Аннотация
Выборов С. Г. – Динамика загрязнения почв в связи отходами углеобогащения Рассматриваются вопросы пространственно – временной динамики техногенных аномалий в почвах.
Содержание работы
При оценках техногенного загрязнения наиболее распространенными являются представления о том, что большая часть тяжелых металлов, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах [1,2]. Нередко утверждается, что металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся, приводятся периоды полуудаления для цинка – до 500 лет, кадмия – до 1100 лет, меди – до 1500 лет, свинца до нескольких тысяч лет [3]. На подобных взглядах базируются обоснования периодичности мониторинга почв в отношении загрязнения тяжелыми металлами с интервалом 5–10 лет [4].
Однако существующий у автора опыт мониторинга загрязнения почв токсичными элементами и тяжелыми металлами доказывает достаточно быструю пространственно-временную динамику выделяемых ореолов загрязнения в почвах. Существенные изменения наблюдаются даже в течение года, что позволяет говорить о посезонной динамике ореолов загрязнения почв, связанной со сменой климатических показателей (температурного режима, количества и состава осадков), водного режима почв и микробиологической активности [5]. Эти данные, основанные на результатах многолетнего мониторинга, дают возможность по–новому оценить экологическую опасность загрязнения почв, так как благодаря повышенной подвижности токсичных элементов, временно фиксируемых почвами, существует высокая вероятность техногенного загрязнения контактирующих компонентов окружающей среды – поверхностных и подземных вод, живых организмов.
Буферная роль почв в большинстве случаев преувеличивается, поэтому изучение пространственно-временной динамики ореолов загрязнения почв является важной задачей экологической безопасности. Стабильность деятельности источника загрязнения определяет некоторое постоянство в присутствии техногенных аномалий, хотя их контуры, пространственная приуроченность эпицентров периодически меняются. Токсичные элементы, попадая в почвенный слой, в течение года в большей своей части перемещаются в водоносные горизонты. Некоторая их часть мигрирует поверхностным стоком или вовлекается в биогенный цикл. В связи с этим установленная подвижность токсичных элементов представляет повышенную экологическую опасность.
Буферная роль почв в большинстве случаев преувеличивается, поэтому изучение пространственно-временной динамики ореолов загрязнения почв является важной задачей экологической безопасности. Стабильность деятельности источника загрязнения определяет некоторое постоянство в присутствии техногенных аномалий, хотя их контуры, пространственная приуроченность эпицентров периодически меняются. Токсичные элементы, попадая в почвенный слой, в течение года в большей своей части перемещаются в водоносные горизонты. Некоторая их часть мигрирует поверхностным стоком или вовлекается в биогенный цикл. В связи с этим установленная подвижность токсичных элементов представляет повышенную экологическую опасность.
Источниками техногенного загрязнения почв являются предприятия, различные накопители отходов. В Донбассе сосредоточены огромные массы отходов добычи и обогащения угля, поэтому оценка их влияния на окружающую среду весьма актуальна. Объективное и достоверное определение степени опасности накопителей отходов возможно лишь при изучении пространственно-временной динамики техногенного загрязнения.
В течение 2007–2010 гг. автор в сотрудничестве с ПГП «Артемовская гидрогеологическая партия» проводил мониторинговые исследования зоны влияния илонакопителя и площадки просушки влажных отходов ООО Моспинское углеперерабатывающее предприятие
(МУПП). Работы осуществлялись ежегодно в сентябре месяце, когда загрязнение почв со стороны участка размещения отходов максимально. Всего проведено четыре этапа исследований.
Стадия спекания проявлена во внутренних частях горящих породных отвалов. Породы приобретают яркую кирпично-красную окраску, однако сохраняют свои первичные текстурно-структурные особенности, в частности сланцеватость, слоистость, обломочную структуру. Одновременно формируется субпослойная и субсланцеватая пористость, отмечается перекристаллизация минерального субстрата. По поверхности и порам развиваются налеты серого ангидрита, белых, местами желтоватых за счет серы, сульфатов натрия. Породная масса приобретает монолитность стадии вторичной техногенной литификации. Эти образования слагают внутренние части породных отвалов.
Илонакопитель и площадка просушки отходов углеобогащения МУПП расположены на южной окраине г. Моспино в пойме р. Грузская (рис. 1). С севера участок их размещения ограничен железной дорогой и промплощадкой предприятия, с южной – р. Грузская. К западу в 120 м от илонакопителя и в 220 м к востоку от площадки просушки расположены ближайшие жилые застройки г. Моспино.
Отходы углеобогащения отводятся по илопроводу последовательно в три секции илонакопителя, где происходит осветление пульпы. Осветленная вода из илонакопителя через водозаборные сооружения по самотечным трубопроводам подается к насосной станции, которая возвращает воду по напорному трубопроводу на промплощадку МУПП. Илонакопитель разделен на три секции, которые эксплуатируются последовательно: одна секция заполняется отходами, во второй – происходит подсушка илов, третья – очищается от подсушенного ила. Ил с влажностью до 40% из очищаемой секции илонакопителя грузиться в КрАЗы, транспортируется и выгружается по периметру площадки просушки. На площадке просушки происходит снижение влажности до 16%.
Рис. 1. Ситуационный план территории размещения илонакопителя Моспинского УПП
Основным фактором загрязнения почв со стороны илонакопителя и площадки просушки является ветровое рассеивание пылевых выбросов. Пыление происходит при ветровой эрозии отходов площадки просушки и сухих пляжей илонакопителя. В процессе осаждения компонентов выбросов на земную поверхность образуются вторичные ореолы рассеивания в почвах. Отходы углеобогащения характеризуются своеобразным геохимическим спектром, который отличается от геохимического спектра первичных почв. Это позволяет определить границы пылевого ореола, локализованного в почвенном слое.
Локальное загрязнение почв со стороны площадки просушки и илонакопителя происходит также в процессе водной миграции загрязнителей с поверхностным стоком в период паводков и грунтовыми водами на участках подтопления. Наибольшее загрязнение при этом устанавливается в локальных понижениях и заболоченных участках поймы р. Грузская к югу от исследуемых объектов.
Пробы почв ежегодно отбирались в пределах одних и тех же площадок, расположенных по радиальной сети вокруг источника. Опробование почв производилось методом конверта
, объединенная проба составлялась из пяти частных проб, отбираемых в интервале глубин 0–20 см. Створы, состоящие из 2–4 площадок отбора проб ориентированы на юго-запад к жилому сектору, на юг и юго-восток к р. Грузская с выходом на левый берег к жилым домам, на восток и северо-восток к жилому сектору. К северу от илонакопителя отбиралась одна проба у южной границы промплощадки. Одна объединенная проба составлялась из отходов углеобогащения, частные пробы которой отбирались по всему периметру площадки просушки. Такой подход позволил исследовать закономерности пылевого рассеивания отходов вокруг илонакопителя и площадки просушки, определить их зону влияния на почвы и исследовать динамику развития процесса загрязнения, особенно при смене геохимической специализации отходов.
В процессе четырех этапов мониторинга почв зоны влияния илонакопителя установлена динамика ореолов загрязнения, свидетельствующая об их крайней неустойчивости во времени и пространстве. Исследованиями установлено достаточно частое изменение геохимической специализации перерабатываемых на предприятии углей, что отражалось на строении ореолов и геохимическом спектре элементов-загрязнителей, образующих аномалии в прилегающих к илонакопителю почвах.
Степень суммарного загрязнения почв оценивалась в соответствии с общеизвестным показателем Zc, рассчитываемым по формуле [6]:
где Ксi – коэффициент концентрации i–го элемента в пробе, равный отношению концентрации i–го элемента к его региональному фоновому содержанию в почвах; n – количество элементов, коэффициент концентрации которых превышает 1. Для изучения связи загрязнения почв с отходами углеобогащения, по результатам анализов проб отходов рассчитаны Кс токсичных элементов по отношению к их фоновым концентрациям в почвах. Подобный подход позволил выделить ореол рассеивания компонентов отходов, установить зону влияния илонакопителя и площадки просушки. Сравнительный анализ геохимического спектра отходов и аномалий в прилегающих почвах дает возможность отследить пространственно-временную динамику развития ореолов загрязнения в связи с илонакопителем и площадкой просушки.
Суммарное загрязнение почв прилегающей к илонакопителю территории характеризуется преимущественно допустимой степенью (рис. 2). В 2007 г. отмечается наименьшая степень суммарного загрязнения на уровне показателя Zc до 10 ед. Отходы углеобогащения при этом не выделяются существенными аномалиями токсичных элементов. В 2008 г. ситуация изменилась, степень суммарного загрязнения отходов выросла до средней категории загрязнения (Zc=14,6 ед.). Вокруг илонакопителя и площадки просушки сформировался ореол загрязнения с Zc от 10 до 16 ед., его внешние границы удалены на расстояние до 100 м от контура исследуемых объектов. В 2009 г. степень суммарного загрязнения осталась на том же уровне, ореол средней категории загрязнения допустимой степени несколько расширился, однако сохранил отчетливую пространственную приуроченность к илонакопителю и площадке просушки. В 2010 г. резко возросла степень суммарного загрязнения отходов углеобогащения (Zc=43,0 ед.) до опасной степени, что привело к некоторому увеличению масштабов и интенсивности ореола загрязнения почв по периферии илонакопителя. Устанавливается некоторое расширение загрязнения в восточном направлении вдоль автодороги, по которой отходы транспортируются на породный отвал МУПП.
Развитие ореолов суммарного загрязнения почв, контролируется илонакопителем и площадкой просушки, существенных изменений в степени и масштабах загрязнения в течение 2008–2010 годов не отмечается. Создается впечатление о стабильном, преимущественно допустимом характере сформированного ореола загрязнения почв прилегающей территории, параметры которого (интенсивность, морфология, размеры и пространственная приуроченность) не зависят от уровня и характера загрязнения отходов. Так существенное загрязнение отходов в 2010 г. не сопровождается значительным ростом степени и масштабов загрязнения почв. Умеренно-опасная степень загрязнения почв установлена лишь в пробе к северу от илонакопителя вблизи границы промплощадки предприятия.
Однако при некоторой стабильности ореолов суммарного загрязнения на всем протяжении мониторинга спектр элементов загрязнителей существенно менялся, что отражалось на динамике распределения микроэлементов в прилегающих к илонакопителю почвах. Степень суммарного загрязнения почв в разные этапы мониторинга определяли концентрации кадмия, ртути, мышьяка, свинца и цинка.
Рис. 2. Динамика ореолов суммарного загрязнения почв в зоне влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007–2010 гг.
Кадмий основной индикаторный элемент загрязнения почв в связи с источниками добычи, переработки и сжигания угля. В 2007 г. в отходах углеобогащения установлена концентрация кадмия на уровне флуктуации естественного фона почв (Кс=1,50 ед., фон – 1,0 мг/кг). Поэтому аномалий в связи с илонакопителем установлено не было (рис. 3). Небольшие аномалии кадмия с концентрацией 2–4 ед. геофона были выявлены за зоной влияния исследуемых объектов к востоку и западу от них.
В 2008 и 2009 гг. концентрация кадмия в отходах углеобогащения возросла до 7,0 и 6,0 ед. геофона, соответственно, что обусловило формирование аномалий в почвах по периметру участка размещения отходов. В процессе водной миграции к западу от илонакопителя и к югу от площадки просушки в локальном понижении, периодически подтапливаемом во время паводков, сформировалась точечная аномалия, несколько удаленная от границ исследуемых объектов.
В 2010 г. концентрация кадмия в отходах увеличилась до 12,5 мг/кг, вокруг участка размещения отходов сформировался масштабный аномальный ореол. Фоновая концентрация установлена лишь в одной пробе территории жилого сектора к западу от илонакопителя. На расстоянии 100–150 м от границ илонакопителя и площадки просушки выделяется зона с концентрацией более 4 мг/кг, то есть превышающей ПДК. Она не достигает границ жилого сектора, однако представляет с учетом установленной динамики загрязнения повышенную опасность.
Рис. 3. Динамика аномальных ореолов кадмия и ртути в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007–2010 гг.
Развитие аномальных ореолов ртути несколько отличается от поведения кадмия (рис. 3). В 2007 г. в отходах углеобогащения установлена аномальная концентрация на уровне 2,86 ед. геофона (фон – 0,035 мг/кг). При этом максимальные концентрации ртути установлены к югу от илонакопителя на уровне 4,29–4,86 ед. геофона. В целом вокруг илонакопителя выделялся масштабный аномальный ореол, границы которого удалены на 200 м от контура мест удаления отходов. В 2008 и 2009 гг. аномальные ореол ртути вокруг илонакопителя несколько сократился. В 2010 г. ореол ртути еще более сократился. В отходах углеобогащения концентрация ртути составила 2,0 ед. геофона. Для аномалий ртути на всех этапах мониторинга устанавливается пространственная связь с илонакопителем и площадкой просушки. Удаленные от источника загрязнения аномалии ртути объясняются ее повышенной мобильностью, способностью мигрировать воздушным и водным путем. При этом интенсивность аномалий снижается, а их размеры расширяются. Некоторый пространственный отрыв аномалий ртути от источника загрязнения – часто наблюдаемое явление.
Распределение мышьяка в 2007 г. соответствовало флуктуации естественного фона в почвах – 1,9 мг/кг (рис. 4). В 2008 г. выделены два эпицентра загрязнения на уровне 4–10 ед. геофона. Первый – в связи с илонакоптелем, концентрация мышьяка в отходах углеобогащения установлена на уровне 5,16 ед. геофона. Второй – в жилом секторе к востоку от исследуемых объектов. В этом направлении осуществляется транспортировка отходов на породный отвал автомобильным транспортом. В результате сформирован ореол пылевого загрязнения отходами, что отчетливо проявилось в 2009 г., когда два эпицентра загрязнения почв мышьяком слились в один, вытянутый вдоль автодороги на северо-восток от илонакопителя к застроенной территории. В целом отмечается рост загрязнения почв мышьяком, во всех пробах установлены аномальные концентрации, превышающие местный фон в два и более раза. В 2010 г. ситуация резко изменилась, небольшая аномалия сохранилась к востоку от илонакопителя вне связи с ним. В отходах углеобогащения концентрация мышьяка составила 1,47 ед. геофона.
В течение 2007–2009 гг. аномалии свинца в почвах исследуемой территории были незначительными и их связь с илонакопителем не устанавливалась (рис. 4). Вокруг илонакопителя концентрация свинца в почвах была несколько ниже, чем на удалении от него. Это объясняется тем, что концентрация свинца в отходах не превышала 2,0 ед. геофона. В 2007 г. единичная аномалия в 2,15 ед. геофона (фон – 20 мг/кг) была установлена в жилом секторе к западу от илонакопителя. В 2008 и 2009 гг. на некотором удалении вокруг исследуемых объектов выделяются масштабные аномалии на уровне 2 –4 ед. геофона. Лишь в 2010 г. устанавливается формирование ореола загрязнения почв свинцом со стороны илонакопителя, который накладывается на площадной аномальный ореол в 2–4 ед. геофона. Концентрация свинца в отходах углеобогащения достигает 10,3 ед. геофона, а по периферии илонакопителя и площадки просушки выделяется аномальная зона в 4–10 ед. геофона. По ней определяется зона влиянии илонакопителя на почвы прилегающей территории. Площадной ореол загрязнения почв свинцом не связан с деятельностью илонакопителя и характеризует региональный уровень загрязнения.
В течение 2007–2009 гг. распределение цинка в почвах и отходах углеобогащения соответствовало флуктуации природного фона для почв – 70,0 мг/кг (рис. 5). Лишь в 2010 г. концентрации цинка в отходах углеобогащения увеличились до 18,15 ед. геофона, что отразилось формированием аномального ореола в прилегающих к илонакопителю почвах. Зона влияния исследуемых объектов при этом не превысила 100 м.
Исследованиями подтверждается вывод о неустойчивом характере техногенных аномалий токсичных элементов в почвах, об их быстром динамичном развитии, обусловленном внешними природными и техногенными факторами. Под действием постоянно меняющихся природных факторов токсичные элементы переходят в подвижное состояние и мигрируют в грунтовые и поверхностные воды, вовлекаются в биогенный цикл. Особую роль в мобилизации техногенного вещества играют микробиологические показатели почв. Техногенные факторы определяют интенсивность и масштабы загрязнения, геохимический спектр формирующихся в почвах аномалий. Стабильность деятельности техногенного источника загрязнения обеспечивает постоянство аномалий в зоне его влияния, однако смена микроэлементного состава отходов сопровождается изменением геохимического спектра индикаторных элементов загрязнения почв.
Рис. 4. Динамика аномальных ореолов мышьяка и свинца в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007–2010 гг.
Рис. 5. Динамика аномальных ореолов цинка в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение четырех этапов мониторинга 2007–2010 гг.
Отходы углеобогащения служат источником интенсивного сульфатного засоления почв. Наиболее масштабное и интенсивное площадное засоление почв сульфатами установлено в 2007 г., когда степень загрязнения токсичными элементами была минимальной. Динамика засоления почв сульфатами согласовывается с изменениями их концентраций в отходах углеобогащения (рис. 6 и 7).
В 2008 и 2009 гг. интенсивность площадного загрязнения сульфатами сократилась, отчетливо обозначилась зона влияния илонакопителя и площадки просушки, расширяемая в южном направлении за счет водной миграции. В этот же период отмечается рост загрязнения почв токсичными элементами. В 2010 г. ореол сульфатного загрязнения еще более сократился.
Сульфатное засоление развивается весьма динамично, сульфаты легко мигрируют в водоносные горизонты и р. Грузская. Об этом свидетельствует резкое изменение их концентраций в пределах исследуемых площадок, например, в одной и той же пробе в 2007 г. концентрация сульфатов составляла 28953,6 мг/кг, а в 2008 г. – 96,0 мг/кг. Тем не менее, регулярная деятельность источника и формирование за счет водной миграции определили относительную устойчивость ореолов сульфатного засоления.
Рис. 6. Динамика основных показателей загрязнения в почвах зоны влияния илонакопителя МУПП в течение 2007–2010 гг.
Динамика основных показателей загрязнения почв зоны влияния илонакопителя в течение четырех этапов мониторинга устанавливается на графиках (рис. 6). При этом на рис. 6 приведены графики, построенные на основании расчетных средних значений показателей загрязнения по всем пробам почв, а на рис. 7 графики отражают динамику этих же показателей для отходов углеобогащения.
Рис. 7. Динамика основных показателей загрязнения в отходах углеобогащения МУПП в течение 2007–2010 гг.
Анализ графиков позволяет сделать выводы:
Геохимический спектр ореолов загрязнения почв связан с геохимической специализацией угля. Характер динамических кривых в отходах и почвах аналогичен для всех показателей, различается лишь в уровне концентрирования. Изменение концентраций элементов в отходах приводил к согласованному их поведению в почвах. Так в 2007 г. небольшое концентрирование отмечается лишь для ртути, в 2008 и 2009 гг. аномалии характерны для кадмия, мышьяка, в меньшей степени для ртути и свинца, в 2010 г. главную роль играют цинк, кадмий и свинец.
Устанавливается четкая закономерность в поведении токсичных элементов и сульфатов – чем выше концентрация сульфатов, тем ниже уровень суммарного загрязнения токсичными элементами и, наоборот. Это связано с различными условиями их миграции и локализации в рамках водной дифференциации. Сульфаты концентрируются в условиях повышенной кислотности, растворяются и мигрируют при повышении рН. Катионогенные элементы – большая часть токсичных элементов и тяжелых металлов, мигрируют в кислой среде и локализуются в условиях поверхности на щелочном барьере. Поэтому быстрая динамика ореолов загрязнения и засоления почв определяется установленной для региональных ореолов посезонной сменой почвенных условий [5].
Полученные в процессе мониторинга результаты позволяют по–новому оценить степень экологической опасности загрязнения почв. Быстрая динамика развития ореолов загрязнения почв, обусловленная скоростью процессов локализации элементов и их последующего выноса в контактирующие среды, позволяет говорить о высокой экологической опасности территорий, где постоянно, но на разных участках устанавливаются техногенные аномалии. Установленная динамика ореолов загрязнения почв указывает на высокую подвижность техногенного вещества, его способность мигрировать водными потоками и вовлекаться в биологические циклы. С учетом того, что техногенные компоненты, преимущественно токсичные микроэлементы и соли, нетипичны для естественного развития биосферы, их повышенные концентрации и подвижность могут представлять значительную экологическую опасность, степень которой при существующем уровне изученности достоверно оценить не представляется возможным. Полученные данные свидетельствуют о необходимости пересмотра системы мониторинга почв и контактирующих компонентов окружающей среды.
Список использованной литературы
1. Алексеенко В. А. и др. Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов Ростовской области: Учебное пособие. – М.: Логос, 2002. – 212 с.
2. Федорец Н. Г., Медведева М. В. Методика исследования почв урбанизированных территорий. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. – 84 с.
3. Экологический мониторинг: шаг за шагом. Е. В. Венецианов и др. Под ред. Е. А. Заика. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. – 252 с.
4. Королев В. А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд – во МГУ, 1995. – 272 с.
5. Выборов С. Г., Силин А. А., Россеева Ю. Ю., Ливадняя Я. Ю., Горбачева Е. Ю. Геохимические особенности динамики развития техногенных аномалий в почвах. Опыт мониторинга состояния почв Донбасса. Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо – геологічна». – Вип. 15 (192). – Донецьк, ДонНТУ, 2011 р. – С. 309–316
6. СанПиН 4266–87. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. – М.: Минздрав СССР, 1987. – 25 с.