Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ДИНАМИКА ПОСТУПЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ ОТ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА И ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ

Давыдова Н.Д. 1
1 ИГСО РАН «Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН»
Приведены техногенные нагрузки приоритетных поллютантов (F, Na, Al) за период 1988-2015 годы в зоне максимального воздействия пылегазовых эмиссий одного из крупнейших в Сибири Братского алюминиевого завода, выпускающего в год 1 млн тонн алюминия. Динамика их нагрузок на почвы показывает, что наибольшее количество, кроме алюминия твердого малорастворимого техногенного вещества, приходится на нормируемые растворимые фториды (от 2 до 12 т/км2 в год по фтору). Показаны уровни накопления элементов-занрязнителей за 50-ти летний период и распределение их в почвенном профиле текстурно-дифференцированных почв. Наибольшее накопление в почвах характерно для фтора. Его распределение по почвенному профилю дерново-подзолистых почв показало высокие уровни концентрации в мелкоземе подстилки и слое фрагментарно сохранившихся мхов, а также дерновом горизонте AY до 15 ПДК водорастворимого фтора (фторид-иона) и от 3300 до 8000 мг/кг валового. Обогащение нижних горизонтов составляет 0,5-10 ПДК и 1000-1675 мг/кг соответственно. Повышенное содержание водорастворимого фтора (до 1 ПДК) в верхнем слое почв прослеживается до 9 км от завода в северо-восточном направлении. Отмечено, что к 2015 году нагрузки поллютантов в водорастворимой форме снижены примерно в 2 раза, а в твердой малорастворимой форме в 3 раза, что соответственно сказалось на снижении уровней содержания фтора в почвах. Однако проблема сокращения пылегазовых эмиссий, особенно газообразной составляющей, еще остается.
алюминиевый завод
поллютанты
фтор
техногенные нагрузки
почва
1. Глазовская М.А. Геохимические основы типологии и методики исследования природных ландшафтов. 2-е изд. Смоленск-Москва: Ойкумена, 2002. – 288 с.
2. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. – М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. – 15 с.
3. ГОСТ 17.4.4.02-84. Методика отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. – 10 с.
4. Давыдова Н.Д. Мониторинг природной среды регионов Сибири по загрязнению снежного покрова // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 8 (часть 3). – С. 469–475.
5. Давыдова Н.Д. Техногенные потоки поллютантов и изменение геохимической среды таежных и степных ландшафтов Сибири // Вестн. Тамбовского университета. Серия: естественные и технические науки. – 2013. – Т. 18, вып. 3. – С. 961–966.
6. Моршина Т.Н., Фанаскова Т.П. Изменение заряда почвенных коллоидов при адсорбции фтора // Загрязнение почв и сопредельных сред токсикантами промышленного и сельскохозяйственного происхождения. – М.: Гидрометеоиздат, 1987. – Вып. 14 (129). – С. 57–4.
7. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. – М.: «Астрея-2000», 1999. – 763 с.
8. РД 52.24.360-2008. Массовая концентрация фторидов в водах. Методика выполнения измерений потенциометрическим методом с ионселективным электродом. – Ростов-на Дону, 2008. – 25 с.
9. Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. 3-е изд. – М.: Высшая школа, 2006. – 334 с.
10. Садыков О.Ф., Любашевский Н.М., Богачева И.А. и др. Некоторые экологические последствия техногенных выбросов фтора // Проблемы антропогенного воздействия на окружающую среду. – М.: Наука, 1985. – С. 43-53.
11. Сает Ю.Е., Смирнова Р.С. Геохимические принципы выявления зон воздействия промышленных выбросов в городских агломерациях // Вопросы географии. – М.: Мысль, 1983. Сб. 120. – С. 45-55.

Поступление загрязняющих веществ из атмосферы на территорию, прилегающую к промышленным предприятиям, является одной из причин, вызывающей изменение геохимического фона, что проявляется в ухудшении качества воздушной среды, деградации почв, снижении их плодородия и качества сельскохозяйственной продук ции. Особенно это актуально в зонах локального воздействия крупных источников загрязнения, оказывающих свое существенное воздействие далеко за пределами санитарных зон. Изучение вещественного состава техногенных потоков веществ, определение нагрузок поллютантов и воздействие их на почвы, а также познание процессов миграции-аккумуляции их в почвенном профиле необходимо, прежде всего, для показа негативной стороны этого явления, так как защита природной среды от загрязнения базируется главным образом на совершенствовании технологии, принципах организации и культуре производства.

Цель исследования – установить нагрузки приоритетных поллютантов на почвенный покров территории, прилегающей к алюминиевому заводу, выявить их динамику и уровни накопления в почвах, и внутри профильное распределение.

Материалы и методы исследования

Сбор полевых материалов и оценка влияния пылегазовых эмиссий на компоненты геосистем проводились по широкой комплексной программе основанной на принципах и методах геохимии ландшафта [1, 7].

Исследования проводились на территории Средней Сибири в зоне распространения пылегазовых эмиссий Братского алюминиевого завода (БрАЗа), выпускающего в год более 1 млн тонн алюминия. Техногенные нагрузки на почвенный покров за зимний период устанавливались по накоплению поллютантов в снежном покрове с пересчетом на сутки. Поступление веществ в течение года рассчитывалось умножением суточных нагрузок на число дней в году с учетом направления ветров [4]. Отбор и первичная подготовка проб почв к анализу проводились общепринятыми методами [3]. Количественный химический анализ массы твердого малорастворимого и растворимого в снеговой воде вещества, образцов почвы и почвообразующей породы выполнялся в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН с использованием приборной базы Байкальского центра коллективного пользования и соответствующих утвержденных методик. Пробы анализировались на содержание 20-ти химических элементов – Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, Mn, P, F, Sr, Ba, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, V. При этом применялись спектрометры: атомно-эмиссионный с индуктивно связанной плазмой Optima 2000 DV и атомно-абсорбционный с прямой электротермической атомизацией проб Analyst 400 фирмы Perkin Elmer [4].

Содержание фтора в снеговой воде, водных вытяжках (1:5), твердых аэрозолях и почвах выявлялось методом прямой потенциометрии на иономере «Эксперт-001» с помощью фторселективного электрода ЭЛИС 131F [8]

Для оценки изменения уровней содержания отдельных элементов в снеговой воде, взвесях, почвах и почвенных растворах (водной вытяжке) зоны загрязнения применялись коэффициенты концентрации (Кс = Са/Сф), где Сф и Са соответственно концентрации элемента в образцах фона и зоны загрязнения (техногенной геохимической аномалии). Коэффициенты концентрации использовались далее для расчета индекса суммарного загрязнения

david.wmf,

где n – количество химических элементов с Kc > 1,5, который является информативным показателем изменений в ландшафтах под давлением техногенного пресса полиэлементного геохимического фона каждого компонента и элемента [11]. При санитарно-гигиенической оценке токсичности поллютантов использовались предельно допустимые концентрации (ПДК), химических веществ, установленные для почв [2].

Результатов исследования и их обсуждение

Многолетние исследования снежного покрова на территории, прилегающей к БрАЗу, показывают, что приоритетными химическими элементами-загрязнителями геосистем исследуемой территории являются фтор, натрий, алюминий и никель [4]. По сравнению с алюминием и натрием фтор более токсичен (I класс опасности) относительно почвенной биоты и в большом количестве поступает на почвенный покров, особенно в виде подвижных растворимых солей (рис. 1 а). Напротив, алюминий поступает преимущественно в составе твердого малорастворимого вещества, накапливаясь в почвах и являясь долговременным источником подвижного алюминия. Его годовые нагрузки (68-296 т/км2) примерно на порядок выше нагрузок фтора и натрия (рис. 1, б), что объясняется как степенью растворимости их солей, так и уровнем содержания в исходном техногенном веществе [5].

dav1a.wmf dav1b.wmf

а б

Рис. 1. Динамика максимальных нагрузок приоритетных поллютантов вблизи алюминиевого завода: а – в составе растворимого вещества, б – в составе твердого вещества

Динамика потока поллютантов на прилегающую территорию во времени определяется, прежде всего, человеческим фактором – выполнением двух задач, которые заключаются в модернизации процесса производства алюминия с целью наращивания выпуска продукции и в удерживании отходящих пылегазовых примесей с целью соответствия экологическим нормам природопользования. После проведенных в 1996-1997 гг. на БрАЗе работ по внедрению технологии Soderberg, предусматривающей получение алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами, наблюдалась тенденция снижения нагрузок поллютантов, достигнув минимума к 2005 году (рис. 1). Увеличение выпуска продукции в 2008-2009 годах до рекордной величины 1 млн тонн алюминия в год соответственно усилило поток поллютантов в природную среду. Особенно это показательно относительно твердых и растворимых фторидов. К 2015 году проблема удерживания твердых фторидов, в какой то степени была решена, но очистка газообразной составляющей, судя по увеличению водорастворимых фторидов (рис. 1, а) еще находится в стадии решения. Между тем воздействие на компоненты геосистем поллютантов во многом зависит как от количества, так и формы их нахождения в зоне техногенеза.

Сравнительный анализ массовой доли химических элементов твердых аэрозолей и почв фона показал следующий ряд коэффициентов их потенциальной концентрации (Кс) в верхнем слое почв – F50 Al5,2 Ni4,5 Co2 Zn1,8 Cu1,8 Pb1,8. В качестве главных элементов-загрязнителей выделяются фтор, никель и алюминий. Суммарный индекс потенциального загрязнения (Zc) для них составляет 61, 1 у.е. и оцениваются согласно [7] как высокий и опасный. В результате трансформации исходного твердого вещества аэрального потока и рассеяния поллютантов в толще почвенного профиля зоны загрязнения реально ассоциацию с аномальным валовым содержанием в верхнем слое почв (0-10 см) по сравнению с почвами фона составляют шесть элементов – F28,3 Ni5,5 Pb3,9 Zn2,8 Cu2,2 Al1,9. Индекс суммарного загрязнения снижен по сравнению с потенциальным примерно в 2 раза (39,6 у.е.), оставаясь высоким и опасным.

Существенно обогащены по сравнению с водными растворами почв фона водные вытяжки дерново-подзолистых остаточно-карбонатных почв вблизи БрАЗа (F251 Al18,8 Na18,7 Zn2,4 Sr1,7 Ba1,7 Pb 1,5). Индекс их суммарного загрязнения составляет 290 у.е., что также соответствует очень высокому и опасному уровню.

Из всех компонентов геосистем почва является наиболее значимым депонирующим звеном на пути миграции поллютантов. Длительное их поступление в природную среду привело к накоплению, как в подстилке и верхнем гумусовом горизонте почв, так и в более глубоких слоях (рис. 2).

dav2a.wmf dav2b.wmf

а б

Рис. 2. Содержание поллютантов в профиле дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы: а – водорастворимая форма, б – валовая форма

Наибольшее накопление в почвах характерно для фтора. Его распределение по почвенному профилю дерново-подзолистых почв показало высокие уровни концентрации в мелкоземе подстилки и слое фрагментарно сохранившихся мхов, а также дерновом горизонте AY до 15 ПДК водорастворимого фтора (F-) и от 3300 до 8000 мг/кг валового. Повышенное содержание фторид-иона (до 1 ПДК) в верхнем слое почв прослеживается до 9 км от завода в северо-восточном направлении, включая территорию г. Братска.

Динамика распределения водорастворимой и валовой форм элемента в почвенном профиле взаимосвязано (рис. 3).

dav3a.wmf dav3b.wmf

а б

Рис. 3. Динамика содержания фтора в профиле дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы: а – водорастворимая форма, б – валовое содержание

Для водорастворимой формы фтора характерна постепенная убыль концентраций до глубины 40-50 см (горизонт BT) с резким падением ниже. Исключение составил период 2010-2015 гг. с сильными засухами во время которых почвенная масса уплотненного горизонта ВT легко делилась на структурные отдельности, становилась трещиноватой и водопроницаемой, что прослеживается по увеличению фтора (F-) в почвенном растворе нижних горизонтов почв (рис. 3, а). Выход элемента в водную вытяжку дернового горизонта достигает 10-11 % от общего количества. В иллювиальном и карбонатном горизонте водорастворимых фторидов заметно меньше – 0,3-0,5 %. Поглощение фтора (F-) почвой сопряжено с алюминием (Al3+), в то время как значительная часть натрия (Na+) остается в растворе и в условиях промывного водного режима может интенсивнее выноситься за пределы почвенного профиля (рис. 2, а). Этот процесс адекватно отражается на содержании валовой формы элементов (рис. 2, б), где прослеживается по сравнению с фоном увеличение концентраций алюминия в1,2 раза, фтора в 6 раз, и снижение натрия в 4 раза.

В нормальных условиях увлажнения обогащенный илом горизонт BT, служит в качестве геохимического барьера. Наличие почвенно-геохимических барьеров удерживает водорастворимый фтор в слое 0-50 см, что создает условия для длительного его контакта с твердой фазой почв и перехода в поглощенную и другие малоподвижные формы, образуя с металлами плохо растворимые соединения [6]. Вероятно поэтому в обедненном илистой фракцией и металлами элювиальном оподзоленном горизонте EL (20-30 см), как правило, процесс накопления фтора в валовой форме выражен слабее по сравнению с верхним дерновым горизонтом AY (0-10) и нижележащими горизонтами, служащими в качестве геохимических барьеров: сорбционного (BT) и седиментационного (BTca и Сса) (рис. 3).

Динамика содержания фтора в почвах показывает постепенное во времени (после модернизации) снижение его валовой формы в подстилке (Ao) и дерновом горизонте (AY) и, напротив, увеличение водорастворимой формы, что может свидетельствовать о начавшемся процессе самоочищения почв вследствие снижения выбросов твердых и газообразных фторидов и перемещение их в карбонатную кору выветривания. Ранее отмечался процесс аккумуляции валового фтора в почвах, содержание которого в 1982 году (спустя 15 лет после пуска БрАЗа) вблизи источника эмиссий составляло свыше 1000 мг/кг [10]. Позднее его количество увеличилось до 3400 мг/кг [9].

Не смотря на снижение к 2015 году нагрузок поллютантов в водорастворимой форме примерно в 2 раза, а в твердой малорастворимой форме в 3 раза проблема сокращения пылегазовых эмиссий, особенно газообразной составляющей, еще остается. Это связано не только с повышенным содержанием фторид-иона в снеге и почвах, но и с тем, что в последнее время (2011-2014 гг.) в результате аварийных выбросов в атмосферу наблюдается поражение хвои и листьев древесных пород, а также травянистого покрова.


Библиографическая ссылка

Давыдова Н.Д. ДИНАМИКА ПОСТУПЛЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ ОТ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА И ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 8-2. – С. 203-207;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=10004 (дата обращения: 05.08.2020).

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