Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние отходов ураноперерабатывающих предприятий Северного Казахстана на состояние компонентов экосистем

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние отходов ураноперерабатывающих предприятий Северного Казахстана на состояние компонентов экосистем"

На правах рука

'а

кописи

СОФРОНОВА ЛЮДМИЛА ИВАНОВНА

ВЛИЯНИЕ ОТХОДОВ УРАНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА НА СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ ЭКОСИСТЕМ

03.02.08-экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 7 !.!.'.:! 2С'2

Кокшетау - 2012

005044572

005044572

Работа выполнена в Кокшетауском государственном университете им. Ш. Уалиханова.

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты:

Юшкевич Леонид Витальевич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий лабораторией земледелия ГНУ СибНИИСХоз

Кубарева Марина Вячеславовна - кандидат биологических наук, доцент кафедры Промышленной экологии и безопасности Омского государственного технического университета

Ведущая организация: Ишимский государственный педагогический институт им. П.П.Ершова

Защита состоится 31 мая в 13-00 на заседании Диссертационного совета ДМ 212.177.05 при Омском государственном педагогическом университете по адресу: 644099, г. Омск, ул. Набережная Тухачевского, 14, тел 8(3812)23 37 14; e-mail: kolpakova@omgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного педагогического университета.

Автореферат разослан <<30f> апреля 2012 года.

Учёный секретарь

Сагалбеков Уалихан Малгаждарович

диссертационного совета, к.б.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. По данным Всемирной ядерной ассоциации, в Казахстане сосредоточена примерно пятая часть мировых запасов урана (21%). Общие ресурсы урана порядка 1,5 млн. тонн, из них около 1,1 млн. тонн можно добывать методом подземного выщелачивания^агаЫ^ап Today, 2011).

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13500 тонн). Широкомасштабные горнодобывающие работы, которые проводятся в Казахстане в течение более чем полувекового периода, оказывают губительное воздействие на окружающую среду и требуют постоянного контроля за её состоянием и реабилитацию территории уранодобывающих и ураноперерабатывающих предприятий (Концепция экологической безопасности республики Казахстан, 2003).

Радиоактивное загрязнение окружающей среды порождает множество проблем: экологические, медико-биологические, социально-экономические и др. Решение большинства из них зависит от правильной оценки радиационного воздействия на компоненты окружающей среды и соответственно на человека. Радиация в больших дозах приводит к поражению живой клетки и тканей, в малых — вызывает раковые явления и способствует генетическим изменениям

В связи с вышеизложенным проблема снижения радиоактивности на предприятиях урановой промышленности является актуальным.

Обеспечение радиационной безопасности является одним из стратегических направлений, изложенных в «Концепции экологической безопасности РК на 2004 -2015 годы» (2003).

Цель работы — экологическая оценка компонентов экосистем при существующей радиационной обстановке окружающей среды в местах хранения отходов уранового производства и обоснование экологической реабилитации хвостохранилищ радиоактивных отходов.

Основные задачи исследований:

1. Обследовать существующую радиационную обстановку на испарительной карте хвостохраншшща гидрометаллургического завода (ГМЗ) ТОО «Степногорский горно-химический комбинат» (СГХК);

2. Изучить миграцию радионуклидов в атмосферу, подземные, поверхностные воды, донные отложения, систему «почва — растения-животные» на территории населенных пунктов, прилегающих к объектам СГХК.

3. Изучить возможность экологической реабилитации мест захоронения радиоактивных отходов методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Научная новизна. Впервые в условиях Северного Казахстана установлена степень воздействия хвостохранилища радиоактивных отходов гидрометаллургического завода ТОО «Степногорский горно-химический комбинат» на атмосферу, поверхностные воды, донные отложения, а также подземные воды, грунты, почву, растения и животных. Предложен вариант экологической реабилитации хвостохранилищ методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства и проведено обоснование эколого-экономической эффективности внедрения данной технологии экологической реабилитации.

Научная и практическая значимость. Осуществлён мониторинг и анализ состояния существующей радиационной обстановки ГМЗ ТОО «СГХК» и прилегающих к нему территорий на компоненты экосистем. Установлена эффективность экологической реабилитации испарительной карты хвостохранилища ГМЗ, методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Положения, выносимые на защиту:

1. Состояние радиационной обстановки окружающей среды г.Степногорска и его промышленной зоны.

2. Миграция радионуклидов в атмосфере, грунтах, подземных и поверхностных водах, донных отложениях, в системе почва -растения -животные на прилегающей территории захоронения радиоактивных отходов.

3. Экономическая эффективность экологической реабилитации хвостохранилищ методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Международной научно-практической конференции «Глобализация и развитие современного общества» (Кокшетау, Астана. 2009 г.), региональной научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы развития особо охраняемых природных территорий РК» (Бурабай, 2010 г.), V Международной научно-практической конференции «Сейтеновские чтения» (Кокшетау 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения-15» (Кокшетау 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и разработки в АПК» (Кокшетау 2012 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад соискателя. Автором проведён комплекс полевых работ на территории СЗЗ хвостохранилища Степногорского горно-химического комбината и прилегающих к ней населённых мест и обработаны собранные материалы. Систематизирован обзор литературных данных и материалов исследований, проведен статистический анализ. Данные по радиационной обстановке Акмолинской области были предоставлены д.м.н. К.К. Ташметовым.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, выводов и практических рекомендаций, списка используемой литературы и приложений. Список литературы включает 151 источник, в том числе 10 на иностранных языках.

Работа содержит 11 рисунков со схемами, графиками и диаграммами, 29 таблиц и 14 приложений.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.с-х.н. Сагалбекову У.М. за научно-методическую помощь в проведении работы, постоянное внимание и поддержку. Большое спасибо научным консультантам д.с-х.н Л.Н. Скипину, д.б.н. А.Т. Хусаинову за помощь в сборе и обработке материала и д.т.н. С.М. Шарипову за методическую помощь.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Дано обоснование актуальности, новизны и практической значимости работы. Поставлены цели, задачи, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы

Проведён анализ литературных источников посвященных изучению экологической обстановке как на территории Акмолинской области в целом так и Степногорского гидро-металургического завода и прилегающих к нему населённых пунктов (Информационный экологический бюллетень, 1998; Кравченко, 2003; Казымбет, 2006; Шарипов, 2006).

Рассмотрены проблемы накопления радиоактивных отходов и радиоактивности от широкомасштабного развития ядерной энергетики, проводившихся в прошлом на Семипалатинском полигоне испытаний ядерного оружия, а также аварии на Чернобыльской АЭС. Решением проблем загрязнения окружающей среды посредством образования отходов содержащих радиоактивные элементы, занимались многие учёные (Гродзинский, 1965; Израэль, 1970; Андреева, 1971; Болтнева, 1980; Герфорт, 1984; Погосян, 1984; Булданов, 1990; Карташев, 1990; Цыб, 1990; Кузин, 1991; Алексеенко, 1992; Язиков, 1993; Носков, 1996; Логачёв, 1997; Потапов 2000; Шойхет, 2000; Булдаков, 2001; Денисов, 2002; Севостьянов, 2004; Ярмоненко, 2004; Амченкина, 2006; Лазарева 2006).

Рассмотрены мероприятия по обеспечению радиационной безопасности. Проанализирована радиоэкологическая обстановка в регионах Северного Казахстана, где имеются 34 месторождения и 19 рудопроявлений урана. Объем накапливающихся радиоактивных отходов уранодобывающих предприятий составляет 61 млн. тонн с общей суммарной активностью 168,4 тыс. Кюри (Язиков, 1995; Калашников, 1998; Рейзенвивер, 2002; Шарипов, 2006) Глава 2. Условия, объекты и методы исследования

Для проведения исследований было рассмотрено экологическое состояние территории хвостохранилищ ТОО «Степногорский горнохимический комбинат», г. Степногорск, и его промышленной зоны.

Рассмотрены почвенные и климатические условия г. Степногорск. Город расположен в северо-восточной части Акмолинской области. Главной чертой климата является его резкая континентальность. Средняя годовая температура воздуха составляет 2,0°С, среднегодовая относительная влажность воздуха -69-75%, среднегодовая скорость ветра - 5,9 м/с. По потенциалу загрязнения атмосферы с преобладанием низких источников выбросов г. Степногорск относится к зоне умеренного загрязнения.

В Аккольском районе Акмолинской области находится одно из ураноперерабатывающих предприятий - ТОО Степногорский горнохимический комбинат, структурным подразделением которого является гидрометаллургический завод, на котором перерабатываются урановые и медно-молибденновые руды.

Основными видами производственных отходов являются хвосты переработки этих руд (рисунок 1). Хвосты обогащения урановых руд из-за содержания в них радионуклидов относятся к I классу опасности.

Объектами радиобиологического исследования служили: атмосферный воздух, гумусовый горизонт почвы, поверхностные и подземные воды, донные отложения, дикорастущие травянистые растения, продукты растениеводства и животноводства. Отбор проб производили в опытных и контрольных участках,

согласно общепринятой методике (Руководство по методам контроля, 2002, ГОСТ 29269-91, Общие требования к проведению анализов).

Рис. 1 Картосхема и общий вид хвостохранилища

Перед отбором проб проводилось измерение МЭД у-излучений на высоте 1м и на поверхности земли, плотности потока аир частиц. На участках отбора проб почвы одновременно отбирались растительные образцы. Образцы почвы отбирались послойно через 5 см до глубины 30 см, где МЭД у-излучений превышала фоновые значения. Высота нижнего среза растений не превышала 3 см от поверхности почвы. Проведенные радиохимические исследования выполнялись согласно установленным методикам. Для радиохимического определения стронция-90 в растительных пробах использовался оксалатный метод определения. Определение стронция в костях, мясе и молоке проводилось -фосфатным методом. Для определения цезия-137 в исследуемых пробах был применен сурьмяно-йодисгый метод.

Активность радионуклидов измеряли с использованием сцинтилляционного гамма-спектрометра с программным обеспечением «Прогресс». В пробах (почва, растения) гамма-спектрометрическим и радиохимическим методами определяли концентрацию следующих радионуклидов: 238и, 22бЯа, 230ТЬ, 232ТЬ, 210Ро, 210РЬ. Измерение концентрации а - излучающих радионуклидов проводилось на а-спекгрометре. Исследования

проводились совместно со специалистами на базе лаборатории СГХК. Статистическая обработка проводилась по Б.А. Доспехову (1973)

Глава 3. Влияние хвостохранилища ТОО «СГХК» на состояние компонентов экосистем Гамма-излучение и эксхаляция радона с поверхности хвостохранилища Основной деятельностью ГМЗ является переработка урановых руд с выпуском закиси-окиси урана. В процессе гидрометаллургической переработки урановых руд из исходного сырья извлекают полезные компоненты в количестве 0,2 % от общей массы. Отходы транспортируются на хвостохранилища, где производится их складирование. Удельная радиоактивность твёрдой фазы отходов составляет 200 МБк/м3, а суммарная активность, сосредоточенная в твёрдой фазе хвостохранилища, достигает 150 ККюри. Гамма излучение отходов на открытой поверхности хвостохранилища достигает 2,5-6,0 мкЗв/ч, что в 20-30 раз превышает уровень естественного фона. Анализы проведённой на хвостохранилище гамма-съёмки показали, что мощность дозы над поверхностью хвостовых отложений изменялась от 350 до 700 мкР/ч. В южной части карты №1 имеется участок площадью около 3 га, где МЭД возрастает до 2280 мкР/ч. Там же находится рекультивированный участок площадью около 2 га, на котором мощность экспозиционной дозы (МЭД) находится в пределах от 95 до 150 мкР/ч (таблица 1).

Таблица 1. Мощность экспозиционной дозы в хвостохранилищах, 2007 г.

Мощность экспозиционной дозы МЭД, (мкР/ч):

Место отбора пробы Площадь, га min шах Среднее

Карта 1

Южный участок 25,2 95 2280 546

Западный участок 16,5 320 650 489

Северный участок 42 325 730 507

Восточный участок 34,2 300 620 483

Испарительная карта

Южный участок 58,12 НО 600 417

Северный участок 22 250 740 485

Восточный участок 45,2 180 750 435

Западный участок прудок вплотную подходит к возвышенной части рельефа,

поэтому пляжа нет

Фон 10-12

помимо карбонатов, а также мышьяка, молибдена, фосфора и других химических элементов содержится до 1г активного урана, а также радия и тория. Содержание этих загрязняющих веществ в прудковой воде хвостохранилища приведено в таблице 3.

Таблица 3. Содержание загрязняющих веществ в прудковой воде

хвостохранилища, 2007-2010 г.г.

Вещества ПДК Карта 1 Карта 2 Испарительная карта

Уран (мг/л) 0,25 0,04-0,06 0,04-0,06 0,05-0,10

Радий (Бк/л) 0,5 0,59-1,70 1,11-2,92 0,67-0,74

Молибден (мг/л) 0,25 29,0-44,5 45,5-51,0 58,5-69,3

Мышьяк (мг/л) 0,05 8,6-13,0 16,2-18,4 32,4-49,2

Анализ данных показал, что содержание радия превышает ПДК в 2 раза, молибдена более чем в 200 раз, мышьяка более чем в 500 раз.

Наиболее значительными естественными водоемами являются озера Маныбай и Сулукамыс. В поверхностных водоемах и водотоках Маныбайского направления максимальные значения вредных веществ достигали: по урану -1,2 мг/л, что составляет 0,67 ПДК; по мышьяку - 2,27 мг/л (45,4 ПДК); по молибдену - 1,91 мг/л (7,6 ПДК). Установлено также повышение концентрации урана и молибдена в воде и в иле озера Маныбай, что связано с переносом их атмосферными осадками.

Анализ проб воды и ила в озере Сулукамыс в 2007 г. показал, что УСАА отобранного ила составляли 3,89-10-11 Ки/г, и по сравнению с данными 1994 г (УСАА=4,89-10-14 Ки/г) увеличилась. Максимальное содержание загрязняющих веществ в воде водоемов тальвега Сулукамысского направления составило: по мышьяку - 41,8 мг/л (856 ПДК); по молибдену - 49,0 мг/л (196 ПДК). Аналогичная закономерность наблюдалась при проведении радиологического обследования открытых водоемов на территории бывших уранодобывающих предприятий и населенных пунктов.

Содержание радионуклидов и тяжёлых металлов в почве.

При изучении радиоэкологической обстановки в регионах промышленной добычи и переработки урана особо важными являются исследования

радиоактивности в системе «почва-растения». Почвы исследуемой территории -чернозёмы обыкновенные солонцеватые темно- и светло-каштановые. Они сформировались под разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью, и являются широко распространёнными почвами в Северном Казахстане.

Исследованиями выявлено, что поверхностный слой почвы до 10 см с северной и северо-восточной сторон от дамбы хвостохранилища загрязнен мышьяком до 430 ПДК, молибденом до 16 ПДК, загрязнения почвы ураном не обнаружено. В пробах, отобранных по ближайшему к северной дамбе профилю, содержание загрязняющих веществ составляло 750 мг/кг по мышьяку и 740 мг/кг по молибдену. Содержание молибдена и мышьяка в почве за пределами зоны периодического затопления по мере удаления от хвостохранилища снижается до фоновых значений 5 мг/кг. Исключение составляет северовосточное направление от карты №2. где даже на расстоянии 2 км от нее УСАА превышает фон. Однако, рекультивация земель в санитарно - защитной зоне (СЗЗ) и за ее пределами в настоящее время бесполезна, так как при ветровой эрозии осушенных хвостов на испарительной карте и карте №1, а в перспективе и на карте №2, рекультивированные земли будут загрязняться радионуклидами.

Пробы почв также были отобраны на границе СЗЗ хвостохранилища вблизи города Степногорск. Полученные данные свидетельствуют, что значение суммарной альфа-активности превышает фоновые показатели более чем в 30 раз. Концентрация мышьяка и молибдена превышает ПДК и выше среднего фонового содержания в регионе. Таким образом, исследования радиационной обстановки территорий вблизи промышленных объектов СГХК показали неравномерный характер загрязнения почвы. Радионуклидами-загрязнителями при этом чаще всего являются уран 238и, 235и и его изотопы

226г. „ 210т, к 230-тм

ка , РЬ , 1п , а из других химических элементов регистрировались Со, Си, гп, С<1, Аб, Мо, Аб.

Миграция радионуклидов в системе почва -растения.

Известно, что радиоактивные элементы, находясь в почвенной системе, способны мигрировать с почвенными растворами через корневую систему в

ткани растений и накапливаться в них. Для проведения экспериментов растительные образцы собирали с северной стороны СГХК. Данные исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4. Концентрация тяжелых металлов и естественных радионуклидов в растениях, 2009-2010 г.г.

Название растений Тяжелые металлы (мг/кг) Радионуклиды (Бк/кг)

Zn РЬ Си Sn Со Ni Mo Cd Th Ra

Festuca sulcata 94,9 43,7 1А 56 12,7 74,4 12 4,2 2J5 1,0 27,4 1,6 13 0,62 3,6 0,14 6J 10,2 H 2,3 28.4 106

Lactuca sibirica 228 30,3 5J 4,9 18,3 3,7 42 2,0 3J. 0,2 17,9 1,3 OJL 8,8 là 1,7 32 22,6 17 2,4 35.5 109

Leymus akmolinensis 15 63,1 L2 5,9 35,2 6,1 02 1,6 02 1,8 4J_ 15,4 0J. 2,6 0J. 0,07 1,5 M 0,4 éA 21,1

Chenopodium hybridum 20,8 22,1 52 3,8 i¿ 2,9 M 1,8 0,7 0,5 M 0,9 M 3,2 M 0,1 11,2 75 4J_ 8,2 37.8 376

Puccinellia distans 36,9 6,5 2Л 1,4 Ш 1,5 M 0,6 0J. 0,1 2x1 5,8 02 31,1 0£ 0,1 5£) 7,5 Ll 2,0 22 80

Примечание: числитель - концентрация в растениях условно-контрольного участка знаменатель- концентрация в растениях аномального участка.

В пробах растений северо-восточного направления концентрация '""и и 210Ро - в 15 раз, 2:6Ra - в 155 раз, 230Th - в 54 раза, 210РЬ - в 3 раза превышает показатели условно-контрольного участка. Исследование содержания тяжёлых

металлов в этих же пробах растений показало, что концентрация Аб составила 1,0 мг/кг, Со - 0,26 мг/кг, РЬ - 0.41 мг/кг и Си - 0,53 мг/кг, что в 5,5; 2 и в 2,5 раза, соответственно, превышает фоновые значения. Проведённый расчёт коэффициента биологического накопления (К„) тяжёлых металлов показал, что для исследованных элементов он колеблется в пределах от 0,01 до 0,05, что соответствует уровню слабого накопления и среднего захвата.

В растениях, отобранных в окрестностях п.Шантобе, содержание микроэлементов (мг/кг) составило Аб (0,4), Сс1 (0,39), Си (0,83), Бп (1,42), что в 2-4 раза выше контроля, тогда как в растениях п.Новокронштадтка концентрация Аб (0,57 мг/кг) и Си (0,40 мг/кг), что в 3 и в 2 раза, соответственно, превышает контроль (К„ <0,05).

Таким образом, данные исследования удельной активности естественных радионуклидов и концентрации тяжелых металлов в системе «почва-растение» свидетельствуют, токсиканты переходят из почвы в растения, где их концентрация значительно превышает предельный уровень. Использование данной территории для выпаса скота крайне нецелесообразно.

Содержание природных и искусственных радионуклидов в продуктах животноводства.

Исследование концентрации радионуклидов и тяжелых металлов показало, что в пробах мяса КРС п. Аксу и пригородной части г. Степногорска удельная активность 238U составила 2,0 Бк/кг, что в 1,5 раза превышает контрольный уровень (1,3 Бк/кг). Содержание 323Th в пробе мяса п. Заводской в 350 раз, п. Аксу и пригородной части г. Степногорска в 500 раз превышает уровень, указанный в литературных данных. Концентрация 226Ra в пробе мяса п. Заводской и пригородной части г. Степногорска в 150 раз, п. Аксу в 100 раз выше контрольного уровня (0,004 Бк/кг). Удельная активность РЬ в пробах мяса в п. Заводской и пригородной части г. Степногорска в 3 раза превышает контрольный уровень (0,9 Бк/кг). Таким образом, для проб мяса наиболее характерно резкое накопление долгоживущих изотопов 226Ra и 323Th. Был проведён расчет дозы облучения, на основе потребляемой человеком мясной продукции. Результаты проведённого расчета представлены в таблице 5.

Таблица 5 . Доза облучения человека от потребляемой мясной продукции

Название населённого пункта (мЗв/год) ^"Ra (мЗв/год) 21иРЬ (мЗв/год) J/JTh (мЗв/год) I (мЗв/год)

г. Степногорск 0,016 0,064 0,58 0,065 0,725

п. Заводской 0,014 0,061 0,55 0,042 0,667

п. Аксу 0,018 0,038 0,14 0,061 0,257

Норма 0,30

В мясе и костной ткани КРС в значительных концентрациях обнаружены естественные радионуклиды: 238и до 1,5 раз, 323Th до 500 раз, 226Ra до 150 раз, 210РЬ до 3 раз превышают контрольный уровень. Количество исследованных тяжелых металлов в пробах мяса КРС из п. Аксу и пригородной части города

Степногорска от 2 до 176 раз, из п. Заводской,от 5 до 1095 раз превышает контрольный уровень.

Однако, исследования качества мясной и молочной продукции по населённым пунктам Акмолинской области (2010-2011 гг.) показали, что данные продукты по содержанию радионуклидов являются вполне экологически чистыми. Это говорит о том, что на участках, удалённых от промышленной зоны СГХК более чем на 30 км, качество продуктов животноводства и растениеводства соответствует норме. Доза облучения населения, связанная с употреблением пищевых продуктов, составляет 0,15 мЗ в/год.

Влияние приземной объемной активности долгоживущих альфа-излучателей (ДЖАИ), содержащихся в пыли хвостового материала на работников хвостохранилища и население

Проведённые исследования показали, что годовая эффективная доза облучения работников плавучей насосной станции за счет поступления ДЖАИ в органы дыхания (Бг) при пределе дозы (ПД) равна 20 мЗв/год; предел годового поступления (ПГП) равен 1920 Бк, составляя лишь 5,4x10'3 мЗв/год при пределе дозы персонала группы А, равном 20 мЗв/год. При северном направлении ветра приземные объемные активности ДЖАИ на северной окраине п. Аксу составили 186,3 мкБк/мЗ. Годовая эффективная доза облучения населения на южной границе СЗЗ хвостохранилища и северной окраине поселка Аксу составила 18,0*10"3 мЗв/год и 7,0х10"3 мЗв/год.

Приземные объемные активности ДЖАИ на северо-западной окраине п.Заводского и на южной границе СЗЗ при северо-западном направлении ветра составили соответственно 232,3 и 471,ЗмкБк/мЗ. Годовая эффективная доза облучения ДЖАИ населения на северо-западной окраине п.Заводской при стандартном объеме вдыхаемого воздуха 4,1 хЮ3 м3/год и пределе дозы (ПД) облучения 8,1хЮ3м3/год; ПД = 1мЗв/год; ПГП=96Бк составил 8,2х103мЗв/год.

В целом по всем подразделениям ТОО СГХК случаев превышения ПДП радионуклидов в организме персонала не отмечено.

4. Экологическая реабилитация хвостохранилищ с радиоактивными

отходами

Рекультивация указанных земель в ближайшее время не целесообразна, так как после ее проведения почвы будут загрязняться радионуклидами при ветровой эрозии подсохших пляжей урановых хвостов на первой и второй картах хвостохранилища.

- Решение задачи по захоронению урановых хвостов можно осуществить, используя метод гидронамыва нерадиоактивными отходами медно-молибденовых руд, перерабатываемых на ГМЗ СГХК. Противорадиационный экран намывается на подсохшие поверхности пляжей урановых хвостов тонкими слоями. Он уменьшит мощности доз до 12 мкР/ч и одновременно выполнит роль противофильтрационных экранов, что предотвратит загрязнение подземных вод, распространение фильтрации хвостовых вод из чаши хвостохранилища и пыление хвостов, загрязняющее атмосферу и почвенно-растительный покров и грунты.

В результате реализации предлагаемого решения радиационная обстановка в районе расположения хвостохранилища улучшится. Общая доза облучения населения ближайших поселков, обусловленная воздействием хвостохранилища, сократится на 15% (пос. Аксу) и 36% (пос. Заводской).

Предлагаемая технология дает возможность привести карты хвостохранилища в экологически безопасное состояние в течение ближайших 5 лет и обеспечить складирование хвостов развивающегося медно-молибденового и уранового производства на длительный период без отчуждения новых земель. Состав хвостов переработки медно-молибденовых руд не токсичен, не радиоактивен, что вполне позволяет их использование для создания противорадиационного укрытия. Ориентировочная стоимость реконструкции и рекультивации действующего хвостохранилища (в ценах 2011 года) составляет 66 млн. долларов США.

Таким образом, проведённые исследования выявили основные загрязнители территорий, прилегающих к ГМЗ ТОО «СГХК». Предложен метод

экологической реабилитации хвостохранилища способом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства, который позволит стабилизировать экологическое состояние исследуемых территорий.

ВЫВОДЫ

1. Мощность дозы гамма-излучения в хранилищах радиоактивных отходов значительно превышает нормативные значения радиационного фона. В ближайших к хвостохранилищу населённых пунктах мощность дозы гамма-излучения находится в пределах фоновых значений 0,3 мкЗв/ч. Исключение составляют аномальные участки в п.п. Аксу и Заводской и участок с северной стороны г. Степногорска, где МЭД у — излучения выше средних значений по Республике Казахстан.

2. Максимальная удельная радиоактивность радия - 226 в хвостах составила 11140 Бк/кг, что в 30 раз превышает ПДК. Максимальная приземная концентрация радона в атмосферном воздухе поселков Аксу и Заводской не превышает 10-12 Бк/м3, а среднегодовая с учетом всех метеорологических факторов - 1,5-2,0 Бк/м3.

3. В поверхностных водах озер Маныбай и Сулукамыс концентрация мышьяка и молибдена выше ПДК. Уровень загрязнения ураном находится в пределах допустимых значений. Использование такой воды для хозяйственных нужд сопряжено с риском накопления радионуклидов и тяжёлых металлов в организме человека и животных.

4. Значение суммарной альфа-активности в почвах СЗЗ хвостохранилища и прилегающих населённых пунктов превышает фоновые более чем в 30 раз. Концентрация Мо, Аэ выше среднего фонового содержания в регионе.

5. В пробах растений концентрация 238и, 210Ро, 22611а, 230П1, 210РЬ превышает показатели условно-контрольного участка. В пробах растений, из окрестностей пос. Шантобе и пос. Новокронштадгка содержание Ав, С<1, Си и Эп в 2-4 раза выше контроля.

6. В мясе и костной ткани крупного рогатого скота в п.п. Заводской, Аксу и пригородной части г. Степногорска выявлены значительные концентрации естественных радионуклидов. Однако, на участках, удалённых от загрязнённой территории на расстояние более 30 км, качество овощной, зерновой и животноводческой продукции по радиационным показателям соответствует норме.

7. Среднегодовая эффективная эквивалентная доза (ЭЭД) облучения за счет радона, обусловленная его эксхаляцией с хвостохранилища у работников ГМЗ и жителей близлежащих населённых пунктов, составляет 0,1-0,2 мЗв около 10-20% ЭЭД, рекомендованной международной комиссией по радиологической защите в качестве безопасного уровня для населения.

8. При экологической реабилитации хвостохранилища методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства, территория СЗЗ рекультивируется. При этом удельная суммарная альфа-активность грунта в слое 0-0,25 м не превышает 1200 Бк/кг, мощность дозы над поверхностью захороненного хвостохранилища на высоте 1 м не превышает 20 мкР/ч сверх естественного фона, эксхаляция радона-1 Бк/ (см2/с).

Список работ опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т. Проблемы обеспечения радиационной безопасности в уранодобывающих регионах Северного Казахстана // Вестник Тюм ГУ (Тюмень), 2011. № 4, С. 91-94.

2. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т. суммарная удельная альфа-активность радионуклидов в отложениях урановых хвостов на Степногорском гидрометаллургическом заводе // Аграрный вестник Урала (Екатеринбург), 2011.№ 10, С.41-43.

Иные научные публикации

3. Софронова Л.И., Шарипов С.М., Дюсембинов Д.С. Улучшение экологической обстановки северного региона путём утилизации отходов

промышленности // Глобализация и развитие современного общества: Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. - Кокшетау, Астана. 2009. С.311-314.

4. Хусаинов А.Т., Софронова Л.И., Сарсенова A.A. К вопросу использования

отхода промышленности фосфогипса для мелиорации солонцовых почв Казахстана // Сейтеновские чтения: Мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф-Кокшетау. 2010. С.312-314.

5. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т. Проблемы захоронения радиоактивных отходов уранодобывающей промышленности Республики Казахстан // Современное состояние, проблемы и перспективы развития особо охраняемых природных территорий PK: Мат-лы регион, науч.-практ. конф. -Кокшетау, Бурабай, 2010. С.120-123.

6. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т. Влияние урановых хвостохранилищ Степногорского ГМЗ на загрязнение поверхностных вод // Вестник Академии «Кокше» (Кокшетау), 2011. С. 13-16

7. Софронова Л.И., Дюсембинов Д.С., Шайлятов Б.К. Мониторинг состояния подземных вод на хвостохранилище Степногорского ГМЗ // Вестник Академии «Кокше» (Кокшетау), 2011. С.22-24.

8. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т., Абрамова С.А. Проблемы загрязнения окружающей среды отходами уранодобывающих и перерабатывающих предприятий в Республике Казахстан // Валихановские чтения-15. Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф - Кокшетау, 2011. Т.6 С. 417-419.

9. Софронова Л.И., Хусаинов А.Т., Ташметов К.К. Экологическая оценка радиационной обстановки в Акмолинской области // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф —Кокшетау, 2012. С. 361-366.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Софронова, Людмила Ивановна, Кокшетау

61 12-3/1143

КОКШЕТАУСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ.Ш.УАЛИХАНОВА

На правах рукописи СОФРОНОВА ЛЮДМИЛА ИВАНОВНА

ВЛИЯНИЕ ОТХОДОВ УРАНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА НА СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ ЭКОСИСТЕМ

03.02.08-экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Сагалбеков Уалихан Малгаждарович

Кокшетау -2012

38

42

Содержание

Введение

1 Обзор литературы 8

1.1 Проблемы накопления радиоактивных отходов 8

1.2 Влияние уранодобывающих и перерабатывающих предприятий на радиационное загрязнение окружающей среды 18

1.3 Мероприятия по обеспечению радиационной безопасности 26

2 Условия, объекты и методы исследования 35

2.1 Радиационная обстановка Акмолинской области 3 5

2.2 Экологическое состояние города Степногорска и его промышленной зоны

2.3 Технологическая схема получения хвостов, их транспортировка и складирование

2.4 Методика и условия проведения исследований 48

3 Влияние хвостохранилища ТОО Степногорский горнохимический комбинат на состояние компонентов экосистем 57

3.1 Гамма-излучение и эксхаляция радона с поверхности хвостохранилища в атмосферу 57

3.2 Влияние хвостовых отложений на экологическое состояние местных водоёмов, донных отложений и подземных вод 68

3.3 Содержание радионуклидов и тяжёлых металлов в почве на территории ССЗ хвостохранилища и прилегающих к нему населённых пунктов

3.4 Содержание радионуклидов и тяжёлых металлов в растениях и продуктах животноводства на территории ССЗ хвостохранилища и прилегающих к нему населённых пунктов 93

3.5 Влияние приземных объемных активностей долгоживущих альфа-излучателей (ДЖАИ), содержащихся в пыли хвостового материала на работников хвостохранилища и население 106

79

4 Экологическая реабилитация хвостохранилищ с радиоактивны-

ми отходами

4.1 Обоснование метода гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства на хвостохранилища 112

4.2 Экономическая эффективность метода гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства 114 Выводы 121 Список использованной литературы 123 Приложения

Введение

Актуальность темы. По данным Всемирной ядерной ассоциации в Казахстане сосредоточена примерно пятая часть мировых запасов урана. Общие ресурсы урана порядка 1,5 млн. тонн, из них около 1,1 млн. тонн можно добывать методом подземного выщелачивания.

В 2009 году Казахстан вышел на первое место в мире по добыче урана (добыто 13500 тонн). Широкомасштабные горнодобывающие работы, которые проводятся в Казахстане в течение более чем полувекового периода, оказывают губительное воздействие на окружающую среду и требуют постоянного контроля за её состоянием и реабилитации территории уранодобывающих и ураноперерабатывающих предприятий.

При добыче руд с содержанием урана 0,1% для получения 1 т оксида урана и308 необходимо извлечь из недр примерно 1000 т руды. Основными видами производственных отходов являются хвосты переработки урановых руд. Хвосты переработки руд гидротранспортом транспортируются на хвостохранилища, на которых производится их складирование. Одной из главных задач обеспечения радиоактивной безопасности является захоронение радиоактивных отходов, которое позволяет значительно улучшить радиационную обстановку в районе расположения хвостохранилища, обусловленную выносом радионуклидов с его поверхности.

Радиоактивное загрязнение окружающей среды порождает множество проблем: экологические, медико-биологические, социально-экономичекие и др. Решение большинства из них зависит от правильной оценки радиационного воздействия на компоненты окружающей среды и, соответственно, на человека.

Радиация в больших дозах приводит к поражению живой клетки, тканей, в малых - вызывает раковые явления и способствует генетическим изменениям.

Обеспечение радиационной безопасности является одним из стратегических направлений, изложенных в «Концепции экологической безопасности Республики Казахстан на 2004 -2015 годы» (2003).

В связи с вышеизложенным, проблема снижения радиоактивности на предприятиях урановой промышленности является актуальной.

Цель работы - экологическая оценка компонентов экосистем при существующей радиационной обстановке окружающей среды в местах хранения отходов уранового производства и обоснование экологической реабилитации хвостохранилищ радиоактивных отходов.

Основные задачи исследований:

1. Обследовать существующую радиационную обстановку на испарительной карте хвостохранилища гидрометаллургического завода (ГМЗ) ТОО «Степногорский горно-химический комбинат» (СГХК);

2. Изучить миграцию радионуклидов в атмосферу, подземные, поверхностные воды, донные отложения, систему почва - растения- животные на территории населенных пунктов, прилегающих к объектам СГХК.

3. Изучить возможность экологической реабилитации мест захоронения радиоактивных отходов методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Научная новизна. Впервые в условиях Северного Казахстана установлена степень воздействия хвостохранилища радиоактивных отходов гидрометаллургического завода ТОО «Степногорский горно-химический комбинат» на атмосферу, поверхностные воды, донные отложения, а также подземные воды, грунты, почву, растения и животных.

Предложен вариант экологической реабилитации хвостохранилищ методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства и проведено обоснование эколого-экономической эффективности внедрения данного метода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Состояние радиационной обстановки окружающей среды г.Степногорска и его промышленной зоны.

2. Миграция радионуклидов в атмосфере, грунтах, подземных и поверхностных водах, донных отложениях, в системе почва -растения - животные на прилегающей территории захоронения радиоактивных отходов.

3. Экономическая эффективность экологической реабилитации хвосто-хранилищ методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Практическая ценность и реализация проекта

Осуществлён мониторинг и анализ состояния существующей радиационной обстановки гидрометаллургического завода ТОО «Степногорский горно- химический комбинат» и прилегающих к нему территорий на компоненты экосистем.

Установлена эффективность экологической реабилитации испарительной карты хвостохранилища ГМЗ, методом гидронамыва нерадиоактивных отходов медно-молибденового производства.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Международной научно-практической конференции «Глобализация и развитие современного общества» (Кокшетау - Астана, 2009 г.), региональной научно-практической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы развития особо охраняемых природных территорий РК» (Бурабай, 2010 г.), на V Международной научно-практической конференции «Сейте-новские чтения» (Кокшетау, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения-15» (Кокшетау, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и разработки в АПК» (Кокшетау 2012 г.)

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в т.ч. 2 статьи в изданиях, регламентируемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, выводов и предложений, списка использованной литературы и приложений. Список литературы включает 151 источник, в том числе 10 на иностранных языках. Работа содержит 11 рисунков со схемами, графиками и диаграммами, 29 таблиц и 14 приложений.

1. Обзор литературы 1.1 Проблемы накопления радиоактивных отходов

Широкомасштабное развитие ядерной энергетики и ее безопасное эффективное использование становится определяющим фактором устойчивого развития общества. Для Казахстана, обладающего 25% мирового разведанного запаса урана, этот вопрос имеет стратегическое значение (Казымбет и др., 2006). Продвижение атомной энергетики должно сопровождаться адекватным совершенствованием научных исследований, в первую очередь по вопросам, связанным с охраной окружающей среды и здоровья работников этого сектора промышленности (Носков, 1996).

Радиоактивность - radioactivitas, atis't (от лат. radium радий + activus действенный) - радиоактивный распад - самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений: альфа-лучей (альфа-распад), бета-лучей (бета-распад), протонов (протоновая радиоактивность), а также делением ядер (Орлов, 1986).

Радиоактивные вещества относятся к особо опасным для людей, животных и растений. Источники радиоактивного загрязнения в основном техногенного происхождения, это экспериментальные взрывы атомных, водородных и нейтронных бомб, различные производства, связанные с изготовлением термоядерного оружия, атомные реакторы и электростанции. Большую опасность вызывают предприятия, где используются радиоактивные вещества; станции по дезактивации радиоактивных отходов, хранилища отходов атомных предприятий и установок, аварии или утечки на предприятиях, где производится и используется ядерное топливо (Шведова, Широкова, 1962).

Ядерные превращения совершаются в природе за счет радиоактивности, то есть самопроизвольного (без внешнего воздействия) распада ядер атомов. Источником таких излучений и частиц, в свою очередь, являются ядерные

превращения, протекающие как самопроизвольно, так и под влиянием внешнего воздействия. Непрерывность процесса ядерных превращений обуславливается самой природой, так как в силу естественных законов природы образуются излучения и частицы, которые являются и продуктами, и источниками (причиной) ядерных реакций (Белоусова, 1961).

Радиационный фон по определению С.П. Ярмоненко и А.А. Вайнсона (2004) представляет ионизирующее излучение земного и космического происхождения, постоянно воздействующее на человека. В природе существует естественный радиационный фон, он обусловлен излучением природных радионуклидов Земли и космическим излучением. Технологически измененный естественный радиационный фон формируется из природных источников ионизирующего излучения вследствие извлечения естественных радионуклидов из недр Земли вместе с полезными ископаемыми или строительными материалами.

Искусственный радиационный фон представляет глобальное загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами, образующимися при расщеплении ядер урана и плутония. Люди сами могут получать радиоактивные изотопы с помощью специальных установок и источников излучений путем ядерных реакций, осуществляемых искусственным путем, а также они образуются после испытаний ядерного оружия и выброса атомными электростанциями благородных газов, углерода и трития. Искусственный радиационный фон в масштабах Земного шара в среднем составляет 1 - 3 % от естественного (Герфорт, 1984; Ярмоненко, 2004).

Публикации, посвященные оценкам среднегодовых уровней облучения людей за счёт всех источников ионизирующего излучения, убедительно свидетельствуют, что основной вклад (примерно 60-90%) в коллективную дозу облучения населения вносят природные источники ионизирующего излучения (Hughes, Roberts 1973; Крисюк, 1996/97; Ильин, 1996)

Различают внешнее и внутреннее облучение. Внешнее облучение обусловлено в основном космическим излучением и у - излучением естественных

радионуклидов, содержащихся на поверхности земли и в ограждающих конструкциях. Внутреннее облучение человека создаётся за счёт 40К, 14С, 226Ыа, 222Кп, 210Ро и других радионуклидов, попадающих во внутрь организма вместе с пищей, водой и вдыхаемым воздухом.

Более чем из 300 естественных радионуклидов, присутствующих в земле, воздухе, воде и продуктах питания, наиболее существенное значение имеют радионуклиды 226Яа и 232ТЪ, входящие в состав уранового и ториевого семейства, а также 40К. Создаваемая их гамма-излучением поглощённая доза составляет 25, 40 и 35 %, соответственно, общей дозы от всех земных источников излучения

238

(Булдаков, 1968). К главным дозообразующим компонентам в семействе [/относятся дочерние продукты распада радия - 214РЬ и 210Ро, альфа-излучение которых вносит основной вклад в облучение человека. Кроме того, в природных месторождениях строительного сырья радиоактивное равновесие между ураном и радием часто оказывается нарушенным из-за различия их геохимических свойств. На состояние радиоактивного равновесия оказывает влияние степень сохранности и геологическая история пород. Так, для гранитов и сиенитов, а также для хорошо сохранившихся осадочных пород отношение содержания урана к радию приближается к единице. В то же время, во многих изменённых породах, в почвах и углях часто наблюдается сдвиг радиоактив-

7 *?(*? 226

ного равновесия между V и Яа. По этим причинам, нормирование допустимых концентраций радионуклидов в ряду II осуществляется по'

В семействе 232Тк интенсивность гамма-излучения относительно равно-

208 228 212 т 212

мерно распределена между изотопами Т1, Ас, Рои Вг, а радиоактивное равновесие между этими элементами и другими членами ториевого ряда обычно не нарушено благодаря небольшому периоду полураспада дочерних продуктов и малой растворимости минералов тория. Поэтому, нормирование допустимой концентрации тория осуществляется по материнскому радионуклиду 232Тк. Особое положение в облучении населения в помещениях занимает радон.

и

Из таблицы 1 видно, что более половины дозы от естественных источников ионизирующего излучения формируется за счёт вдыхания дочерних продуктов изотопов радона.

Таблица 1

Средние ежегодные эффективные дозы для взрослого населения от естественных источников облучения (Защита от радона - 222, 1995)

Источник облучения Области с нормальным естественным фоном

мЗв %

Космические лучи 0,39 16,5

Наземное гамма-излучение 0,46 19,4

Внутреннее облучение (без радона) 0,22 9,3

Радон и продукты его распада 1,30 54,8

Итого 2,37 100

Среднемировая эффективная доза от всех источников естественного фона составляет 2370 мкЗв за один год. Это почти в 2,4 раза превышает предел годовой эффективной дозы (1мЗв) от техногенных источников, установленной действующими Нормами радиационной безопасности НРБ-99 для населения (Нормы радиационной безопасности, 1999). Необходимо отметить, что дозы облучения для населения отдельных регионов могут существенно отличаться от приведённых в таблице 1 как по средней величине, так и по отдельным источникам облучения. Наибольшая вариабельность установлена для дозы излучения, обусловленной радоном. По оценке международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ), различие индивидуальной суммарной дозы для различных регионов может быть в 2 раза меньше средней дозы и в 10 -100 раз превышать среднюю (Гмурман, 1972; ГСИ: Объёмная активность и уровень скрытой энергии аэрозолей дочерних продуктов радона и торона в воздухе, 1992). Это важное обстоятельство, свидетельствующее о потенциальной возможности снижения облучения.

Одной из сложнейших экологических проблем является радиационное загрязнение территории Казахстана. Радиоактивному загрязнению атмосферы способствовали испытания на Семипалатинском полигоне (площадь 18,5 тыс. км2). В целом, на полигоне было проведено 456 испытаний, что составило 64% от всех ядерных испытаний в СССР (Логачев, 1997).

Полигон располагается в основном на территории Семипалатинской (54%), а также частично Карагандинской (7%) и Павлодарской (39%) областей республики Казахстан, на берегу р. Иртыш, занимая площадь 18540 км . За время функционирования полигона с 1949 по 1989 гг. в общей сложности было испытано 607 ядерных устройств (Цыб, 1990).

Многолетние испытания ядерного оружия на территории Семипалатинского полигона нанесли огромный ущерб окружающей природной среде и здоровью населения региона. Число лиц, подвергшихся действию ионизирующих излучений в результате многолетних испытаний, составляет около 3 млн. человек, половина которых - это местное население. Причем более 500000 жителей республики подвергались внешнему облучению в дозах более 10 мЗв в год (Логачев, 1997).

Взаимосвязь между уровнями радиоактивности и дозой, которая может влиять на здоровье людей, весьма сложна. Она зависит, в первую очередь, от того, внешнее это облучение или внутреннее, в результате вдыхания или проглатывания радионуклидов. К числу других факторов относится подвижность различных радионуклидов в окружающей среде и способность накапливаться в основных продуктах питания (Девидсон, 1960).

Известно, что в малых дозах радиация сказывается на биоритмике в связи с расстройством работы органов, которые частично разрушаются в составляющем их органическом веществе. Под де