А.Е.
Левченко, студ., М.И. Игнатенко, к.т.н., доц.
Харьковский
национальный автомобильно-дорожный университет
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ ВБЛИЗИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
По
масштабам влияния на окружающую среду тепловая энергетика занимает одно из
первых мест. Источником тяжелых металлов (ТМ) при работе теплоэлектростанций
(ТЭС) являются как тонкодисперсные частицы выбрасываемой золы, так и зола,
поступающая в золоотвалы. Максимальное количество дымовых выбросов оседает в
зоне 2,5-4 км от ТЭС. Зола, выдуваемая из золоотвалов, способна создавать в
почве концентрации ТМ в несколько раз большие, чем за счёт выбросов из труб.
Именно почва находится в центре трансграничного переноса, миграции ТМ. Изучение
содержания ТМ в почвах необходимо для контроля за состоянием окружающей среды,
охраны её от загрязнения. При этом фоновое количество ТМ служит точкой отсчета.
Одним из
самых крупных загрязнителей окружающей среды в Харьковской области является
Змиевская ТЭС, на которую приходится около 60 % общей массы промышленных
выбросов Харьковской области. Загрязнение атмосферы Змиевской ТЭС происходит в
результате выбросов продуктов сжигания топлива. Эффективность существующих
золоуловителей на Змиевской ТЭС составляет всего 90,1 %, что не обеспечивает
необходимой степени очистки. Максимально-разовые концентрации вредных веществ в
атмосфере превышают ПДК по золе в 5,4 раза.
Дополнительный
вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносит золоотвал ТЭС, с поверхности
которого сдувается 104,3 т пыли в год, которая оседает на почву. Поступление ТМ
из золоотвала также возможно с ливневым стоком при выщелачивании ТМ из шлаков и
смывании высокодисперсных фракций золы. Золоотвал занимает площадь 350 га, а
объём накопленной золошлаковой смеси составляет около 25 млн т.
Целью работы
было определение особенностей распространения ТМ от Змиевской ТЭС, изучение процессов
аккумуляции ТМ в почвах данной территории и влияния рН на эти процессы.
Концентрации
ТМ в водной вытяжке из почвы определяли атомно-эмиссионным спектральным
анализом, атомно-абсорбционным анализом и методом капиллярного электрофореза.
Для определения состава твердой неорганической части почв использован
рентгенофазовый анализ. Благодаря последовательному анализу почв были
определены следующие малорастворимые соединения в образцах: Zn2V2O7, Zn3(VO4)2, Zn(VO3)2, Pb(VO3)2, 4PbO∙V2O5, Pb3(VO4)2, PbCrO4, PbCr2O7, SrCrO4, SrCr2O7, Sr(VO3)2, Ni2V2O7.
Территория
для исследования выбрана с учётом наличия различных ландшафтных комплексов,
различных почв и различных видов их использования, а также расстояния от
объекта загрязнения – Змиевской ТЭС.
Поскольку
выбросы ТЭС, работающей на твёрдом топливе, содержат различные ТМ, для
исследований были выбраны наиболее вредные, которые являются биологически
активными или относятся к токсичным загрязнителям различного класса опасности: 1-й – Pb, Zn, Cd; 2-й – Co, Ni, Cu, Cr; 3-й – V, Sr.
Каждый
элемент в определенных почвенных условиях образует конкретные химические формы,
обусловливающие их подвижность или аккумулирование в почвах. Подвижные формы
способствуют поступлению ТМ в растения и передвижению далее по пищевой цепи. Из
перечисленных элементов Cr и V являются подвижными в виде кислородсодержащих
анионов, а именно: остатков хромовой кислоты и бихромат-ионов, ванадиевых
кислот, а также VO2+, который и
является формой поступления ванадия в растения.
Подвижность
ТМ определяется в любой почве значением рН, поскольку катионные формы более
подвижны в кислой среде, а анионогены – в почвах с повышенным значением рН.
Поэтому вполне справедливо, что при переходе из одной среды в другую при
исследовании поведения ТМ в почвах важным фактором являются химические свойства
данного элемента. В этом аспекте рассмотрена зависимость рН от макросостава
почв и влияние некоторых ТМ на рН среды (табл. 1). Наибольший коэффициент
корреляции между рН почвы и микроэлементами установлен для Fe, Al, Si.
Таблица 1
Влияние
состава почв на формирование рН среды
|
Фация |
Место отбора образца |
рН |
Fe |
Si |
Al |
Zr |
|
№ 1 |
Центральные
поймы |
7,9 |
3,5 |
33 |
7,0 |
0,20 |
|
№ 2 |
Высокие
поймы возле боровой террасы |
6,6 |
2,5 |
30 |
0,7 |
0,05 |
|
№ 3 |
Холмы
боровой террасы |
4,97 |
2,5 |
28 |
0,5 |
0,05 |
|
№ 4 |
Выровненные
участки центральной поймы |
7,2 |
3,5 |
33 |
7,0 |
0,30 |
|
№ 5 |
Пониженные
участки центральной поймы |
7,8 |
3,5 |
33 |
6,5 |
0,50 |
|
№ 6 |
Заболоченные
участки прирусловой террасы |
7,6 |
3,5 |
33 |
6,0 |
0,15 |
Анализ полученных данных по содержанию
ТМ в почвах на
территории влияния выбросов Змиевской
ТЭС показал, что
наиболее распространёнными загрязнителями
территории района является Cu, Sr, Co, V, Cr (табл. 2). Уровень загрязнения определялся при сравнении
полученных результатов содержания
элементов с кларковыми значениями для почв.
Для
определения степени загрязненности использован коэффициент концентрирования загрязнения
почвы
или 
, (1)
где С – общее содержание загрязняющих веществ; Сср – среднее фоновое содержание загрязняющих веществ;
ПДК – предельно-допустимая концентрация загрязняющих веществ.
Согласно
полученным результатам (табл. 2) и рассчитанным значениям Кс
относительно ПДК вблизи ТЭС все почвы относятся к сильнозагрязненным. В
приведенном ряде указанный разброс значений Кс, а в скобках – значения
Кс в 10 км от Змиевской ТЭС: V 0,05-2 (0,13); Co 0,5-6 (1); Cu 2-16,7
(4,7); Nі 1-12,5 (1,5); Pb 0,2-1,6 (0,38); Pbподвиж 1-8,3 (2); Cr
1,7-33,3 (0,43); Zn 0,5-6 (0,52). Таким
образом, в 10 км почва является сильнозагрязненной по Cu и подвижной форме Pb.
По Со и Nі она среднезагрязненная, по другим металлам уровень
загрязнения еще меньше. Однако суммарный уровень загрязнения в 10 км очень
большой.
Таблица 2
Содержание
ТМ
в почвах на территории влияния выбросов ТЭС, мг/кг
|
Номер точки |
Место отбора образца |
Cd (5)* |
Cu (23)* |
Sr (130)* |
Co (16)* |
Zn (51)* |
V (16)* |
Ni (23)* |
Cr (47)* |
Pb (10)* |
|
1 |
Сборный образец пгт Комсомольское |
< 5 |
35 |
300 |
8 |
140 |
60 |
4 |
200 |
35 |
|
2 |
300-500 м от ТЭС |
< 3 |
10 |
200 |
30 |
20 |
280 |
30 |
100 |
30 |
|
3 |
Огороды возле пгт Комсомольское |
< 3 |
20 |
100 |
30 |
30 |
300 |
40 |
10 |
30 |
|
4 |
Поле ст. Овощная |
< 3 |
20 |
200 |
30 |
30 |
300 |
30 |
80 |
20 |
|
5 |
Поля с. Благодатное |
< 3 |
30 |
50 |
30 |
100 |
300 |
50 |
100 |
30 |
|
6 |
Поля хоз. Шебелинское |
< 3 |
20 |
100 |
30 |
50 |
280 |
30 |
100 |
30 |
|
7 |
Дом отдыха (> 8 км)**: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фация высокой поймы |
3 |
14 |
50 |
5 |
12 |
20 |
6 |
14 |
12 |
|
|
фация прирусловой поймы |
4 |
25 |
250 |
16 |
35 |
100 |
30 |
90 |
14 |
|
|
фация вершинной части холма |
3 |
30 |
100 |
6 |
30 |
50 |
15 |
25 |
10 |
|
|
8 |
с. Гинеевка (> 11 км): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фация пониженного участка поймы |
4 |
30 |
300 |
10 |
27 |
70 |
40 |
100 |
17 |
|
|
фация выровненного участка поймы |
4 |
50 |
50 |
8 |
50 |
70 |
30 |
100 |
10 |
|
|
фация заболоченного старичного
снижения |
4 |
50 |
80 |
7 |
50 |
32 |
27 |
70 |
14 |
|
|
9 |
с. Зидьки (> 13 км), песок |
< 5 |
6 |
30 |
2,5 |
90 |
7 |
4 |
10 |
6 |
|
10 |
с. Тарановка, 70 км от ж/д |
< 5 |
16 |
100 |
4 |
50 |
30 |
7 |
30 |
50 |
|
11 |
г. Змиёв, (> 15 км), сборный образец |
< 5 |
20 |
30 |
2,5 |
140 |
10 |
6 |
20 |
9 |
|
12 |
с. Боровая (> 25 км) |
< 5 |
20 |
110 |
8 |
50 |
80 |
12 |
70 |
14 |
* – кларковые значения содержания
ТМ в почвах территории исследования;
** – расстояние от источника
выброса.
Таким
образом, наиболее загрязненной является территория, расположенная от источника
выброса в радиусе 10 км. Наиболее распространенными загрязнителями являются Cu,
Sr, Co, V, Cr, что является закономерным: V, Cr является анионогенамы, кислотные
остатки образуются в слабощелочных почвах и с ТМ образуют нерастворимые или
малорастворимые соединения, что проводит к их накоплению. Это же касается Cu,
Sr, Co.