 1 - ЗШО котельного отопления лежалостью 3 года; 2 - ЗШО котельного отопления лежалостью 3-6 месяцев; 3 - ЗШО котельного отопления лежалостью 1-3 месяца; 4 - ЗШО печного отопления (частный сектор); 5 - почва без внесения загрязнителя; 6 - уголь / Figure 2. Samples of ash and slag waste and test medium: 1 - ASW for boiler heating, with a shelf life of 3 years; 2 - ASW for boiler heating, with a shelf life of 3-6 months; 3 - ASW of boiler heating with a shelf life of 1-3 months; 4 - ASW for stove heating (individual housing construction); 5 - soil without pollutant application; 6 - coal Рисунок 3 Рис. 3. Динамика ростовых показателей семян овса посевного (Avena sativa) / Figure 3. Dynamics of growth parameters of oat (Avena sativa) Рисунок 4 Рис. 4. Динамика ростовых показателей семян клевера лугового (Trifolium pratense) / Figure 4. Dynamics of growth parameters of seeds of red clover (Trifolium pratense) Рисунок 5 Рис. 5. Динамика ростовых показателей семян редиса (Raphanus sativus var. radicula) / Figure 5. Dynamics of growth parameters of radish seeds (Raphanus sativus var. radicula) По результатам анализа выявлено потенциальное увеличение фитотоксичности при снижении времени лежалости шлаков (табл. 1). Кроме того, подобную динамику имеет показатель энергии прорастания семян. Снижен общий процент всходов, отмечено замедление прорастания на всех тест-объектах. Зависимость всхожести и энергии прорастания семян от степени лежалости и вида субстрата представлены на показателях клевера, как на тест-объекте, показавшем наибольший отклик (рис. 6). Таблица 1 Фитотоксичность золошлаковых отходов различной лежалости Вид отхода Вид растений Овес (Avena sativa) Клевер (Trifolium pratense) Редис (Raphanus sativus var. radicula) ЗШО котельного отопления лежалостью 3 года -2,39 14,48 7,37 ЗШО котельного отопления лежалостью 3-6 месяцев 22,16 34,48 12,18 ЗШО котельного отопления лежалостью 1-3 месяца 27,55 60,69 67,05 ЗШО печного отопления (частный сектор) 65,87 68,97 69,08 Примечание. Оценка фитотоксичности < 20 % - норма; 20-40 - слабая фитотоксичность; 40-60 - средняя фитотоксичность; > 60 % - сильная фитотоксичность. Цветом обозначены: слабая фитотоксичность, сильная фитотоксичность. Table 1 Phytotoxicity of ash and slag wastes of different storage life Waste type Plant species Oats (Avena sativa) Clover (Trifolium pratense) Radish (Raphanus sativus var. radicula) ASW for boiler heating, with a shelf life of 3 years -2.39 14.48 7.37 ASW for boiler heating, with a shelf life of 3-6 months 22.16 34.48 12.18 ASW for boiler heating, with a shelf life of 1-3 months 27.55 60.69 67.05 ASW for tove heating (individual housing construction) 65.87 68.97 69.08 Note. Phytotoxicity estimate <20% is the norm; 20-40 - weak phytotoxicity; 40-60 - medium phytotoxicity; > 60% - strong phytotoxicity. Color indicates: weak phytotoxicity, strong phytotoxicity. Рисунок 6 Рис. 6. Динамика энергии прорастания и всхожести семян клевера (Trifolium pratense) на различных видах ЗШО / Figure 6. Dynamics of germination energy and germination of clover (Trifolium pratense) seeds on various types of ASW У проростков овса отмечается отсутствие или снижение количества корневых волосков, общее угнетение, потемнение главного корня. Корни клевера имеют перемычки, утолщения. Наблюдается угнетение корневых волосков, потемнение. Представленные нарушения, вероятно, связаны с наличием в исследуемых образцах металлов и их соединений (так, подобные изменения наблюдаются при интенсивном воздействии железа, меди, марганца), а также определенном значении pH [5]. Результаты анализа фитотоксичности указывают на наличие эффекта торможения. Сильная фитотоксичность определена в образцах ЗШО печного отопления и ЗШО котельного отопления лежалостью не более 3 месяцев на всех тест-объектах. Таким образом, можно предположить, что срок лежалости золошлаковых отходов влияет на его потенциальные токсические свойства. Зависимость всхожести и энергии прорастания от срока лежалости золошлаковых отходов подтверждена наличием высокой отрицательной коррелятивной связи (рис. 7). Рис. 7. Корреляционная связь между показателями (значения коэффициента корреляции Пирсона) / Figure 7. Correlation between indicators (values of the Pearson correlation coefficient) Для дальнейшей оценки были отобраны два образца с наиболее высоким фитотоксическим эффектом: золошлаковые отходы котельного отопления лежалостью 1-3 месяца и отходы печного топления от индивидуальных отопительных систем частного сектора минимальной лежалости. Посев семян проводился на вышеобозначенные образцы в различной смесовой части с почвой естественного происхождения. Результаты опыта представлены в табл. 2. Таблица 2 Фитотоксичность золошлаковых отходов в смеси с почвой Доля ЗШО, % Вид ЗШО ЗШО котельного отопления (1-3 мес.) ЗШО печного отопления Овес Клевер Редис Овес Клевер Редис 100 51,03 69,33 65,22 63,45 75,46 67,54 50 18,62 50,92 14,21 28,28 69,33 14,99 25 -5,52 14,11 -6,18 -5,51 66,87 2,63 12,5 -5,52 0,61 -8,19 -8,96 4,91 2,01 6,25 -11,03 -0,61 -3,86 -11,72 3,68 3,55 Примечание. Оценка фитотоксичности <20 % - норма; 20-40 - слабая фитотоксичность; 40-60 - средняя фитотоксичность; > 60 % - сильная фитотоксичность. Цветом обозначены: слабая фитотоксичность, средняя фитотоксичность, сильная фитотоксичность. Table 2 Phytotoxicity of ash and slag waste mixed with soil Share of ASW, % Type of ASW ASW for boiler heating, with a shelf life of1-3 months ASW for tove heating (individual housing construction) Oats Clover Radish Oats Clover Radish 100 51,03 69,33 65,22 63,45 75,46 67,54 50 18,62 50,92 14,21 28,28 69,33 14,99 25 -5,52 14,11 -6,18 -5,51 66,87 2,63 12,5 -5,52 0,61 -8,19 -8,96 4,91 2,01 6,25 -11,03 -0,61 -3,86 -11,72 3,68 3,55 Note. Рhytotoxicity estimate < 20% is the norm; 20-40 - weak phytotoxicity; 40-60 - medium phytotoxicity; > 60 % - strong phytotoxicity. Color indicates: weak phytotoxicity, medium phytotoxicity, strong phytotoxicity. Максимальный фитотоксический эффект отмечен у ЗШО без смешения с почвой. Наиболее чувствительным тест-объектом является клевер. Заключение Таким образом, определено наличие максимального фитотоксического эффекта в образцах ЗШО печного отопления и свежих ЗШО (лежалость 1-3 месяца) при использовании различных тест-объектов. Фитотоксический эффект снижается и входит в нормативные показатели при содержании в смеси с почвой менее 12,5 %. Полученные данные являются основой для проведения дополнительных опытов и изучения химического состава рассматриваемых образцов.

About the authors

Ekaterina V. Dakhova

Pacific National University

Author for correspondence.
Email: 010770@pnu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0179-8563

Lecturer of the Department of Ecology, Resource Management and Life Safety

136 Pacific St, Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Ludmilla P. Mayorova

Pacific National University

Email: 000318@pnu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6326-982X

Doctor of Chemical Sciences, Associate Professor, Acting Head of the Department of Ecology, Resource Management and Life Safety

136 Pacific St, Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Alexey I. Lukyanov

Pacific National University

Email: 008362@pnu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6936-6807

Lecturer of the Department of Ecology, Resource Management and Life Safety

136 Pacific St, Khabarovsk, 680035, Russian Federation

References

Supplementary files