Изменение качества подземных вод и особенности накопления загрязнителей в зоне техногенного воздействия Змиевской ТЭС (Харьковская область)

На сегодня одним из важных факторов окружающей среды является геологическая среда. В результате техногенной нагрузки, трансформации природно-техногенных и других систем возникает ряд проблем, связанных с экологическим состоянием геологической среды. Особенно это касается индустриально развитых регионов, к которым относится и Харьковский регион.

Крупнейшим загрязнителем Харьковской области из всех исследуемых в ходе работы является Змиевская ТЭС, которая дает около 60 % от общего количества загрязнения Харьковской области. В качестве основного топлива Змиевская ТЭС вынуждена использовать низкосортные угли марки АШ с добавлением для устойчивости горения мазута или газа Шебелинского месторождения в количестве 15 % по теплу. Выход золошлаков составляет 1,2 млн т / год. Фактическая потребность в золошлаков составляет 200 тыс. тонн оставшаяся часть золошлаковой смеси, в количестве 1 млн тонн в год, складируется в золоотвале. Уже накоплено более 28 млн тонн золошлаков. Предполагается, что до конца 2016 года этот объем превысит 30 млн тонн. Система золошлакоудаления принята гидравлическая, совместная обратимая, шлакоудаление жидкое.

К нетрадиционным выбросам ТЭС относятся: двуокись углерода; токсичные газы (оксиды углерода, серы, азота и ванадия); канцерогены (бензапирен и формальдегид); пары соляной и плавиковой кислот; токсичные металлы (таллий, мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, хром, натрий, никель, ванадий, бор, медь, железо, марганец, молибден, селен, цинк, сурьма, кобальт, бериллий).

Годовые выбросы от угольной ТЭС мощностью 1000 МВт составляют: 7 млн тонн в год углекислого газа (19 тыс. тонн в сутки); 50–100 тыс. тонн в год окислов серы; 25 тыс. тонн в год окислов азота; 20 тыс. тонн в год твердых частиц; 400 тонн в год токсичных металлов. Суточный выброс золы в атмосферу составляет 35–55 тонн и при высоте трубы 150–200 м радиус загрязненной территории составляет около 50 км.

На состояние окружающей среды Змиевского района влияет также полигон захоронения золошлаков Змиевской ТЭС, который занимает площадь 350 га, на нем хранится более 28 млн тонн золошлаков. Золоотвал является серьезной экологической проблемой, связанной с твердыми отходами ТЭС — золой и шлаками. Его влияние осуществляется через рассеивания золы ветром, фильтрацию воды через тело и дно золоотвала, а также в результате сброса вод при жидком золоудалении.

Основную массу (96–98 %) золошлаковых отходов составляет сумма оксидов: оксид кремния — 45–60 %; оксид кальция — 2,5–9,6 %; оксид магния — 0,5–4,8 %; оксид железа — 4,1–10,6 %; оксид алюминия — 10,1–21,8 % и триоксид серы — 0,03–2,7 %. Кроме приведенных макроэлементов, составляющих основную массу отходов, золошлаковые отходы содержат примеси таких элементов, как цинк, таллий, свинец, хром, марганец, кобальт, никель, ртуть, мышьяк, сурьма, ванадий, стронций, германий, бор, бериллий, фтор и др. (Табл.1).

Таблица 1

Химический состав золошлаков Змиевской ТЭС (по данным опробывания на отвале)

Золошлаки и дымовые газы являются основными техногенными отходами Змиевской ТЭС. В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн доз, железа — 400 млн доз, магния — 1500000 доз.

Состав загрязнителей воздушного бассейна достаточно распространен, но особого внимания заслуживает группа сложных физико-химических комплексов — это летучая зола, образующаяся при сжигании угля и мазута, в состав которой входят различные соединения, преимущественно окиси тяжелых металлов. Суммарный валовой выброс веществ в атмосферу составляет 204,5 тыс. тонн в год. Наибольший вклад в валовые показатели вносят выбросы сернистого ангидрида, золы угольной, диоксида азота, пыли угольного концентрата и пыли с содержанием кремния 20–70 % (табл. 2).

Максимальные концентрации выбросов ватмосферный воздух от Змиевской ТЭС

Максимальные приземные концентрации золы угольной в районе влияния Змиевской ТЭС составляют 23 ПДК, в поселке Лиман — 1,8–1,6 ПДК. Санитарные нормы достигаются в 40 км от Змиевской ТЭС. Максимальная приземная концентрация двуокиси азота в селитебной зоне составляет 2,85 ПДК, серного ангидрида — 1,38 ПДК, пыли угольной — 2,93 ПДК, пыли с содержанием кремния 20–70 % — 5,19 ПДК.

Максимальные приземные концентрации ванадия, оксидов железа, кальция, олова, марганца, свинца, кадмия, бериллия, мышьяка, никеля, цинка, селена, меди, талия в непосредственной зоне влияния ТЭС (3–5 км от ТЭС) имеют значения от 2 до 8 ПДК, а в селитебной зоне составляют максимум до 1,6 ПДК или находятся в пределах норм.

Кроме непосредственно промышленной зоны Змиевской ТЭС, влияние на окружающую среду оказывает золоотвал Змиевской ТЭС. Он представляет собой большое гидротехническое сооружение и в процессе эксплуатации значительно влияет на окружающую среду. Это связано:

 с поступлением на площадь сооружения в результате гидронамыва значительных объемов воды;

 перепланировкой территории и изменением условий отвода поверхностного стока;

 пыления сухих открытых поверхностей золошлаков.

В наше время золоотвал Змиевской ТЭС является одной из причин подъема уровня грунтовых вод и изменения их химического состава в районе пос. Лиман, озер Лиман и Чайка.

Дополнительные объемы воды, поступающие в водоносный горизонт через основание золоотвала в результате гидронамыва золошлаков, способствуют развитию процессов подтопления и вытеснение вод палеоген-четвертичного горизонта водами золоотвала, оказывая непосредственное влияние на состояние подземных вод района.

По величине общей минерализации, жесткости, содержания сульфатов, меди, свинца, марганца, железа, кадмия, ртути, селена, ванадия, талия, бериллия, и ряда других нормируемых элементов, ПДК для питьевой воды в водах золоотвала превышены, и распространения этих вод в первом от поверхности водоносном горизонте недопустимо. Ежегодно на площадь золоотвала сбрасывается 20 млн м3 воды после промывки котлов станции. Данные о качественном составе вод золоотвала приведены в таблице 3.

Качество вод золоотвала Змиевской ТЭС

Степень защищенности палеоген-четвертичного горизонта объясняется фильтрационными свойствами и мощностью пород, залегающих в основе золоотвала. В случае отсутствия слабопроницаемых пород в литологическом разрезе основания золоотвала намывные отложения залегают непосредственно на аллювиальных песках горизонта. Таким образом часть воды, которая подается на площадь золоотвала в результате гидронамыва, через гидравлические окна в основе золоотвала может поступать в палеоген-четвертичного водоносный горизонт. Карта мощности слабопроницаемых пород свидетельствует о наличии трех областей размыва пород, экранирующих золоотвал. В границах этих зон искусственный золошлаковых горизонт напрямую связан с палеоген-четвертичным водоносным горизонтом.

Дополнительные объемы воды, поступающие в водоносный горизонт через основание золоотвала (0,3 млн. м3), ведут к развитию процессов подтопления, а также к вытеснению вод палеоген-четвертичного горизонта водами золоотвала, на расстоянии 2,7 км по направлению к реки Сев. Донец. Наращивание мощности станции привело к повышению на 3,5 м от естественного уровня оз. Лиман, которое служит для станции прудом-охладителем, что существенно снизило природную степень дренованости территории и привело к нарушению природного баланса природных вод. Осложненный водообмен и интенсивное испарение способствовали накоплению в подземных водах специфических элементов и создали зону повышенной минерализации. В области воздействия пруда-охладителя отмечается ухудшение качества подземных вод по общей минерализации, жесткости, содержания сульфатов и хлоридов.

Таким образом, основными источниками питания палеоген-четвертичного горизонта являются: инфильтрация вод атмосферных осадков, утечки из водонесущих коммуникаций, фильтрация вод через основание золоотвала Змиевской ТЭС.

Возможность ветрового переноса сухих золошлаков с поверхности золоотвала обусловлена залеганием вод в золоотвале на глубине 3,0 м от поверхности и наличием в составе золошлаков, фракций размером не более 10 мкм, способных переноситься ветром на расстоянии более 200 м. Пыление происходит в местах открытых выработок золошлаков и от дорог, не имеющих твердого покрытия. Интенсивность пылевыделения зависит от метеорологических условий, достигая 0,72 мг/м2 при опасной скорости ветра. Пылевыделение и валовые выбросы пыли определяется размерами площадей, участвующих в пыления. В настоящее время 20 % общей площади поверхности золоотвала относится к числу тех, что пылят. На оставшейся части поверхности золоотвала располагаются пруды осветленной воды и растительность, которая связывает корневой системой верхний слой золошлаков, которые пылят.

Согласно данным инвентаризации выбросов загрязняющих веществ на Змиевской ТЭС, валовые выбросы пыли из золоотвала в данный момент составляют 104,3 т/год. Пыль оседает на поверхности почв и растительности. Ее растворимая часть (5–15 %) в периоды интенсивной инфильтрации может поступать на свободную поверхность палеоген-четвертичного горизонта, трансформируя состав его вод, а также выноситься с поверхностным стоком в водные объекты зоны влияния золоотвала. Интерпретация данных аэрофотосъемки позволяет проследить область диффузного загрязнения в радиусе до 40 км от Змиевской ТЭС. В зоне атмосферного влияния ТЭС в составе зольных выбросов на поверхности почвогрунтов откладывается растворимых веществ: до 3 км — 63 т / км, 3–5 км — 113 т / км, 5–7 км — 13 т / км, 7–10 км — 4 т / км, 10–15 км — 0,6 т / км. Из них около 15 % осаждается в форме, способной к миграции.

В снежных пробах, отобранных в радиусе 5 км от станции, фиксируется повсеместное превышение ПДК по таким элементам, как мышьяк, бериллий, кадмий, алюминий, таллий, свинец, марганец, ванадий.

Талым водам принадлежит ведущее место в переносе загрязняющих веществ с поверхности почвогрунтов в палеоген-четвертичного водоносный горизонт. Фактом, подтверждающим загрязнения подземных вод талыми водами, могут служить годовые максимумы ряда ингредиентов, которые совпадают по времени с периодами интенсивного снеготаяния. Так, содержание кадмия, который соответствует этому периоду, увеличивается до 11,006 мг/ дм3 (6 ПДК), марганца — до 1,084 мг / дм3 (10,8 ПДК). В другое время содержание кадмия в пробах колеблется от 0 до 0,004 мг / дм3, марганца — от 0,352 до 0,816 мг/дм3. В период снеготаяния в 2,7 раза увеличивается в водах горизонта содержание стронция, в 1,7 раза — содержание кальция, в 2 раза — содержание никеля. Мощным источником влияния на качество подземных вод является золоотвал Змиевской ТЭС, на площадь которого ежегодно подается 20 млн м3 воды после промывки котлов. По величине общей минерализации, жесткости и содержания ряда других нормируемых элементов ПДК для питьевой воды в водах золоотвала превышены, и распространения этих вод в первом от поверхности водоносном горизонте приводит к его активного загрязнения.

Водоносные горизонты палеогена и верхнемеловых отложений, которые эксплуатируются водозабором г. Змиев, имеют достаточно тесную гидравлическую связь с водами четвертичных образований. Для вод этого этажа типичным являетя питание за счет инфильтрационной составляющей. В микрокомпонентном составе подземных вод Змиевского района отмечается повышение концентраций по некоторым элементам: алюминий, железо, марганец, мышьяк, селен, ртуть, бром, таллий. В таблице 4 дан перечень микрокомпонентов в составе почв, талых, подземных вод и вод золоотвала Змиевской ТЭС.

Таблица 4

Таким образом, механизм загрязнения подземных вод за счет атмосферных выбросов от Змиевской ТЭС может быть представлен следующим образом: загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу вместе с газодымовых выбросами станции, осаждаются на поверхности почвоґрунтив и затем, в результате инфильтрации, попадают на зеркало первого от поверхности водоносного горизонта. Особое место в переносе загрязняющих элементов с поверхности почвоґрунтив в водоносный горизонт принадлежит талым водам.

Основными источниками загрязнения первого от поверхности палеоген-четвертичного водоносного горизонта являются:

 поступления в водоносный горизонт ингредиентов вследствие накопления промышленных выбросов атмосферного характера, которые осаждаются на поверхности почвоґрунтив;

 фильтрация загрязненных вод через слабо экранированные ложе золоотвала;

 нарушение природного водообмена при заполнении пруда-охладителя (оз. Лиман)

 утечки из водонесущих коммуникаций станции и прилегающего поселка.

Техногенная нагрузка индустриально развитых территорий требует постоянного контроля состояния компонентов геологической среды, основными из которых являются почвы и водоносные горизонты. Методическая база контроля должна обеспечивать достоверность информации о состоянии данных компонентов. От этого зависит целесообразность и эффективность природоохранных мероприятий, направленных на снижение негативных техногенных воздействий. Поэтому совершенствование методик, позволяющих на достоверной основе производить комплексную оценку степени, характера и масштаба загрязнения компонентов геологической среды, идентифицировать аномалии, выделять и картировать ореолы загрязнения является актуальной задачей геолого-экологических исследований.

Литература:

1. Екологічна безпека техноприродних геосистем: наукова монографія / Г.І. Рудько, С. В. Гошовський / За редакцією Г.І. Рудька — К.: ЗАТ «Нічлава». 2006. — 464 с.
2. Оценка воздействия объектов энергетики на окружающую среду/ Г. А. Белявский, Г. Б. Варламов, В. В. Гетьман идр. — Х.:ХГАГХ, 2002. — 369 с.
3. Прибилова В. М. Зміна стану якості підземних вод території, що прилягає до Зміївської ТЕС / Прибилова В. М. // Регіон — 2006: Стратегія оптимального розвитку: міжнар. науково-практична конференція. Харків, 15–16 травня 2006 р. — Харків, 2006. — C. 241–243.
4. Прибилова В. М. Особливості накопичення забруднювачів в зоні впливу Змієвської ТЕС / Прибилова В. М., Жемерова В. О., Решетов І.К. // Вісник харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна: Геологія-географія-екологія. — 2010. — № 882.– С. 62–67.
5. Рихтер Л. А. Охрана водного и воздушного басейна от выбросов ТЭС / Л. А. Рихтер — М.: Энергоиздат, 1981. — 296 с.
6. Техногенно-екологічна безпека геологічного середовища / Рудько Г.І.: Монографія. — Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2001. — 359с.
7. Эколого-геохимические исследования в районах интенсивного техногенного воздействия: [сб. статей / под ред. Э. К. Буренко]. — М.: ИМГРЭ, 1990. — 164 с.