Геоэкологическая оценка влияния глиноземного производства на окружающую среду (на примере г. ачинска)
На правах рукописи
Дворецкая Юлия Борисовна
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ (НА ПРИМЕРЕ
Г. АЧИНСКА)
Специальность 25.00.36 – Геоэкология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
Красноярск 2007
Работа выполнена в институте цветных металлов и золота Сибирского федерального университета
| Научный руководитель: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Цыкин Ростислав Алексеевич |
| Официальные оппоненты: | доктор геолого-минералогических наук, профессор Мананков Анатолий Васильевич кандидат геолого-минералогических наук Запольский Александр Николаевич |
| Ведущая организация: | Томский политехнический университет |
Защита диссертации состоится «___»____________ 2007 г. в ___ час. на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 при Томском государственном архитектурно-строительном университете.
Адрес: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке ТГАСУ
Автореферат разослан ___ апреля 2007 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета Недавний О.И
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследований. Крупнейшие предприятия г. Ачинска (Красноярский край): глиноземный комбинат (АГК), предприятия стройиндустрии и топливно-энергетический комплекс составляют мощный промышленный узел. Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ оказывают негативное воздействие на все компоненты окружающей среды, прежде всего, атмосферный воздух и почвы. Белитовый шлам, сконцентрированный в огромной массе на окраине города, является крупным источником загрязнения поверхностных и подземных вод, которое осуществляется фильтрацией шламовых вод.
Наличие вредных примесей в воздухе, воде и почве напрямую влияют на здоровье человека (Сает, 1990; Рихванов, 1993, 1994; Буренков, 1993). При этом первое место в Красноярском крае традиционно занимают болезни органов дыхания, составляя 40-50 % от числа зарегистрированных случаев (О сост. окр. среды…, 1997). Изучение геоэкологической обстановки в г. Ачинске с синхронным анализом максимального круга элементов в средах, транспортирующих и депонирующих загрязняющие вещества, позволит определить пространственную структуру их распределения и идентифицировать источники загрязнения. В условиях все возрастающего антропогенного воздействия на окружающую среду и возникшей необходимостью ее оздоровления геоэкологический анализ объекта представляется весьма актуальным.
Следует отметить, что проблема влияния глиноземного производства на загрязнение окружающей среды до настоящего времени не рассматривалась. В литературе нет публикаций, посвященной данной проблематике. Это, возможно, связано с тем, что в нашей стране функционируют всего три предприятия по переработке нефелинового сырья (Ачинский, Волховский и Пикалевский), причем два последних получают глинозем из нефелиновых концентратов. Производство глинозема из уртитов мало известно, поэтому ему не уделялось особого внимания.
Основная цель работы: Изучение геоэкологической обстановки г. Ачинска и оценка степени влияния на окружающую среду различных производств.
Основные задачи исследований:
- изучить распределение химических элементов в снеговом покрове, поверхностных, подземных водах и почвах, определить параметры и характеристики техногенных аномалий;
- выявить наиболее опасные загрязняющие вещества, а также зоны их поступления, транзита и отложения;
- изучить ассоциации химических элементов, характерных для глиноземного производства в депонирующих средах и техногенных потоках.
Научная новизна работы:
- впервые на примере г. Ачинска комплексно исследовано изменение окружающей среды в связи с глиноземным производством;
- определена структура взаимосвязей между химическими элементами в депонирующих средах и техногенных потоках. Выявлены ассоциации химических элементов, характерные для производства глинозема и проявленные практически во всех компонентах окружающей среды;
- установлены причины связей химических элементов в различных средах и идентифицированы промышленные объекты, поставляющие поллютанты в природную среду городского ландшафта.
Практическая значимость работы Результаты исследований и публикации в этой области позволят привлечь внимание общественности и руководства АГК к ухудшению состояния природных сред города. Выявление основных элементов-загрязнителей и определение экологической значимости техногенных аномалий послужат основой для разработки и внедрения природоохранных мероприятий на АГК.
Материалы диссертационной работы использованы при разработке рабочих программ и проведении практических работ по курсу «Науки и Земле» для студентов ИЦМиЗ СФУ. Результаты исследований использованы центром экологических обоснований и мониторинга «Монитек» в разработке проекта экологического мониторинга ОАО АГК и проведении мониторинга качества подземных вод в районе шламохранилища АГК.
Защищаемые положения:
1. Основным источником воздействия на окружающую среду являются пылевые выпадения из атмосферы, характеризующиеся широким спектром поллютантов. Наиболее высокие коэффициенты концентрации в пыли имеют B, Be, Y, F, Ba, Sr, Cr, Cu, Li, Zn и Ni.
2. Состав выбросов глиноземного производства определяет щелочной характер снеговых вод и способствует миграции в почвы и природные воды экологически опасных элементов: Cr, V, Mo, F, Be, Zn, Li, Y, Al и Сu.
3. Негативное воздействие на окружающую среду, выражающееся в загрязнении подземных вод щелочными металлами, сульфатами, хлоридами, Al, Ba, V, Mo, Ni, Pb, F, Cr, Ti, Mn, B, Be, Sr и Ga, оказывают шламохранилище и отстойники отходов глиноземного производства.
4. Корреляционные связи химических элементов, выявленные в сырье глиноземного производства, частично сохраняются как в техногенных потоках, так и депонирующих средах.
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела РГО (Красноярск, 2001 г), V Международном научном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (ТПУ,Томск, 2001 г), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГТУ (Владикавказ, 2002г), научно-практической конференции «Объединение субъектов РФ и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири» (Красноярск, 2005 г), XVII и XVIII совещаниях по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003 и 2006 гг).
Фактический материал. При выполнении работы автор использовала данные, полученные в результате многолетних геоэкологических исследований, проведенных в районе г. Ачинска, в период с 1991 по 2005 г.г. в составе геоэкологической партии КТЭ (рук. А.Ю. Озерский). Работы первоначально велись под научным руководством д.г.-м.н., профессора А.Е. Мирошникова, после безвременной кончины которого, были продолжены под руководством д.г.-м.н., профессора Р.А. Цыкина.
В основу диссертационной работы положены результаты анализов 2400 почвенных проб, 40 проб рыхлых русловых отложений, 340 снеговых проб, 46 проб подземных и 45 - речных вод, 40 проб отходов АГК (шлам, пробы из отстойников), 72 пробы продукции АГК. При выполнении работы автор использовала первичные данные РФА уртитов на 12 элементов (Ga,Rb,Mn, Ni,Fe,Sr,Cr, Co, As, Pb, Cu, Zn), проведенного в ИЦМиЗ СФУ (г. Красноярск).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 174 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц, 52 рисунка и список литературы, насчитывающий 118 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность профессору, д.г.-м.н. Р.А. Цыкину за научное руководство данной работой. Искреннюю благодарность автор приносит к.г.-м.н. Макееву С.М, к.г.-м.н. А.Ю. Озерскому, д.г.-м.н. А.М. Сазонову и к.г.-м.н. Ж.Л. Цыкиной за полезные консультации и предоставленную информацию, д.г.-м.н. В.А. Макарову, к.г.-м.н. С.И. Леонтьеву, к.г.-м.н. В.З. Мильману за практическую помощь и полезные советы, Л.Н. Пузыревой за помощь в оформлении диссертации.
Глава 1. Общая характеристика района г. Ачинска
В первой главе рассматривается характеристика природно-климатических особенностей района исследований, приведено краткое описание геологического строения и гидрогеологические условия территории, расположение промышленных объектов и транспортных коммуникаций.
Глава 2. Методика геоэкологических исследований
Глава освещает методологию исследований: полевое опробование почв, снегового покрова, поверхностных и подземных вод аналитические методы исследований (рис. 1). Использование данных методик позволило охватить максимальный круг компонентов для комплексного изучения загрязнения города.
Макрокомпонентный состав сырья, продукции и отходов АГК исследовался химическим анализом, микрокомпонентный состав - рентгеноспектральным. Все аналитические исследования выполнены в лаборатории ОАО «Красноярскгеология».
Обработка полученных результатов производилась с использованием статистических и математических методов. Для изучения корреляционных связей между химическими элементами использовался факторный анализ. Математическая процедура факторного анализа производилась по программе Statistica 5.11. Для обработки и визуализации полученной информации использованы методы ГИС-технологий (программы ArcView, ArcMap).
Глава 3. Вещественный состав сырья, продукции и отходов Ачинского глиноземного комбината
Технология производства глинозема основана на спекании руды с известняком с последующей гидрохимической переработкой спека (рис. 2).
Рудной базой являются Кия-Шалтырское месторождение уртитов и Мазульское месторождение известняков.
Минеральный состав уртитов в %: нефелин– 85, титанавгит – 10-15, примеси апатита, титаномагнетита и пирротина. По данным А.М. Сазонова (2000), в уртитах присутствуют также оксиды и сульфиды Fe – 2-10 %. Вторичные минералы представлены цеолитами, канкринитом, кальцитом, хлоритом (20–25 %). В известняках преобладает кальцит, среди примесей встречаются кварц, глинистые минералы и гидроокислы Fe.
По данным автора, среди микрокомпонентов уртитов широко распространены Pb, Cu, Ni, Zn, Ti, Mn, Mo, Ba, Be, Sr, Zr, U, F с коэффициентом вариации (V) менее 50 %; Cr, Li и Sn имеют неоднородное распределение. В известняках весьма однородно распределены (V<50%) Pb, Co, Mn, Mo, Ba, Be, Sr, U, F, Ga, B; однородно - Cu, Ni и Ti, (V=50-100 %).
Сопоставление концентраций микрокомпонентов в сырье АГК с фоновыми почвами показало, что содержания Ba, Sr, Mn, Cu, U, Th и Se в почвах ниже. В уртитах, кроме названных, выше содержания F и P. В сравнении с кларковыми содержаниями в земной коре по А.П. Виноградову в уртитах выше концентрации Se, U, P, Yb, Sr, Mo, Li и B.
Производство глинозема является высокотемпературным процессом (t=1100-13000С). Реакция спекания шихты идет по схеме (Сычев, 1974):
(Na,K)2OAl2O32SiO2 + 4CaCO3 = (Na,K)2OAl2O3 + 2(2CaOSiO2) + 4CO2
нефелин известняк спек
При этом вместе с CO2 происходят газо-аэрозольные выбросы химических элементов, находящихся в сырье.
Гидроксид алюминия подвергается прокаливанию при t=12500С, при котором в Al2O3 концентрируются Ga, Sr, Mn, P, Cr, Ni, V, Cu. Полностью теряется при прокаливании Nb, частично – Be, Zn, Mo, B, Sn, Se, Zr.
Под содопродуктами понимается продукция, производимая из щелочного раствора выпариванием (сода, поташ, KCl, K2SO4). В содопродуктах широко распространены Cu, V, Ti, Mn, Ga, Mo, Zr. Сравнение состава калийных солей с фоновыми почвами показало, что их внесение в качестве удобрений приводит к росту в почвах содержаний Mo, F и Cr.
В белитовом шламе весьма однородно распределены Pb, Cu, Zn, Co, V, Ni, Ti, Mn, Ga, Mo, Ba, Be, Sr, U, Ag, однородно - Cr, Zr, Th, F. Относительно сырья в шламе активно концентрируются F, Th, Co, Ba (Кс=2,5-6); слабее - Ni, B, Zn, Pb, U, Mn, Sr, Be, Cr, V (Кс=1,3–2). Расчет коэффициентов концентрации в шламе относительно фоновых почв позволил выстроить ряд: Sr8,3>F5,4>Ga4,4>Ba2,7>Mn2>P1,9>Mo1,7>Co1,6>(Ag, Cu, Be, V)1,2. Перечисленные элементы могут загрязнять почвенный покров.
В цементе, производимом из шлама, сильно концентрируются Cr, S, V, Th, Pb, Al, Ga, Ti, Ni, Yb, Li, Ag и U. Снижают концентрации Si, Mg, Co, Mn, Sr, B, P, K и Na. Характерны существенные потери С, Y и Zn.
В силикатном кирпиче относительно шлама сильным накоплением характеризуются Sn, Yb, Li и Ag, менее интенсивным - Al, Be и Ti. Наибольшие потери характерны для Y, C, Co и S.
В составе фтористого алюминия обнаружены Pb, Cu, Zn, V, Ni, Mn, Ga, Be, Zr, B, P, Li, F, Ti, Mo, которые распределены однородно; Co, Cr, Sr, Ba и Sn распределены неоднородно. В процессе получения данного продукта происходят потери Zn, Zr, Sn, Y, Li и Se.
Глава 4. Характеристика техногенных геохимических аномалий в компонентах окружающей среды
В главе дается развернутое обоснование защищаемых положений.
Загрязнение снегового покрова. Основная доля техногенного вещества, поступающего в окружающую среду, связана с пылевой нагрузкой. По данным А.Е. Мирошникова (1997), фоновая пылевая нагрузка в Центральной Сибири составляет 35,6 кг/(км2·сут). Большая часть селитебной территории г. Ачинска подвергается нагрузке 290 – 1220 кг/(км2·сут) при среднем 500-700 (рис. 3). В черте города отчетливо выделяются два участка с большой пылевой нагрузкой: 1) Ачинский кирпичный завод (АКЗ), 2) предприятия стройиндустрии (5729 и 5000 кг/(км2·сут)). Зона максимальных значений пылевой нагрузки, связанная с АКЗ, расположена на расстоянии 500-700 м от источника выбросов, площадь составляет 1,2 км2. Зона максимальных значений пылевой нагрузки предприятий стройиндустрии непосредственно примыкает к нему, площадь составляет 2,5 км2. Обе зоны находятся к С-В от источников выбросов, т.е. с подветренной стороны.
На территории АГК пылевая нагрузка достигает максимальных значений - 11145 кг/(км2·сут), в среднем составляя 2000-5000 кг/(км2·сут). Характер ореолов выпадений АГК отличается не только большей площадью, но и выдержанностью концентраций по площади. Так, если на периферийных частях зон воздействия АКЗ и стройиндустрии величина пылевой нагрузки в 15 раз меньше, чем в зонах ее максимальных значений, и эти периферийные части зон четко фиксируются, то периферийная часть зоны воздействия выбросов АГК не выделяется. Общая зона воздействия источников выбросов, аналогичных АГК, по данным Ю.Е.Саета (1990), достигает первых сотен квадратных километров.
Результаты дешифрирования спутниковых телевизионных изображений легли в основу построения модели аэротехногенного пылевого загрязнения г. Ачинска (Максимова и др., 2000). Выделено 3 зоны с различными уровнями загрязнения: I зона (чрезвычайно опасный - > 800 кг/(км2·сут)) имеет площадь 123 км2, II зона (высокий опасный - 450-800 кг/(км2·сут)) – 816 км2, III зона (средний умеренный опасный -250-450 кг/(км2·сут)) – 601 км2. Очаг пылевого ореола охватывает всю территорию города, вытянут на С-В по преобладающему ветру. Следовательно, снеговое опробование в пределах исследуемой территории зафиксировало зону максимального воздействия выбросов АГК.
Анализ твердого осадка снега показал наличие в нем широкого спектра химических элементов. Максимально-аномальных концентраций достигают следующие элементы: Zn (Кк =100), Cr (75), Be, B (50), F, Ba, Y, Sn, Ag, P (20-30), Ni, Sr, La, Cu (10-20). Концентрации большинства элементов в твердом осадке снега превышают фоновые: B, Y, Be, F (5,5-8); Ba, Sr, Cr, Ti, Li, Zn, Cu, Ni, P, Mn, La, Sc (2-5).
По результатам картографирования геохимических аномалий химические элементы подразделены на группы: весьма распространенные, площадь аномалий которых от площади города составляет 75-100 % (Pb, Ni, B,Be); широко распространенные, 50-75 % (Mn, Cr, Sr, Ba, F); умеренно распространенные, 30-50 % (Zn, Co, Cu, Ti, Y, Li); слабо распространенные, < 30 % (Cd, V).
Нагрузки большинства элементов в целом по городу превышают таковые в загородной территории. Для макрокомпонентов характерен условно-аномальная нагрузка, собственно-аномальная нагрузка наблюдается для большинства микрокомпонентов (Zn, Be, Cd, Cu, P, B, Co,Ti).
Наиболее загрязненными участками по Zc являются центральная и северная части города, АКЗ, п. Солнечный, Мазуль. Здесь выявлен средний уровень загрязнения, в остальной части города - низкий уровень.
Снеговые воды. Формирование химического состава атмосферных осадков происходит под влиянием естественных и техногенных факторов. Основное загрязнение воздушной среды г. Ачинска создается за счет выбросов следующих веществ (в ПДКс.с): бенз(а)пирена (5,4), пыли (1,8), NO2 (1,15), NO (0,53), HF (0,2), CO (0,23) и SO2 (0,06) (Гос. доклад…, 2003).
Большой вклад в загрязнение воздушной среды вносит АГК, что связано с термической обработкой минерального сырья, при котором происходит выброс в атмосферу анионогенных элементов S, Cl, C, F, P. Потери при прокаливании уртитов составляют 3,7 % (1,2-18,8), известняков – 39,9 (38,6-41,3). При взаимодействии этих элементов с атмосферной влагой происходят реакции их растворения и дополнительного окисления. С другой стороны, производство глинозема создает высокощелочные условия в ландшафте города, что связано с обработкой щелочных пород.
Максимальные значения рН приурочены к промплощадке АГК и шламовому хозяйству (рис. 4), где в отдельных пробах рН=11,5 (сильнощелочные воды), за пределами города рН=6,8.
Анализ пространственного распределения микрокомпонентов снеговых вод позволил выделить группу элементов (Cr, Mo, V, F, Be, Zn, Li, Y, Al и Сu), максимальные концентрации которых приурочены к промплощадке АГК и совпадают с максимальными значениями рН. Концентрации F, Ba, Be, Al, Cr и SiO2 превышают ПДК для вод хозяйственно-питьевого снабжения.
Для величины рН снеговой воды и микрокомпонентов были рассчитаны средние содержания в зависимости от азимута и удаленности от АГК, за нулевую точку принята его ЮЗ окраина. По мере удаления от АГК
уменьшается среднее по азимутальным секторам значение рН, концентрации Cr, V, Mo, F, Be, Cu, K, Na, Li и их коэффициенты вариации, что указывает на снижение дисперсии. При этом максимальные концентрации по азимутам Cr, V, Mo совпадают с преобладающим направлением ветра.
От величины рН природных вод зависят миграционные способности большинства микроэлементов. По данным А.И. Перельмана (1989), в сильнощелочных водах с рН>8 легко мигрирует Al. Большая группа элементов, соединения которых трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых водах обладает высокой миграционной способностью, т.к. в этих условиях возникают карбонатные растворимые комплексы (Cu, Zn, Be, Y, Li, Na, F и др.), анионогенные элементы Cr, Mo и V также лучше мигрируют в щелочных водах.
В твердом осадке снегового покрова для данной группы элементов, наоборот, отмечено возрастание концентраций по мере удаления от АГК. Следовательно, на растворение этих элементов концентрация в твердофазных выпадениях не влияет. Анализ соотношения раствор/твердый осадок показал, что его максимальные значения приурочены к площади АГК и составляют в %: Mo–33,9; V–3,8; Cu–2,3; Zn–2,1; Cr–1,8; Y–0,8; Be–0,7. По мере удаления от АГК значения соотношения понижаются, что вызвано уменьшением концентрации элементов в снеговой воде.
Для другой группы элементов, в которую входят Mn, Pb, Ba, Ni, Co, Ti, также характерно уменьшение концентраций в снеговых водах и повышение в твердом осадке по мере удаления от АГК. Соотношение раствор/твердый осадок также понижается, однако для АГК оно не превышает 1 %. Эти элементы образуют более растворимые соединения в кислых средах и менее растворимые – щелочных (Перельман, 1989).
Загрязнение почв. Расчет суммарного показателя Zc почв показал, что в большей части территории города наблюдается средний уровень загрязнения почв. Выделяются локальные участки с высоким уровнем (АГК, АКЗ, ЖБИ, центральная часть города, п. Солнечный).
Для большинства химических элементов характерно значительное превышение фоновых содержаний, исключение составляют Y, Sn, Ga и Yb. Наиболее загрязнены почвы промплощадки АГК, где отмечены максимальные концентрации Ba, Pb, Sr, F, Li и Ca.
К элементам первого класса опасности, обнаруженным в почвах г. Ачинска, относятся Hg, F, Pb, Cd и Zn, причем содержания Pb превышают ПДК в 1-6 раз, а концентрации Hg находятся на пределе допустимого. На территории города выделяются небольшие по площади ореолы V (1,5 ПДК) и Mn (2 ПДК). К элементам, превышающим ОДК, относятся Zn (36 ОДК), Cd (3), Sr (3,5), Cu (15) и Ni (2,5). По сумме КПДК для элементов первого класса опасности на территории предприятий стройиндустрии, АКЗ и селитебной части города отмечается очень высокий уровень загрязнения (КПДК>3). Для южной и северной частей города характерно загрязнение почв Zn, что отмечается и на АКЗ. На АГК высокий уровень загрязнения обнаружен по Cd и Pb, низкий по Sr.
Особый интерес представляет динамика загрязнения почв на площадке АГК и шламохранилища. Сравнительная характеристика концентраций химических элементов в почвах промплощадки АГК (1991-2005 г.г.) показала незначительный рост концентраций всех химических элементов (Кс=1,1-1,3). В то же время на прилегающей к шламохранилищу площади за период 1995-2005 г.г. произошел значительный рост концентраций элементов: Sr, Ba (Кс=2-3,4), B, La, Mn, P, Cr (1,5-2), Ni, Cu, Co,Mo,Sc,Nb,Be,Pb,Zn,V,Li (до 1,5).
Загрязнение поверхностных и подземных вод. В пределах города грунтовые воды четвертичных отложений по составу SO4-HCO3-Mg-Ca и Cl-SO4-HCO3-Mg-Ca c минерализацией 1,2 – 1,4 г/л, что выше ПДК. Из макрокомпонентов ПДК превышают содержания Fe и составляют 0,5-0,8 г/л. По коэффициенту концентрации относительно фоновых (западная часть КАТЭКа) образуется ряд: Mn42,1Sr23,2Cr18,6Zn10,6Ti8,1B7,4V5,6Cu5,4Ba5Mo1,6. ПДК превышают Mn,Ti, Ba, Cd и B.
Сравнение состава грунтовых вод в п. Мазуль и в черте города показало, что в водозаборах п. Мазуль, расположенного в непосредственной близости от АГК, содержания всех микро- и макрокомпонентов значительно выше, что объясняется фильтрацией шламовых вод.
Грунтовые воды меловых отложений по составу HCO3-Ca и HCO3-Na, М=0,2-1,2 г/л. Микроэлементный состав почти не отличается от вод Q отложений, концентрации Sr и Ba значительно выше, причем Ba превышает ПДК (до 5,6 ПДК). Уровень загрязнения грунтовых вод по санитарно-токсикологическим показателям - 8,8 ПДК, по органолептическим –29,6 ПДК.
Подземные воды юрских отложений по химическому составу HCO3-Mg-Ca, Na-Ca, М = 0,3-0,7 г/л. По Кс относительно фона выстраивается ряд: Sr54,2Ga9V7,2Ba6,4Ti6Cr5Mo4,8Mn4,5(Ni,Zn)3Cu1,5. Концентрации Ba, Ti и Mn превышают ПДК не только по максимальным (519, 326, 538 мкг/л), но и средним значениям. Уровень загрязнения по санитарно-токсикологическому показателю составляет 1,9-7,5 ПДК, по органолептическому - 42 ПДК.
Наиболее опасны в экологическом отношении поверхностные воды отстойников промышленных отходов АГК и завода фтористого алюминия (ЗФА). Минерализация (М) шламовых вод достигает 33,6 г/л, воды сильнощелочные, рН=12,5. Содержание HCO3- достигает 12,2 г/л. В водной среде отстойника и шламохранилища отмечаются высокие содержания макрокомпонентов: SO42- - до 6,7 ПДК; SiO2 - до 20 ПДК; Fe - до 124 ПДК; относительно высоки содержания ионов Na, K и Ca. Из микрокомпонентов превышают ПДК: Ba (2-15 ПДК), F (24,6-66), Cr (6-10,8), Mo (5-13), Be (1-2).
Средняя М вод гипсового отстойника 12 г/л. В макроэлементном составе преобладают SO42- и Ca+. Водная среда имеет весьма кислую реакцию (рН=2,7-4,9). ПДК превышают Pb, Cr, Ni, Ti, Mn, Mo, Ba, Be, Li и F.
Транспортировка шлама в хранилище осуществляется гидравлическим способом с расходом пульпы 4200 м3/сут. Пористость шлама составляет 44,9 %, что говорит о высокой проницаемости шламовой толщи. Коэффициенты фильтрации составляют от 7 (в сцементированном) до 56 м/сут (в «свежем»).
Фильтрация шламовых вод через ложе и дамбы составляет 2308 м3/сут. Создание дополнительной области фильтрации нарушает структуру естественного потока подземных вод. В результате этого образуется область гидродинамического влияния шламохранилища, где техногенный поток
доминирует над естественным подземным потоком (рис. 5).
Суммарное взаимодействие природного и техногенного потоков выражено в возрастании M и изменении состава вод от HCO3-Ca-Na к CO3-Na. По содержаниям макро- и микрокомпонентов в подземных водах выделено две зоны. Первая зона шириной 300-500 м непосредственно примыкает к шламохранилищу и подвержена наибольшему техногенному воздействию. Минерализация грунтовых вод здесь достигает 19 г/л (скв. 16, 19). Из макрокомпонентов повышенные концентрации имеют: CO32+ (10,3 г/л), K+ (2,2 г/л), Na+ (5,5 г/л), Feобщ (50 мг/л), NH4+ (15 мг/л), NO32- (15 мг/л), SO42- (1109 мг/л в скв. 3 и 19). Из микрокомпонентов (КПДК): Al (320), Ba (11), V (36), Mo (2,9), Ni (1,8), Pb (18,3), F (265), Cr (22), Ti (27), Mn (52).
Вне зоны интенсивного воздействия (3-3,5 км) подземные воды преимущественно HCO3-Na-Ca с минерализацией до 0,5 г/л. В Ю-З части пойменной террасы преобладают SO4-HCO3-Ca, Mg-Ca или Na воды с концентрациями SO42- до 165 мл/л, Fe - до 1,05 мг/л (скв. 1, 2, 4). Из микрокомпонентов в повышенных концентрациях находятся (КПДК): Al (59), Ba (4), F (1,1), Ti (0,9).
Уровень загрязнения по органолептическому показателю в зоне интенсивного техногенного воздействия составляет 10-197 ПДК, в зоне техногенного воздействия – 8-80 ПДК. Наибольший вклад в загрязнении принадлежит Mn, нефтепродуктам, фенолам, а вблизи шламоотвала - Na и SO4. По санитарно-токсикологическому показателю уровень загрязнения для первой зоны составляет 128-536 ПДК, во второй зоне - снижается до 4-6 ПДК.
Для анализа степени влияния шламохранилища на загрязнение подземных вод рассчитаны коэффициенты концентрации по отношению к природному фону (Шварцев, 1982) и к содержанию в шламовых водах. В результате разработана классификация компонентов химического состава по условиям загрязнения подземных вод: I. M, SO42-, Cl-, K+, Na+, B, Ti, Cr, Ni, Ga, Mo – поступают в подземные воды за счет прямого фильтрационного воздействия шламохранилища. II. Be, V, F, Zr, P, Pb, Sr, Co, Li, Mn, Ba, Cu, NO32-, NH4+ и Fe не связаны непосредственно с фильтрационным привносом, т.к. их содержание в подземных водах зоны выше. Внедрение шламовых вод создает физико-химические условия, благоприятные для высокой подвижности этих элементов. Генезис компонентов этого класса различен: активизация выщелачивания из пород (V, Zr, Co, Li, Mn, Ba, Cu, Pb, Sr, Fe); золошлаковые воды ТЭЦ (Mn, Ba, Sr); гипсовый отстойник (F, Be, Li, P). III. Ca, SiO2 и Ag имеют высокие содержания в шламовых водах, но их миграция в подземные воды затруднена. К IV классу относится Mg, его миграционные возможности резко сдерживаются щелочной средой.
Из природных водных объектов наиболее загрязнены воды р. Ачинки, что обусловлено высоким содержанием токсичных элементов и малой водностью реки. Остальные водотоки загрязнены примерно на одинаковом уровне. В речных водах отмечается превышение над ПДК следующих элементов: Ba (2,7 ПДК) – за исключением Чулыма и Тептятки, Ti (8,5 ПДК), Cd в р. Салырке (до 1,2 ПДК). По санитарно-токсикологическому показателю наиболее загрязнены воды р. Ачинки (5,9 ПДК), по органолептическим – р. Чулым (16,5 ПДК), что связано с повышенным содержанием фенолов, вероятно, за счет неочищенных стоков города.
Интерпретация результатов факторного анализа. Для проведения факторного анализа использованы данные силикатного анализа и РФА уртитов. Выделенные факторы и их интерпретация показаны в таблице 1.
Таблица 1. Интерпретация факторного анализа уртитов
| Фактор | Интерпретация |
 | Фактор объединяет макрокомпоненты уртитов. Положительная часть фактора (числитель) объединяет петрогенные компоненты, характеризующие состав нефелина. Отрицательная часть фактора (знаменатель) объединяет СaO, Fe2O3 и MgO, являющиеся макрокомпонентами титанавгита, который составляет в уртитах 10 – 15 % |
 | Среднее содержание SiO2 в уртитах составляет 39,8 %. Повышенные содержания SiO2 и Fe2O3 отмечены в основных вулканитах, скарнах и роговиках. ППП положительно коррелируют только с СаО. Их максимальные значения приурочены к краевым частям уртитового тела, что позволяет связать эти максимумы с гидротермальными процессами |
| (Cu) 0,8(Ni) 0,55(SO3)0,26(Fe2O3)0,19 | Данный фактор является сульфидным. Насыщенность пород сульфидами (5–10 %) объясняется тем, что в процессе отработки уртивого тела вскрыты глубокие (до 150–200 м) горизонты массива, где сульфиды не затронуты процессами выветривания. Наиболее распространенными являются пирротин, пирит, халькопирит, пентландит |
| (Ga)0,77(Rb)0,74 | Ga и Rb являются элементами-примесями в нефелине |
| (Cr)0,63(Ni)0,42(K)0,24(Mg)0,23 | Ассоциация Cr–Ni–Mg является типичной для ультраосновных щелочных пород. Cr и Ni входят в состав титанавгита в виде изоморфной примеси. Калий указывает на присутствие в приконтактовой зоне уртитового тела слюд - флогопита, биотита и др, в которых могут также находиться Cr и Ni |
 | Щелочные породы обладают повышенной стронциеносностью (до 1625 г/т) и содержат в повышенных содержаниях Zn и Pb Положительная корреляция с макрокомпонентами уртитов указывает на вхождение Sr в состав нефелина |
| (Zn)0,55(Co)0,45(As)0,44(Ni)0,25(Pb)0,15 | Фактор можно назвать мышьяковым. К наиболее распространенным арсенидам относятся никелин (NiAs2), саффлорит (CoAs2) и др. Положительная корреляция с сульфидным фактором указывает на присутствие сульфоарсенидов – кобальтина (CoAsS), герсдорфита (NiAsS), арсенопирита (FeAsS) и др. |
 | Mn-Fe фактор характерен для приконтактовой зоны уртитового тела, преобразованного метасоматическими процессами, где эти элементы, скорее всего, находятся в оксидной форме и могут входить в состав ильменита ((Fe, Mg, Mn)TiO3) или магнетита (FeFe2O4) - основного минерала скарнов |
Анализ матрицы межфакторных корреляций позволил выделить две геохимические ассоциации: Al2O3-Na2O-K2O-Rb-Ga-Sr-Zn, которая определяет высокосортные нефелиновые руды; CaO-Fe2O3-MgO-SO3-Ni-Co-Cu-Mn. Повышенные содержания элементов второй ассоциации характерны для участков приконтактового скарнирования уртитов, где F, Ca и Mg входят в состав минералов скарнов, сульфиды Fe, Ni, Co - в послескарновые образования.
По аналогичной схеме проводились факторный анализ и интерпретация его результатов по почвам, снеговому покрову, поверхностным и подземным водам. В результате анализа факторных структур и матриц межфакторных корреляций выделены ассоциации элементов в форме факторов (табл. 2).
| Таблица 2. Ассоциации химических элементов по результатам факторного анализа | ||||
| Уртиты | Снег (пыль) | Снег (вода) | Речные и грунтовые воды | Почвы |
| Na2O-Al2O3-K2O | Na-K | K++Na+-M-Cl--HCO3-- SO42- | K++Na+-M | Na-K-Li |
| CaO-Fe2O3-ППП-MgO | ||||
| Sr-Zn-Pb | Sr-Ca-Ba-Al-Mn | Ba-Sr-Pb | Ba-Sr-Pb | Sr-Ca-Ba-Al-Mn-Mg-Cd-Be |
| Cr-Ni-K2O-MgO | Cr-Mo-Fe-Ni | Cr-Mo | Mo-Cr | Cr-Ni-Mo |
| Ga-Rb | Ga-Li-Pb-V-Ni-Cd | Ga-V-Li-F | - | - |
| Zn-As-Co-Ni | Co-Mg-Cu-Fe-V-Ni-Sc-Mn-Ti | - | - | Co-Fe-Cu-V-Ni-Ti-Sc-Mg-Mn |
| Cu-Ni-SO3-Fe2O3 | ||||
Фактор щелочных металлов (Na и K) выявлен во всех исследуемых объектах, т.к. производство глинозема связано с переработкой щелочных пород. Выбросы щелочных металлов могут происходить как при обжиге шихты, так и при получении содопродуктов. Поступающие на производство содопродуктов щелочные растворы содержат соли Na2CO3, K2CO3, Na2SO4, NaHCO3, NaCl. При его выпаривании возможно молекулярное испарение солей c молекулами воды гидратной оболочки.
В факторе щелочных металлов в снеговой воде в ассоциацию с K и Na входят Cl- и HCO3-, которые определяют М воды. На промплощадке АГК в отдельных пробах М>1 г/л (слабосолоноватые воды).
Все вышесказанное позволяет считать АГК основным источником выбросов щелочных металлов в окружающую среду и интерпретировать данную ассоциацию как фактор производства содопродуктов. Пространственно фактор приурочен к промплощадке АГК и вытянут на C-В по направлению преобладающего ветра (рис. 6).
Следующий фактор объединяет группу щелочноземельных металлов: Sr и Ba – в снеговых, поверхностных и грунтовых водах; Sr, Ba и Ca – в твердой фазе снега; Sr, Ba, Ca и Mg – в почвах. Данная ассоциация интерпретируется
как фактор цементного производства. Производство цемента отличается сильным пылевыделением. Диаметр частиц цементной пыли составляет 10 мкм – это грубодисперсная пыль, которая оседает в непосредственной близости от источника. Пространственно фактор в почвах приурочен к АГК, вытягиваясь в С-В направлении до р. Тептятка, снеговой пыли - до р. Салырка.
В уртитах Sr ассоциирует со Pb, что наблюдается в снеговой воде, поверхностных и грунтовых водах. В почвах и снеговой пыли данная связь не прослеживается, а в ассоциацию со щелочноземельными металлами входит Al, что также указывает на источник выброса – АГК.
Ассоциация Cr-Ni-Mo интерпретируется неоднозначно. В черте города выделяются небольшие ореолы, что связано, возможно, с несколькими источниками выбросов: 1) теплоэнергетические установки; 2) автотранспорт; 3) глиноземное производство. Факторный анализ уртитов показал, что Cr и Ni входят в один фактор, что наблюдается в почвах и твердом осадке снега. В снеговой воде, поверхностных и грунтовых водах в ассоциацию с хромом входит молибден, что, как указывалось выше, объясняется идентичностью поведения данных элементов в зависимости от щелочности воды. Приуроченность максимальных значений фактора в снеговой воде к промплощадке АГК, где наблюдаются максимальные значения рН, подтверждает данное предположение.
Как отмечалось выше, Ga и Rb входят в состав уртитов в виде примеси. Присутствие в снеге Ga, геохимически схожего с Al, указывает на глиноземное производство как основной источник выброса этого элемента. Снеговой покров является более чутким индикатором загрязнения, чем почвы, которые не фиксируют Ga. Возможно, это связано с низкой чувствительностью атомно-эмиссионного анализа.
Ассоциация Co-Mg-Cu-Fe-V-Ni-Sc-Mn-Ni, выявленная в снеговой пыли, по составу полностью совпадает с таковой в почвах. Пространственно
фактор охватывает большую часть города, причем в твердом осадке снегового покрова площадь распределения ассоциации больше, чем в почвах. Фактор интерпретируется неоднозначно: 1) ассоциация является парагенезом поглощенного почвенного комплекса глинистых минералов и окисленных сульфидов Fe; 2) ассоциация является типичной для уртитов, содержащих до 5-10 % сульфидов; 3) элементы группы Fe могут попадать в почвы в результате коррозии металлических зданий и сооружений. Данная ассоциация может быть проинтерпретирована как природно-техногенная, которая отражает результат взаимодействия природного вещества почв с выпавшим на него техногенным веществом.
Для наглядной иллюстрации распределения выделенных ассоциаций в почвах города и за его пределами произведен факторный анализ по профилю 1 (дорога Назарово – Б.Улуй). На графиках распределения факторов Na-K и Sr-Ba-Ca (рис.7) видно, оба фактора имеют максимальные значения в черте города, минимальные – за его пределами.
Заключение
В результате исследований установлено:
- Комплексная переработка нефелинового сырья оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Ассоциации элементов, выявленные в уртитах, прослеживаются во всех ее компонентах.
- Основное загрязнение, зафиксированное снеговой съемкой, создается за счет высокой пылевой нагрузки. Максимальные концентрации пыли приурочены к промплощадке АГК (11145 кг/км2·сут). В результате крайне нерационального размещения глиноземного комбината по отношению к г. Ачинску (без учета розы ветров) большая часть пылевых выбросов оседает в пределах города. Уровень концентрации в снеговой пыли B, Be, Y, F, Sr, Ba, Cr, Cu, Li, Zn и Ni многократно превышают фоновые. В почвах превышение над ПДК (ОДК) отмечены для Pb, Mn, V, Cd, Zn, Sr, Cu, Ni.
- Щелочные условия, создаваемые выбросами АГК способствуют переводу в подвижное состояние Cr, V, Mo, F, Be, Zn, Li, Y, Al и Сu.
- Наиболее опасным для населения г. Ачинска является загрязнение поверхностных и подземных вод отходами глиноземного производства. В результате фильтрации шламовых вод грунтовые воды загрязнены сульфатами, щелочными металлами, хлоридами, Al, Ba, V, Mo, Ni, Pb, F, Cr, Ti, Mn, B, Sr и Ga.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Дворецкая Ю.Б. Экологическое состояние окрестностей города Ачинска, обусловленное горнометаллургическим производством. Тез. докл. VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела РГО. Красноярск, 2001. – С. 78
- Дворецкая Ю.Б. Влияние шламохранилища Ачинского глиноземного комбината (АГК) на состояние окружающей среды. Тез. докл. V Международного научного симпозиума им. Академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». Томск, 2001. – С. 605-606
- Дворецкая Ю.Б. Эколого-геохимические особенности загрязнения четвертичных отложений р. Чулым в зоне влияния Ачинского глиноземного комбината. Тез. докл. Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГТУ. Владикавказ,2002.–С.114-115
- Дворецкая Ю.Б. Подземные воды окрестностей города Ачинска и их защищенность от загрязнения // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. Красноярск, 2003. – С. 191-195
- Дворецкая Ю.Б. Влияние природных и техногенных факторов на формирование химического состава подземных вод района города Ачинска. Тез. докл. XVII совещания по подземным водам Сибири и Дальнего востока. Иркутск, 2003. – С. 212-213
- Дворецкая Ю.Б. Выявление корреляционных связей химических элементов по результатам опробования почв города Ачинска. Тез. докл. научно-практической конференции «Объединение субъектов РФ и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири». Красноярск,2005.–С.78-80
- Дворецкая Ю.Б. Анализ химического состава атмосферных осадков по данным снегового опробования в г. Ачинске. Тез. докл. XVIII совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, 2006. – С.25-28
- Дворецкая Ю.Б. Выявление ассоциаций химических элементов в цепи «источник загрязнения - техногенный поток - депонирующая среда» на примере Ачинской городской агломерации // Вестник СибГАУ. – 2006. - Вып. 5(12). – С. 72-77
