Техногенные геохимические аномалии. Загрязнение промышленными стоками (целлюлозно-бумажная, неф­тяная и газовая промышленность, химические и металлургические заводы

Загрязнение промышленными стоками (целлюлозно-бумажная, неф­тяная и газовая промышленность, химические и металлургические заводы, коксохимические, газосланцевые предприятия); даже нормативно-чистые воды, которые официально разрешено сбрасывать в реки, обычно загрязнены в той или иной степени пылью, нефтью, минеральными солями, причем часто сбрасываются нагретые воды, вызывающие тепловое (термическое) загрязнение природных вод. Рис. 1. – Объемы ст.в.

Металлургические и металлообрабатывающие заводы сбрасы­вают в реки и другие водоприемники сточные воды, содержащие твердые взвеси, растворы и эмульсии солей, кислот и щелочей, растворимые соединения тяжелых металлов, цианиды и углеводороды.

На выплавку 1 т чугуна различные предприятия расходуют от 25 до 700 м³ воды, на 1 т ферросплавов - от 40 до 800, а на 1 т алюминия – около 1500 м³ воды. Неоправданно широкие пределы удельного водопотребления зависят только от несовершенства приме­няемой технологии, таккак на предприятиях черной металлургии возможен почти полностью замкнутый цикл оборотного водоснаб­жения, без сброса сточныхвод в реки и водоемы.

Еще опаснее сточные воды предприятий цветной металлургии, которые наряду с солями тяжелых металлов содержат цианиды, тиоцианаты, сульфиды, сероводород и соединения мышьяка, отравляющие водные организмы и делающие воду непригодной для питья, водопоя, орошения, а зачастую и для технического использования.

Так же насыщены разнообразными токсикантами сточные воды химических предприятий. Наряду с неорганическими соединениями (оксиды азота, циановодород, фториды, сернистые и металлоорганические, со­единения фосфора, металлы они содержат многие весьма опасные органические вещества, минеральные кислоты, растворимые соли, щелочи и т. д.

Опасны сточные воды заводов искусственного волокна, коксохимических и газосланцевых предп­риятий, содержащие смолистые вещества, фенолы, меркаптаны, органические кислоты, альдегиды, спирты, красители. Их токсическое действие распространяется на большие расстояния, особенно в реках с сильным течением, так как органические примеси сточных вод минерализуются медленно. Накопление жидких отходов в специаль­ных водоемах - хвостохранилищах также чревато большой опасно­стью для окружающей среды: известны случаи прорыва подобных накопителей и отравления на большом протяжении вод рек Днестра, Северского Донца и некоторых других. Ех: Сясьстрой, Базель

Огромный вред наносят рекам и водоемам стоки целлюлозно-бумажной промышленности: в сточных водах одного ЦБК средней мощности содержится такое же количе­ство органических веществ, как в сточных водах города с населением в 2,5 млн. человек. Сясьстрой

Обустройство и эксплуатация НГКМ

Загрязнение происходит в первую очередь при бурении скважин в ходе разведки и эксплуатации НГКМ, при авариях на промыслах, после взрывов, пожаров на танкерахили кораблекру­шений при транспортировке. Источниками поступления загрязняющих веществ являются устье скважины; средства очистки бурового раствора; узлы приготовления промы­вочной жидкости, цементных растворов и химреагентов для их обработки; амбары-накопители. Основными загрязнителями являются буровые и цементные растворы, химические добавки и реагенты, нефтепродукты и буровые отходы.

Таблица 4. Содержание токсичных химических добавок в отработанных

буровых растворах

Сам буровой раствор, и образующиеся буровые сточ­ные воды при сбросе их в земляной амбар по окончании бурения являются токсич­ными продуктами длительного действия.

При обустройстве и эксплуатации месторождений к буровым отходам добавляются пото­ки загрязняющих веществ, возникающих в процессе строительства собственно газо­промысловых объектов, транспортных магистралей и объектов инфраструктуры. Основные загрязняющие вещества на этапе обустройства месторождений и строительства газотранспортных магистралей содержатся в хозяйственно-бытовых и ливневых сточных водах.

Типовые сточные воды на газопромы­словых объектах следующие:

- хозяйственно-бытовые (пищеблоки, санитарные приборы и т. д.);

- условно чистые производственные (котельные);

- производственные (промывка технологического оборудования);

- дождевые и талые (обваловки складов ГСМ и других площадок);

- пластовые воды (поступают на поверхность вместе с нефтью).

Основными загрязнителями являются нефтепродукты, метанол, взвешенные ве­щества, аммонийный азот, хлориды, нитраты и другие.

При сжигании на ГФУ поступающих на по­верхность вместе с газом пластовых вод, отличающихся высокими концентрациями микроэлементов, возникает опасность загрязнения тяжелыми металлами наземных экосистем.

Таблица 5. Количественная характеристика сточных вод Медвежьего ГМ

Значительное количество нефтяных углеводородов поступает в биосферу при переработке нефти. По мере того как возрастает глубина переработки, увеличивается и количестве стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнообразные токсичные соединения, в том числе пропан, бутан, этилен, фенол, бензол и другие углеводороды.

Серная кислота, используемая в больших количествах в неф­техимии, - один из наиболее вредных для окружающей среды отходов нефтепереработки. Крупнотоннажные сернокислотные отходы содер­жат в зависимости от технологии производства от 8-10 до 80-85% H₂S0₄ и от 2-3 до 10-15% нефтяных углеводородов, включая парафины и ароматические соединения. Регенерация отра­ботанной серной кислоты технологически весьма сложна и обходится втрое дороже, чем получение чистой серной кислоты.

Вызвать загрязнение природных вод могут сточные воды шахт ирудников, имеющие повышенную минерализацию и содержащие взвешенные частицы, и различные металлы. Обогатительные фабрики.

Загрязнение коммунальными стоками; если сами воды и подвергают некоторой очистке в отстойниках, биологических прудах, на полях орошения, то скапливаются крупнотоннажные осадки сточных вод(ОСВ), использование которых нередко вызывает большие трудности, посколькув них могут содержаться тяжелые металлы и другиетоксичные компоненты в количествах, превыша­ющих ПДК. В числе загрязняющих веществ, особенно опасны разнообразные моющие средства, широко применяющиеся в промыш­ленности и в быту. Они фактически выполняют роль эмульгаторов, вспенивателсй и смачивателей и поэтому, попадая в природные воды, образуют обильную пену, которая скапливается на поверхности воды.

Определенную опасность представляют также дренажныеводы с орошаемых земель, которые привносят в реки выщелоченные из засоленных толщ почвогрунтов лсгкорастворимые соли. Такого рода явления получили распростра­нение в бассейне Аральского моря.

Экологически очень опасный источник загрязнения природных вод — радиоактивные отходы и аварийные выбросы радионуклидов.

На поверхности суши кроме перечисленных источников загряз­нения большое влияние на наземные биогеоценозы оказывают шахтные отвалы (терриконы), отвалы теплоэлектростанций, сброс отработанных нефтепродуктов, солевых растворов, концентрирован­ных кислот.

Техногенные геохимические аномалии

В классификации техногенных аномалий, предложенной А. И. Перельманом (1978), выделяются техногенные аномалии как с повышенным, так и с пониженным (за счет изъятия вещества) гео­химическим фоном.

По размерам можно выделить:

глобальные аномалии, охватывающие весь земной шар или большую его часть;

региональные техногенные аномалии, распространяющиеся на части материков, отдельные страны, области, зоны и возникающие, например, в ре­зультате массового использования химических удобрений, ядохими­катов;

локальные геохимические аномалии радиусом до нескольких десятков километров, связанные с определенным эпицентром.

Пространство, занимаемое локальной аномалией, называют техногенным ореолом рассеяния.

Все техногенные аномалии А. И. Перельман делит на тритипа:

полезные, вредные и нейтральные.

Полезные техногенные аномалии улучшают окружающую среду. Примером их могут служить территории, где проведено извест­кование кислых почв или где в результате дренажа и промывок удалены из почв вредные соли и т. д.

Вредные техногенные аномалии (с повышенной концентрацией токсических веществ) ухудшают условия существования человека растений и животных, поэтому они систематически изучаются в связи с проблемами загрязнения среды.

Нейтральные техногенные аномалии не оказывают определенно­го влияния на экологические свойства окружающей среды. В каче­стве примеров подобных нейтральных аномалий А. И. Перельман называет концентрацию золота в банках, железа, алюминия в го­родах.

Техногенные геохимические аномалии образуются в различных средах и по этому признаку их можно разделить на литохимические — в почвах, породах, гидрогеохимические — в водах, атмогео-химические — в атмосфере, биогеохимические — в организмах.

Обычно техногенные аномалии захватывают в сферу влияния техногенного потока несколько сред и образуют сложно построенные по форме, протяженности, составу и характеру дифференциации веществ техногенные ореолы и пото­ки рассеяния.

Техногенные геохимические аномалии с повышенным содержа­нием техногенных веществ (в сравнении с нормальным геохимиче­ским фоном) возникают:

1) при единовременных аварийных выб­росах техногенных веществ (при аварийных разливах нефти в акваториях, аварийных выбросах загрязненных сточных вод и др.):

2) в результате ограниченного во времени, но интенсивного техно­генного воздействия (разработка месторождений полезных иско­паемых: по выработке месторождения активная деятельность пре­кращается, но последствие — геохимическое воздействие на окру­жающую среду отвалов вскрышных пород — более или менее длительное время продолжается и поддерживает существование техногенного геохимического ореола);

3) в результате стационар­ного режима воздействия источника техногенных веществ на окру­жающую среду (заводы, фабрики, теплоэлектроцентрали, промыш­ленные комплексы в целом, сельскохозяйственные предприятия, автомагистрали и другие постоянно действующие объекты).

В первых двух случаях техногенные аномалии, хотя и резко выражены, относятся к остаточным. Продолжительность их суще­ствования зависит от степени первоначального нарушения функций живого вещества экосистемы и от совокупности ландшафтно-гео-химических условий, способствующих или затрудняющих самоочи­щение данной системы от загрязняющих веществ.

В случае стационарного источника загрязнения на начальном этапе его функционирования аномалии имеют аккумулятивный характер, т. е. усиливаются, а затем в зависимости от интенсивно­сти источника и условий рассеяния и самоочищения среды приоб­ретают стационарный характер по уровню содержания элементов.

Опасность стационарных аномалий заключается в том, что при невысоком уровне аномальности они могут и не сказываться за­метным образом на состоянии биоты. Однако воздействие на орга­низмы в течение длительного времени повышенных концентраций биогеохимически активных веществ может иметь кумулятивный эффект. Подобным образом возникают техногенные биогеохимиче­ские эндемии, проявляющиеся не только в нарушении жизненных функций данного поколения организмов, но и изменяющих генети­ческий код.

Относительно хорошо изучены основные закономерности форми­рования техногенных локальных геохимических аномалий, связан- ных с рассеянием в атмосфере газопылевых выбросов отдельных промышленных предприятий, их агломераций в урбанизированных территориях, вдоль автотрасс и другими источниками локального загрязнения.

Для характеристики локальных техногенных аномалии пользу-ются коэффициентами концентрации (по сравнению с содержаниями

в незагрязненных “фоновых” ландшафтах) отдельных химиче­ских элементов (Кк) и суммарными показателями загрязнения (Zc), равными сумме коэффициентов концентрации накапливаю­щихся в пределах аномалии элементов (Сает, 1983).

Техногенные аномалии, обязанные аэрозольному загрязнению, хорошо оконтуриваются по составу твердых и растворенных веществ в снежном покрове, по валовому содержанию и соотношению валовых и раст­воримых форм микроэлементов в почвах и в первую очередь в их верхних горизонтах.

Исследования техногенных аномалии в почвах вокруг крупных промышленных городов, проведенные Ю. Е. Саетом, Е. П. Сороки­ной и др. (1983), выявили ассоциации элементов в составе твердых атмосферных выпадений, коэффициенты концентраций которых от 2 до 23 (рис. 33). Это W, Cd, Sb, Hg, коэффициенты концентрации которых больше 10, затем Pb, Zn, Мо (Кк 5-8), далее Ni, Sn, Cr, V.Bi (Кк 2-4).

По мере удаления от источников загрязнения ассоциация эле­ментов загрязнителей обедняется, а суммарный показатель загряз­нения уменьшается. Это позволяет выделить в пределах техногенной аномалии ряд зон (рис. 34).

Содержание техногенных элементов в почвах и в золе растении убывает от источника загрязнения по экспоненте (рис. 35, 36). Повышенное содержание элементов обнаруживается на расстоянии 18—30 км от источника загрязнения, значительное повышение содержания лока­лизуется в пределах 2—5 км. Форма и протяженность техногенной аномалии за­висят не только от мощности источника загрязнения, но и от направления и силы преобладающих ветров и местной цирку­ляции воздушных масс.

Техногенные элементы, поступающие на поверхность почв, включаются в радиальные и латеральные миграционные потоки. В ре-

зультате латеральной (почвенно-поверх-ностной, внутрипочвенной) миграции геохимически подчиненные ландшафты депрессий рельефа имеют более высокие ко­эффициенты концентрации техногенных эле-

ментов в почвах, растениях и водах, чем авто-

номные ландшафты повышенных элемен­тов

рельефа.

10 12 30 км.

Распределение Ni в листьях березы и хвое сосны

Известно, что благодаря воз­действию выхлопных газов авто­транспорта вдоль автодорог фор­мируется техногенная свинцовая аномалия. В условиях выровнен­ного рельефа концентрация свин­ца в почвах в направлении от до­роги постепенно понижается. Ес­ли рельеф неровный, то в силу вторичного перераспределения концентрация свинца в почвах депрессий значительно увеличивается.

Таким образом, техногенные аномалии имеют сложную структуру, отражающую современную миграционную структуру тех ландшафтов, в которые вторгается техногенный поток.

Ассоциации техногенных элементов, вовлекаемые в природные геохимические потоки, могут служить маркерами для изучения современных ландшафтно-геохимических процессов.

Ландшафтно-геохимические барьеры как факторы формирова­ния техногенных аномалий.

Состав и протяженность потоков техно­генных веществ в ландшафтах контролируются общей ландшафтно-геохимической обстановкой и наличием различного рода геохимических барьеров: окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных, фильтрационно-сорбционных, седиментационных, био­геохимических, а также термодинамических.

На рис. 40 показаны основные типы геохимических барьеров в зональных ландшафтах.

Характер барьеров изменяется по зонам, а в пределах одной зо­ны — от автономных к трансэлювиальным и супераквальным ланд­шафтам.

Ряд веществ при изменении условии миграции теряет подвиж­ность, переходит в инертные нерастворимые формы и задержива­ется на геохимическом барьере. В случае кумулятивного накопления на. геохимических барьерах токсичных химических элемен­тов в слабо подвижных формах, геохимическая устойчивость систем наруша­ется, они загрязняются, но потоки вещества, выходящие из блока, очищаются за счет удержания тех или иных токсичных веществ и это ограничивает сферу загрязнения. Так, при поступлении техногенных веществ из атмосферы в виде газов или с осадками в каче­стве площадного барьера выступает растительный покров, меха­нически задерживающий и ассимилирующий часть техногенного потока. Техногенные вещества, поступающие на поверхность почвы и проникающие в глубь ее, дифференцируются в пределах генети­ческого профиля почвы, в котором различные генетические гори­зонты выступают в качестве тех или иных геохимических барьеров, задерживающих часть техногенного потока.

Загрязненные воды, проходя сквозь почву, частично или полностью очищаются от техногенных продуктов, но сама почва, представляющая систему сложных геохимических барьеров, может в результате этого загряз­няться.

Почва не загрязняется, если химические превращения тех-ногенных продуктов в почве приводят к ликвидации токсичности техногенного потока. Таковы, например, процессы

- нейтрализации минеральных кислот в щелочных почвах и щелочей в кислых поч­вах,

- разложение или минерализация органических загрязнителей (пестицидов, углеводородов),

- вхождение некоторых токсичных металлов в кристаллическую решетку вторичных алюмоси­ликатов и переход в иммобильные формы,

- окислительно-восстано­вительные реакции и переход в связи с этим некоторых химических элементов в малоподвижные и нетоксичные формы.

Водно-растворимые компоненты техногенного потока, не задер­жанные почвенной толщей, проникают вместе с общим потоком влаги в подпочву. В условиях достаточного увлажнения и промыв­ного режима достигают уровня грунтовых вод и загрязняют их. Однако как в самом водоносном горизонте, так и над ним продолжают дейст­вовать различного типа геохими­ческие барьеры: сорбционные, восстановительные и др.

Если атмосферная влага, просачивающаяся за пределы почвен­ной толщи, не достигает грунтовых вод, техногенные вещества накапливаются ниже корнеобитаемого горизонта и исключаются таким образом из биологического круговорота и дальнейшей вод­ной миграции; происходит как бы их естественное захоронение.

Комплексным геохимическим барьером являются донные отло­жения водоемов, особенно иловые отложения бессточных или сла­бопроточных естественных и искусственных бассейнов, где наряду с процессами седиментации взвешенных техногенных веществ идут процессы биологического поглощения, сорбции, восстановления и другие, а при достаточно быстром накоплении осадков также и процессы захоронения и литификации нерастворимых техногенных веществ.

Периодически действующие термодинамические и сорбционные барьеры возникают и в атмосфере. Мощным барьером для рассея­ния техногенных газов и аэрозолей являются приземные темпера­турные инверсии, а также инверсии оседания в свободной атмосфе­ре. С ними связано образование техногенных смогов.

Продолжительные туманы представляют собой сорбционный барьер для техногенных газов, в частности оксидов азота и серы. Растворяясь в парах воды, оксиды образуют сильные агрессивные кислоты, длительно задерживающиеся в приземной атмосфере.