Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду

Черенцова, Анна Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду"

На правах рукописи

ЧЕРЕНЦОВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗОЛООТВАЛОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ (НА ПРИМЕРЕ ХАБАРОВСКОЙ ТЭЦ-3)

03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005533115

1 9 СЕН 2013

Владивосток - 2013

005533115

Работа выполнена на кафедре «Экология, ресурсопользование и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Майорова Людмила Петровна

доктор химических наук, доцент

Костенков Николай Максимович,

доктор биологических наук, профессор, сектор почвоведения и экологии почв ФГБУН «Биолого-почвенный институт» ДВО РАН, заведующий сектором

Нестерова Ольга Владимировна,

кандидат биологических наук, доцент, кафедра почвоведения Школы естественных наук ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет», заведующий кафедрой

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «5» октября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.056.02 при ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Октябрьская, 27, ауд. 435

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 690091, г. Владивосток, ул. Октябрьская, 27, каб. 417, кафедра экологии ШЕН ДВФУ.

Факс (423) 245-94-09 E-mail: marineecology@rambler.ru, res-water@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

Автореферат размещён на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru/catalogue и http://uml.wl.dvgu.ru

Автореферат разослан «2» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Ю.А. Галышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во всём мире в результате возрастания потребительских тенденций в экономическом развитии стремительно нарастает экологический кризис, вызванный загрязнением окружающей среды отходами производства и потребления, так называемый кризис «редуцентов». На сегодняшний день остро встала проблема с уже образовавшимися и накопившимися промышленными и бытовыми отходами, среди которых одно из первых мест по объему занимают зола и шлаки. Их опасные свойства усугубляются в процессе длительного хранения, так как токсичные компоненты концентрируются (Бочаров В. Л., Крамарев П. Н., Строгонова Л. Н. Геоэкологические аспекты прогноза изменения окружающей среды в районах полигонов захоронения золошлаковых отходов теплоэлектростанций // Вестник Воронежского университета. Геология. 2005. № 1. С. 233240). В отвалах теплоэлектростанций на территории РФ к настоящему времени накоплено более 2 млрд т золошлаковых отходов. Под золоотвалами крупнейших теплоэлектростанций находятся тысячи гектаров земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота. Количество образующихся золошлаковых отходов неуклонно растёт и в Хабаровском крае, здесь их объем уже превышает 28 млн т. На территории края функционируют 11 золоотвалов. В пределах г. Хабаровска в золоотвалах хранится более 16 млн т золы, на ТЭЦ ежегодно сжигается до 4-5 млн т угля и складируется около 600 тыс. т золошлаков, из них около 300 тыс. т приходится на Хабаровскую ТЭЦ-3. Золошлаковые отходы создают опасность загрязнения окружающей среды содержащимися в них токсичными веществами и тяжелыми металлами. Золоотвалы способствуют возникновению техногенно-трансформированных ландшафтов и условий развития антропогенно-преобразованных почв - хемозёмов (Шишов Л. Л., Тонконогов В. Д., Лебедева И. И., Герасимова М. И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004. 342 е.). В зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеобразования, а также вымывания компонентов золы, попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на растительность и здоровье человека. Между тем, в золах и шлаках концентрируется большое количество ценных элементов. По содержанию алюминия, меди, лития, титана, галлия, скандия золы приближаются к рудам, имеющим промышленное значение. Утилизация золошлаков позволяет использовать техногенное сырье взамен природного и решать экологические проблемы.

Таким образом, актуальность работы обусловлена необходимостью оценки воздействия золоотвалов на окружающую среду, а также практической значимостью комплексного анализа золошлаковых отходов как потенциального источника сырья и направлений утилизации этого вида вторичных ресурсов.

Цель и задачи работы.

Цель работы - оценить техногенное воздействие золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на природную среду и ущерб, наносимый им при химическом загрязнении почв.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Оценить воздействие золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на атмосферный воздух, поч-венно-растительный покров и донные отложения.

2. Рассчитать эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала.

3. Изучить физико-химические свойства золошлаковых отходов и разработать рекомендации по их использованию.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- впервые дана оценка суммарного поступления взвешенных веществ от теплоэлектростанции и ее золоотвала на почвенный покров в результате пыления, рассеивания и последующего их осаждения. Вклад ТЭЦ-3 в загрязнение атмосферного воздуха в контрольных точках составляет 0-22,7 %;

- проведена оценка загрязнения разных типов почв, характерных для данного района исследования, тяжелыми металлами и естественными радионуклидами. Из двух типов почв

(лугово-бурые и бурые лесные), характерных для зоны золоотвала, наиболее загрязнены бурые лесные;

- рассчитан эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3, который составляет 700 млн руб.;

- установлены тенденции накопления тяжелых металлов и радионуклидов в растениях и донных отложениях в зоне влияния золоотвала. Биогеохимическая активность многолетних трав выше на лугово-бурых почвах по сравнению с бурыми лесными (30,9 и 21,8 соответственно). По донным отложениям экологическая обстановка оценивается как относительно удовлетворительная;

- исследованы физико-химические свойства золошлаковых отходов (артииндустратов) Хабаровской ТЭЦ-3, определившие их низкую эрозионную стойкость и возможные направления утилизации (строительное производство).

Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для разработки природоохранных мероприятий, стратегии и тактики улучшения экологической ситуации в районе золоотвалов на территории Хабаровского края и других регионов Дальнего Востока. Разработанная база данных может быть полезна министерству природных ресурсов, Департаменту Росприроднадзора по ДФО и предпринимателям при решении проблемы переработки золошлаковых отходов. Полученные результаты используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета, на факультете переподготовки и повышения квалификации и при разработке мероприятий по улучшению экологической ситуации г. Хабаровска.

Защищаемые положения. 1. Эффект воздействия золоотвала состоит в накоплении тяжелых металлов, мышьяка и естественных радионуклидов в почвах в пределах всей его санитарно-защитной зоны (концентрации тяжелых металлов превышают ПДК в лугово-бурых почвах в 1,1-9,1 раза, в бурых лесных в 1,1-9,7 раза, удельная активность радионуклидов превышает таковую в сельскохозяйственных почвах в 1,2-2 раза). На расстоянии 500 метров от золоотвала наблюдаются превышения ПДК Аэ (в 3,8 раза).

2. Содержание тяжелых металлов, мышьяка и естественных радионуклидов в многолетних травах в зоне влияния золоотвала выше, чем в многолетних травах сельскохозяйственных угодий: биофильные металлы (2п, Мп) - в 1,3-27,1, токсичные элементы (Сё, РЬ, Щ, Аэ) - 1,2-5,6, радиоактивные элементы (40К, ^Яа, 232ТЬ) - 1,3-7,3 раза. В многолетних травах на границе санитарно-защитной зоны золоотвала превышений содержания элементов по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий не выявлено.

Апробация работы. Результаты работы представлялись и докладывались на международной научно-практической конференции «Дальневосточная весна 2008, 2009, 2011» (г. Комсомольск-на-Амуре); конкурсе научных работ молодых ученых ТОГУ по секции «Науки о жизни и Земле» (г. Хабаровск, 2008,2011); третьем международном экологическом форуме «Природа без границ» (г. Владивосток, 2008); программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (г. Хабаровск, 2009); Международных чтениях «Приморские зо-ри-2009» (г. Владивосток); конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов» (г. Хабаровск, 2009); научно-практической Школе-конференции молодых ученых Хабаровского края (г. Хабаровск, 2010); международной конференции «Регионы нового освоения: ресурсный потенциал и инновационные пути его использования» (г. Хабаровск, 2011); первом региональном молодежном экологическом форуме НГТУ им. Р.Е. Алексеева «Экотехно-2011» (г. Нижний Новгород); 12-ой Международной научной конференции «Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века» (Минск, Республика Беларусь); международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (г. Хабаровск, 2012); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современного землепользования и пути их решения (посвящается 55-летию ПримГСХА)» (г. Уссурийск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 232 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, состоящего из 333 источников, в том числе 76 на иностранных языках, 8 приложений. Включает 114 рисунков и 57 таблиц. , Работа выполнена при поддержке программы Фонда Бортника УМНИК (2009-2010 гг )

госконтрактов № 14.740.11.0446 от 30.09.2010 г., № 14 740 11 0952 от 29 04 11 г № 14.740.11.1277 от 17.06.2011 г.,№ 14.А18.21.2091 от 2012г.

Автор выражает благодарность за постановку задачи, критические замечания и неоценимую помощь научному руководителю зав. кафедрой «Экология, ресурсопользование и БЖД» ТОГУ, д.х.н. Л. П. Майоровой; признательность за помощь, оказанную в подготовке работы, д.б.н. Н. К. Христофоровой, д. с-х. н. А. М„ Дербенцевой, к.б.н. Т. И. Матвеенко, сотрудникам Центра лабораторного анализа и технических измерений по Дальневосточному I Федеральному округу и сотрудникам ООО «Экоаналитика».

| СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(

Глава 1. Изученность проблемы воздействия золоотвалов на окружающую среду и направлений использования золошлаковых отходов (обзор литературы)

; В главе рассмотрены проблемы накопления золошлаковых отходов и воздействия золо-

I отвалов на почвы, поверхностные и подземные воды, закономерности накопления и миграции тяжелых металлов и радионуклидов в почвах, механизмы фитотоксичности. Изучены информационные и патентные данные по возможным направлениям использования золош-| лаковых отходов в России и за рубежом.

Глава 2. Район работ, материалы и методы исследования

Исследования выполнены в районе золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3, размещенного на расстоянии 5 км к северу от площадки ТЭЦ-3 (рисунок 1). Урез пр. Хохлатской отстоит от северной дамбы золоотвала на 900 м. Общая площадь отведенной территории 58,23 га. Хабаровская ТЭЦ-3 расположена в пригородной зоне к северо-востоку от г. Хабаровска. Основное топливо для энергетических котлов - каменный уголь Нерюнгринского месторождения. Санитарно-защитная зона золоотвала составляет 500 м, ТЭЦ-3 - 1000 м.

Вся территория Хабаровского края, согласно климатическому районированию, нахо-: дится в умеренном климатическом поясе. Район исследования относится к климатическому ! подрайону I В (СНиП 23-01-99). Здесь преобладают ветры северо-восточного, юго-западного

и западного направлений.

Золоотвал располагается на 3-ей надпойменной террасе реки Амур, мевду протокой Хохлатская и левым берегом реки Березовой около с. Федоровка Хабаровского района. Река Березовая впадает в Хохлацкую протоку с выходом в р. Амур. По качеству вода р. Березовой классифицируется как «экстремально грязная» (Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Хабаровского края в 2010 году / под ред. В. М. Шихалева Хабаровск, 2011.267 е.).

Район исследования принадлежит к Дальневосточной таёжно-лесной области лесных пеплово-вулканических, подзолистых и буротаёжных почв (Добровольский Г. В., Урусевская ! И. С. География почв : учебник. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1984. 416 е.). Зональным типом являются бурые лесные почвы, для которых характерно буроземообразование и оглинивание ■ почвенного профиля, а также слабое развитие элювиальных процессов (Хабаровск и его окрестности : карта почв / сост. Махинова А. Ф. Хабаровск, 1990. 2 е.). Слабо пониженные участки поймы занимают лугово-бурые почвы, пониженные участки рельефа - пойменные аллювиальные почвы. Территория подвержена сильному антропогенному влиянию. Золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 был заложен на бурых лесных почвах (введен в эксплуатацию с 1985 г., J на данный момент заполнен до проектных отметок). В настоящее время, в связи с трансформацией рельефа, прослеживается изменение водного режима территории, подтопление низких участков, особенно в летний период.

По региональному гидрогеологическому районированию территория золоотвала приурочена к Среднеамурскому артезианскому бассейну. В геологическом строении района золоотвала принимают участие современные четвертичные и плиоцен-четвертичные отложения. Ложем золоотвала является слой суглинков мощностью 1,5-3 м со средним коэффициентом фильтрации 0,0008 м/сут.

Объектами исследования выбраны атмосферный воздух, почвенно-растительный ; покров и донные отложения в бассейне р. Березовой в зоне влияния золоотвала ТЭЦ-3 г. . Хабаровска, а также золошлаковые отходы, образующиеся при сжигании каменного угля.

Пробы почвы отбирались в зоне влияния источника загрязнения (рисунок 2), а также на расстоянии 150, 300 и 500 м от золоотвала. Наблюдается зарастание золоотвала естественным путем, растительные группировки находятся в начальной стадии формирования. Все V виды, зарегистрированные на золоотвале, встречаются на окружающей местности. Флористический состав растительности осушенной поверхности зеркала золоотвала включает луговые, болотные, рудеральные виды. В экологическом спектре доминируют мезофильные растения, в биологическом - двулетники и многолетники.

Рисунок 2 Точки отбора проб почв и многолетних трав в границах санитарно-защитной зоны золоотвала (точки 1,2, 3 - лугово-бурые почвы; точки 4-13 - бурые лесные)

Отбор почвенных образцов осуществлялся в границах санитарно-защитной зоны из прикопок по генетическим горизонтам согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 послойно с глубины 0-20 см и 21-40 см, массой не менее 1,5 кг каждый. Учитывалась роза ветров и рассеивание пыли неорганической в данном районе. Для изучения динамики накопления загрязняющих ; веществ в растениях на тех же пробных участках в зоне влияния золоотвала ТЭЦ-3 отбирались пробы травянистой растительности.

Пробы на разрезе, заложенном на золоотвале, отобраны согласно ПНД Ф 12.4.2.1-99.

Отбор проб донных отложений проводили летом 2009 и 2010 гг., с учетом рекомендаций ИСО 5667-12 и ГОСТ 17.1.5.01-80.

Определение содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов и других химических элементов в почве, растениях, золошлаковых отходах и донных отложениях проводилось методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием атомно-абсорбционного спектрометра с электротермической атомизацией «МГА-915» 1

(М-03-07-2009) и методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии согласно ПНД Ф16.1:2.2:2.3:3.36-02 и РД 52.18.191-89.

Органическое вещество в почве и донных отложениях определялось по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-84), рН в исследуемых образцах - по ГОСТ 26483-85.

Для радиологических определений удельной активности естественных радионуклидов

232-р^ 226ка) в почве, растениях, донных отложениях и золошлаковых отходах использовался гамма-бета спектрометр «Прогресс».

Токсичность почв определялась согласно ФР.1.39.2006.02264. Количество углекислого газа в почве при исследовании актуального почвенного дыхания определено по методу Э. А. Головко (Головко Э. А. О методах изучения биологической активности торфяных почв // Мат. иаучн. конф. по методам микробиол. и биохим. исследований почв. 1971. С. 68-76).

Для гранулометрического и микроагрегатного анализов золошлаковых отходов применялся сито-пипеточный метод (Качинский Н. А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1958. 192 е.). Подготовка образцов проведена по рекомендации Почвенного института им. В. В. Докучаева, с применением 4 %-ного раствора пирофосфата натрия. Значение влажности золошлаковых отходов получено термостатно-весовым методом (Роде А. А. Вопросы водного режима почв. Л. : Гид-рометеоиздат, 1978. 215 е.). Физико-механические свойства золошлаков определены по А. Ф. Вадюниной и 3. А. Корчагиной (Вадюнина А. Ф., Корчагина 3. А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов : учеб. пособие для студентов вузов. М. *. «Высшая школа», 1973.400 е.).

Направления исследований показаны на рисунке 3.

Атмосферной воздух

Почве нно-растительный Донные

покров отложения

Оценка пыления золоотеала

Оценка совокупного воздействия на атмосферный воздух золоотеалаи ТЭЦ-3

Агрохимическая характе-рисгика почв^

Изучение накопления

радионук* лидовв почве

Изучение накопления

ТМ и радио ну к* лидов в донных отложениях

Иаучеиие физико-механических и химических свойств ЗШО

Информационный и латентный

поиск по утилизации ЗШО

Рисунок 3 Направления диссертационных исследований

Оценка фитотоксичмости и дыхательной активности почв

Изучение накопления ТМ и радионук-лидов в растительности

Достоверность полученных результатов подтверждена большим объемом исследований, применением сертифицированных методик, ГОСТов и аккредитацией лабораторий по проведению аналитических работ в системе Госстандарта - Центра лабораторного анализа и технических измерений по Дальневосточному федеральному округу и ООО «Экоаналитика». Работа выполнена в текстовом редакторе MS Word. Все результаты исследований обработаны в программе MS Excel и программе «GeoStat». Рисунки и карты обрабатывались с помощью программ Paint и MS Visio. Иллюстративный материал готовился с помощью программы MS Power Point.

Глава 3. Экологическая оценка воздействия золоотвала на окружающую среду Воздействие золоотвала на компоненты окружающей среды происходит как при штатном, так и аварийном режимах эксплуатации, что обусловлено причинами техногенного и природного характера. Наиболее значимые ситуации представлены на рисунке 4.

Основные внлы возможных аварийных ситуации

Размыв дамбы

Обрушение сухих участков дамбы

Переувлажнение дамбы н угроза ее размыва

Эжекция донных отложений в водосбросный колодец

Загрязнение осветленной

воды плавающей золой и растительным мусором

Ухудшение

качества осветленной воды

Пылеипе золоотвала

Повреждение дамб волнобосм

Рисунок 4 Основные возможные аварийные ситуации на золоотвале ТЭЦ

Воздействие золоотвала на атмосферный воздух. Одним из существенных путей воздействия золоотвалов ТЭЦ на окружающую среду является вынос в атмосферу пылевых частиц в результате ветровой эрозии и последующее осаждение на почве, растительности, водной поверхности. Пыление возникает в результате несовершенства проектных решений и технологии складирования золошлаков, нарушения правил эксплуатации объектов.

Расчет текущего пылевого выноса и рассеивания золовых частиц в атмосфере от золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 по методике расчетной оценки ветровой эрозии и пыления зо-лошлакоотвала ТЭС (1998) позволил установить, что приземные концентрации пыли неорганической 70-20 % Si02 на расстоянии 150 м от золоотвала составляют 30,86 мг/м3, на расстоянии 1000 м - 0,16 мг/м . С увеличением скорости ветра от 2 до 18 м/с выброс пыли увеличивается в 2,6 раза. Вклад ТЭЦ-3 в загрязнение атмосферы в контрольных точках, в которых осуществлялся отбор проб почвы и растительности, составляет от 0 до 22,7 %.

Агрохимическая характеристика почв. В зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 лугово-бурые почвы являются сильногумусированными, бурые лесные - средне - и слабогумусированными. В контрольных точках 5, 8, 9, 12 и 13 (бурые лесные почвы) содержание гумуса ниже минимального, т.е. почвы частично утратили инертную компоненту гумуса в результате эрозионного выноса почвенных частиц, перемешивания гумусового горизонта с нижележащими слоями, механического выноса тонкодисперсных частиц и привноса пыли с золоотвала. На расстоянии 150, 300 и 500 м от золоотвала бурые лесные почвы силь-ногумусированные.

По гранулометрическому составу лугово-бурые почвы представлены тяжельми и средними суглинками, бурые лесные - тяжелыми и средними суглинками, средними суглинками (точка 4), средними суглинками мелкопесчаными (точка 6), супесью (точки 7, 8), средними и легкими суглинками (точки на расстоянии 150-500 м от золоотвала).

В обоих типах почв вблизи, в 150, 300 и 500 м от золоотвала выявлено очень высокое содержание кальция (15,3-29,3 мг-экв/100 г почвы) и магния (23,8-90,5 мг-экв/100 г почвы), что обусловлено составом почвы, а также дополнительным привносом металлов в результате пыления золоотвала (в золошлаковых отходах содержание кальция составляет 96,3, магния -58,7 мг-экв/100 г ЗШО).

Реакция среды лугово-бурых почв кислая, у бурых лесных почв некоторые контрольные точки имеют слабощелочную среду. Реакция среды бурых лесных почв на расстоянии 150, 300 и 500 м от золоотвала кислая.

Учитывая, что на взаимодействие тяжелых металлов с почвой оказывают влияние ряд факторов, в том числе величина рН почвенного раствора и содержание органического вещества, были установлены коррелятивные зависимости (коэффициент ранговой корреляции

Спирмена) рН, гумуса и содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов. Показано, что для валовых форм металлов наиболее характерна прямая умеренная коррелятивная связь с гумусом, для подвижных форм - слабая обратная. У валовых форм металлов преобладает слабая прямая, у подвижных - слабая и умеренная обратная коррелятивная связь с рН. Разброс значений, наличие прямой и обратной коррелятивных связей у С<1, Со, Бг, Zn обусловлены, вероятно, влиянием гранулометрического состава и окислительно-восстановительного потенциала почв, разной способностью тяжелых металлов к комплексо-образованию, их взаимодействием.

Характеристика состояния почв и растительного покрова. Для оценки степени загрязнения почв использовались:

- коэффициент концентрации загрязняющего элемента в почве

К;=С|/СПДк,, (1)

где С1 - средняя концентрация загрязняющего элемента в почве, мг/кг;

Спдю - ПДК/ОДК загрязняющих элементов в почве в соответствии с ГН 2.1.7.204106 иГН 2.1.7.2511-09;

- суммарный показатель химического загрязнения почв тяжелыми металлами:

2=К,+К2+....+Кп-(п-1), (2)

где п - количество учитываемых тяжелых металлов; - суммарный показатель загрязнения (2с).

= 1 лг„ -(я,-1), (3)

где Ко - коэффициент опасности;

П] - количество элементов, превышающих предельно допустимые значения;

- экотоксикологический показатель (Эс):

Эс = К1 + ...+К„; (4)

- коэффициент радиальной дифференциации (Я), представляющий собой отношение содержания химического элемента в почве (С™.) к его фоновому содержанию в сельскохозяйственных почвах юга Хабаровского края (Сп.0.п.):

К — Сг.п. / Сп.о.п* (5)

В связи с наличием в золошлаках широкого спектра элементов I, II и III классов опасности, в почве определено содержание наиболее массовых из них: Сс1, РЬ, Ъх\, Аб, (I класс опасности); Си (И класс опасности); Мп, V (III класс опасности).

Исследования показали, что токсичные элементы по убыванию содержания их в лугово-бурых почвах можно расположить в следующий ряд: Мп - Эг - V - Си - РЬ - № - Со - Ъп - Аэ - Сё - Щ. Высокое содержание Мп в почвах (в верхнем слое 513,64-1235,8 мг/кг, в нижнем -525,66-812,32 мг/кг, что выше среднемировых и российских показателей) обусловлено, в первую очередь, особенностями местного литогеохимического фона. Ряд исследуемых элементов имеют схожее распределение внутри профиля: у РЬ, Щ, Си тип распределения аналогичен распределению в профиле органического вещества, являющегося эффективным сорбентом тяжелых металлов, с которыми оно образует комплексные соединения. Наиболее прочно закрепляется Щ, прочно связывается РЬ, менее прочно - Си. Их наибольшая концентрация отмечается в верхнем горизонте. Содержание V, вг, Со в нижнем горизонте приближается к таковому в верхнем горизонте или превышает его, что свидетельствует о миграции химических элементов по профилю почв. Высокое содержание Б в почвах обусловлено техногенным привносом ввиду содержания Б в топливе и золе. В минимальных количествах в почвах содержится техногенный привнос которой незначителен.

В лугово-бурых почвах в зоне влияния золоотвапа Хабаровской ТЭЦ-3 (таблица 1) выявлены превышения ПДК/ОДК по содержанию следующих элементов: Сё, Аэ, № -в 1,1-1,35 раза и в -в 5,6-9,1 раза. Наибольший суммарный показатель химического загрязнения данных почв (Ъ) для верхнего горизонта почвы определен в точке 3 (5,5), что коррелирует с направлением преобладающих ветров и обусловлено привносом пыли с золоотвала. Для нижнего горизонта максимальное значение Ъ установлено в точке 1 (4,35), что, вероятно, обусловлено особенностями промывного режима. Суммарный показатель загрязнения (Хс) луго-

во-бурых почв в зоне влияния золоотвала колеблется от 10,2 до 13,3 в верхнем горизонте и от 9,4 до 12,3 в нижнем (таблица 1), что свидетельствует о слабом уровне загрязнения и относительно удовлетворительной экологической обстановке.

Экотоксикологический показатель (Эс) лугово-бурых почв в зоне влияния золоотвала для металлов I класса опасности варьирует от 1,0 до 3,0, II класса от 0,6 до 1,5 и III класса -от 0,8 до 1,4. Максимальный вклад в суммарный экотоксикологический показатель (рисунок 5) вносят металлы I класса опасности, а из них в первую очередь Сс1, РЬ и Аб.

В бурых лесных почвах токсичные элементы по убыванию содержания их в почве можно расположить в ряд: Мп - Эг - РЬ - V - № - Ъл - Со - Си - С<1 - Аэ - Содержание Сс1 и Ай изменяется в достаточно узких пределах (1-2,92 мг/кг), что может быть обусловлено сорбцией их на геохимических барьерах, поверхности органических и минеральных коллоидов. Широкий интервал варьирования содержания в почве характерен для РЬ (в 5,1 раза в верхнем горизонте и в 10,8 раза в нижнем), 2п (в 8 и 35,3 раза соответственно), N1 (в 40,2 и 12,1 раза), Си (в 13 и 26,4 раза). Это может быть обусловлено изменениями рН, гранулометрического состава почвы и содержания в ней гумусовых веществ, а также особенностями тяжелых металлов.

Таблица 1 - Коэффициент концентрации валовых форм элементов в исследуемых почвах

№ пробы почвы Коэс )фициенты концентрации элементов г гс

рь | са | Ав № | Ъл | Си | Нй | Мп | Э | V

Лугово-бурые почвы

1(0-20см) 0,96 0,7 0,76 0,57 0,09 0,70 0,010 0,38 5,58 0,44 1,2 10,2

1(21-40 см) 0,79 1,00 1,08 0,34 0,14 0,32 0,007 0,54 8,56 0,57 4,3 12,3

2(0-20 см) 0,82 0,7 0,88 0,13 0,13 0,98 0,009 0,82 8,27 0,55 4,3 13,3

2(21-40 см) 0,66 0,85 0,69 0,35 0,09 0,24 0,006 0,47 6,20 0,54 1,1 10,1

3(0-20 см) 0,81 1,35 0,75 1,29 0,07 0,24 0,009 0,34 9,15 0,49 5,5 12,5

3(21-40 см) 0,71 0,32 0,14 1,3 0,13 0,03 0,005 0,35 6,89 0,55 1,4 9,4

Б) /рые лесные почвы

4(0-20см) 0,85 0,78^ 0,57 0,63 0,18 0,17 0,006 0,57 9,67 0,56 5,0 14,0

4(2140 см) 1,05 0,55 0,43 0,12 0,21 0,42 0,008 0,37 9,38 0,55 4,1 12,1

5(0-20 см) 1,00 0,20 0,30 0,43 0,10 0,32 0,010 0,19 4,87 0,13 -1,5 7,6

5(21-40 см) 0,68 0,48 0,11 0,32 0,31 0,05 0,006 0,20 5,15 0,15 -1,5 7,5

6(0-20 см) 1,10 0,52 1,20 0,06 0,04 0,1 0,011 0,51 5,15 0,38 0,1 8,1

6(2140 см) 2,59 1,32 1,46 0,06 0,03 0,08 0,014 0,35 3,77 0,33 1,0 7,0

7(0-20 см) 1,23 2,30 1,24 0,10 0,07 0,54 0,013 0,62 4,68 0,30 2,1 8,1

7(2140 см) 0,24 1,40 1,40 0,30 0,15 0,77 0,003 0,91 5,53 0,28 2,0 9,0

8(0-20 см) 0,83 1,80 0,39 0,81 0,22 0,57 0,007 0,43 4,96 0,29 1,3 9,3

8(21-40 см) 0,63 1,10 0,19 0,17 0,04 0,26 0,004 0,46 4,75 0,41 -1,0 7,0

9(0-20 см) 1,22 0,35 0,27 0,1 0,28 0,03 0,010 0,41 3,79 0,43 -2,1 5,9

9(2140 см) 1,32 0,43 0,21 0,2 0,26 0,10 0,011 0,36 3,44 0,45 -2,2 5,8

10(0-20 см) 1,12 0,32 0,37 0,3 0,29 0,02 0,010 0,52 2,81 0,43 -2,8 5,2

10(2140 см) 1,21 0,65 0,42 0,3 0,15 0,02 0,012 0,42 3,27 0,44 -2,1 5,9

11(0-20 см) 2,65 1,67 1,14 0,07 0,05 0,1 0,015 0,53 3,69 0,41 1,3 7,3

11(2140) 0,73 0,42 0,52 0,06 0,06 0,05 0,009 0,52 4,10 0,45 -2,1 6,9

12(0-20 см) 0,51 0,49 0,82 0,03 0,08 0,08 0,005 0,42 3,25 0,26 -3,1 5,9

12(2140 см) 0,99 1,10 0,85 0,23 0,10 0,65 0,010 0,89 5,13 0,43 1,4 9,4

13(0-20 см) 0,52 1,45 0,90 0,25 0,11 0,17 0,005 0,44 2,64 0,29 -2,2 5,8

13(2140 см) 0,83 0,90 0,61 1,03 0,68 0,08 0,008 0,58 5,43 0,41 1,6 10,6

150(0-20 см) 2,06 0,08 3,05 0,54 0,57 0,34 0,009 0,4 * * -2,0 6

150(2140см) 0,63 0,05 3,33 0,45 0,55 0,27 0,012 0,24 * * -3,5 4,5

300(0-20 см) 0,81 0,09 4,12 0,6 0,76 0,34 0,011 0,78 * * -1,5 7,5

300(2140см) 0,77 0,06 4,37 0,6 0,72 0,35 0,011 0,93 * * -1,2 7,8

500(0-20см) 0,74 0,11 3,83 0,7 0,93 0,42 0,013 0,77 * * -1,5 7,5

500(2140см) 0,66 0,12 3,65 0,84 1,15 0,49 0,009 1,02 * * -1,1 5,9

Примечание -* содержание элемента не определялось

У ряда металлов интервал варьирования значительно уже: Мп - в 3,2 и 4,6 раза в верхнем и нижнем горизонтах соответственно, V - в 4,4 и 4 раза, Бг - в 1,7 и 1,8 раза, Со - в 3,6 и 3,3 раза. Возможно, это определяется существенным влиянием гранулометрического состава и рН почвы. Для Со и Мп считается доказанным обогащение ими тонких фракций, связанное с процессами сорбции высокодисперсными составными частями фракций - глинами, гидратами окислов, органическим веществом. Ряд исследуемых элементов имеют схожее распространение внутри профиля (РЬ, Ъъ, Б, V). Их максимальное содержание в большинстве контрольных точек отмечается в нижнем горизонте, что свидетельствует о миграции химических элементов по профилю почвы. Для Ав, №, Бг наиболее высокое содержание в большинстве контрольных точек имеет место в верхнем горизонте. Ограничения в миграции этих элементов могут быть связаны с их сорбцией на поверхности органических и минеральных коллоидов, что обусловлено рН среды, содержанием гумуса и гранулометрическим составом. Относительно равномерное распределение по контрольным точкам и профилю почвы установлено для Со, Эг. Неоднозначным является содержание Сс1, Ъл, А% и № в почвах контрольных точек 8 и 11. В этих точках отмечена реакция среды от слабокислой до щелочной, что способствует формированию щелочного барьера и ограничивает миграцию в нижние горизонты слабо мигрирующих в щелочной среде элементов. В точке 7, характеризующейся более высоким значением рН, практически одинаковым в верхнем и нижнем горизонтах, отмечено максимальное содержание Аэ и Мп, минимальное Ъъ, миграция вниз Аэ и "№, а также отсутствие миграции Н§, что хорошо согласуется с установленными корреляционными зависимостями.

В бурых лесных почвах зоны влияния золоотвала обнаружены превышения ПДК/ОДК по содержанию следующих элементов: Сё, РЬ, 2п, Аз, N1, Си - в 1,1-2,5 раза и Э в - 2,8-9,7 раза (таблица 1). Наибольший суммарный показатель химического загрязнения данных почв {Т) для верхнего горизонта определен в точках 4 и 7 - 5,0 и 7,0 соответственно, что коррелирует с направлением преобладающих ветров, механическим составом почв и обусловлено привносом пыли с золоотвала и накоплением №, V, 8 (точка 4) и РЬ, Сс1, Ав, в (точка 7). Для нижнего горизонта максимальный показатель химического загрязнения почв установлен в этих же точках (точки 4 и 7) - 4,1 и 2,0 соответственно, что, вероятно, обусловлено особенностями промывного режима. Хс бурых лесных почв в зоне влияния золоотвала колеблется от 5,2 до 14,0 в верхнем горизонте и от 5,8 до 12,1 (таблица 1), что свидетельствует о минимальном и слабом уровнях загрязнения и относительно удовлетворительной экологической обстановке.

Экотоксикологический показатель (Эс) бурых лесных почв в зоне влияния золоотвала для металлов I класса опасности изменяется в верхнем горизонте от 1,6 до 5,5, в нижнем - от 1,6 до 5,4. Эс почв для металлов II класса опасности составляет 0,1-1,4 в верхнем горизонте и 0,4-1,1 в нижнем. Для металлов III класса опасности Эс почв находится в пределах 0,3-1,1 для верхнего горизонта и 0,45-1,3 - для нижнего. Максимальный вклад в суммарный экотоксикологический показатель (рисунок 5) вносят металлы I класса опасности, из них в первую очередь, как и в лугово-бурых почвах, Сс1, РЬ и Аэ.

Г,0 т

зМ

|| Е

в 5 »

С * Й й £ С х =

5т 6 / Томки отоор» Н|им>

И 0-20 см В21-40Ш

Рисунок 5 Суммарный экотоксикологический показатель почв

Содержание элементов в бурых лесных почвах на расстоянии 150, 300 и 500 м от золо-отвала отличается от такового в зоне, прилегающей к золоотвалу (таблица 1). Токсичные элементы по убыванию их содержания в почве располагаются в следующий ряд: Мп - Эг -Ъп - РЬ - № - Си - Со - Аэ - С<1 - Н§. В почвенном покрове на расстоянии 150 м от золоот-вала есть превышения ПДК в верхнем горизонте по РЬ (2,1 ПДК) и Аэ (3,1 ПДК), в нижнем -по Аэ (3,3 ПДК). В 300 м от золоотвала имеет место превышение ПДК по Аэ (в 4,1 раза в верхнем горизонте и в 4,4 раза - в нижнем). В почвенном покрове на границе санитарно- ; защитной зоны золоотвала также отмечены превышения ПДК по Аэ (в 3,8 раза в верхнем горизонте и 3,7 раза в нижнем). Суммарный показатель химического загрязнения в 150, 300 и 500 м от золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 составляет в верхнем горизонте 0,05-0,5, а в нижнем минус 1,5-0,9 (таблица 1). Тс бурых лесных почв на расстоянии 150 м от золоотвала составляет 6,0 в верхнем горизонте и 4,5 в нижнем, в 300 м - 7,5 и 7,8, на границе санитарно-защитной зоны золоотвала - 7,5 и 5,9 соответственно. Приведенные данные характеризуют уровень загрязнения почв как минимальный и экологическую обстановку как относительно удовлетворительную.

В исследуемых точках суммарный Эс почв для металлов 1-Ш класса опасности в верхнем слое на расстоянии 150 м составляет 7,1, 300 м и на границе санитарно-защитной зоны 7,5, а в нижнем слое - 5,5, 7,8 и 7,9 соответственно. Максимальный вклад в суммарный экотоксикологический показатель вносят металлы I класса опасности (РЬ, Аэ и Ъп).

Важнейшим показателем, характеризующим радиальную структуру почв, является коэффициент радиальной дифференциации. Наибольшей радиальной дифференциацией в луго-во-бурых почвах в зоне влияния золоотвала обладают РЬ и а наименьшей - 2п, Сс1 и Аэ (рисунок 6). Этот показатель позволяет подтвердить накопление в данных почвах РЬ и Н§ (Л > 1,0) и вынос гп, Сё, АЭ, Мп, № и Си (Я < 1,0) в почвенном профиле, по сравнению с сельскохозяйственными почвами.

В бурых лесных почвах в зоне влияния золоотвала наибольшей радиальной дифференциацией также обладают РЬ, и в точках 4 и 7 - Мп, а наименьшей - ¿п, Сс1 и Аэ (рисунок 7). Следовательно, в данных почвах происходит накопление РЬ, как и в лугово-бурых почвах, и частично Мп (Я > 1,0) и вынос Ъп, N1, Сё, Аэ и Си (Я < 1,0) в почвенном профиле, по сравнению с сельскохозяйственными почвами.

На расстоянии от золоотвала 150, 300 и 500 м максимальной радиальной дифференциацией обладают 2п, Мп, Си, РЬ, Аз, минимальной - №, С<1, Щ. Этот показатель позволяет подтвердить накопление в данных почвах Хп, Мп, Си, РЬ, Аэ (Я > 1,0) и вынос N1, Сё, Си (Л < 1,0) в почвенном профиле, по сравнению с сельскохозяйственными почвами.

■ № в Си м гп м Аз и С«1 к* Мп и Нй ы РЬ

Рисунок 6 Коэффициент радиальной дифференциации элементов в лугово-бурых почвах

Рисунок 7 Коэффициент радиальной дифференциации элементов в бурых лесных почвах

Эколого-экономический ущерб от химического загрязнения почв в зоне влияния золо-отвала Хабаровской ТЭЦ-3 рассчитан по методике исчисления размера вреда, причиненного почвам как объекту охраны окружающей среды (2010 г.), учитывающей степень химического загрязнения, площадь загрязненной территории, категорию и целевое использования земель, и составляет 700 млн руб.

При пылении золоотвала и высаживании загрязняющих веществ из выбросов ТЭЦ-3 в почвенно-растительном покрове будут накапливаться также присутствующие в них радионуклиды ( К, ТЬ, Яа), чему способствуют своеобразные почвенно-климатические особенности региона.

Исследования подтвердили техногенный привнос радионуклидов в зоне влияния золоотвала. В большей степени радионуклиды накоплены лугово-бурыми почвами: 40К (от 5^2 до 908 Бк/кг)^ 6Яа (от 3,9 до 57,4 Бк/кг), что выше аналогичных показателей по России ( К - 520 Бк/кг, Яа - 27 Бк/кг). Удельная активность 232ТЬ выше в бурых лесных почвах зоны влияния золоотвала (от 18,3 до 69,3 Бк/кг), что также превышает средне российскую величину (30 Бк/кг) (Красницкий В. М. Эколого-агрохимическая оценка плодородия почв и эффективности применения удобрений в Западной Сибири : дис. на соиск. учен, степени д-ра с.-х. наук. Омск, 2002. 52 е.; Черных Н. А., Сидоренко С. Н. Экологический мониторинг токсикантов^ биосфере: монография. М. : Изд-во РУДН, 2003. 430 е.). Средняя удельная активность ТЬ в зоне влияния золоотвала по сравнению с почвами сельскохозяйственных угодий выше в 2 раза, 226Ла - в 1,5 раза, 40К - в 1,6 раза в лугово-бурых и в 1,1 раза в бурых

Рисунок 8 Удельная активность радионуклидов в почвах в зоне

влияния золоотвала и на сельскохозяйственных угодьях, Бк/кг

лесных почвах

i: C-Q 800.00

•а 700,00

1 600,00

S 500.00

га <100,00

1 300,00

•М 200,00

100.00

0.00

29,95

im ~ 42,19

■"-■ W - ■ щ бурыелесные почвы

лугово-бурыепочвы С/х угодья

2J2TI1

Естественный радионуклид

В бурых лесных почвах на расстоянии 150, 300 и 500 м от золоотвала удельная активность естественных радионуклидов превышает аналогичный показатель в почвах сельскохозяйственных угодий (Матвеенко Т. И. Радионуклиды в почвенно-растительном покрове зоны влияния теплоэлектростанции : монография. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2010. 141 е.): на расстоянии 150 м - 226Ra в 1,1 и 232Th в 1,6 раза; 300 м - 226Ra в 1,2 и 232Th в 1,8 раза; 500 м -Th в 1,7 раза. Удельная активность 40К изменяется незначительно.

Накопление в почвах тяжелых металлов и других токсичных элементов и соединений оказывает влияние на их фитотоксический эффект. Исследования показали, что в целом в санитарно-защитной зоне золоотвала имеет место средний фитотоксический эффект в ряде исследованных точек. В лугово-бурых почвах эффект торможения, оцениваемый как «средний фитотоксический эффект» проявляется только в верхнем горизонте в точке 2 с пониженным содержанием гумуса, в бурых лесных почвах - только в точках 5 и 6 с очень низким содержанием гумуса и расположенных по направлению господствующих ветров, а также в точках на расстоянии 150 и 500 м, что согласуется с более высоким уровнем загрязнения этой территории тяжелыми металлами.

Интенсивность выделения углекислого газа в почвенном покрове в санитарно-защитной зоне золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 незначительно. Это свидетельствует о низкой биологической активности всех изученных почв и слабом протекании микробиологических процессов. Более высокие величины эмиссии наблюдаются на границе санитарно-защитной

зоны золоотвала, минимальные значения характерны для лугово-бурых почв в зоне, прилегающей к золоотвалу. Более высокая эмиссия СО2 в верхнем слое почв может быть обусловлена тем, что источниками СОг в почве являются не только жизнедеятельность микроорганизмов и почвенной фауны, но и дыхание корней, ферментативная активность почв, физико-химические и химические процессы (разложение карбонатов, переход бикарбонатов в карбонаты) и др. Приведенные данные согласуются с имеющимися в литературных источниках сведениями, что загрязнение почв металлами приводит к значительному сокращению видового разнообразия комплекса почвенных микроорганизмов и изменению их видового состава.

Известно, что химический состав растений отражает элементный состав почв. Динамика накопления поллютантов в многолетних травах изучалась на тех же пробных участках, где проводились исследования накопления загрязняющих элементов в почве. Анализ данных свидетельствует, что макроэлементы по убыванию их содержания в растительности на лугово-бурых и бурых лесных почвах можно расположить в следующий ряд: К - Са - Mg. По сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий среднее содержание элементов в многолетних травах в зоне влияния золоотвала выше на лугово-бурых почвах: биофильные металлы (Zn и Мл) - в 1,3-27,1, токсичные элементы (Cd, Pb, Hg) - 1,4-3 раза; на бурых лесных почвах - в 1,1-12, и в 1,3-5,5 раза соответственно. В многолетних травах на границе санитарно-защитной зоны золоотвала превышений содержания элементов по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий не выявлено. Изучение особенностей кумуляции металлов в различных органах полыни обыкновенной {Artemisia vulgáris) и бодяка щетинистого (Cirsium setosum), наиболее распространенных на данной территории, показало, что корневой барьер в надземные вегетативные органы этих растений не обнаружен в отношении Mg, К, Са, Mn, Fe, Cu, Zn, Sr, Cd и Hg. Вероятно, это обусловлено биохимией конкретных растений, функциональной значимостью и свойствами элементов и уровнем техногенного воздействия. Накопление Са, Мп, Со, Cu, Zn, Fe и Sr отмечается в листьях обоих растений; Al и РЬ - в листьях полыни и в корнях бодяка, Ni - в корнях полыни и бодяка. В произрастающих вблизи р. Березовая тростнике (Phragmites austraüs) и камыше (Scirpus sp.), по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий, среднее содержание тяжелых металлов выше: Мп -в 23,2-24,3; Zn-в 1,2-1,8; Cd-в 1,55; РЬ - 1,3-5,1 раза.

Интенсивность поступления химических элементов из почвы в растения оценивалась с помощью коэффициента биологического поглощения (КБП), который равен отношению концентрации элемента в растении к концентрации его подвижных форм в почве (таблица 2).

Таблица 2 - Коэффициент биологического поглощения элементов многолетних трав

Элемент Точки отбора проб многолетних трав

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 сзз

Мп 0,6 0? 6,4 0,4 22 03 03 23 02 0,1 0,1 0,5 1,0 0,4

Со 0,1 0,0 0,1 0,0 02 0,0 од 0,4 ад ОД 0,0 0,0 0,1 0,1

Ni ОД 1,3 02 0,2 0,8 13 72 1,9 12 12 1,1 15 2Д 04

Си 0,0 0,0 0,0 °г> 0,0 0,0 02 ai 03 од 0¿ 4,6 03 2,4

Zn 3,9 4,1 142 зад I2¿ 3,1 5,6 9,8 5,0 3,8 7,8 ИЗ 63 2$

Sr 5,8 6Д 47,1 5,7 9,3 1,7 0,8 05 6,7 3,5 323 8,0 4Д 996

Cd 1,1 0,7 0,5 0,1 02 од 02 0,7 0,4 ОД 01 1,8 0,4 0,1

Pb 0,1 0,1 0,1 0,0 0,6 0,1 o¿ 0,6 0,1 0,1 0,1 ОД од 0,0

Согласно проведенным исследованиям, распределение подвижных форм тяжелых металлов и мышьяка по территории и почвенным горизонтам более равномерно для лугово-бурых почв и имеет мозаичный характер для бурых лесных, что обусловлено значительным разбросом почвенных условий. На лугово-бурых почвах к элементам сильного накопления растениями (КБП>10) относится Эг, слабого накопления (10>КБП>1) - 2я и Мп, на бурых лесных -Zn; Бг и № соответственно. В растительности на границе санитарно-защитной зоны золоотвала к элементам сильного накопления принадлежит Эг, к элементам слабого накопления - Zn и Си.

На основании данных о КБП для количественного выражения общей способности вида к концентрации химических элементов рассчитан специальный показатель - биогеохимическая активность (БХА) исследованных растений, который показывает суммарную степень поглощения всех определяемых в растении химических элементов.

Биогеохимическая активность многолетних трав выше на лугово-бурых почвах по сравнению с бурыми лесными (30,9 и 21,2 соответственно), но на границе санитарно-защитной зоны составляет 105,9. Коррелятивная связь между показателем суммарной нагрузки (Тс) по подвижным формам микроэлементов и БХА слабая, что подтверждает влияние на накопление тяжелых металлов в растительности ряда факторов, которые можно объединить в следующие группы: биохимические, химические, ландшафтно-геохимические и антропогенные.

Удельная активность радионуклидов в многолетних травах выше по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий: в зоне влияния золоотвала К в 1,3, 226Яа - в 1,5 и 232Т1\ - в 7,3 раза, на границе санитарно-защитной зоны - 2321Ъ 2,7 раза. Накопление 40К, 232ТЪ и 226Яа происходит в большей степени в листьях, чем в стеблях и корнях как полыни обыкновенной, так и бодяка щетинистого.

Интенсивность поступления естественных радионуклидов из почвы в растения оценивалась с помощью коэффициента накопления (КН), который равен отношению удельной активности радионуклида в растении к удельной активности его в почве. Полученные данные показали, что КН 232ТЬ растениями выше в зоне влияния ЗШО в 3,6 раза, а на границе СЗЗ в 1,4 раза по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий, так как радиоактивный торий больше накапливается в шлаке и попадает на растительную поверхность в результате пыления золоотвала (рисунок 9).

1,13

Н 0.86

Щ^Й^^2^1 зона

~ I I границаСЗ

226ЛЭ (й?

232ТИ - с/х угодья

40К

Характеристика состояния донных отложений. В донных отложениях реки Березовой имеет место накопление элементов, входящих в состав золошлаковых отходов. Содержание Си варьирует от 12,9 до 66,7 мг/кг, Хп- от 8,9 до 61,9, РЬ - от 50,0 до 76,2 , Са - от 0,8 до 4,3 мг/кг. Содержание элементов изменяется во времени и зависит от водности объекта и развития процессов сорбции-десорбции, а также привноса загрязняющих веществ. По сравнению со средним содержанием тяжелых металлов донных отложений в пресноводных водоемах России содержание кадмия в донных отложениях реки Березовой выше в 1,6-8,5 раза.

Удельная активность естественных радионуклидов в донных отложениях варьирует по: 40К от 196,5 до 250,0 Бк/кг, 226Яа - от 18,3 до 25,3 Бк/кг и 232ТЪ - от 18,9 до 24,2 Бк/кг. По показателю суммарного загрязнения (2.с) экологическая обстановка оценивается как относительно удовлетворительная. Удельная эффективная активность донных отложений составляет 59,8-78,25 Бк/кг, что не оказывает отрицательного воздействия на живые организмы.

Глава 4. Золошлаковые отходы как источник вторичного сырья

Золошлаковые отходы можно рассматривать с одной стороны как артииндустраты, с другой - как потенциальное техногенное сырье, состав и свойства которого определяют потенциальные направления переработки. Золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 представлен артиин-дустратами в виде темной дисперсной массы с обломками шлака черного, серого, реже беловато-серого цвета, пористой, пемзовой, ноздреватой и плотной текстуры размером 0,01-3,00

Рисунок 9 Коэффициенты накопления радионуклидов многолетними травами

мм (рисунок 10). Проведенные исследования показали, что артииндустраты Хабаровской ТЭЦ-3 до глубины 60 см представлены суглинками средними и суглинками лёгкими. Преобладающая фракция - пыль крупная (37-49 %), за ней следует фракция мелкого песка (16-27 %). Илистая фракция весьма незначительна, всего 1-2 %.

Рисунок 10 Электронное изображение золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3

Слой 60-70 см представлен супесью с преобладанием в составе до 75 % мелкой пыли и очень малой долей (до 1 %) илистой фракции. По данным гранулометрического анализа содержание физической глины постепенно уменьшается вниз по профилю: от 35 % в слое 0-19 см до 26 % в слое 37-60 см и 10 % в слое 60-70 см. Микроагрегатный анализ выявил преимущественное содержание двух фракций - среднего песка и крупной пыли и подтвердил результаты гранулометрического анализа. Учитывая, что илистая фракция составляет 1-2 %, а допустимая не размывающая скорость водного потока находится в пределах всего 0,0860,102 м/с, золошлаки Хабаровской ТЭЦ-3 являются уязвимыми и их противоэрозионная стойкость неудовлетворительная.

Сравнительная характеристика свойств золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3 и Владивостокской ТЭЦ-2 показала, что:

1. Соотношение физической глины и физического песка дает возможность отнести изученный материал артииндустратов Владивостокской ТЭЦ-2 к супеси, а артииндустратов Хабаровской ТЭЦ-3 к суглинкам.

2. В соответствии с числом пластичности ЗШО Владивостокской ТЭЦ-2 не пластичны, а Хабаровской ТЭЦ-3 - пластичны (число пластичности 2-7).

3. Золошлаки Владивостокской ТЭЦ-2 и Хабаровской ТЭЦ-3 не способны противостоять размывающей скорости водного потока, что создает высокую опасность водной эрозии.

В связи с эрозионной уязвимостью исследуемых ЗШО определены содержание в них токсичных металлов (Сг, Си и №, имеющих второй класс опасности, а также Хп и РЬ - первого класса опасности) и их геохимическая структура, которая описывается радиальным поведением изучаемых показателей. Прямая диагностика артииндустратов на содержание поллю-тантов показала, что для золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3 характерно более высокое содержание металлов (превышение ПДК по РЬ в 2 раза), чем для ЗШО Владивостокской ТЭЦ-2, где превышений ПДК не выявлено. По химическому составу артииндустраты Хабаровской ТЭЦ-3 представляют экологическую опасность.

Более высокие коэффициенты радиальной дифференциации установлены для РЬ, Си и Ре, минимальные - для Сг. Данный показатель позволяет подтвердить накопление в артииндустра-тах Владивостокской ТЭЦ-2 РЬ и Ре, Хабаровской ТЭЦ-3 - РЬ, Си и Ре (Д > 1,0). Вынос Си, Сг, Мп и Ъп (Я < 1,0) отмечен на золоотвале ТЭЦ-2 г. Владивостока, Сг, №, Мп, Ъя. (Я < 1,0) на золоотвале ТЭЦ-3 г. Хабаровска, по сравнению с почвами сельскохозяйственных угодий.

Детальный анализ элементного состава золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3 показал наличие в них значительного количества железа, кальция, калия, магния, алюминия, марганца, стронция, цинка, свинца, никеля и кобальта (таблица 3). Последовательность элементов по убыванию содержания их в ЗШО представлена следующим рядом: К > Ре > А1 > М§ > Са > Мп > Бг > РЬ > Со > Ъп > Си > Эп > Аэ > № > Сд > Щ.

Силикатным анализом установлено, что золошлаки характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и более низким - оксидов кальция и магния. Оксиды алюминия и железа могут являться предметом извлечения. Информацию об определенных

свойствах и соотношении главных компонентов дают следующие важные классификационные признаки материала: модуль основности (гидравлический модуль) - Мо, равный 0,06; силикатный (кремнеземистый) модуль - Мс, составляющий 3,19; коэффициент качества (гидравлическая активность) - К, равный 0,27. Полученные данные свидетельствуют о возможности применения золошлаковых отходов как сырья для производства кирпича, зольного гравия, а также в качестве гидравлической добавки. В основном их можно использовать в качестве техногенных грунтов и в дорожном строительстве.

Таблица 3 - Химический состав золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3, мг/кг

Глубина разреза, см М8 Бг А1 К Са Си Со №

0-19 5221,4 402,92 120592,4 11570,3 10330,6 50,80 10,75 1587,2

19-37 6680,8 405,70 120510,4 12131,3 10242,2 54,39 11,05 2261,9

37-60 5114,5 409,33 94878,7 13591,4 15298,6 52,04 11,07 3154,3

60-70 5638,1 285,56 80354,2 14074,8 8886,0 48,10 11,17 2328,5

Глубина разреза, см Мп Ре РЬ Сс1 N1 V 2п

0-19 573,59 63753,7 61,93 0,30 25,86 48,63 74,54

19-37 685,84 75369,1 65,54 0,28 23,93 43,25 78,26

37-60 570,77 64276,9 45,58 0,21 29,73 65,64 58,11

60-70 695,88 109871,2 19,90 0,08 28,91 94,94 48,03

Удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) в золошлаках изменяется в следующих пределах: 40К - от 124,7 до 403,5 Бк/кг, 226Яа - от 21,8 до 81,8 Бк/кг, УА 232ТЪ -от 25,7 до 105,1 Бк/кг. Суммарная удельная активность ЕРН в материале, определяемая с учетом их биологического воздействия на организм человека, АЭфф составляет 66-253,73 Бк/кг, что не превышает требований НРБ-99/2009 для строительных материалов.

Следовательно, возможно применение золошлаков во всех видах строительства, класс золошлаковых отходов как строительного материала -1.

При выборе направления использования золошлаков большое значение имеет класс опасности данного отхода. Класс опасности определялся двумя методами:

- расчетным, основанным на определении величины суммарного индекса опасности К, определенного по сумме показателей опасности веществ, составляющих отход (К). Показатель К] для золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3 составляет 7,903 < 10, следовательно, отход относится к 5-му классу опасности;

- методом фитотестирования. В соответствии с показателем ЕИ5о (0,0095) степень опасности отхода по фитотоксичности может быть оценена как малоопасная.

Эквивалентная доза суммарного излучения от естественных радионуклидов ("'К, 22б11а, 232ТЪ), содержащихся в золошлаках золоотвала ТЭЦ-3, составляет 0,016 мЗв/год, что не превышает нормативов, равных 1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год. Тем не менее, эта эквивалентная доза вносит дополнительный вклад в суммарную эквивалентную дозу от всех источников излучения за год. Наибольший вклад в облучение дает ТЬ.

Глава 5. Выбор направлений переработки золошлаковых отходов

В связи с заполнением золоотвалов до предельной емкости возникает проблема их рекультивации. Нерекультивированный отработанный золоотвал является источником поступления в атмосферу золы вследствие ветровой эрозии его поверхности, причем количество золы, выносимое с одного гектара золоотвала, может достигать нескольких сотен тонн в год, а пылевое облако распространяться на несколько километров.

С биологической точки зрения золошлаки - это «стерильные» материалы, лишенные органических веществ, имеющие лишь следы азота. Количество подвижных форм фосфора и калия в них недостаточно для питания растений, поэтому самозарастание золоотвалов - процесс очень медленный: покрытие их поверхности растениями до прекращения пыления длится от 10 до 15 лет. Более целесообразна переработка золошлаков с получением полезной продукции.

Большое количество потенциальных направлений и технологий переработки золошла-ковых отходов обусловливает актуальность их систематизации и автоматизации поиска наиболее пригодных в конкретных условиях. Этому требованию соответствует создание программного комплекса - базы данных по технологиям использования золошлаковых отходов. Общей предпосылкой для создания такой базы данных является насущная необходимость вовлечения в переработку золы и шлаков, частной - отсутствие сводного документа, содержащего сведения об имеющихся технологиях. Формирование базы данных основано как на общенаучных методах познания (систематизация, классификация, выделение оценочных параметров и ограничений), так и специализированных (выделение преимуществ и недостатков технологий, целевого использования продуктов переработки и т.д.). В базу данных занесено 170 технологий, в том числе 100 по данным патентных исследований.

Приведенные в главе 4 сведения и анализ технологий, занесенных в базу данных, позволили установить наиболее приемлемые направления использования золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3 (таблица 4).

Таблица 4 - Возможности использования золошлаковых отходов

Материал Требования Характеристика ЗШО Направления использования

Строительные материалы (ГОСТЗОЮ8-94) Удельная эффективная активность (А,фф) до 370 Бк/кг А^ = 66,001-253,73 Бк/кг Все виды строительства, класс материала -1

Различные виды бетонов и строительных растворов (ГОСТ 25818-91 и ГОСТ 25592-91) Содержание оксида магния М{»0 не более 5 % MgO - 0,76 % Производство бетонов и строительных растворов

Суммарное содержание щелочных оксидов N820 и К20-1,5-3% Ыа20 + К20 -1,22+0,83=2,05%

Содержание БЮг, % (по массе) >40 Содержание БЮг, % (по массе) > 40

Аглопоритовый щебень А1,03-15-35% А1203- 16,21 % Производство конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных легких бетонов

Глинозольный керамзит (ТУ 9757-90) АЬОз-15-25% Число пластичности > 7. Остаток на сите 1 мм < ¡0%. А120з-16,21 % Число пластичности = 7. Остаток на сите 1 мм <10%. Производство глинозольного керамзита

Удобрения Отсутствие токсичности Отсутствие фито-токсичного эффекта Добавки в удобрения

Кардинальным решением проблемы уменьшения объемов накопления золошлаковых отходов в отвалах является их комплексная переработка с получением ценной продукции: экологически чистые стройматериалы, уголь (пригодный для сжигания на ТЭЦ), заполнители стеновых блоков, микроудобрения, ряд металлов, в том числе благородных. Основу комплексной переработки составляет последовательное ступенчатое извлечение полезных компонентов золошлаков: тяжелых цветных и благородных металлов, железа, несгоревшего угля и использование экологически чистого остатка в качестве строительных материалов.

Внедрение предлагаемой схемы комплексной переработки золошлаков, накопленных в отвалах и постоянно образующихся при сжигании угля, позволяет решать проблемы: экологические (предотвращенный экологический ущерб более 700 млн руб. для Хабаровской ТЭЦ-3); экономические (получение ценной продукции); социальные (создание новых рабочих мест и удовлетворение спроса на разнообразную продукцию).

Таким образом, золошлаковые отходы следует отнести к техногенному минеральному сырью, которое в отличие от природного со временем накапливается, а не истощается, что повышает перспективность их изучения и вовлечения в использование.

ВЫВОДЫ

1. С поверхности золоотвала происходит вынос пылевых частиц в результате ветровой эрозии и осаждение их на почве, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха и поч-венно-растительного покрова. Вклад ТЭЦ-3 в загрязнение составляет то 0 до 22,7 %. Физико-механические свойства золошлаковых отходов подтверждают большую вероятность пыле-ния и рассеивания загрязняющих частиц на прилегающие территории, что связано с их низкой способностью к оструктуриванию при незначительной микрооструктуренности и очень слабой противоэрозионной стойкостью.

2 Превышения ПДК/ОДК выявлены в лугово-бурых почвах по содержанию Сё, Аб, № -в 1,1-1,4, Б - в 5,6-9,1 раза, в бурых лесных почвах - по Сё, РЬ, 2п, Ай, №, Си -в 1,1-2,5; Б - в 2,8-9,7 раза. В почвенном покрове на границе санитарно-защитной зоны золоотвала также отмечены превышения ПДК по Аэ в 3,7-3,8 раза. Степень загрязнения исследуемых почв допустимая. Экологическая обстановка относительно удовлетворительная.

3. Более высокое накопление 40К и 22бЯа отмечено в лугово-бурых, 232ТЪ - в бурых лесных почвах зоны влияния золоотвала. Данные наглядно подтвердили техногенный привнос радионуклидов в зоне влияния золоотвала: удельная активность ТЪ выше в 2 раза, Яа - в 1,5, К - в 1,6 раза в лугово-бурых и в 1,1 раза в бурых лесных почвах по сравнению со средней удельной активностью естественных радионуклидов в почвах сельскохозяйственных угодий. На границе санитарно-защитной зоны золоотвала выявлено превышение только по 232ТЬв 1,7 раза.

4. Распределение подвижных форм тяжелых металлов и Аз по территории и почвенным горизонтам более равномерно для лугово-бурых почв и имеет мозаичный характер для бурых лесных, что обусловлено значительным разбросом почвенных условий. На лугово-бурых почвах к элементам сильного накопления многолетними травами относится Эг, на бурых лесных - 2п.

5. По сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий среднее содержание Мп, Ъп, Сё, Н^, РЬ в многолетних травах в зоне влияния золоотвала выше: на лугово-бурых почвах: в 4,5-27,1; 1,3-3,8; 1,55; 1,4;и 2,2-3 раза соответственно; на бурых лесных почвах - в 1,4-12,0; 1,1-2,7; 1,4-2,3; 1,4; 2,0-5,5 раза соответственно. В многолетних травах на границе санитарно-защитной зоны золоотвала превышений содержания элементов по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий не выявлено. У полыни обыкновенной и бодяка щетинистого корневой барьер в надземные вегетативные органы не обнаружен в отношении Ми, К, Са, Мп, Бе, Си, Хп, Бг, Сё и Щ, что, вероятно, обусловлено биохимией конкретных растений, функциональной значимостью и свойствами элементов, а также уровнем техногенного воздействия. Накопление Са, Мп, Со, Си, Хп, Ре и Эг отмечается в листьях обоих растений; А1 и РЬ- в листьях полыни и в корнях бодяка, № - в корнях полыни и бодяка. Биогеохимическая активность многолетних трав выше на лугово-бурых почвах по сравнению с бурыми лесными (30,9 и 21,82 соответственно).

6. Удельная активность радионуклидов многолетних трав зоны влияния золоотвала по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий выше: 40К в 1,3 раза, 22бЯа - в 1,5 и 232ТЬ - в 7,3 раза, на границе санитарно-защитной зоны: 232ТЬ - в 2,7 раза. Накопление 40К, 232ТЬ и Яа происходит в большей степени в листьях, чем в стеблях и корнях как полыни обыкновенной, так и бодяка щетинистого.

7. В донных отложениях реки Березовой имеет место накопление элементов^ входящих в состав золошлаковых отходов. По показателю суммарного загрязнения (2л) экологическая обстановка оценивается как относительно удовлетворительная.

8. Эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 составляет 700 млн руб.

9. Элементный анализ золошлаковых отходов свидетельствует о возможности использования их в качестве вторичного ресурса. Физико-химические свойства золошлаковых отходов и низкая удельная активность естественных радионуклидов позволяют применять их во всех видах строительства (класс как строительного материала -1, как отхода - V). Внедрение

комплексной схемы переработки, позволяющей получать металлы, вторичный уголь, глинозем, удобрения и строительные материалы, позволит высвободить занимаемые отвалами площади, понизить негативное воздействие на окружающую среду и обеспечит экономический, экологический и социальный эффекты.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах

1. Матвеенко, Т. И. Накопление естественных радионуклидов почвенно-растительным покровом в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 / Т. И. Матвеенко, А. А. Черенцова // Системы. Методы. Технологии. - 2010. - № 3(7). - С. 130-133.

2. Черенцова, А. А. К вопросу об оценке воздействия золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на почвенный покров [Электронный ресурс] / А. А. Черенцова // Научный журнал СПбГУНиПТ серия «Экономика и экологический менеджмент». -2011. - Выпуск № 2 сентябрь. - б с. - Режим доступа: economics.open-mechanics.com.

3. Черенцова, А. А. Состояние почвенно-растительного покрова в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 [Электронный ресурс] / А. А. Черенцова // Научный журнал СПбГУНиПТ серия «Экономика и экологический менеджмент». - 2012. - Выпуск № 2 сентябрь. - 7 с. - Режим доступа: economics.open-mechanics.com.

4. Черенцова, А. А. Оценка экологического состояния территорий в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 [Электронный ресурс] / А. А. Черенцова // Научный журнал СПбГУНиПТ серия «Экономика и экологический менеджмент». - 2013. - Выпуск № 1 март. -6 с.-Режим доступа: economics.open-mechanics.com.

5. Черенцова, А. А. Золошлаковые отходы как источник вторичного сырья / А. А. Черенцова, А. М. Дербенцева, JI. П. Майорова, Т. И. Матвеенко // Экология и промышленность России. - 2013. - Апрель. - С. 28-33.

6. Черенцова, А. А. Накопление поллютантов в почвенном покрове в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 / А. А. Черенцова // Вестник КрасГАУ. - 2013. -№ 6. - С. 80-86.

Статьи, опубликованные в рецензируемых коллективных монографиях и сборниках

7. Старожилов, В. Т. Денудационные процессы в ландшафтах и геоэкологические предпосылки техногенных изменений : монография / В. Т. Старожилов, Л. Т. Крупская, А. М. Дербенцева, А. А. Черенцова, Т. И. Матвеенко, А. И. Степанова, В. И. Ткаченко. - Владивосток : Изд-во Дальневост. ун-та, 2009. - 137 с.

8. Гладун, И. В. Организация мест хранения отходов : учеб. пособие / И. В. Гладун, Г. А. Волосникова, А. А. Черенцова. - Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2010. - 67 с.

9. Назаркина, А. В. Физико-механические свойства техногенных поверхностных образований и оценка их противоэрозионной стойкости : монография / А. В. Назаркина, А. М. Дербенцева, В. А. Реутов, А. А. Черенцова, Л. П. Майорова, Т. И. Матвеенко, О. Д. Арефьева, В. Т. Старожилов, А. И. Степанова. - Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал, ун-та, 2012. - 215 с.

10. Черенцова, А. А. Почвы и почвенный покров техногенно-промышленных систем территорий теплоэлектростанций: монография / А. А. Черенцова, Черновалова А. В., Александров М. Н., Майорова Л. П., Назаркина А. В., Матвеенко Т. И., Арефьева О. Д., Соколова А. М., Дербенцева А. М.. - Владивосток : Издательский дом Дальневост. федерал, ун-та, 2013. - 88 с.

11. Дербенцева, А. М. Механическая деградация почв и техногенных поверхностных образований : монография / А. М. Дербенцева, А. В. Черновалова, А. В. Назаркина, О. Д. Арефьева, А. И. Степанова, Л. П. Майорова, Т. И. Матвеенко, А. А. Черенцова, В. И. Ткаченко. - LAP Lambert Academic Publishing, Germany. -2013. -150 с.

Работы, опубликованные в сборниках международных и всероссийских конференций

12. Черенцова, А. А. Оценка возможности использования золошлаковых отходов (на примере Хабаровского края) / А. А. Черенцова // Дальневосточная весна - 2008 : материалы международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Комсомольск-на-Амуре, 30 апреля 2008 г.). - 2008. - С. 228-231.

13. Матвеенко, Т. И. Проблемы загрязнения почвенного покрова в зоне влияния Хабаровской ТЭЦ-3 и пути ее решения / Т. И. Матвеенко, А. А. Черенцова // Материалы конференции-конкурса научных работ молодых ученых Тихоокеанского государственного университета : сб. статей. - 2009. - С. 392-395

14. Черенцова, А. А. К вопросу загрязнения окружающей среды золоотвалами теплоэлектростанций на примере Хабаровской ТЭЦ-3 / А. А. Черенцова // Материалы Международных научных чтений «Приморские зори - 2009»: «Экология, защита в чрезвычайных ситуациях, охрана, безопасность и медицина труда, продовольственная безопасность, образование». - 2009. -Выпуск второй. - С. 187-191.

15. Черенцова, А. А. Анализ возможных аварийных ситуаций на золоотвале ХТЭЦ-3 / А. А. Черенцова // Дальневосточная весна - 2009 : материалы 9-й международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Комсомольск-на-Амуре, 22 мая 2009 г.). - 2009. - С. 191 -194.

16. Черенцова, А. А. Оценка воздействия на природную среду золоотвалов и анализ возможности использования золошлаковых отходов / А. А. Черенцова // Материалы секционных заседаний 49-й научной конференции студентов ТОГУ. - 2009. - С. 231-236.

17. Матвеенко, Т. И. Влияние золошлакоотвала на окружающую природную среду (на примере Хабаровской ТЭЦ-3) / Т. И. Матвеенко, А. А. Черенцова // Природа без границ : материалы III Меледународного экологического форума. Владивосток, 12-13 ноября, 2008 г. -2009. -С. 80-81.

18. Черенцова, А. А. Возможность внедрения технологии переработки золошлаковых отходов в Хабаровском крае / А. А. Черенцова // Природа без границ : материалы III Международного экологического форума. Владивосток, 12-13 ноября, 2008 г. -2009. -С. 136-137.

19. Черенцова, А. А. Анализ влияния золоотвалов теплоэлектростанций на состояние окружающей среды (на примере золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3) / А. А. Черенцова, Т. И. Матвеенко // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов : материалы пятой Международной научно-практической конференции; Днепропетровск, Украина, 06-09 октября 2009 г. - 2009. - Часть I. - С. 134-137.

20. Черенцова, А. А. Радиационный фон территории золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 / А. А. Черенцова // Проблемы комплексного освоения георесурсов : материалы III Международной научной конференции (Хабаровск, 16-18 сентября 2009 г.). - 2010. - 4 т. - С. 168-170.

21. Черенцова, А. А. Накопление естественных радионуклидов растениями в зоне влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 / А. А. Черенцова, Т. И. Матвеенко // Проблемы комплексного освоения георесурсов : Материалы III Международной научной конференции (Хабаровск, 16-18 сентября 2009 г.). - 2010. - 4 т. - С. 171-175.

22. Черенцова, А. А., Оценка загрязнения атмосферного воздуха в районе золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 / А. А. Черенцова, JI. П. Майорова Н Молодежь и наука: реальность и будущее : материалы III Международной научно-практической конференции. -2010. - Том V. Естественные и прикладные науки. - С. 228-229.

23. Черенцова, А. А. Анализ возможности внедрения схем переработки золошлаковых отходов (в условиях Хабаровского края) / А. А. Черенцова // Проблемы рекультивации отходов бьгга, промышленного и сельскохозяйственного производства : сборник трудов II Всероссийской научной конференции (с участием Украины и Белоруссии), 18-19 марта 2010 г. — 2010. — С. 137-140.

24. Черенцова, А. А. Анализ золошлаковых отходов как вторичного сырья / А. А. Черенцова [Электронный ресурс] // Конференция с международным участием «Регионы нового освое-

шм: ресурсный потенциал и инновационные пути его использования», 19-22 сент. 2011 г., Хабаровск : сб. докладов. - 2011. - С. 301-304. -1 электрон, опт. диск (CD ROM).

25. Черенцова, А. А. Оценка содержания тяжелых металлов в донных отложениях в районе действия золоотвалов / А. А. Черенцова // Дальневосточная весна - 2011 : материалы 11-й научно-практической конференции с международным участием (г. Комсомольск-на-Амуре, 7 июня 2011 г.). - 2011. - С. 402-405.

26. Черенцова, А. А.Формирование базы данных по возможным направлениям использования золошлаковых отходов / А. А. Черенцова // ЭКОТЕХНО-2011 : тезисы докладов первого регионального молодежного экологического форума. - 2011. - С. 186-189.

27. Черенцова, А. А. Оценка влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на компоненты окружающей среды Оценка влияния золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на компоненты окружающей среды [Электронный ресурс] / А. А. Черенцова // Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ». - 2012. Том 3. - № 1. - С. 29-42. Режим доступа : http://ejoumal.khstu.rumedia/2012/TGU_3_04.pdf.

28. Черенцова, А. А. Влияние золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на природную среду / А. А. Черенцова // Сахаровские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века: материалы 12-й междунар. науч. конф., 17-18 мая 2012 г., г. Минск, Республика Беларусь. - 2012. - С. 356.

29.Черенцова, А. А. Экотоксикологическая оценка почвенного покрова в зоне золоотвала ТЭЦ-3 г. Хабаровска / А. А. Черенцова // Проблемы современного землепользования и пути их решения: сб. матер. Всеросс. науч.-практич. конф. - 2012. - С. 84-88.

30. Черенцова, А. А. Оценка противоэрозионной устойчивости токсииндустратов поверхностных образований территорий теплоэлектростанций / А. А. Черенцова, И. В. Коробова, А. В. Черновалова // Проблемы современного землепользования и пути их решения : сб. матер. Всеросс. науч.-практич.конф.-2012.-С. 55-58.

31. Черенцова, А. А. Оценка эрозионных процессов на золоотвалах (на примере золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3) / А. А. Черенцова, Л. П. Майорова, А. М. Дербенцева // Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона : материалы Международного научно-практического форума. -2013. - С. 563-566.

32. Черновалова, А. В. Влияние на почвенный покров техногенно-промышленной системы территории электростанции / А. В. Черновалова, А. А. Кондратьева, И. И. Перкова, А. А. Черенцова // Актуальные проблемы биологических наук. Материалы I межрегиональной молодежной школы-конференции. - 2013. - С. 304-309.

Черенцова Анна Александровна

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗОЛООТВАЛОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ (НА ПРИМЕРЕ ХАБАРОВСКОЙ ТЭЦ-3)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано к печати 28.08.2013 г. Формат 60x90/16. Уч. изд. л. -1,0. Усл. печ. л. -1,5. Тираж 100 экз. Заказ 173.

Опечатано в отделе оперативной полиграфии издательства ТОГУ 680035, г. Хабаровск, уя. Тихоокеанская, 136.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Черенцова, Анна Александровна, Хабаровск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи 04201451547 н ™

ЧЕРЕНЦОВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду (на примере Хабаровской ТЭЦ-3)

Специальность 03.02.08 - «Экология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор химических наук Л. Г1. МАЙОРОВА

Хабаровск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

1. Изученность проблемы воздействия золоотвалов на окружающую 10 среду и направлений использования золошлаковых отходов

1.1 Проблема образования и хранения золошлаковых отходов 10

1.2 Воздействие золоотвала на окружающую среду 12

1.3 Поведение тяжелых металлов и радионуклидов в почвенно- 19 растительном покрове

1.4 Возможные направления переработки золошлаковых отходов 32

2. Район работ, материалы и методы исследования 42

2.1 Характеристика района исследования 43

2.2 Естественное зарастание золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 и 46 прилегающей к нему территории

2.3 Объекты, методы и методика исследований 49 3 Экологическая оценка воздействия золоотвала на окружающую среду 61

3.1 Воздействие золоотвала на атмосферный воздух 64

3.2 Агрохимическая характеристика почв 67 .

3.3 Установление коррелятивных зависимостей между содержанием 73 элементов и агрохимическими характеристиками почв

3.4 Содержание валовых форм металлов и других элементов в почвах 84

3.5 Содержание естественных радионуклидов в почвенном покрове 103

3.6 Оценка фитотоксического эффекта почв 109

3.7 Дыхательная активность почвенных микроорганизмов 113

3.8 Оценка ущерба при химическом загрязнении почв золоотвалом Ха- 116 баровской ТЭЦ-3

3.9 Содержание элементов и радионуклидов в растительности 117.

3.10 Миграция тяжелых металлов и радионуклидов из почвы в растения 131

3.11 Состояние донных отложений в зоне влияния золоотвала 146

4 Золошлаковые отходы как источник вторичного сырья 154

4.1 Физико-механические свойства золошлаковых отходов 154

4.2 Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ-3 г. Хабаровска 161

4.3 Класс опасности золошлаковых отходов 166

4.4 Расчет эквивалентной дозы суммарного излучения от естественных 171 радионуклидов

5 Обоснование направления переработки ЗШО 175

5.1 Формирование базы данных по направлениям использования зо- 177 лошлаковых отходов

5.2 Обоснование схемы утилизации золошлаковых отходов 181 Заключение 186 Список литературы 189 Список иллюстративного материала 223 Приложение А - Характеристика тяжелых металлов и элементов 233

Приложение Б - Список патентных изобретений в области применения 244 и размещения золошлаковых отходов

Приложение В - Расчетное определение ветровой эрозии золоотвала 270

Хабаровской ТЭЦ-3

Приложение Г - Расчёт загрязнения атмосферного воздуха 274

Приложение Д - Агрохимическая характеристика исследуемых почв 282

Приложение Е - Статистическая обработка данных 284

Приложение Ж - Первичные показатели опасности компонентов зо- 291 лошлаковых отходов

Приложение И - Структура базы данных по направлениям переработки 293 золошлаков

ВВЕДЕНИЕ

В отвалах теплоэлектростанций на территории РФ к настоящему времени накоплено более 2 млрд т золошлаковых отходов. Под золоотвалами крупнейших теплоэлектростанций находятся тысячи гектаров земли, выведенной из сельскохозяйственного оборота. Количество образующихся золошлаковых отходов неуклонно растёт и в Хабаровском крае, здесь их объем уже превышает 28 млн т. На территории края функционируют 11 золоотвалов. В пределах г. Хабаровска в золоотвалах хранится более 16 млн т золы, на ТЭЦ ежегодно сжигается до 4-5 млн т угля и складируется около 600 тыс. т ЗШО, из них около 300 тыс. т приходится на Хабаровскую ТЭЦ-3. Золошлаковые отходы создают опасность загрязнения окружающей среды содержащимися в них токсичными веществами и тяжелыми металлами. Золоотвалы способствуют возникновению техногенно-трансформированных ландшафтов и условий развития антропогенно-преобразованных почв - хемозёмов. В зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеобразования, а также вымывания компонентов золы, попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на растительность и здоровье человека. Между тем, в золах и шлаках концентрируется большое количество ценных элементов. По содержанию алюминия, меди, лития, титана,

галлия, скандия золы приближаются к рудам, имеющим промышленное значение. Утилизация золошлаков позволяет использовать техногенное сырье взамен природного и решать экологические проблемы.

Цель и задачи работы.

Цель работы — оценить техногенное воздействие золоотвалов на природную среду и ущерб, наносимый ими, при химическом загрязнении почв.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Оценить воздействие золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3 на атмосферный воздух, почвенно-растительный покров и донные отложения.

2. Рассчитать эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала.

3. Изучить физико-химические свойства золошлаковых отходов и разработать рекомендации по их использованию.

Объектами исследования явились атмосферный воздух, почвенно-растительный покров и донные отложения (ДО) в зоне влияния золоотвала ТЭЦ-3 г. Хабаровска, а также золошлаковые отходы, образующиеся при сжигании, каменного угля на Хабаровской ТЭЦ-3.

Предмет исследования - установление закономерностей воздействия золоотвала на окружающую среду и поиск путей обеспечения экологической безопасности.

Методы исследования. Работа проводилась методом стационарных наблюдений и лабораторных исследований по стандартизованным методикам с применением химических, физико-химических, микробиологических, статистико-аналитических и расчетно-аналитических методов и эколого-геохимических исследований.

Защищаемые положения. 1. Эффект воздействия золоотвала состоит в накоплении тяжелых металлов, мышьяка и естественных радионуклидов в почвах в

пределах всей его санитарно-защитной зоны (концентрации тяжелых металлов превышают ПДК в лугово-бурых почвах в 1,1-9,1 раза, в бурых лесных в 1,1-9,7 раза, удельная активность радионуклидов превышает таковую в сельскохозяйственных почвах в 1,2-2 раза). На расстоянии 500 метров от золоотвала наблюдаются превышения ПДК Аб (в 3,8 раза).

226 232

Ла, ТЬ) - 1,3-7,3 раза. В многолетних травах на границе санитарно-защитной зоны золоотвала превышений содержания элементов по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий не выявлено.

Научная новизна

- Впервые дана оценка суммарного поступления взвешенных веществ от теплоэлектростанции и ее золоотвала на почвенный покров в результате пыления, рассеивания и последующего их осаждения. Вклад ТЭЦ-3 в загрязнения атмосферного воздуха в контрольных точках составляет 0-22,7 %.

- Проведена оценка загрязнения разных типов почв, характерных для данного района исследования, тяжелыми металлами и естественными радионуклидами. Из двух типов почв (лугово-бурые и бурые лесные), характерных для зоны золоотвала, наиболее загрязнены бурые лесные. Содержание Сё, РЬ, Хп, Аб, N1, Си, Б в них превышает ПДК от 1,1 до 9,7 раз. На расстоянии 500 м от золоотвала, т.е. на границе санитарно-защитной зоны, в бурых лесных почвах превышена ПДК по Аб в 3,8 раза.

- Рассчитан эколого-экономический ущерб от воздействия золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3, который составляет 700 млн руб.;

- Установлены тенденции накопления тяжелых металлов и радионуклидов в растениях и донных отложениях в зоне влияния золоотвала. Биогеохимическая активность многолетних трав выше на лугово-бурых почвах по сравнению с бурыми лесными (30,9 и 21,8 соответственно) Удельная активность радионуклидов (40К, 226Ла,

In) в многолетних травах зоны влияния золоотвала выше по сравнению с многолетними травами сельскохозяйственных угодий в 1,3-7,3 раза. По донным отложениям экологическая обстановка оценивается как относительно удовлетворительная.

- Исследованы физико-химические свойства золошлаковых отходов (артиин-дустратов) Хабаровской ТЭЦ-3, определяющие их низкую эрозионную стойкость и возможные направления утилизации (строительное производство).

Практическая значимость работы. Результаты исследования являются' научной основой для разработки природоохранных мероприятий, стратегии и тактики улучшения экологической ситуации в районе золоотвалов на территории Хабаровского края и других регионов Дальнего Востока. Разработанная база данных может быть полезна министерству природных ресурсов, Департаменту Рос-природнадзора по ДФО и предпринимателям при решении проблемы переработки золошлаковых отходов. Полученные результаты используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета, на факультете переподготовки и повышения квалификации и при разработке мероприятий по улучшению экологической ситуации г. Хабаровска.

Апробация работы. Результаты работы представлялись и докладывались на международной научно-практической конференции «Дальневосточная весна 2008, 2009, 2011» (г. Комсомольск-на-Амуре); конкурсе научных работ молодых ученых ТОГУ по секции «Науки о жизни и Земле» (г. Хабаровск, 2008, 2011); третьем международном экологическом форуме «Природа без границ» (г. Владивосток, 2008); программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (г. Хабаровск, 2009); Международных чтениях «Приморские зори-2009» (г. Владивосток); конференции «Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов» (г. Хабаровск, 2009); научно-практической Школе-конференции молодых ученых Хабаровского края (г. Хабаровск, 2010); международной конференции «Регионы нового освоения: ресурсный потенциал и инновационные пути его использования» (г. Хабаровск, 2011); первом региональном молодежном экологическом форуме НГТУ им. P.E. Алексеева «Экотехно-2011» (г. Нижний Новгород); 12-ой Международной научной конференции «Ca-

харовские чтения 2012 года: экологические проблемы XXI века» (Минск (Республика Беларусь)); международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (г. Хабаровск, 2012); всероссийской научно-практической конференции «Проблемы современного землепользования и пути их решения (посвящается 55-летию ПримГСХА)» (г. Уссурийск, 2012).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- корректностью постановки задач, решением их с использованием современных методов исследования и применением методов математической статистики;

- большим объемом аналитических, лабораторных и экспериментальных исследований;

- апробацией результатов на конференциях;

- применением методик, соответствующих ГОСТ(у) и аккредитацией лабораторий по проведению аналитических работ в системе Госстандарта, наличием сертификата качества на проведение аналитических работ - Центра лабораторного анализа и технических измерений по Дальневосточному Федеральному округу и общества с ограниченной ответственностью «Экоаналитика».

Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и программа исследований определены автором совместно с научным руководителем. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя. Автором проведен анализ большого объема данных как традиционными методами (сравнительно-описательный, картографический, аналитический и др.), так и методами математической статистики (корреляционный и регрессионный анализы). Автор диссертации непосредственно участвовал в подготовке материалов для написания статей, в обсуждении полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 32 работы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 232 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, состоящего из 333 источни-

ков, в том числе 76 на иностранных языках, 8 приложений. Включает 114 рисунков и 57 таблиц.

Работа выполнена при поддержке программы Фонда Бортника УМНИК (20092010 гг.), госконтрактов № 14.740.11.0446 от 30.09.2010 г., № 14.740.11.0952 от 29.04.11 г., № 14.740.11.1277 от 17.06.2011 г, № 14.А18.21.2091 от 2012 г.

Автор выражает благодарность за постановку задачи, критические замечания и неоценимую помощь научному руководителю зав. кафедрой «Экология, ресур-сопользование и БЖД» ТОГУ, д.х.н. Л. П. Майоровой; признательность за помощь, оказанную в подготовке работы, д.б.н. Н. К. Христофоровой, д. с-х. н. А. М., Дербенцевой, к.б.н. Т. И. Матвеенко, сотрудникам Центра лабораторного анализа и технических измерений по Дальневосточному Федеральному округу и сотрудникам ООО «Экоаналитика».

1 ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗОЛООТВАЛОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И НАПРАВЛЕНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ

1.1 Проблема образования и хранения золошлаковых отходов

До сих пор основным источником энергии во всем мире является угольная энергетика [258]. В Российской Федерации более двух третей общего количества электрической и тепловой энергии поставляют теплоэлектростанции (ТЭЦ, ТЭС), работающие на углеводородном органическом топливе. В отдельных регионах, бедных гидроэнергетическими ресурсами, теплоэлектростанции до сих пор являются основным источником энергии [1, 2]. В результате работы этих станций образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), часто не подлежащих вторичному использованию и требующих безопасного захоронения на специальных полигонах, занимающих огромные площади [3]. Суммарное количество ЗШО зависит от вида топлива и составляет при сжигании бурого угля - 10-15 %; каменного угля - 3-40 %; антрацита и торфа по 2-30 %; дров - 0,5-1,5 %; мазута -0,15-0,2 % и сланцев - 50-80 % [4]. Состав золы и шлаков определяется минеральным составом углей, который зависит от месторождения, глубины залегания пластов, метода добычи и обогащения [5,6]. Зольность используемых углей постоянно повышается, что в свою очередь увеличивает выход зольных отходов.

По данным Госкомстата России, на 1 кВт установленной мощности тепловых электростанций приходится в среднем 500 кг золошлаковых отходов, объем использования, которых не превышает для разных предприятий 20 % годового количества [7]. Например, на ТЭЦ средней мощности, работающей на экибастуз-ских углях, образуется до 1000 т золы в год [8]. При этом сама ТЭЦ занимает 200300 га, а площадь золоотвала через 10 лет эксплуатации теплоэлектростанции достигает 800-1500 га [7].

По сведениям ООН в 1980 г. ежегодно на ТЭЦ земного шара образовывалось 350 млн т летучей золы и шлаков. На Советский союз и Европейские страны приходилось 200 млн т этих отходов. В 1982 г. количество золошлаковых отходов на ТЭЦ Минэнерго СССР составило 100 млн т, а к 1987 г. ежегодное поступление на золоотвалы превысило 150 млн т. В 1971 году золоотвалы в СССР занимали площадь 115 км2. К 1980 г. под золоотвалы только в РСФСР и УССР было отведено 130 км [7]. В конце 20 века на ТЭС, ТЭЦ и ГРЭС Российской Федерации образовывалось за год около 40 млн т золы и шлаков, и было накоплено более 1,5 млрд т данных отходов [8]. По данным С. М. Радомского [2] при сжигании каменного угля на тепловых электростанциях ежегодно образуется свыше 20 млн т золы и шлаков. По данным [9] площадь, занимаемая золошлаковыми отвалами на территории РФ, составляет около 20 тыс. га и ежегодно увеличивается примерно на 4 % (таблица 1.1). Ежегодно складируется более 22 млн тонн отходов ТЭЦ [10].

Таблица 1.1- Образование золошлаков на некоторых территориях РФ [9]

Территория РФ Количество ЗШО, млн т (01.01.96 г.) Ежегодный вы

Информация о работе

Черенцова, Анна Александровна
кандидата биологических наук
Хабаровск, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду"

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Черенцова, Анна Александровна, Хабаровск

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оценка воздействия золоотвалов на окружающую среду
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)