Отчет о научно-исследовательской и научно-организационной деятельности за 2000 год

Вид материала

Отчет

Содержание “биодинамика процессов трансформации органического вещества в экосистемах крайнего севера”. Раздел 1. Изучение процессов трансформации пылеуносов под воздействием антропогенных и природных факторов. ( Раздел 2. Изучение процессов и способов обновления хвостохранилищ с учетом их переработки.

Подобный материал:

• Отчет о научно-исследовательской и научно-организационной деятельности за 2002 год, 1880.64kb.
• Отчёт о научно-исследовательской работе за 2011 год, 1208.93kb.
• Отчёт о научно-исследовательской работе за 2009 год, 851.3kb.
• Отчёт онаучно-исследовательской работе гу нии но ур за 2010 год, 997.69kb.
• Отчет о научно-исследовательской деятельности в 2010 году, 373.56kb.
• Отчет о научно-исследовательской работе, 2473.27kb.
• Рекомендация по составлению справки о научно-организационной деятельности для вступления, 10.52kb.
• Проект решение Ученого совета свгу от 30 января 2012, 74.59kb.
• Качество научно-исследовательской и научно-методической деятельности академии, 620.08kb.
• Краткий отчет о научно-практической деятельности фгуп «российский научно-исследовательский, 70.58kb.

Тема 9-00-2205 (№ гос.рег. 01.20.0001880) “ПАЛЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ И ПРОГНОЗ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ И КЛИМАТА”.

Научные руководители - чл.-к. Моисеенко Т.И., д.г.н. Даувальтер В.А.

Ответственный исполнитель - к.б.н. Ильяшук Б.П.

Сроки выполнения: 2000-2004 гг.


Завершен этап полевых исследований на водоемах Северо-Запада России. Исследования проведены на более чем 20 озерах Кольского п-ва, Республики Карелия и Валдайской возвышенности, где были отобраны для палеоэкологических анализов колонки донных осадков (ДО). В настоящее время проводится последующий лабораторный анализ колонок ДО в аспекте хемостратиграфии, а так же таксономической идентификации останков диатомовой флоры и личинок хирономид.

На текущий момент полностью завершены палеоэкологические исследования горного озера в Чуна тундрах, Кольский п-ов. При проведении исследований на нем исходили из следующих фактов и предположений:

· Кольский п-ов находится на пути трансграничных переносов воздушных масс из стран Европы в Арктику, качество вод озер в горных массивах формируется преимущественно за счет атмосферных выпадений;

· высотное расположение и удаленность от каких-либо прямых источников антропогенного воздействия позволяет выявить поток поллютантов (кислотообразующие вещества, тяжелые металлы), который отражает их перенос в верхних слоях атмосферы;

· уязвимость природы Крайнего Севера обуславливает высокую реактивность экосистем на антропогенные нагрузки, что определяет информативную “запись” всех изменений в толщах ДО озер, которая может быть понята на основе исследования геохимического состава и останков индикаторных видов - створок диатомовой флоры и головных капсул хирономид.

Результаты проведенных исследований на горном озере в Чуна тундрах свидетельствуют о том, что с началом индустриального развития Европы в начале века обозначилась аккумуляция Pb, Cd и других элементов в ДО озера, что подтверждает глобальное загрязнение атмосферы северного полушария. Тенденция к антропогенному закислению озера, реконструированная по останкам диатомовых комплексов в ДО, также связана с переносом кислотообразующих веществ из индустриально развитой Европы в конце прошлого столетия. В середине уходящего столетия с началом развития местной промышленности в регионе аккумуляция металлов увеличивается и процессы закисления вод активизируются. Результаты анализа останков хирономид свидетельствуют о том, что водные сообщества имели тенденцию к существенным изменениям своей структурной организации с первых этапов антропогенного воздействия на экосистему озера.

Помимо этого, смена доминирующих видов хирономид, происшедшая в середине уходящего столетия, свидетельствует о том, что в хирономидных комплексах озера в последние десятилетия стали преобладать более теплолюбивые виды. Это может быть обусловлено глобальными изменениями климата, и, в частности, глобальным потеплением, последствия которого констатируются на настоящее время для северных широт многими исследователями. Проведенный стратиграфический анализ останков диатомой флоры и фауны хирономид в ДО озера выявил высокую информативность палеоэкологического метода в реконструкции антропогенных воздействий, как регионального, так и глобального масштабов.

Плановые работы выполнены.


Тема 9-00-2306 (№ гос.рег. 01.20.0001679) “НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОХРАНОЙ ПРИРОДЫ”.

Научные руководители - проф., д.т.н. Калабин Г.В., к.г.н., с. н. с. Макарова Т.Д. Ответственный исполнитель - к.г.н., с. н. с. Макарова Т.Д.

Сроки выполнения: 2000-2004 гг.

(Финансовая поддержка - контракты №№ 003-98 и 23-2-2000/20 с Государственным комитетом по охране окружающей среды Мурманской области).


Разработана программа НИР, в которой дано научное обоснование ситуационного подхода к решению региональных проблем обеспечения благоприятных экологических условий в рамках концепции Устойчивого развития территорий. Экологическая ситуация - это состояние окружающей природной среды, обусловленное соотношением параметров природных и измененных деятельностью людей абиотических и биотических естественных факторов, оказывающих непосредственное и опосредованное влияние на человека.

Показателем благоприятности (или не благоприятности) экологических условий является оценочное значение экологической ситуации. Изменить экологическую ситуацию - это значит изменить формирующие ее факторы. Управлять необходимо именно ситуацией, добиваясь таких значений описывающих ее параметров, которые соответствуют целевым ориентирам. В качестве целевых ориентиров необходимо применение комплексных эколого-географических критериев в количественном выражении, которые должны отражать территориальные особенности структурно-функциональной организации природных комплексов по отношению к отдельным видам антропогенного воздействия или совокупности последних, обусловленной формами хозяйственной деятельности конкретного региона.

На основе ситуационного подхода разработана и реализована на базе ГИС ArcView 3.2. структурно-целевая основа системы информационной поддержки принятия управленческих решений для охраны природы Мурманской области, состоящая из блоков, ориентированных на комплексный анализ, оценку и прогноз экологической ситуации. Создан соответствующий пользовательский интерфейс на объектно-ориентированном языке программирования AVENUE, встроенном в ГИС. Работа осуществляется в системе диалога с руководителем, принимающим конкретные управленческие решения на региональном уровне. Пользователь получает информацию в стандартной форме, в виде карт, диаграмм, таблиц и гипертекстовых нормативно-справочных материалов - документов. Средства интерфейса предусматривают возможность развития Системы. На данном этапе реализованы блоки синтеза комплексных оценочных экологических карт и прогноза экологической ситуации при меняющихся параметрах воздействия (модуль “Воздействие медно-никелевого производства на природу”), а также информационно-справочная система, содержащая проблемно-ориентированные серии тематических слоев цифровых моделей карт и атрибутивные базы данных.

Плановые работы выполнены.


Тема 9-00-2710 (№ гос.рег. 01200001905) “БИОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ЭКОСИСТЕМАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА”.

Научный руководитель и отв. исполнитель - д.б.н., профессор Г.А. Евдокимова.

Сроки выполнения: 2000 - 2004 г.г.

(Финансовая поддержка - грант РФФИ № 00-04-48500).


Цель исследований: Разработка концепции функционирования почвенной биоты как ведущего биологического фактора гумусообразования и почвообразования.

Особая ценность работы заключается в комплексности исследований, включающих микробиологические, зоологические и химические исследования процессов, происходящих при трансформации органического вещества.

Объектом исследований является функциональная активность микробиоты (микроорганизмов и беспозвоночных животных) в Al-Fe-гумусовых подзолах. Стационарные площадки заложены в сосняке кустарничково-лишайниковом по градиенту загрязнения почв воздушными выбросами Кандалакшского алюминиевого завода (КАЗ). Основными загрязнителями являются фтор, алюминий, тяжелые металлы (Zn, Mn, Cr). Контрольный участок выбран в Кировском районе (район пос. Октябрьский).

Материал для исследований: хвоя сосны, листья березы, лесная подстилка (загрязненная и чистая), заложенные в нейлоновых мешочках в почву стационарных площадок, расположенных в 2, 5, 10 и 20 км к северу от КАЗ.

В текущем году выполнены следующие виды работ:

Разработана и утверждена Ученым советом ИПЭС программа научно-исследовательской работы по означенной выше теме.

Заложено 5 стационарных площадок.

Отработана методика определения фтора в почвенных и растительных пробах.

Частично выполнены экспериментальные работы, характеризующие исходные микробиологические, зоологические, физико-химические и химические свойства почв стационарных площадок и выявляющие пространственное варьирование их состава и свойств.

Заложены растительные остатки в почву с целью исследования процессов их трансформации.

С каждого участка взяты образцы подстилки для химического анализа в 7 повторностях, для зоологического в 5, для микробиологического в 4 повторностях. Растительные образцы (Empetrum hermaphroditum) взяты в 7 повторностях для определения в них валового содержания фтора и тяжелых металлов, и подвижных форм их соединений. Календарный план научно-исследовательских работ на 2000 г. до ноября месяца выполнен.

Проведенные микробиологические анализы свидетельствуют о том, что показатели, характеризующие микробный компонент незагрязненной почвы контрольного участка, типичны для лесных подзолов Кольского полуострова. В частности, это относится к показателям разнообразия и численности микроорганизмов различных физиологических групп. Данные по состоянию микробного компонента в загрязненных фтором почвах дополняют полученные ранее сведения о микробном компоненте подобных почв (Евдокимова и др., 1997).

Зоологические исследования в данном районе проведены впервые. Предварительный анализ образцов показал, что по градиенту загрязнения таксономическое разнообразие мезофауны снижается с 14 таксонов в почве контрольного участка до 7 в почве в 2 км от завода. В наиболее загрязненном участке не обнаружены сапрофаги (люмбрициды, энхитреиды) и фитофаги (моллюски, клопы, чешуекрылые, трипсы, равнокрылые, перепончатокрылые, долгоносики), встреченные в почве более удаленных от источника выбросов участков. По сравнению с контролем общая численность представителей мезофауны в самом загрязненном участке сокращается с 1300 до 600 экз/м², биомасса - с 3,5 г/м² до 110 мг/м².

Плановые работы выполнены.


Тема 9-00-2407 (№ гос.рег 01.20.0002903) "МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ АРКТИКИ".

Научный руководитель - д.ф.-м.н. Бакланов А.А. Отв. исполнитель к.т.н. Морозов С.В.

Сроки выполнения: 2000-2004 гг.

(Финансовая поддержка - индивидуальный грант на исследования из Швеции).


Запланированные работы 2000-го года выполнялись по следующим направлениям:

• Математическое моделирование процессов изменения климата; Оценка отклика климатической системы на постепенное увеличение двуокиси углерода;
  
• Вероятностная оценка потенциальных траекторий атмосферного переноса аварийных выбросов;
  
• Проведение конкретных расчетных исследований переноса радионуклидов в атмосфере и оценке потенциального территориального риска в случае возникновения радиационных аварий;
  
• Расширение базы данных по радиационным проблемам Кольского Севера;
  
• Работа в рамках международных Проектов;
  

Большая часть запланированных по этой теме работ пересекалась с исследованиями, выполняемыми в рамках вышеназванных Проектов. Отдельные результаты по исследованиям, не связанным с радиационными проблемами, приведены ниже:

Относительно процессов изменения климата: В данном исследовании при моделировании равновесного состояния отклика климатической системы на постепенное увеличение двуокиси углерода (1% в год от уровня 1951 года до двукратного уровня) использовалась глобальная модель климата (совместная модель общей циркуляции атмосферы и перемешанного слоя океана). Установлено, что настоящая модель климата воспроизводит увеличение глобальной приземной температуры атмосферы 4° С после 150 лет интегрирования. Наибольшее потепление получено в полярных районах около ледовой границы за счет таяния морского льда. Поверхностное потепление больше зимой, чем летом за счет сокращения концентрации и толщины ледового покрова, который служит изолятором между атмосферой и океаном в зимних условиях. Модель воспроизводит среднегодовое сокращение морского ледового покрова на 30% в Северной полусфере при двукратном увеличении двуокиси углерода в атмосфере. Наибольшее сокращение ледового покрова в Северной полусфере получено в августе, которое составляет уменьшение площади морского льда на 70% и толщины на 55%. Наибольшее сокращение моделируемого ледового покрова получено в летний период, что согласуется с данными наблюдений морского льда в период с 1951 года по настоящее время.

Оттестирована трехмерная океаническая модель МОМ3.0 лаборатории геофизической гидродинамики США. Проведены численные эксперименты с реальными данными топографии дна, касательного напряжения ветра, поверхностных температуры и солености и с различными параметризациями подсеточных процессов перемешивания. Подготовлено программное обеспечение для визуализации результатов океанической модели. Проводится соединение океанической модели с атмосферной климатической моделью.

В рамках предыдущей темы лаборатории 9-96-2408 Ригиной О.Ю. были проведены исследования, основанные на математическом моделировании и космическом зондировании, связанные с оценкой деградации лесов Кольского полуострова. В настоящий момент О.Ю. Ригина работает в Институте Географии, Копенгагенского Университета и проводит исследования, связанные с изменениями окружающей среды Африки.

Однако, в свободное от основной работы время, ею выполнены исследования, связанные с Кольским полуостровом, и заключающиеся в оценке возможности совместного использования исторических фотографий, сделанных американским спутником «Corona» в 60-х годах и современными снимками высокого разрешения выполненными Landsat-TM и IRS-1c спутниками, для определения долгосрочных изменений окружающей среды. По результатам работы подготовлен ряд статей для международных реферируемых журналов.

Плановые работы выполнены.


Тема 9-00-2508 (№ гос.рег. 01.20.0001680) “РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ ОБНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ С УЧЕТОМ ИХ ГЕОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ОСОБЕННОСТЕЙ СКЛАДИРУЕМЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ, КАК ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ”.

Научный руководитель - к.т.н. Зосин А.П. Ответственные исполнители к.т.н Т.И. Приймак, Л.Б. Кошкина.

Сроки выполнения: 2000-2004 гг.

(Финансовая поддержка - договорные работы Государственным комитетом по охране окружающей среды. Контракты №№ ______________________)


Раздел 1. Изучение процессов трансформации пылеуносов под воздействием антропогенных и природных факторов. (Ответственные исполнители - к.т.н. Приймак Т.И., к.т.н. Зосин А.П.)


Ранее выполнены исследования в рамках темы 9-96-2509 позволили установить, что присутствие ионов железа, меди, марганца в составе пылеуносов определяет окислительно-восстановительный потенциал пылегазовых выбросов промышленных предприятий и способность минеральной фазы трансформироваться в новые продукты, отличающиеся от исходных способностью к миграции в окружающей среде с природными водами. На модельных установках, имитирующих взаимодействие пылеуносов от технологических переделов горно-металлургического производства (комбинат “Печенганикель”) с агрессивными компонентами воздуха (SO₂^,, O₂, H₂O), изучена кинетика и динамика химических процессов. Установлено, что конверсия SO₂ ® SO₃ на алюмосиликатных составляющих пылеуносов сопровождается разрушением кристаллохимической структуры минералов-полютантов с выделением на поверхности частиц водорастворимых солей металлов, преимущественно щелочных элементов (Na, K). Растворимость переходных металлов (Fe) и Ni, Cu, Co падает на 50-60%. Показано, что это происходит вследствие окисления Fe²⁺ до Fe³⁺, гидратации оксидов железа при взаимодействии с парами воды и сопровождается сорбцией катионов цветных металлов. Исследования проводились на модельных установках при комнатной температуре воздуха (20^оС). Однако, известно, что в естественных условиях наблюдается существенное колебание температуры воздуха, освещенности, интенсивности ультрафиолетового излучения. Как известно, снижение температуры воздуха приводит согласно термодинамическим законам к снижению скорости реакции. В то же время ультрафиолетовое излучение должно сопровождаться увеличением скорости реакции. Поэтому представлялось целесообразным изучить на примере модельной системы влияние абиотических факторов на реакции, протекающие между компонентами пылевых выбросов и компонентами газовоздушной смеси. В качестве модельной системы была выбрана система, моделирующая пылегазовые выбросы предприятий цветной металлургии.

Выбор этой системы обусловлен, прежде всего, наличием в ее составе оксидов переходных металлов Fe, Ni, Cu, Co, а также поливалентных металлов, таких как Mn, As. Обработку пылеуносов газовоздушной смесью проводили в камере погоды типа КП-1. Образец помещался в кварцевый реактор, через который пропускалась газовоздушная смесь. Температуру воздуха варьировали от 20 до -10^оС, а время облучения ультрафиолетовым излучением от 8 до 120 часов (максимальное время витания частиц в воздухе порядка 5 суток). Источником освещения служила ртутная лампа ДРШ-250. Выполненные исследования позволили установить, что облучение ультрафиолетовым излучением приводит к ускорению реакции окисления Fe²⁺доFe³⁺, образованию гидроксида железа и снижению растворимости Ni, Cu, Co. Это показывает, что в пылегазовых выбросах протекает реакция гетерогенного фотолиза. Исследованиями также установлено, что степень снижения растворимости оксидов никеля, меди, кобальта в зависимости от температуры в присутствии ультрафиолетового облучения незначительна: при изменении температуры от 20 до -10^оС с ультрафиолетом степень растворимости оксидов цветных металлов снижается от 85 до 80% соответственно, без ультрафиолета степень растворимости снижается от 75 до 20%. Слабая температурная зависимость скоростей реакций гетерогенного фотолиза говорит о том, что эта реакция является диффузионно-контролируемой.

Полученные результаты позволяют предложить способы снижения подвижности катионов цветных металлов, входящих в состав пылегазовых выбросов и хвостов обогащения, с природными водами. Показано, что этого можно добиться за счет создания искусственных сорбционно-активных геохимических барьеров, позволяющих связывать цветные металлы в труднорастворимые устойчивые к химическому выветриванию соединения.


Раздел 2. Изучение процессов и способов обновления хвостохранилищ с учетом их переработки. (Ответственные исполнители - к.т.н. Приймак Т.И., к.т.н. Зосин А.П. Исполнители - д.х.н. Авсарагов Х.Б., Маслова А.Н., Сулименко Л.П., Алеев Н.Г.)


Ранее, в рамках темы 9-96-2509 для практической реализации процессов иммобилизации ЖРО в твердотельных продуктах разработаны адсорбционно-активные материалы, синтезируемые по технологии твердеющих минеральных дисперсий (ТМД-материалы). Сырьем для их синтеза служат топливные и металлургические шлаки, минеральные отходы горно-перерабатывающей промышленности. Отличительной особенностью ТМД-материалов является присутствие в его составе компонентов, имеющих высокие сечения захвата g и b-излучения, что позволяет использовать эти вяжущие как конструкционно-защитные материалы при сооружении могильников РО.

Разработанные геополимерные сорбенты прошли апробацию на сорбцию катионов ¹³⁷Cs⁺ и ⁶⁰Co⁺² из растворов, моделирующих стоки Кольской АЭС. Испытания показали высокую эффективность применения геополимерных сорбентов, степень извлечения составила 99.9%, десорбция в дистиллированную воду -1.0-1.5% от просорбированного количества за время десорбции 3 месяца.

Результаты испытаний позволяют рекомендовать эти материалы для решения специальных задач по созданию радиационнозащитных барьеров, иммобилизации и захоронению жидких и твердых радиоактивных отходов вместо применяемой в настоящее время технологии с использованием ионообменных смол и высокомарочного алюминатного портландцемента. Учитывая, что сырьем для предлагаемых ТМД-материалов являются магнезиально-железистые шлаки цветной металлургии, можно с уверенностью сказать, что предлагаемая технология не только результативнее по своим техническим характеристикам, но и менее дорогостоящая.

Для практической реализации разработанных материалов в промышленности необходима разработка технологии их применения в зависимости от состава и концентрации ЖРО. Известно, что сорбционные процессы можно проводить в статических или динамических условиях. В статических условиях очищаемый раствор приводится при определенном соотношении с сорбентом в контакт на заданное время при постоянном или периодическом перемешивании. После достижения химического равновесия между очищаемым раствором и сорбентом, т.е. когда процесс сорбции прекращается, контактирующие фазы разделяют либо декантацией очищаемого раствора, либо центрифугированием, фильтрованием.

В динамическом режиме очищаемый раствор фильтруется с определенной скоростью через слой сорбента. В этих условиях фронт химическое равновесие постепенно передвигается по высоте сорбционной загрузки, что приводит к глубокой очистке раствора. Для оценки эффективности применения вышеперечисленных методов была снята изотерма сорбции и изучена сорбция ¹³⁷Cs⁺ и ⁶⁰Co⁺² из разбавленных и концентрированных растворов в статических и динамических условиях. Раствор анализировался до и после контакта с сорбентом на установке со сцинтилляционным счетчиком на базе кристалла NaJ (Tl), что позволяло обеспечить скорость счета 350 имп/с и достигать статистической точности измерения при относительно малой экспозиции (100-300 с). Изотерму сорбции снимали при t=20^оС и Т:Ж=1:100 и времени контакта 6 час. Из кривой изотермы сорбции видно, что для достижения глубокой степени очистки при малых концентрациях раствора (до 3 мг/л) целесообразно применять динамический режим, при высоких концентрациях (более 3 мг/л) очистку следует производить в статических условиях. Это обеспечивает высокую степень использования сорбционной емкости геополимерных материалов (95-98%).

Следующий этап работы заключался в определении кинетики сорбции в статических и динамических условиях. Для статических условий определялось минимально эффективное время контакта фаз; для динамических - максимальная скорость фильтрации очищаемого раствора. Изучение кинетики сорбции показало, что время контакта фаз в статических условиях при концентрациях более 3 мг/л составляет 15 минут, при более низких концентрациях время контакта фаз возрастает до 1 часа. В динамическом режиме сорбции линейная скорость фильтрации воды при концентрациях менее 3 мг/л для извлечения 99.6% ¹³⁷Cs⁺ составляет 5 м/час при времени контакта фаз 20 мин; при более высоких концентрациях (более 3 мг/л) линейная скорость фильтрации воды уменьшается, а время контакта фаз, соответственно, увеличивается.

Таким образом, выполненные исследования показали, что для низких концентраций очищаемого раствора наиболее приемлемой является технология очистки в динамическом режиме сорбции, для высоких концентраций - технология сорбции в статических условиях.

Дальнейший этап работы должен состоять в определении оптимального гранулометрического состава сорбента в зависимости от технологических параметров сорбции (Т:Ж, интенсивность перемешивания, температура, солевой фон), температурного режима и проверке предложенной технологии на реальных стоках завода по переработке ЖРО.