CC BY
71
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС НА ВОДОЕМ-ОХЛАДИТЕЛЬ
П.А. Гунин, Н.С. Серпокрылов
Южно-Российский государственный технический университет ул. Просвещения, 132, Новочеркасск, Ростовская область, Россия, 346428
Ю.А. Лейкин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева пл. Миусская, 9, Москва, Россия, 125047
Произведен химический анализ и расчет химической нагрузки водоема-охладителя Волгодонской АЭС, определены наиболее агрессивные токсагенты и источники их поступления. Дан прогноз тепловой динамики после введения в эксплуатацию второго энергоблока ВоАЭС. Даны рекомендации по снижению теплового загрязнения и стабилизации экосистемы водоема-охладителя ВоАЭС.
Ключевые слова: водоем-охладитель, ВоАЭС, химическая и тепловая нагрузка, токсаген-ты, агрессивность, экосистема, гидробионты.
При производстве электроэнергии атомными и тепловыми станциями в качестве технологического элемента охлаждения значительных объемов оборотной воды широко используются водоемы-охладители. Поскольку последние чаще всего — зарегулированные водоемы и представляют замкнутые системы, негативное воздействие (тепловое, гидрохимическое) со стороны электрогенерирующей станции рано или поздно проявится в изменении качества воды и экосистемы такого водоема.
Технологические сбросы подогретых вод в водоемах-охладителях (ВО) изменяют продуктивность, трофическую цепь питания, что приводит к ухудшению качества вод и эвтрофицированию водоемов и требует корректировки сложившихся технологий обработки вод. Оценка влияния эксплуатации Волгодонской АЭС (ВоАЭС) на водоем-охладитель основывается на данных гидрохимического анализа и анализа экосистемы.
Водоем-охладитель ВоАЭС (рис. 1) используется для охлаждения технологической воды и является ее источником для бытовых и хозяйственных нужд. С целью определения качества воды и экосистемы водоема-охладителя регулярно проводятся гидрохимические и гидробиологические анализы по определенным точкам, как показано на рис. 1. В ходе анализа данных проводились сравнения показателей в Цимлянское водохранилище (ЦВ), в ВО и отводящем канале, куда сбрасываются сточные воды (СВ) ВоАЭС.
Химический анализ воды в водоеме-охладителе по данным ВоАЭС за 2008 г. (табл. 1—3) показывает повышенное содержании в водоеме-охладителе сульфатов в 4 раза, и меди в 7,4 раз больше ПДКрыб. Динамика химического состояния показывает тенденцию к накоплению сульфатов, хлоритов и меди, а также к повышению общей минерализации.
Рис. 1. Схема точек отбора проб из Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя:
•1 — точки отбора проб гидробионтов; •б — точки отбора для химанализа и замеры температуры; БНС — блочная насосная станция; НДВ — насосная (станция) добавочной воды
Таблица 1
Среднемноголетнее содержание компонентов солевого состава воды в водоеме-охладителе и Цимлянском водохранилище
Место отбора проб Показатели, мг/дм3
Са2+ Мд2+ №+ НСО3 СІ- во4' уи
Цимлянское водохранилище, 300 м от дамбы, левый берег 46,7 ± ± 7,5 24,6 ± ± 5,0 55,9 ± ± 8,2 185 ± ± 23 54,2 ± ± 5,4 92 ± ± 21,6 483 ± ± 59
Цимлянское водохранилище, правый берег 49,0 ± ± 11,4 25,8 ± ± 5,3 55,5 ± ± 7,9 184 ± ± 28 53,6 ± ± 6,3 97,7 ± ± 22,3 494 ± ± 69
Водоем-охладитель, среднее 75,4 ± ± 4,2 75,2 ± ± 4,3 204 ± ± 21 238 ± ± 15 171 ± ± 23 398 ± ± 32 1210 ± ± 55
Превышение в водоеме-охладителе 1,6 3,1 3,6 1,3 3,2 4,3 2,5
ПДКвр 180 40 120 — 300 100 1000
Таблица 2
Среднемноголетнее содержание органических веществ тяжелых металлов и микроэлементов в воде водоема-охладителя и Цимлянского водохранилища
Место отбора проб Показатели, мг/дм3
ХПК БПК5 Нефте- пр-ты Си, 10-3 гп, 10-2 Мп, 10-2 N1, 10-2 Cd, 10-4
Цимлянское водохранилище, среднее 26,6 ± ± 3,4 2,55 ± ± 0,54 41 ± ± 16 20 ± ± 0,9 2,2 15,8 ± ± 16,6 2,1 ± ± 1,0 0,4 ± ± 0,03
Водоем-охладитель, среднее 29,8 ± ± 4,4 2,10 ± ± 0,62 45 ± ± 18 74 ± ± 2,2 2,94 ± ± 0,85 12,1 ± ± 8,2 4,7 ± ± 1,0 0,8 ± ± 0,08
Превышение в водоеме-охладителе 1,1 0,8 1,1 3,7 1,3 0,8 2,2 2,0
ПДКвр 30 2,0 50 1 1 1 1 5
Таблица 3
Динамика химического состава воды в водоеме-охладителе
Год Показатели, мг/дм3
8024 СІ- Медь Цинк Минерализация, Хи
водоем- охладитель Цимлянское водохранилище, вдоль дамбы
1989 420 400
2003 280 145 2,92 2,45 850 400
2004 310 147 3,69 2,56 900 390
2005 330 150 3,5 2,56 950 410
2006 340 155 3,41 2,28 1 000 430
2007 350 165 5,45 2,94 1 100 450
2008 400 170 7,4 2,40 1 210 460
Уровень экологического воздействия ВоАЭС на экосистему водоема-охладителя можно определить через показатель контроля биосферы (КБ), равного отношению концентрации компонента к его ПДК и индекса загрязнения воды (ИЗВ), равного отношению суммы КБ учитываемых компонентов к их количеству. Показатели качества воды в Цимлянском водохранилище и водоеме-охладителе в 2008 г. приведены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели качества воды в Цимлянском водохранилище и водоеме-охладителе в 2008 г.
(г/дм3)
Вещество Конц ЦВ Конц ВО ПДК ВР КБ ЦВ КБ ВО
Взвешенные в-ва 5,3 8,5 0,75 7,010 11,330
Си2+ 0,0028 0,0072 0,001 2,800 7,200
во4- 92 398 100 0,920 3,980
Мд2+ 24,6 75,2 40 0,615 1,880
N8+ 55,9 204 120 0,466 1,700
уи 483 1 210 1000 0,483 1,210
БПК 2,55 2,1 2 1,275 1,050
ХПК 26,6 29,8 30 0,887 0,993
N44 0,28 0,41 0,5 0,560 0,820
Нефтепродукты 41 45 50 0,820 0,900
С1- 54,2 171 300 0,181 0,570
Са2+ 46,7 75,4 180 0,259 0,419
исо|- 34 18 50 0,680 0,360
Zn2+ 0,0022 0,003 0,01 0,220 0,300
N02" 0,006 0,003 0,02 0,300 0,150
N01- 0,65 0,71 9,1 0,071 0,078
КБ 17,55 32,94
ИЗВ 1,097 2,059
ИЗВ доп 0,88
Расчет ИЗВ в водоеме-охладителе и его превышение по сравнению с Цимлянским водохранилищем для 2001—2008 гг. позволил построить графики значений ИЗВ. Сравнение значений ИЗВ показывает, что количество токсагенов в Цимлянском водохранилище колеблется незначительно, а в водоеме-охладителе имеется явная тенденция к увлечению химической нагрузки (рис. 2).
Рис. 2. Химическая нагрузка для Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя 2001—2008 гг.
Для определения агрессивности токсагенты были разделены на две группы:
1) взвешенные вещества, ХПК, БПК, Ш2-, КН-, КО-, КРО4-, Ре2+, Mg2+, Са2+;
2) Си2+, БО^-, £и — общая минерализация, Zn2+, С1 -. Для двух групп составлены
графики сезонного изменения. Для первой группы характерно резкое возрастание химической нагрузки в весенний и осенние периоды. Химическая нагрузка во второй группе носит постоянный характер, и колебания незначительны.
Наибольшей агрессивностью в химической нагрузке водоема-охладителя обладают взвешенные вещества, медь, сульфаты и нитраты. Для определения динамики изменения агрессивности произведено сравнение показателей в 2003 и 2008 гг., представленные на рис. 3. Из рисунка 3 видно, что в 2008 г. по сравнению с 2003 г. увеличилось содержание меди, нитратов и взвешенных веществ в отводящем канале.
%
100
80
60
40
20
2003
1 * щ
ЦВ
СВ
во
ные в-ва
Взвешен- д Медь □ Сульфаты щ Нитраты
Рис. 3. Доля токсагентов в воде ЦВ, ВО и отводящего канала (СВ)
Для определения источников поступления основных токсагентов были проанализированы сезонные данные изменения их концентраций в Цимлянском водохранилище, водоеме-охладителе и СВ. Содержание взвешенных веществ в СВ достигает максимума в апреле—июне — в период, который не связан с паводком (рис. 4). Содержание сульфатов в СВ выше фонового и практически не колеблется (рис. 5), поэтому источник их поступления связан с эксплуатацией ВоАЭС.
янв фев март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек среди
-цв —□— во —л—св —щ-пдк
Рис. 4. Содержание взвешенных веществ в водных объектах
мг/л
500
400
300
200
100
0
—□ □— и
—д
иг~
/Г- ^ „ Жт -
янв фев март апр май —Ф—ЦВ июнь ИЮЛЬ —с^во - авг сент окт нояб — св —пдк дек средн
Рис. 5. Содержание сульфатов в водных объектах
Содержание нитратов в отводящем канале подвержено сезонным изменениям, связанными с паводком (весной) и осадками (осенью), поэтому источник их поступления не связан с эксплуатацией ВоАЭС (рис. 6).
Рис. 6. Содержание нитратов в водных объектах
Поступление меди в водоем-охладитель на протяжении 2001—2008 гг., как показано выше, связано с ее вымыванием из медного конденсатора второго контура, а резкий скачок концентрации меди в водоеме-охладителе в 2008 г. (рис. 7) связан с проведением планово-предупредительного ремонта, когда производилась очистка каналов конденсатора.
янв фев март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек ■ЦВ —О—ВО —й— СВ —Ц-ИДК Рис. 7. Концентрация меди в водных объектах в 2008 г.
Таким образом, поступление взвешенных веществ в водоеме-охладителе обусловливается неэффективностью очистки ливневой канализации: повышение общей минерализации, содержания сульфатов и хлоридов в водоеме-охладителе происходит за счет стоков химводоочистки ВоАЭС, а поступление меди связано с ее технологическим вымыванием из оборудования ВоАЭС. Поступление нитратов в водоем-охладитель происходит от источников, не связанных с эксплуатацией ВоАЭС. Можно констатировать, что наибольшую часть дополнительных загрязнений в водоем-охладитель вносит эксплуатация ВоАЭС. По значению ИЗВ для Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя эти водоемы можно отнести к умеренно загрязненным.
Для определения расчетных значений концентраций токсагентов в водоеме-охладителе было составлено следующее уравнение материального баланса:
с+1 _ c0 + w С + W С + W С - W Сi
'-'ВО ''ВО СВ СВ СВ СВ П ЦВ "ф'-'ВО’
где , СВО, С£О, ССВ, Сцд — соответственно начальная, текущая, расчетная концентрация в водоеме-охладителе, концентрации в сточной воде отводящего канала и Цимлянского водохранилища.
На примере содержания сульфатов в водоеме-охладителе построены графики значений концентраций по данным замеров и расчетные с учетом и без учета испарения. Все три графика имеют хорошую сходимость результатов в пределах погрешности в 10% (рис. 8).
янв фев март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек ■ Данные замеров —□— Расчетные —&— Расчетные + испарение
Рис. 8. Содержание сульфатов в водоеме-охладителе по материальному балансу
Для определения теплоотдачи ВО и изменения ее при различных нагрузках со стороны ВоАЭС при эксплуатации одного и двух энергоблоков были получены уравнения теплового баланса. При этом учитывались следующие источники поступления тепла в водоем-охладитель: а) приход тепла с водами хозбытовой канализации и технологическими водами Волгодонской АЭС — Qт; б) приход тепла с солнечной радиацией Qр. Кроме этого необходимо отметить следующий расход тепла из водоеме-охладителе: а) подпитка водоема-охладителя из Цимлянского водохранилища — Qцв; б) испарение воды с поверхности водоема-охлади-
теля — Qи; в) фильтрация нагретой воды через плотину — Qф; г) теплообмен с дном — QI,
В качестве пограничных условий можно принять предельно допустимую по поверхности температуру воды для географической широты 48° в соответствии с РД-52.26-161-88, равную 29,7 °С.
Уравнение теплового баланса водоема-охладителя будет выглядеть следующим образом:
&о(о = шо + Ор(о - ^в(о - шо - Qи(t) - шо - Qф(t) - Qгв(t) + с(й
где Qс(t) — приход тепла с осадками и стоком, Qи(t) и Qк(t) — соответственно теплообмен с испарением и конвекцией, Qтв(t) —теплообмен с грунтом, £(0 — невязка.
Тепловая динамика рассчитывалась на основе данных водного баланса, метеорологических данных и данных замера температуры воды по месяцам. Тепловое загрязнение рассчитывалось как QВo(0. При работе двух блоков увеличивается сброс подогретых вод, за счет этого увеличивается тепловое загрязнение, соответственно средняя температура водоема-охладителя 1ср. Значения 1ср получены как прямая пропорция между QВo для 1-го и 2-го блоков. Прирост 1ср для двух блоков — это разность между 1ср для 2-го и для 1-го блоков. Значения ожидаемого прироста температур приведем в табл. 5.
Таблица 5
Прирост средней температуры водоема-охладителя при работе двух блоков
Месяц О^ї) 1 блока, ТДж/мес. А иш Гср, °С ОТШ 2 блока, ТДж/мес. Аї или Гср, °С Прирост температуры, °С
Декабрь 355,5 2,3 711 4,3 2
среднее 329,5 2,5 659 4 1,5
Июль 355,5 26,8 711 28,8 2
лето, 2бл 579,6 27,5 1 159,2 30 3,5
Анализ теплового состояния водоема-охладителя показал значительное тепловое воздействие ВоАЭС. При работе двух блоков тепловое загрязнение увеличивается на 50%. Средняя температура водоема-охладителя увеличивается в среднем в год на 1,5 °С, а при максимальной нагрузке в летние месяцы температура увеличивается на 3,5 °С по сравнению с работой одного блока. Это приведет в летние месяцы к средней температуре воды 30 °С, что выше установленной предельно допустимой по поверхности температуру воды для географической широты 48° в 29,7 °С.
Данные ВоАЭС по тепловому режиму водоема-охладителя за 2008 г. показывают, что уже при работе одного энергоблока средняя температура воды в водоеме-охладителе почти достигает предельно допустимых значений (рис. 9). Следовательно, для 2-го энергоблока возрастает необходимость решения отвода избыточного тепла.
янв фев март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек средн.
Месяцы
-ф- Цимлянское -И-Водоем-охладитель -±- Отводящий — Предельный
водохранилище канал водоема- уровень
охладителя
Рис. 9. Температурный режим водных объектов в 2008 г.
Значения термического загрязнения ВоАЭС в долях, показывают, что максимум приходится на холодные месяцы (рис. 10).
Доли
01 /Офон 02/0фон -а- Офон/Оср
Рис. 10. Температурная нагрузка и минимальные температуры воды
Таким образом, гидрохимический и тепловой анализ показывают хорошую сходимость результатов с экспериментальными замерами искомых значений и показывают значимое воздействие ВоАЭС на ВО.
Как показывают данные гидробиологического анализа (табл. 6), имеется раз-балансированность трофических связей, высокая продуктивность анаэробов экосистемы водоема-охладителя по сравнению со сложившимся сообществом в Цимлянском водохранилище, что требует разработки технологических решений по обеспечению устойчивости экосистемы водоема-охладителя в условиях постоянного поступления в него подогретой воды. В таблице 6 показано значение варьирования биомассы как отношение содержание гидробионтов водоема-охладителя к фоновому значению (Цимлянское водохранилище). Индекс изменения экосистемы определялся как отношение биомасс показательных трофических уровней: биомассы рыбы травоядной к биомассе фитопланктона.
Таблица 6
Содержание гидробионтов в водоеме-охладителе и Цимлянском водохранилище
Группа гидробионтов Водоем-охладитель Цимлянское водохранилище Размах варьирования
Бактериопланктон 1,61 1,24 0,3
Фитопланктон 13,5 21,16 -0,4
Зоопланктон 0,116 0,034 2,4
Зообентос 27,05 15 0,8
Биообрастания 140,1 16,8 7,3
Макрофиты 732,8 952,6 -0,2
Рыба травоядная 32,26 100 -0,7
Рыба хищная 15,74 12 0,3
ИТОГО 963,18 1 058,83 -0,1
Индекс изменения 0,42 0,21
Выстраивание трофической цепи показывает избыток хищной рыбы и особенно зообентоса и биообрастаний, что приводит к необходимости стабилизации экосистемы (рис. 11). В связи с пуском ВоАЭС видовой состав высшей водной растительности изменился незначительно. Площадь зарастания водоема-охладителя составила в 2002 г. 11,36 км (70,6%), т.е. уменьшилась по отношению к 1999 г. в 1,3 раза. Индекс сапробности позволяет отнести исследуемую водную систему к в-мезосапробному составу и умеренно загрязненным водоемам.
Хищная рыба (15,36)
Редуценты:
бактерио-
планктон
(1,61)
Растительноядные (32,75): Питающиеся детритом (167,15):
зоопланктон (0,116), зообентос (27,05),
трав, рыба (32,64) биообрастания (140,1)
Продуценты (238,36): макрофиты (217,2), фитопланктон (21,16)
Рис. 11. Пирамида биомасс. Содержание групп в г/м
Более наглядно превышение отдельных групп гидробионтов в водоеме-охладителе по сравнению с Цимлянским водохранилищем представлено на рис. 12.
Рис. 12. Сравнение биомасс гидробионтов
Таким образом, можно констатировать, что для мелководного водоема в степной климатической зоне в условиях техногенного подогрева воды, развитие организмов и зарастание растительностью, является нормой. При работе двух блоков с увеличением подогрева воды экосистема становится нестабильной, могут исчезнуть отдельные виды, что приведет к разбалансировке движения вещества и энергии в экосистеме. В конечном итоге это может привести к вырождению экосистемы.
Одной из ключевых проблем, выявленных в ходе анализа водоема-охладителя, является его термическое загрязнение. По нашему мнению, оптимальным вариантом снижения тепловой нагрузки является строительство и введение в эксплуатацию градирни. На ВоАЭС предполагается введение в эксплуатацию 3-го и 4-го энергоблоков, проектом строительства которых предусмотрена эксплуатация градирен. На каждый новый энергоблок предполагается строительство градирни с естественной тягой, площадью орошения 10 000 м , расходом воды 122,5 тыс. т/ч, высотой 150 м. Две подобные градирни установлены на Калининской АЭС (Тверская область).
Рекомендации по снижению химического воздействия, а именно предварительной обработки стока химического цеха заключаются в применении мембранной фильтрации — достаточно дешевой и эффективной технологии. Кроме того, необходимо усовершенствование очистки ливневой канализации, а для исключения поступления меди в водоем-охладитель необходима замена медного конденсатора на титановый, как это сделано для строящегося 2-го блока ВоАЭС.
Рекомендации по необходимости выстраивания трофической сети путем искусственного внесения хищных и детритоядных рыб для предотвращения эфтро-фикации водоема-охладителя: белый толстолобик — 20 т, белый амур — 20 т, пиленгас — 52 т. Также необходимо вселение штамма ИФР № С-111 Chlorella vulgaris — биоингибитора развития сине-зеленых водорослей, зарекомендовавший себя в Волгоградском и Цимлянском водохранилищах.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Оценка воздействия на окружающую среду. Энергоблоки 1—4. Т. I—X: Атомэнерго-проект (Арх. № А-94338 пм). — Н. Новгород, 2008.
[2] Гидрохимические показатели состояния окружающей среды: справочные материалы / Под ред. Т.В. Гусевой. — М.: Социально-экологический Союз, 2000.
[3] Отчет по теме «Выполнение работ по проведению анализа состояния экосистемы водоема-охладителя Волгодонской АЭС (мониторинг водоема-охладителя Волгодонской АЭС: гидрохимический, гидробиологический, ихтиологический) с выдачей рекомендаций по биомелиорации на 2007 год. — Ростов н/Д, 2006.
[4] Ростовская АЭС. Проект. Оценка воздействия на окружающую среду (Доработанный по замечаниям и предложениям Госэкспертизы Минприроды РФ): Т. III: Атомэнерго-проект (Арх. № А-65288). — Н. Новгород, 1999.
THE ANALYSIS OF INFLUENCE VOLGODONSK NPP ON A RESERVOIR-COOLER
P.A. Gunin, N.S. Serpokrylov
The Southern-Russian state technical university
Prosvechenia str., 132, Novocherkask, Rostovskay obl., Russia, 346428
J.A. Leykin
D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia
pl. Miusskay, 9, Moscow, Russia, 125047
The chemical analysis, the analysis ecosystem is made and calculation reservoir-cooler chemical loading of the Volgodonsk atomic power station, the most aggressive toxic agent are determined and sources of their receipt. The forecast of thermal dynamics after introduction in operation of second power unit VoNPP is given. Recommendations on decrease of thermal pollution and stabilization ecosystem reservoir-cooler VoNPP are given.
Key words: Reservoir-cooler, VoNPP, chemical and thermal loading, toxic agent, aggression, ecosystem, hydro organisms.
