Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ, ПОДЗЕМНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШЛАМОНАКОПИТЕЛЕЙ БАЙКАЛЬСКОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО КОМБИНАТА

Тимофеева С.С. Чемерис Н.В. Шенькман Б.М
Изучен качественный состав поверхностных, подземных и сточных вол в зоне воздействия шламонакопителей Байкальского ЦБК. Установлено, что качественное состояние поверхностных вод отличается низкой минерализацией, гидрокарбонатным составом и крайне низким содержанием микроэлементов. Подземные воды вне фоновой области имеют более высокую минерализацию. Химический состав и минерализация воды в прудках для каждой карты индивидуальны, включая и микросостав. Сопоставление трех групп вод свидетельствует о полной (или почти полной) автономности их формирования.
Проблема охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов носит глобальный характер. Люди, животные, растения, а также огромный мир микроорганизмов постоянно подвергаются воздействию загрязнителей антропогенной природы. Это связано с тем, что вследствие технико-экономического развития общества происходит интенсивное поступление в биосферу и накопление в ней биологически активных агентов. При этом формируется новая, ранее не известная среда обитания не только для человека, но и для всех живых организмов .

В зонах экологического бедствия, по данным Ю.П. Гичева, живет 20,0 % населения нашей страны, еще 60,0-70,0 % - в экологически неблагоприятных условиях .

К экологически неблагополучным индустриально развитым регионам относится и Восточная Сибирь, на территории которой размещаются предприятия различных видов промышленности. Даже при штатном режиме работы предприятий отмечаются поступление в окружающую среду техногенных агентов со значительным превышением ПДК. Кроме того, известны и случаи аварий на промышленных предприятиях. В этом случае, в отличие от повседневной ситуации, происходит массированное воздействие выбрасываемых токсических веществ на большие группы людей и природную среду.

Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат расположен на южном берегу оз. Байкал. Построен комбинат в период с 1962 по 1969 год. Основной вид деятельности комбината - выработка сульфатной вискозной целлюлозы.  В настоящее время комбинат производит целлюлозу сульфатную вискозную, сульфатную беленую и небеленую, бумагу из отходов сортирования целлюлозы, скипидар-сырец и талловое масло.

Технологическая схема комбината предусматривает химическую очистку сточных вод, при которой образуется осадок - шлам-лигнин. К моменту ввода в эксплуатацию комбината не существовало технологии переработки шлам-лигнина. В связи с этим было принято решение о складировании шлам-лигнина в жидком виде в осадконакопителях (картах) сроком на 10 лет до разработки рекомендаций и проектных решений по его утилизации. Карты-накопители БЦБК были построены для складирования шлам-лигнина на площадке, расположенной между пос. Солзан и р. Бол. Осиновка к югу от автотрассы Иркутск-Улан-Удэ.

В 1973 г. был построен завод по обезвоживанию и сжиганию шлам-лигнина. Однако технология по обезвоживанию шлам-лигнина оказалась несовершенной, и завод пришлось реконструировать. В результате вновь образованный в технологическом процессе БЦБК шлам-лигнин сгущают до концентрации 20-30%. Полученный концентрат высушивают. Сухой остаток мог бы применяться в промышленности в качестве компонента буровых растворов, но в связи с отсутствием спроса на данное сырье в настоящее время сухой шлам-лигнин сжигают в печах, специально предназначенных для этих целей.

Шлам-лигнин из существующих карт накопителей пытались утилизировать тем же способом, что и вновь образованный шлам-лигнин. Однако в шлам-лигнине из карт-накопителей содержатся газообразные продукты анаэробного распада (хотя и в небольших количествах, согласно проведенным исследованиям в 1999 г. и 2005 г.). Вследствие этого )сжигание шлам-лигнина из карт-накопителей невозможно, т.к. происходит загрязнение воздуха рабочей зоны, поэтому данный способ утилизации складированного в картах-накопителях шлам-лигнина оказался непригодным. Воздействие на окружающую среду значительное.

Целью настоящей работы явилось оценка качества поверхностных, подземных и сточных вод в районе шламонакопителей.

Поверхностные воды

Ранее проведенные исследования показали, что поверхностные воды, представленные р. Бол. Осиновкой, ручьями Банным и Нагорным не имеют непосредственной гидравлической связи с картами и подземными водами. Эти водотоки по отношению к грунтовому потоку являются "подвешенными" в зоне аэрации. Поэтому существует лишь односторонняя связь, при которой реки и ручьи подпитывают грунтовый поток. И только в узкой прибрежной полосе оз. Байкал речные и подземные воды становятся гидравлически взаимосвязанными. С другой стороны, сточные воды в картах автономны по отношению, как к поверхностным, так и грунтовым водам. Для подтверждения этого важного вывода в 2005 г. проведено гидрохимическое опробование вод.

Для оценки качественного состояния поверхностных вод было отобрано 6 проб: две пробы из р. Бол. Осиновка и руч. Банного взяты выше карты 7, две - ниже карты 1.

Таблица 1. Минерализация и химический состав поверхностных вод (опробование в июле 2005 г.)

Место отбора пробы

Компоненты состава, мг/л

М, г/л

pH

Eh

NH4

P

Na

K

Ca

Mg

HCO3

SO4

Cl

F

NO3

NO2

H4SiO4

ПО

Р. Б. Осиновка 

у карты 7

7.25

+417

<0.1

0.002

0.87

0.77

17.2

1.7

52.5

6.0

3.55

<0.1

0.44

<0.01

4

1.12

0.087

Р. Б. Осиновка

у карты 1

7.24

+414

<0.1

0.001

0.87

0.74

14.0

2.92

29.3

8.0

12.4

<0.1

0.44

<0.01

10

3.68

0.079

Руч. Банный

у карты 7

6.86

+422

<0.1

0.002

1.04

0.81

11.6

0.73

26.8

8.0

3.9

<0.1

0.44

<0.01

15

1.9

0.068

Руч. Банный

У карты 4

6.91

+428

<0.1

0.002

1.04

0.98

10.6

1.82

26.8

8.0

5.67

<0.1

0.89

<0.01

18

2.08

0.074

Руч. Банный

у карты 1

6.76

+434

<0.1

0.002

0.95

0.97

9.22

1.70

28.1

4.0

3.90

<0.1

1.77

0.15

15

2.0

0.066

Руч. Нагорный

6.92

+422

<0.1

0.002

1.11

0.85

9.22

0.73

24.4

4.0

3.19

<0.1

1.77

<0.01

18.0

1.92

0.063

Как видно из табл. 1, поверхностные воды являются ультрапресными (М<0.1 г/л). Водотоки, проходя зону возможного влияния карт шлам-лигнина, не увеличивают свою минерализацию: небольшие отклонения обоего знака не выходят за пределы допустимых ошибок анализа. По химическому составу это типично гидрокарбонатные кальциевые растворы с весьма низким содержанием ионов хлора и сульфата. В воде отмечается крайне малое содержание фтора и всех форм минерального азота. Для воды характерна близко нейтральная среда (рН = 6.8-7.2) и резко окислительная обстановка (Eh=+414 - +434 мВ). Присутствие фосфора в воде ничтожно и не превышает 2 мкг/л. Перманганатная окисляемость также незначительна и едва достигает 2мгО2/л и только на выходе из площадки накопителей (в створе карты 1) она возрастает до 3.68 мгО2/л. Таким образом, карты шлам-лигнина не оказывают никакого влияния на минерализацию воды и ее общий химический состав.

Набор элементов, которые подвергались анализу, обоснован их присутствием в картах, заполненных лигнином, золой и твердыми отходами. В этом смысле ассоциация микроэлементов в поверхностных водах может рассматриваться в качестве естественного фона, в крайнем случае - слабо нарушенного. Как следует из табл. 2, все проанализированные 12 элементов присутствуют в воде - 100% встречаемости. Вместе с тем, уровень концентрации для всех без исключения микрокомпонентов очень низкий и не превышает ПДКв.р. Особенно это касается лития, бора, алюминия, ванадия, стронция, железа и марганца, концентрация которых особенно велика в картах совместного складирования золы и лигнина.


Таблица 2. Микрокомпонентный состав поверхностных вод (опробование в июле 2005 г.), (мкг/л)

Место отбора пробы

Li

B

Al

V

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Sr

Cd

Р. Б. Осиновка у карты 7

0.6

2.0

13

0.4

0.4

3.8

0.07

0.4

0.8

1.9

51

0.02

Р. Б. Осиновка у карты 1

0.5

1.3

6.9

0.5

0.3

2.0

0.02

0.2

0.6

1.7

50

0.01

Руч. Банный у карты 7

0.3

2.5

11

1.0

2.0

3.6

0.02

0.2

0.6

0.9

22

0.01

Руч. Банный у карты 4

0.3

3.1

19

0.7

1.5

14

0.05

0.4

0.8

1.6

22

0.02

Руч. Банный у карты 1

0.3

2.5

15

0.7

1.3

11

0.03

0.4

1.5

7.6

21

0.01

Руч. Нагорный

0.2

3.5

12

0.5

3.6

14

0.03

0.2

0.7

3.0

20

0.01

Подземные воды

Грунтовый поток валунно-гравийно-галечниковых отложений в районе размещения карт шлам-лигнина более или менее подробно был изучен в 1999 г. В ноябре 2005 г. выполнена чистка скв. 1010 и пробурена новая скважина - 1012. .

Пять проб воды вполне определенно и полно характеризуют качественное состояние грунтового потока. Место расположения скважины - бывший карьер песчано-гравийной смеси, впоследствии заполненный отходами лесопиления. Поэтому для подземных вод характерна высокая минерализация (1.5 г/л), сугубо гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав с повышенным содержанием ионов калия и аммония. В водоносном горизонте происходит интенсивное окисление органического вещества, о чем свидетельствует высокая концентрация диоксида углерода (табл. 3). Вода характеризуется кислой реакцией и высокой положительной величиной окислительно-восстановительного потенциала.


Таблица 3. Минерализация и химический состав подземных вод (опробование 24-25.11.2005 г.)

Место отбора пробы

Компоненты состава, мг/л

М, г/л

pH

Eh

NH4

P

Na

K

Ca

Mg

HCO3

SO4

Cl

F

NO3

NO2

H4SiO4

ПO

O2

CO2

Скв. 1010

6.22

+402

22.6

0.001

142

11.5

164

38.9

994

40.3

51.4

0.1

7.6

<0.01

30

1.68

5.81

396

1.503

Скв. 1011

6.70

+414

0.56

0.011

12.4

1.60

62.5

4.9

217

21.0

7.4

0.1

7.15

<0.01

20

3.28

9.27

26

0.333

Скв. 1012

6.95

+444

0.44

0.023

12.0

1.47

42.7

14.2

216

9.1

4.6

0.05

7.5

<0.01

22

0.72

10.74

18

0.330

Скв. 1013

7.24

+398

<0.1

0.003

53.8

3.10

65.1

11.6

205

87.2

38.3

0.15

21.3

0.03

16

2.8

10.45

31

0.492

Родник 1

6.73

+421

<0.1

0.012

2.63

1.21

37.3

6.81

129

8.0

3.5

0.15

21.3

0.03

18

1.6

-

-

0.228

Подземные воды, залегающие непосредственно под картами шлам-лигнина (скв. 1011 и 1012), имеют низкую минерализацию (0.33-0.36 г/л) и гидрокарбонатный кальциевый либо магниево-кальциевый состав. Долевое содержание натрия уменьшилось до 13 %-экв против 35 %-экв в воде из скв. 1010. В пробах обнаружен солевой аммоний в количестве 0.5-0.6 мг/л. Нитритный азот практически отсутствует, а концентрация нитратного азота не превышает 7.5 мг/л. Вода обладает высокой степенью насыщения кислородом и соответствующей ему величиной Eh (+414 - +444 мВ). Содержание углекислоты довольно низкое, что указывает на дефицит легкоокисляемых органических веществ. По общему гидрогеохимическому облику эти подземные воды почти не отличаются от вод, развитых на территории со слабо нарушенным естественным
фоном.

Совершенно очевидно, что к умеренной трансформации качественного состояния подземных вод карты шлам-лигнина не имеют никакого отношения. Некоторое влияние, возможно, оказывает хозяйственно-жилая застройка, но, если судить по скв.80-Н, это воздействие ничтожно (табл. 4).

Микрокомпонентный состав подземных вод существенно отличен от поверхностных. И это отличие связано не с ансамблем элементов, а с их концентрацией. По большинству микрокомпонентов произошел рост содержания, и довольно значительный (табл. 5).

Особенно возросли концентрации большинства элементов в фоновой области (скв. 1010). Обращает на себя внимание содержание марганца, железа, стронция и бора, концентрация которых в поверхностных водах исчезающе мала (см. табл. 2). В центре рассматриваемого объекта, контролируемого скв. 1011, уровень концентраций 12 элементов довольно умеренный и немногим отличается от поверхностных вод. В наибольших количествах обнаружены марганец, железо и стронций, незначительно превышающих ПДК (марганец и железо). Таково возможное влияние на грунтовый поток карт, заполненных лигнином и лигнином с золой. На выходе грунтового потока с площадки размещения карт отмечается некоторое структурное изменение в микросоставе. В воде из скв. 1012 найдено большое количество алюминия (274 мкг/л) и кадмия (1.91 мкг/л). Создается впечатление, что карта 1 менее "герметична", чем остальные шламонакопители. Возможно, что экранирующий слой локально нарушен. Предполагаемое нарушение связано с характером материала, сбрасываемого в карту, и методом его складирования.


Таблица 4. Минерализация и химический состав подземных вод по материалам БЦБК за 2002-2004 гг. (средние значения, мг/л)

Место отбора

pH

HCO3

SO4

Cl

NO2

NO3

NH4

ПО

Сумма ионов, г/л

Скв.1011

7.14

201

14.8

8.5

0.0

1.9

0.23

1.05

0.224

Скв.1013

7.51

167

51

27.7

0.01

0.67

0.0

3.33

0.246

Скв.80-Н

7.42

171

16.6

7.0

0.08

3.16

0.62

1.26

0.193

Таблица 5. Микрокомпонентный состав подземных вод. Метод ICP (опробование 24-25.11.2005 г.), (мкг/л)

Место отбора пробы

Li

B

Al

V

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Sr

Cd

Скв. 1010

0.0

492

4.66

0.17

14256

2514

1.06

3.30

1.26

18.8

551

0.21

Скв. 1011

0.01

7.95

22.4

0.14

129

125

0.65

3.48

6.80

16.1

164

0.28

Скв. 1012

0.03

10.4

274

1.09

102

385

1.64

2.99

11.4

32.4

148

1.91

Скв. 1013

0.01

63.5

40.3

0.21

99.6

67.7

0.38

2.38

4.43

21.3

206

0.41

Родник 1

0.59

0.0

26.3

0.6

3.99

7.92

0.06

0.43

0.86

3.85

102

0.03

Сточные воды

В конкретном случае под сточными водами понимается жидкая фаза водно-зольной смеси ГЗУ и вода прудков в картах, где складирование золы не производится. В последнем случае сточные воды в той или иной степени разбавлены метеорной влагой, однако специфические особенности состава и уровень минерализации до сих пор испытывают сильное влияние техногенных грунтов. Сточные воды изучены по картам 1, 4, 5, 6.

Минерализация воды в картах изменяется весьма сильно (от 0.06 до 1.0 г/л). Наибольшая соленость имеет место в карте 5, в которую производится намыв золы (табл. 6). Эта величина почти полностью соответствует минерализации жидкой фазы пульпы ГЗУ.

Таблица 6. Минерализация и химический состав воды в картах шлам-лигнина (опробование в июле 2005 г.)

Место отбора пробы

Компоненты состава, мг/л

М, г/л

pH

Eh

NH4

P

Na

K

Ca

Mg

HCO3

SO4

Cl

F

NO3

NO2

H4SiO4

ПO

Карта 1

7.35

+273

3.0

0.088

168

17.3

18.0

5.11

322

116

50.0

0.30

0.89

0.05

4

8.0

0.704

Карта 4

6.60

+427

<0.1

0.025

8.51

1.94

35.3

6.08

155

4.0

2.65

<0.1

0.44

<0.01

4

10.2

0.218

Карта 5

7.93

+283

1.0

0.035

200

15.2

62.9

10.5

337

301

47.5

1.04

0.44

<0.01

10

14.7

0.987

Карта 6

4.86

+504

<0.1

0.007

7.71

0.7

7.62

0.97

3.7

18.0

13.1

<0.1

1.77

<0.01

2

6.56

0.056

Минерализация воды в карте 1 также относительно велика - 0.7 г/л. Резкое снижение минерализации (до 0.22 г/л) наблюдается в карте 4, где укладка золы была прекращена в 2000 г. Наконец, в карте 6, которая заполнена только шлам-лигнином (контрольная карта) и находится как бы в первозданном состоянии, минерализация воды всего 0.06 г/л. Очевидно, что складирование в карты шлам-лигнина конкретных видов отходов приводит к существенному повышению минерализации воды в прудках. Одновременно следует подчеркнуть, что по прошествии некоторого времени после прекращения укладки отходов, по крайней мере - золы, гидрохимическая обстановка постепенно стремится вернуться в исходное состояние. Доказательством служит карта 4, в которой минерализация воды за время пятилетнего отстоя снизилась с 0.99 до 0.22 г/л.

 В карте 6 химический состав воды хлоридно-сульфатный при близком содержании обоих анионов. В катионной группе состава доминируют натрий и кальций. Для воды свойственна кислая среда (рН=4.86) и резко окислительная обстановка (Eh= +504 мВ). Отличительная особенность - исчезающе малая концентрация гидрокарбонат-иона, низкое содержание кремнекислоты и фосфора. Минеральные формы азота присутствуют в ничтожных количествах.

В частично рекультивированной карте 4 вода в прудке относится к "чистому" химическому типу - гидрокарбонатному. Катионный состав смешанный, но преобладает кальций. Все формы минерального азота присутствуют в количествах, немногим превышающих нижний предел обнаружения. В работающих картах качество воды различно, что обусловлено типом загружаемых отходов. В карте 5, в которую происходит намыв золы, вода гидрокарбонатно-сульфатная с небольшим преобладанием сульфат-иона. В отличие от карты 4, также заполненной золой, вода является щелочной (рН=7.93) против слабо кислой в карте отстоя (рН=6.60). Кроме того, в действующем шламонакопителе среда слабо окислительная (Eh= +283 мВ), тогда как в законсервированной карте - резко окислительная (Eh= +427 мВ). И еще одно весьма важное отличие: в катионной группе состава главную роль играет натрий (69 %-экв). Относительно высоко содержание и другого щелочного металла - калия, концентрация которого доходит до 15 мг/л. Одновременно укажем на аномальное (относительно других карт) количество фтора в воде - 1.04 мг/л. Что же касается минеральных форм азота, то в воде карты 5 их количество остается весьма низким. Низким является и содержание фтора, которое в ряду карт 6-4-5-1 увеличивается от 7 до 88 мкг/л. Иными словами, максимальное его количество - в действующих картах. Помимо фосфора, следует упомянуть и о распределении в водной среде такого специфического компонента химического состава, каким являются летучие фенолы. В поверхностных водах (р. Бол. Осиновка) количество фенолов равно 4 мкг/л. Видимо, это содержание характеризует местный фон, который в 4 раза превышает ПДК. В подземных водах концентрация фенолов повысилась незначительно. В фоновой, самой "грязной" скважине концентрация фенолов достигает максимума - 8 мкг/л. Вниз по потоку происходит постепенное снижение содержания: в скв. 1011 - 6, в скв. 1012 - 4 мкг/л. И только ниже пруда-аэратора вновь происходит повышение: в скв. 1013 - 6 мкг/л. Вне влияния пруда в прибрежной полосе Байкала фенолов не более 4 мкг/л (родник). Резкий рост концентрации летучих фенолов происходит в прудках карт. Наибольшее его количество обнаружено в карте 6 (24 мкг/л). В работающих картах 1 и 5 содержание фенолов соответственно равно 18 и 10 мкг/л. Поскольку в контрольной карте зафиксирован максимум, можно сделать вывод, что присутствие фенолов в работающих картах является унаследованным, а не привнесенным с золой, строительными отходами и промышленным мусором.

В воде прудков в пределах стандартной ассоциации элементов по сравнению с подземными водами произошел значимый сдвиг. В контрольной карте 6 отмечено довольно высокое содержание железа, марганца и особенно алюминия (табл. 7).

В подземных водах алюминия почти в 20 раз меньше. И только в скв.1012 его количество снижается примерно вдвое. Остальные микрокомпоненты присутствуют в малых содержаниях, вполне сопоставимых с содержанием в подземных водах. В карте 4, пребывающей в отстое, все еще чувствуется унаследованность от существовавших условий, когда зола непрерывно поступала в шламонакопитель. Так, в воде до сих пор присутствуют значимые количества бора (543 мкг/л), марганца (700 мкг/л) и стронция (207 мкг/л). Остальные микрокомпоненты находятся в небольших количествах - видимо, их скромное присутствие обусловлено промытостью верхнего слоя техногенных осадков и изменением рН-Eh условий. В самом деле, увеличение редокс-потенциала до +427 мВ больше всего сказалось на железе, количество которого снизилось до 35 мкг/л, хотя уменьшение рН до 6.6 благоприятствует удержанию ионов железа в растворе. В карте 5, аналогичной 4, но находящейся в рабочем режиме, спектр микрокомпонентов имеет иную количественную структуру. В нем явственно преобладают элементы. привносимые с пульпой ГЗУ. Прежде всего можно указать на литий, концентрация которого на фоне других карт является аномально высокой (259 мкг/л). Столь же высокое содержание имеют бор (7300 мкг/л), алюминий (2670 мкг/л), стронций и ванадий. Эта пятерка элементов весьма характерна для каменноугольной золы. Для прудка карты 1 характерны свои особенности, которые заключаются в весомом присутствии алюминия (1160 мкг/л), марганца (389 мкг/л) и железа (233 мкг/л). Остальные элементы обнаружены в небольших количествах.

Таблица 7. Микрокомпонентный состав воды в картах шлам-лигнина. Метод ICP (опробование в июле 2005 г.)

Место отбора пробы

Элементы, мкг/л

Li

B

Al

V

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Sr

Cd

Карта 1

17

159

1159

4.8

389

233

0.2

1.6

1.2

4.5

80

0.08

Карта 4

14

543

19

0.5

701

35

0.1

0.9

0.8

4.4

207

0.02

Карта 5

259

7291

2670

109

213

18

0.5

4.6

1.1

2.0

818

0.3

Карта 6

2.2

70

436

0.4

271

143

0.5

2.5

1.1

9.0

42

0.2

Таким образом, экспериментальными исследованиями установлено, что качественное состояние поверхностных вод отличается низкой минерализацией, гидрокарбонатным составом и крайне низким содержанием микроэлементов. Подземные воды вне фоновой области имеют более высокую минерализацию, не столь однообразный химический состав и значительно большую концентрацию ряда микроэлементов. Химический состав и минерализация воды в прудках для каждой карты индивидуальны, включая и микросостав. Сопоставление трех групп вод свидетельствует о полной (или почти полной) автономности их формирования.


Библиографическая ссылка

Тимофеева С.С., Чемерис Н.В., Шенькман Б.М СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ, ПОДЗЕМНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШЛАМОНАКОПИТЕЛЕЙ БАЙКАЛЬСКОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО КОМБИНАТА // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 5. – С. 13-19;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23909 (дата обращения: 25.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074