Накопление поллютантов в почвенном покрове в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3

Введение. В процессе деятельности теплоэлектростанций, использующих в качестве сырья уголь, образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), в результате чего формируются огромные площади золоотвалов и отчуждаются большие участки городских земель. Одним из существенных путей воздействия золоотвалов на окружающую природную среду является вынос в атмосферу пылевых частиц с их поверхности в результате их ветровой эрозии и последующее их осаждение на почве. Пыление это возникает в результате несовершенства проектных решений и технологии складирования золошлаков, нарушения правил эксплуатации указанных объектов, являющихся источником неорганизованных выбросов загрязнителей в атмосферу. Содержание ряда токсичных микроэлементов в ЗШО значительно превышает их среднее содержание в земной коре, что свидетельствует о нанесении ущерба окружающей среде, в частности почвенному покрову.

Вопросы влияния золоотвалов на состояние почвенного покрова мало изучены. Учитывая важность рассматриваемой темы, целью исследования стало изучение загрязнения поллютантами почвенного покрова в зоне влияния золоотвала (на примере золоотвала ТЭЦ-3 г. Хабаровска).

Исходя из цели, определены следующие задачи исследования :

• 1.    Оценить воздействие золоотвалов (на примере золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3) на почвенный покров.

• 2.    Рассчитать показатели химического загрязнения почв в зоне влияния золоотвала.

Объектом исследования явился почвенный покров в районе золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3, а предметом исследования – оценка остроты экологической ситуации по экотоксикологическому показателю.

Золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 размещен на пойменной террасе реки Амура между протокой Хохлат-ская и левым берегом реки Березовой, в районе с. Федоровка на расстоянии 5 км севернее площадки ТЭЦ-3. Общая площадь отведенной территории 58,23 га. Примыкающий к ТЭЦ-3 район – населенная равнина и пахотные земли Хабаровского района. В регионе преобладают ветры юго-западных, западных и северовосточных направлений. Район исследования принадлежит к восточной буроземно-лесной области бурых и подзолисто-бурых лесных почв [1].

При проведении исследований были отобраны пробы почвы на границе санитарно-защитной зоны зо-лоотвала на расстоянии 500 м в юго-западном направлении (точка № 3) и в контрольных пунктах наблюдения на расстоянии 150 (точка № 1) и 300 м (точка № 2) от источника загрязнения. Отбор проб осуществлялся послойно с глубины 0-20 см и 21-40 см согласно ГОСТ 17.4.4.02-84. Исследуемые участки почвенного покро- ва относятся к антропогенно-преобразованному бурозему (остаточно-пойменный) с явными признаками отбеливания. Пробы в целом идентичны.

Определение валового содержания тяжелых металлов и других элементов в почвах проводилось методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии (ПНД Ф16.1:2.2:2.3:3.36-02), а определение ртути, мышьяка и кадмия – методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием атомноабсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией «МГА-915» (М-03-07-2009).

Исследованный ранее элементный состав золошлаковых отходов методом атомно-абсорбционной спектроскопии показал, что последовательность элементов по убыванию содержания их в данных отходах представляет следующий ряд: K > Fe > Al > Mg > Ca > Mn > Sr > Pb > Co > Zn > Cu > Sn > As > Ni > Cd > Hg.

В связи с наличием в золошлаках элементов I, II и III классов опасности в почвенном покрове определено содержание кадмия, свинца, цинка, мышьяка и ртути (I класс опасности); никеля, меди (II класс опасности); марганца (III класс опасности).

При геохимических исследованиях важно знать не только содержание химических элементов в почвенном покрове, но и его геохимическую структуру, которая описывается радиальным и латеральным поведением изучаемых показателей. В данном исследовании произведен расчет коэффициента радиальной дифференциации.

Проведенные исследования показали, что содержание марганца имеет максимальное значение (1529,02 мг/кг) в горизонте 21-40 см в точке № 3, расположенной в 500 м от золоотвала, а минимальное (360,60 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в точке № 1, расположенной в 150 м от золоотвала (рис. 1, а). Металл мигрирует вниз, кроме точки № 1, так как он обладает повышенной миграционной способностью, а в точке № 1 повышенное содержание в верхнем горизонте можно связать с кислотностью почвы и наличием благоприятных условий для его подвижности.

Для никеля максимальное содержание (33,49 мг/кг) отмечено в горизонте 0-20 см в точке № 3, а минимальное (17,98 мг/кг) в горизонте 21-40 см в точке № 1 (рис. 1, б). Миграция никеля отмечена только в точке № 3, что может быть обусловлено почвообразовательными процессами и техногенным загрязнением.

Содержание меди максимально (32,21 мг/кг) в горизонте 21-40 см в точке № 3, минимально (17,94 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в точке № 1 (рис. 1, в). Металл мигрирует вниз, кроме точки № 1, так как он обладает повышенной миграционной способностью, а в точке № 1 повышенное содержание в верхнем горизонте можно связать с кислотностью почвы и наличием благоприятных условий для его подвижности.

Аналогичная зависимость характерна для цинка: максимальное значение (126,74 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в точке № 3, а минимальное (60,24 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в точке № 1 (рис. 1, г). Миграция цинка отмечена только в точке № 3, так как для него характерна биогеохимическая аккумуляция в верхнем гумусовом горизонте.

Мышьяк имеет максимальное содержание (8,73 мг/кг) в горизонте 21-40 см в точке № 2, а минимальное (6,1 мг/кг) – в горизонте 0-20 см в точке № 1 (рис. 1, д). Элемент мигрирует вниз, кроме точки № 3, ограничения в миграции мышьяка могут быть связаны с его сорбцией на поверхности органических и минеральных коллоидов.

Содержание кадмия имеет максимальное значение (0,12 мг/кг) в горизонте 21-40 см в точке № 3, минимальное (0,05 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в точке № 1 (рис. 1, е). Миграция металла отмечена только в точке № 3, что можно связать с рН почв.

Ртуть концентрируется в верхнем горизонте почвы на границе СЗЗ. Максимальное значение (0,028 мг/кг) выявлено в горизонте 0-20 см в точке № 3, а минимальное (0,019 мг/кг) – в горизонте 0-20 см в точке № 1 и в горизонте 21-40 см в точке № 3 (рис. 1, ж). Большая часть запасов общей ртути сосредоточена в верхней части почвы, обогащенной органическим веществом. Удержание ртути в гумусовом горизонте является практически необратимым из-за очень сильной связи между ртутью и гумусовыми веществами.

Максимальное содержание свинца (65,87 мг/кг) отмечено в горизонте 0-20 см в точке № 1, минимальное (20,10 мг/кг) – в горизонте 21-40 см в той же точке (рис. 1, и). Большая часть металла накоплена в верхнем горизонте, так как среди тяжёлых металлов он наименее подвижен.

о U

Точки отбора

И 0-20 см ы 21-40 см

а – марганец

и 0-20 см г – цинк

Точки отбора и 0-20 см м 21-40 см ж – ртуть

Точки отбора и 0-20 см

Точки отбора и 0-20 см д – мышьяк

м 0-20 см

и – свинец 82

Точки отбора и 0-20 см и 21-40 см

Точки отбора ■ 0-20 см

е – кадмий

Рис. 1 Содержание валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в почвенном покрове, мг/кг почвы

Согласно результатам, имеет место увеличение концентрации по мере удаления от золоотвала, за исключением свинца. Это может быть обусловлено осаждением золы из выбросов самой теплоэлектростанции (рис. 2).

Рис. 2. Карта-схема полей рассеивания концентраций золы от ТЭЦ

Для оценки степени загрязнения почв использовались:

• -    коэффициент концентрации загрязняющих веществ в почве (табл.):

Кi = Сi / СПДКi, где   Сi – средняя концентрация загрязняющего вещества в почве, мг/кт;

С ПДКi – предельно допустимая концентрация загрязняющих веществ в почве в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06;

• -    суммарный экотоксикологический показатель [2]

Э = К1 + ... + Кn, где n – количество учитываемых тяжелых металлов (дополнительно учтен мышьяк).

Коэффициент концентрации валовых форм химических элементов в почвенном покрове

Вещество	Коэффициент концентрации (K=C почвы /С норм ) элементов на различном расстоянии от золоотвала
	150 м		300 м		500 м
	0-20 см	21-40 см	0-20 см	21-40 см	0-20 см	21-40 см
I класс опасности
Кадмий	0,15	0,1	0,18	0,11	0,21	0,23
Свинец	2,06	0,63	0,8	0,77	0,74	0,66
Цинк	1,13	1,1	1,53	1,45	1,85	2,3
Мышьяк	3,05	3,3	4,12	4,36	3,83	3,65
Ртуть	0,009	0,012	0,012	0,011	0,013	0,009
Э I	6,399	5,142	6,642	6,701	6,643	6,849
II класс опасности
Никель	1,09	0,9	1,201	1,198	1,4	1,67
Медь	0,69	0,54	0,67	0,71	0,84	0,98
Э II	1,78	1,44	1,871	1,908	2,24	2,65
III класс опасности
Марганец	0,4	0,24	0,78	0,93	0,77	1,02
Э III	0,4	0,24	0,78	0,93	0,77	1,02

Результаты исследования показали, что экотоксикологический показатель почв для металлов I класса опасности составляет 6,639 на расстоянии 150 м, 6,642 – на расстоянии 300 м и 6,643 – на границе СЗЗ, что позволяет отнести почву к зоне с чрезвычайной экологической ситуацией (5 < Э < 10). В почвенном покрове на расстоянии 150 м от золоотвала отмечены превышения ПДК в верхнем горизонте по свинцу (2,06 ПДК), мышьяку (3,05 ПДК) и цинку (1,15 ПДК), а в нижнем горизонте – по мышьяку (3,3 ПДК) и цинку (1,1 ПДК). В 300 м от золоотвала выявлены превышения ПДК в верхнем горизонте почвы по мышьяку (4,12 ПДК) и цинку (1,85 ПДК), а в нижнем – по никелю (1,198 ПДК), мышьяку (4,36 ПДК) и цинку (1,45 ПДК). На границе СЗЗ зо-лоотвала есть превышения ПДК в верхнем горизонте по мышьяку (3,83 ПДК) и цинку (1,53 ПДК), а в нижнем горизонте – по мышьяку (3,65 ПДК) и цинку (2,3 ПДК).

Экотоксикологический показатель почв для металлов II класса опасности находится в пределах 1,78– 2,24, что позволяет отнести почву к зоне с критической экологической ситуацией (1 < Э < 5). Превышения ПДК по никелю отмечены в почвенном покрове в 150 м от золоотвала в верхнем горизонте (1,1 ПДК), в 300 м от золоотвала в верхнем и нижнем горизонтах (1,2 ПДК) и на границе СЗЗ: в верхнем горизонте 1,4 ПДК, в нижнем – 1,67 ПДК.

Экотоксикологический показатель почв для металлов III класса опасности находится в пределах 0,40– 0,78, что позволяет отнести почву к зоне с удовлетворительной экологической ситуацией (Э < 1).

Аналогичные данные по влиянию на почвенный покров золоотвала Кумертауской ТЭЦ были опубликованы в [3]. Экотоксикологический показатель почв золоотвала Кумертауской ТЭЦ для металлов I класса опасности составляет 1,23–1,90 (критическая экологическая ситуация), для металлов II класса опасности находится в пределах 3,06–9,45 (чрезвычайная экологическая ситуация), а III класса – 0,09–0,29 (удовлетворительная экологическая ситуация). Суммарный экотоксикологический показатель почв в зоне влияния обоих золоотвалов свидетельствует о неблагоприятной экологической ситуации почвенного покрова.

Важнейшим показателем, характеризующим радиальную структуру почвенного покрова, является коэффициент радиальной дифференциации (R), представляющий собой отношение содержания химического элемента в почве (C г.п. ) к его содержанию в почвообразующей породе (C п.о.п. ): R = C г.п. / C п.о.п (рис. 3). C п.о.п приняты согласно кларкам для почвы [4, 5].

4,5

3,5

2,5

1,5

0,5

Pb

Mn

Zn

As

Hg

Рис. 3. Коэффициент радиальной дифференциации ЗВ в почвенном покрове

Полученные значения коэффициентов радиальной дифференциации тяжелых металлов и мышьяка в изученном почвенном покрове показали, что наибольшей радиальной дифференциацией обладают свинец, ртуть, мышьяк, цинк и марганец, а наименьшей – медь, никель и кадмий. Данный показатель позволяет подтвердить накопление в данных почвах свинца, ртути, мышьяка, цинка и марганца (R > 1,0) и вынос меди, никеля и кадмия (R < 1,0) в почвенном профиле по сравнению с почвообразующими породами.

Выводы. Таким образом, в ходе исследований установлено, что золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 оказывает негативное влияние на состояние почвенного покрова, причем связано оно с накоплением и выносом тяжелых металлов и мышьяка в почвенном покрове. Основными причинами этому являются прежде всего пыление золоотвала и рассеивание загрязняющих частиц от теплоэлектростанции [6, 7]. Следовательно, одним из главных мероприятий улучшения экологической ситуации является пылеподавление, а также снижение и мониторинг выбросов взвешенных веществ от теплоэлектростанций.