CC BY
93
Вестник ДВО РАН. 2011. № 5
УДК 504.06:622.5
О.Д.АРЕФЬЕВА, Л.А.ЗЕМНУХОВА, Е.В.ЯЗЫНИНА
Токсичные металлы в шахтных водах ликвидированных угольных шахт г. Партизанск
Установлено превышение концентраций ряда токсичных металлов в сравнении с установленными нормативами в шахтных водах ликвидированных угольных шахт г. Партизанск. Содержание некоторых металлов со временем растет, что требует очистки шахтных вод.
Ключевые слова: шахтные воды, токсичные металлы, ликвидированные угольные шахты.
Toxic metals in mining waters of abandoned charcoal mines in Partizansk city. O.D.AREFIEVA (Far Eastern Federal University, Vladivostok), L.A.ZEMNUKHOVA (Institute of Chemistry, FEB RAS, Vladivostok), E.V.YAZYNINA (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Excess in concentration of ions of some toxic metals as compared with determined standards in mining waters of abandoned charcoal mines in Partizansk city was detected. Concentration of some metals exceeds in time, which requires treatment of mining waters.
Key words: mining waters, toxic metals, abandoned charcoal mines.
Химический состав шахтных вод после ликвидации шахт претерпевает катастрофические изменения. Вода приобретает явно выраженные агрессивные свойства: становится более кислой, в десятки раз возрастает содержание в ней железа, существенно увеличиваются жесткость, содержание сульфатов и других солей. При этом происходит подъем уровня воды, подтопление прилегающей к шахте территории и загрязнение источников водоснабжения [3; http://www.shakhty.su/2006/02/15/004].
Изучение последствий массовой ликвидации угольных шахт началось не так давно [7-10]. В связи с этим отсутствуют методические рекомендации по снижению негативного влияния ликвидации шахт на окружающую среду, недостаточно изучен химический состав шахтных вод, особенно содержание в них ионов токсичных металлов.
Наши исследования химического состава шахтных вод проводились на ликвидированных шахтах г. Партизанск (Приморский край). Добыча угля здесь велась шахтами «Глубокая», «Нагорная», расположенными непосредственно в городе, а также шахтами «Центральная», «Углекаменская» и «Авангард». К концу 1996 г. все они были закрыты. Ликвидация происходила путем самозатопления. В настоящее время, как отмечают специалисты Приморского центра экологического мониторинга1, наблюдается выход шахтных вод на поверхность, что приводит к заболачиванию, изменению состояния почв (за-бучиванию) и загрязнению водоемов и водотоков. В то же время для улучшения ситуации почти ничего не делается. Лишь на шахтах «Углекаменская» и «Нагорная» в 2000 г. были
* АРЕФЬЕВА Ольга Дмитриевна - кандидат педагогических наук, доцент (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ЗЕМНУХОВА Людмила Алексеевна - доктор химических наук, заведующая лабораторией (Институт химии ДВО РАН, Владивосток), ЯЗЫНИНА Елена Владимировна (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). * E-mail: arod@marbio.dvgu.ru
1 Отчет Приморского центра экологического мониторинга о выполнении работ по реализации рабочего проекта «Экологический мониторинг по ликвидируемым шахтам и разрезам Приморского края и Сахалинской области» за I и II кварталы 2005 года. Владивосток, 2005. 28 с.
построены безреагентные очистные сооружения для очистки самоизливающихся шахтных вод. На других шахтах очистных сооружений нет.
До недавнего времени контроль содержания токсичных металлов в шахтных водах ликвидированных участков угледобычи г. Партизанск не велся. Такой контроль осуществлялся только в водных объектах прилегающих к затопленным шахтам территорий. В 2008 г. Приморским центром экологического мониторинга было проведено исследование состава шахтных вод на содержание в них металлов2. Установлено содержание ряда токсичных металлов, из которых в наибольших концентрациях отмечены марганец и хром.
Наши исследования проводились в 2010 и 2011 гг. Были взяты 7 образцов шахтных вод: на шахтах «Нагорная», «Углекаменская» - из приемника-накопителя очистных сооружений (образцы № 1 и 3) и в местах выхода из очистных сооружений (образцы № 2 и 4), на остальных - в местах выхода вод на поверхность.
Для определения содержания токсичных металлов были использованы оптический спектральный, атомно-абсорбционный и спектрофотометрический методы [2, 4, 6]. Сухие остатки шахтных вод исследовались методом рентгенофазового анализа (РФА).
Оптическим спектральным анализом, позволяющим определять 19 металлов, во всех образцах шахтных вод обнаружено 5 металлов: медь, цинк, марганец, стронций и литий. Свинец и хром найдены не были.
Атомно-адсорбционным и спектрофотометрическим методами определены медь, марганец, кобальт, кадмий, никель, стронций, алюминий и цинк, содержание которых в образцах зависит от места расположения шахты (табл. 1). Свинец и хром также не выявлены.
Содержание металлов в шахтных водах на входе и выходе из очистных сооружений шахт «Углекаменская» и «Нагорная» практически не меняется. Заметные различия (в 10 раз) отмечаются только для марганца.
Изучение состава сухих остатков шахтных вод методом РФА (табл. 2) показало отсутствие кристаллических форм соединений марганца для пробы № 4, что является результатом очистки вод на шахте «Углекаменская». В образце с шахты «Авангард» в кристаллической форме находятся только фосфаты кальция. Их присутствие можно объяснить фильтрацией шахтных вод через почвенный слой, из которого фосфаты могут попасть в воду. В районе этой шахты наблюдается сильное забучивание почвы.
Таблица 1
содержание ионов токсичных металлов в шахт ных водах ликвидированных шахт г. Партизанск, мг/л
Шахта Си | Zn | Pb | Mn | Cr | Co | Cd | Ni 1 Sr 1 Al
Нагорная
образец № 1 0,0085 0,0090 < 0,001 0,27 < 0,02 0,016 0,0080 0,074 1,49 0,058
образец № 2 0,0065 0,0057 < 0,001 0,026 < 0,02 0,012 0,0075 0,051 1,43 0,050
Углекаменская
образец № 3 0,0085 0,0048 < 0,001 0,25 < 0,02 0,028 0,011 0,076 1,37 0,060
образец № 4 0,0081 0,0039 < 0,001 < 0,01 < 0,02 0,019 0,011 0,073 1,34 0,050
Центральная 0,0015 0,0087 < 0,001 < 0,01 < 0,02 < 0,005 < 0,0001 0,0031 0,47 0,042
Глубокая 0,0023 0,019 < 0,001 0,30 < 0,02 < 0,005 < 0,0001 0,0026 1,18 0,98
Авангард 0,0025 0,011 < 0,001 < 0,01 < 0,02 < 0,005 < 0,0001 0,0024 0,14 1,89
ПДКр/х* 0,001 0,001 0,006 0,01 0,02 0,01 0,005 0,01 0,4 0,04
ПДКв** 1,0 1,0 0,01 0,1 0,05 0,1 0,001 0,02 7,0 0,2
* Предельно допустимые концентрации для рыбохозяйственных водоемов.
** Предельно допустимые концентрации для водных объектов хозяйственно-питьевого назначения.
2 Отчет Приморского центра экологического мониторинга о выполнении работ по государственному контракту на реализацию рабочего проекта «Экологический мониторинг по ликвидируемым шахтам и разрезам Приморского края и Сахалинской области» за III квартал 2008 года. Владивосток, 2008. 40 с.
Таблица 2
Результаты РФА сухих остатков шахтных вод ликвидированных шахт г. Партизанск
Шахта Состав
Нагорная (образцы № 1 и 2) Углекаменская образец № 3 образец № 4 Центральная Глубокая Авангард FeSiO3, А^, Fe3(PO4)2 шб[га3(804)2], гпО, Мпо(он) МаДСО^ОД], N2804 СаСО3, ШС1, 8Ю2 8Ю2, ШС1, гпО, Са Мп[СО3]2 Са,Р,0„ Са,„[РО_]б(ОН),
Сравнение полученных результатов исследования содержания токсичных металлов в шахтных водах с ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственно-го назначения [1, 5] выявило заметное превышение норм содержания металлов.
ПДК для рыбохозяйственных водоемов превышены по меди и алюминию во всех шахтах, по марганцу в шахтах «Нагорная» и «Глубокая», по цинку и кобальту в шахтах «Глубокая» и «Углекаменская», соответственно. Стронция в образцах с шахт «Нагорная», «Углекаменская» и «Глубокая» содержится в 3-3,5 раза больше, чем это допустимо для объектов рыбохозяйственного назначения. Концентрация никеля в 5-7 раз выше нормы в пробах с шахт «Нагорная» и «Углекаменская».
Повышенные концентрации в сравнении с нормами для объектов хозяйственно-питьевого назначения отмечаются для алюминия («Глубокая» и «Авангард»), марганца («Глубокая»), никеля («Нагорная», «Углекаменская»).
Даже в очищенных водах шахт «Углекаменская» и «Нагорная» содержание кадмия превышает ПДК, установленные для водоемов различных категорий водопользования.
Сравнение наших данных с результатами исследований, проведенных Приморским центром экологического мониторинга в 2008 г., свидетельствует о том, что содержание некоторых металлов в шахтных водах ликвидированных шахт г. Партизанск повысилось. Так, для шахт «Нагорная» и «Углекаменская» наблюдается увеличение содержания кобальта и кадмия, а для шахт «Углекаменская», «Глубокая» и «Авангард» - алюминия (табл. 3).
Таким образом, в шахтных водах ликвидированных шахт г. Партизанск методами атом-но-абсорбционного и спектрофотометрического анализов идентифицированы Мп, А1, Со, №, гп, Си, Сd и Sr в концентрациях от 0,001 до 1,89 мг/л. Методом РФА установлено, что образцы сухих остатков шахтных вод различаются по своему химическому и фазовому
Таблица 3
Содержание ионов токсичных металлов в шахтных водах ликвидированных шахт г. Партизанск в 2008 г. (числитель) и 2010—2011 гг. (знаменатель), мг/л
Шахта Си гп РЬ Мп Сг Со Са А1
Нагорная 0,01/ 0,1/ 0,004/ 0,83/ 0,0018/ 0,001/ 0,00027/ 0,05/
0,0065 0,0057 0 0,026 0 0,012 0,0075 0,05
Углекаменская 0,0095/ 0,019/ 0,005/ 0,28/ 0,20/ 0/ 0/ 0/
0,0081 0,0039 0 0 0 0,019 0,011 0,050
Центральная 0,004/ 0,02/ 0 0,091/ 0,17/ 0 0,0011/ 0,05/
0,0015 0,0087 0,01 0 0 0,042
Глубокая 0,005/ 0,2/ 0,009/ 0,60/ 0,17/ 0,001/ 0,0004/ 0/
0,0023 0,019 0 0,30 0 0 0 0,98
Авангард 0,044/ 0,04/ 0,005/ 0,36/ 0,15/ 0,006/ 0,001/ 0,2/
0,0025 0,011 0 0,014 0 0 0 1,89
составу, что, вероятно, связано с минерализацией шахтных вод и условиями выхода их на поверхность. Наблюдается увеличение содержания кадмия, кобальта и алюминия в шахте «Углекаменская», кадмия и кобальта - в шахте «Нагорная», алюминия - в шахтах «Глубокая» и «Авангард», исследованных в 2010-2011 гг., по сравнению с данными за 2008 г. Это подтверждает необходимость очистки и доочистки шахтных вод на всех ликвидированных шахтах г. Партизанск.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГН 2.1.5.1315-03. Гигиенические нормативы: предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Введ. 01.07.2003 г. 248 с. // Справочно-правовая система «Кодекс».
2. ГОСТ 18165-89. Вода питьевая. Метод определения массовой концентрации алюминия. Введ. 01.01.1991 г. М.: Изд-во стандартов, 1990. 7 с.
3. Жанбатыров А.А. Гидрохимическая характеристика шахтных вод месторождения Жайрем // Вестн. КазНТУ 2009. № 6 (76). - http://vestnik.ntu.kz/?=en/newspaper/20.
4. НСАМ 292-Г. Гидрохимические методы. Определение железа, хрома, кобальта, меди, никеля, свинца, серебра, цинка методом атомно-абсорбционной спектрометрии в природных и загрязненных водах / Науч. совет по анал. методам. Введ. 17.03.1989 г. М., 1989. 10 с.
5. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: приказ Федерального агентства по рыболовству от 18.01.2010 г. № 20. 153 с. Введ. 09.02.2010 г. // Справочно-правовая система «Кодекс».
6. ПНД Ф 14.1:2.214-06. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации железа, кадмия, кобальта, марганца, никеля, меди, цинка, хрома и свинца в пробах природных и сточных вод методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Введ. 05.03.2006 г. М., 2005. 14 с.
7. Hallberg K.B., Johnson D.B. Passive mine water treatment at the former Wheal Jane tin mine, Cornwall: important biogeochemical and microbiological lessons // Land Contam. and Reclam. 2003. Vol. 11, N 2. P. 213-220.
8. Jarvis A., England A., Mee S. Mine water treatment of Six Bells colliery, South Wales: Problems and solutions, from conception to completion // Land Contam. and Reclam. 2003. Vol. 11, N 2. P. 153-160.
9. Morrison M., Aplin A.C. C-S-Fe geochemistry of a wetland constructed to treat acidic mine waters // Land Contam. and Reclam. 2003. Vol. 11, N 2. С. 239-243.
10. Younger P.L., Jayaweera A., Elliot A. et al. Passive treatment of acidic mine waters in subsurface-flow systems: exploring RAPS and permeable reactive barriers // Land Contam. and Reclam. 2003. Vol. 11, N 2. P. 127-135.
