CC BY
50
УДК 543.3:622.33
doi 10.24411/2221-0458-2020-10046
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ШАХТНЫХ ВОД В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ ПО ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Хомушку Д.Э., Шойнуу А.Б., Кашкак Е.С., Ондар У.В., Ондар С.О.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
CHEMICAL ANALYSIS OF SURFACE AND MINE WATERS IN THE AREA OF COAL PRODUCTION ENTERPRISE
D.E. Khomushku, A.B. Shoynuu, Ye.S. Kashkak, U.V. Ondar, S.O. Ondar Tuvan State University, Kyzyl
Определяющее значение в загрязнении водной среды имеет деятельность промышленных предприятий, в том числе предприятий горнодобывающей отрасли, которые сбрасывают промышленные отходы деятельности в реки. В связи с этим на современном этапе актуальным является мониторинг состояния поверхностных и подземных вод вблизи этих предприятий. В работе был изучен физико-химический состав поверхностных и шахтных вод Межегейского угольного месторождения. Высокой цветностью и мутностью обладают пробы воды, отобранные на выходе из шахты, а также из реки Могой. По катионному составу в пробах исследуемых вод содержание ионов аммония незначительно превышает предельно-допустимую концентрацию (ПДК), однако,
-т 2+ т- 3+
содержание ионов железа Fe и Fe имеет высокие значения, во много раз превышающие предельно-допустимые значения. По анионному составу в шахтных водах наблюдается более высокое содержание гидрокарбонат-, хлорид-, нитрат-ионов, чем в поверхностных водах, но не превышающее ПДК.
Ключевые слова: Межегей, угледобывающая промышленность, мониторинг, анионы, катионы, поверхностные воды, шахтные воды, предельно-допустимая концентрация
The activities of industrial enterprises, including mining enterprises, play the decisive role in the pollution of the aquatic environment, dump industrial products of which waste rivers. In this regard, at the present stage, monitoring of the state of surface and groundwaters near these enterprises is relevant. In the course of the work, the physicochemical composition of the
surface and mine waters of the Mezhegei coal deposit was studied. A sample of water taken from the Mogoy River has high chromaticity and turbidity. According to the cationic composition in the samples of the studied waters, the content of ammonium ions slightly exceeds the maximum
2 3
permissible concentration (MPC), however, the content of iron ions Fe + and Fe + has high values, many times exceeding the maximum permissible value. Anionic composition: in mine waters there is a high content of hydrocarbonate, chloride, and nitrate ions than in surface waters, but not exceeding the MPC.
Keywords: Mezhegey; coal mining; monitoring; anions; cations; surface waters; mine waters; maximum permissible concentration
Угледобывающая промышленность, занимающая одно из лидирующих мест среди отраслей промышленности, оказывает негативное воздействие на окружающую среду: наблюдается изменение ландшафтов, загрязнение воздушного бассейна и водных объектов, нарушается почвенный покров. В настоящее время в Туве действует немало промышленных предприятий, в частности ООО «Межегей уголь», которое занимается добычей угля на Меже-гейском угольном месторождении. Эксплуатация месторождения началась с 2013 года. Оно находится в 35-40 км к юго-западу от г. Кызыла и входит в состав Улуг-Хемского угольного бассейна.
Добыча углей на Межегейском угольном месторождении ведется подземным способом. Для понижения уровня подземных вод в пределах горного отвода пробурен ряд водопонижающих скважин, из которых
откачивается вода и сбрасывается на рельеф. Вода чистая и не причиняет вреда почвенному покрову. Но при прохождении через шахту образуются шахтные воды, загрязненные нефтепродуктами, угольной пылью, которые откачиваются и без какой-либо очистки сбрасываются напрямую в р. Межегей [1, с. 47].
Таким образом, значительное загрязнение водоемов происходит за счет шахтных вод и отвалов сухой породы. Таким образом, данная работа важна тем, что позволяет нам оценить качество воды местных водоемов и возможность их хозяйственного и рекреационного использования.
Целью данной работы является проведение физико-химического анализа поверхностных и шахтных вод на территории Межегейского угольного месторождения.
Объекты и методы исследования пределах Межегейского угольного
Объектами исследования служили месторождения (см. Таблица 1).
поверхностные и шахтные воды в
Таблица 1 - Опорные точки отбора проб поверхностных и шахтных вод
№ точки отбора проб Место отбора Тип воды
1 Река Дурген Поверхностный
2 Река Шанган Поверхностный
5.1 Южный промышленный сток шахтных вод (пробу отбирали из люка специальной трубы, по которой течет шахтная вода и впадает в реку) Шахтный
5.2 Южный промышленный сток шахтных вод (пробу отбирали на месте впадения шахтной воды в русло р. Межегей) Шахтный
6 Река Могой Поверхностный
7 Река Элегест Поверхностный
Пробы воды отбирали в марте 2019 г. в соответствии с требованиями ГОСТ 31861-2012 «Вода. Общие требования к
Рисунок 1 - Космический снимок района исследований. Точки №1, 2, 5, 6, 7 для наблюдения состояния поверхностных и шахтных вод (по материалам доклада С.О. Ондар «Опыт комплексного биологического мониторинга с использованием индикаторных групп организмов», 2017 год)
Общую жесткость, содержание ионов кальция, магния, гидрокарбонат-, хлорид-ионов определяли титриметрическим методом по соответствующим ГОСТам. Кислотно-основные свойства воды определяли потенциометрическим
методом. Содержание сульфат-, нитрат-
отбору проб». На рисунке 1 нанесены точки отбора проб и наблюдений.
Рисунок 2. Шахтные воды сбрасываются в р. Межегей (Точки отбора № 5.2 и 5.3)
ионов и общего железа определяли спектрофотометрическим методом также в соответствии с ГОСТ.
Анализ проб воды выполнялся на базе аккредитованной Лаборатории физико-химических методов анализа Тувинского государственного университета.
Результаты исследования и их обсуждение
Река Межегей протекает в непосредственной близости от южной границы угольного месторождения в северо-западном направлении.
На рисунке 2 показан Южный промышленный сток шахтных вод, который представляет собой место сброса
Таблица 2 - Физико-химич
шахтных вод на южной части технологической площадки.
В таблице 2 приведены результаты физико-химических исследований шахтной воды. Сравним их с нормативами ПДК очищенной сточной воды, поступающей в водоем рыбохозяйственного назначения.
характеристика проб шахтной воды
Показатели Полученные данные ПДК очищенной сточной воды, поступающей в водоемы РХВ
Точка № 5.1 Точка № 5.2
Цветность, градусы 65,26 59,62 20
Мутность, ЕМФ 21,25 5,50 -
рН 8,20 7,73 6—9
Жесткость, ммоль 2,07 1,6 -
Са2+, мг/л 9,29 8,07 180
Mg2+, мг/л 44,80 33,94 40
HCO3-, мг/л 123,32 88,91 -
Cl-, мг/л 37,99 26,17 300
SO42-, мг/л 14,53 13,14 100
NO3-, мг/л 1,65 4,55 40
NH4+, мг/л 1,12 0,67 0,5
^Собщее, мг/л 0,12 3,9 0,05
Исследования показали, что шахтные воды имеют высокую цветность, равную 65,26 и 59,62 соответственно. Это, вероятно, связано с соединениями железа, придающими им бурую окраску и значительным содержанием глинистых включений. Проба воды из точки 5.1, отобранной непосредственно из специальной трубы, по которой течет шахтная вода, имеет большую, в 4 раза превышающую, мутность (21,25 ЕМФ), чем проба воды (5,50 ЕМФ), отобранной на
Прим. РХВ -рыбохозяйственное водопользование
месте впадения шахтной воды в реку. Следует отметить, что откачивают шахтные воды в водоемы обычно по несколько раз в сутки. Поэтому под их влиянием сильно возрастает мутность поверхностных вод. Кислотно-основные свойства шахтных вод (рН = 8,20 и 7.73) удовлетворяют установленным требованиям, предъявляемым для водоемов рыбохозяйственного водопользования (РХВ). По величине жесткости исследуемые шахтные воды являются мягкими. Содержание ионов
магния в пробах шахтной воды (44,80 и 33,94) значительно больше, чем ионов кальция (9,29 и 8,07). Важно подчеркнуть, что в каждой пробе шахтной воды концентрация общего железа и ионов аммония (сумма ионов Бе2+ и Бе3) превышает ПДК. Повышение содержания ионов Бе2+ и Бе3+ в пробах воды можно
труб, по которым течет шахтная вода. По содержанию анионов в пробах шахтной воды преобладают гидрокарбонат-ионы.
Поверхностные воды в пределах Межегейского угольного месторождения
Межегейское месторождение
располагает разветвленной сетью преимущественно мелких водоемов, сток которых аккумулируется более крупными водоемами: Элегест и Межегей [2, с. 7].
объяснить развитием окислительных процессов в горных выработках и вероятностью попадания из материала
Таблица 3 - Физические показатели качества проб поверхностных вод
№ точки Название точки рН Цветность, градусы Мутность, ЕМФ
1 Река Дурген 7,88±0,20 43,08±8,62 9,43±1,32
2 Река Шанган 7,99±0,20 72,69±7,27 13,50±1,89
6 Река Могой 7,80±0,20 100,00±10,00 36,50±5,11
7 Река Элегест 7,91±0,20 46,15±9,23 9,30±1,30
В таблице 3 приведены данные физико-химической характеристики поверхностных вод в районе угольного разреза. Значение рН в анализируемых пробах варьирует в пределах от 7,80 до 7,99, что соответствует требованиям к составу и свойствам воды водоемов, согласно которым значения рН равны 6,5-8,5. Цветность исследуемых проб по хром-кобальтовой шкале находится в интервале от 43 до 100 градусов цветности, причем, высокая цветность наблюдалась в пробах воды реки Могой. Это можно объяснить тем, что весной в период половодья и паводков в исследуемой воде увеличилось содержа-
ние гуминовых кислот, а также соединений железа. Самой мутной оказалась также проба воды из реки Могой, что обусловлено увеличением содержания взвешенных в воде нерастворимых или коллоидных частиц органического и минерального происхождения в период половодья и паводков.
Все воды относились к мягким водам, в которых общая жесткость меньше 4. Жёсткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года: она максимальна в конце зимы, минимальна - в период паводка. В подземных водах жёсткость обычно выше и меньше
изменяется в течение года [3, с. 76]. Вероятно, по этой причине наибольшая жесткость наблюдается в пробе шахтной воды, равная 2,07 ммоль/л.
В поверхностных водах постоянно присутствуют ионы кальция и магния, основным источником поступления
которых в воду является растворение пород, содержащих известняки, доломит, гипс, сложные алюмосиликаты [4, с. 9]. Во всех исследуемых пробах воды преобладают ионы магния, что связано с лучшей растворимостью в воде солей магния (см. Рисунок 3).
2,5
ч
л 2
4 2 о
2 1 *
5 1,5
1
<и К К eö
IP 0,5 +-
(U
° 0
О
1,85
1,258
0,59
т.1
1,92
1,648
0,268
т.2
1,167
0,39
1,56 1,453
ионы магния I ионы кальция 1,73 ■ Жесткость общая
0,281
т.6
т.7
Рисунок 3 - Общая жесткость, содержание кальция и магния, ммоль/л
5
Из литературных данных известно, что большая часть (около 80%) поверхностных вод относится к гидрокарбонатному классу, так как среди главных анионов в них преобладают гидрокарбонаты [3, с. 77]. Концентрация гидрокарбонат-ионов в исследуемых пробах воды варьирует от 81,02 до 94,64 мг/л (см. Рисунок 4). Это позволяет отнести исследуемые поверхностные воды к гидрокарбонатным водам.
Хлорид-ион - важнейший показатель минерализации природных вод. В речных водах и водах пресных озер их содержание колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а иногда тысяч милли-
граммов на литр [3, с. 78]. Проведенные исследования показали, что содержание хлорид-ионов незначительно, следовательно, исследуемые поверхностные воды нельзя относить к хлоридному классу вод.
Сульфат-ионы присутствуют практически во всех поверхностных и подземных водах и относятся к важнейшим анионам, определяющим качество и класс вод. Главным источником сульфат-ионов в поверхностных водах являются процессы растворения серосодержащих минералов (в основном гипса) и окисления сульфидов и серы. Значительные количества сульфатов также поступают в водоемы с подземным стоком и в процессе отмирания организмов
и окисления наземных и водных веществ поверхностных водах превышение
растительного и животного происхож- предельно допустимой концентрации
дения. Анализ полученных нами данных сульфат-ионов не установлено. показывает (см. Рисунок 5), что в
100 -г94,64 89,62 91,74 80
""Ei
<и К К
а
*
СР <и
о О
60 40
81,02
20 10,6 0
16,1
13,57
I гидрокарбонат-ион
I хлорид-ион
I I
10,07
т.1 т.2 т.6 т.7 Рисунок 4 - Содержание гидрокарбонат- и хлорид-ионов, моль/л
ч
400 300
1 200 сЗ
Ц 100
<и
ч
° 0 О 0
300
58,66
2 16,45 14,53 13,14 ^ 13,56
12,72
т.1 т.2 т.5.1 т.5.2 т.6 т.7 ПДК Рисунок 5 - Содержание сульфат-ионов, моль/л
Нитрат-ионы относятся к распространенным загрязнителям поверхностных и подземных вод. Проведенное нами исследование показало, что содержание нитрат-ионов в речной воде находится в пределах от 1,17 до 3,53 мг/л, что не превышает предельно допустимого значения.
По результатам исследования (см. Рисунок 7) содержание ионов аммония в пробах поверхностных вод незначительно превышает ПДК, однако, содержание ионов
железа имеет высокие значения по сравнению с ПДК. Наибольшее значение содержания ионов железа наблюдается в пробе воды из реки Могой (1,3 мг/л). Причиной этому может быть болотистая низменность, по которой течет река Могой и водная растительность в реке. В болотных водах ионы железа находятся в виде комплексов с солями гуминовых кислот - гумататов [3, с. 82].
50
* 40
""Й g30
^ 20 a
<D
4 д 10
45
1,19
т 1
3,41
1,17
3,53
т 2 т6 т7 ПДК
Рисунок 6 - Содержание нитрат-ионов, моль/л
0
.4 -
&
и п о U
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
1,3
0,59,5 0,50,5 0,| ^
°.i9 0,21 0-ill I
0,05 0,05 0,13 0,05 0,05
NH4+ ПДК NH4+ I Ееобщ ПДК Ееобщ
т. 1
т.2
т.6
Рисунок 7 - Содержание Выводы
Физико-химические показатели проб шахтной воды сравнивали с ПДК очищенной сточной воды, поступающей в водоемы рыбохозяйственного водопользования. Все показатели, кроме цветности, ионов железа и аммония, находятся в пределах допустимого значения. Содержание ионов аммония незначительно превышает ПДК, а содержание ионов железа в пробе шахтной воды из точки 5.2 оказалось в 78 раз больше ПДК.
По результатам проведенного исследования поверхностных вод наибольший интерес вызвала проба воды из реки Могой. Поскольку, в этой пробе
т.7
ионов аммония и железа, мг/л наблюдались высокая цветность и мутность, высокое содержание ионов железа (1,3 мг/л), в 26 раз превышающее ПДК и большее по сравнению с другими пробами содержание сульфат-ионов, но не превышающее предельно допустимого значения. Однако, в этой же пробе наблюдается наименьшее содержание ионов аммония, в то же время остальные пробы имеют значения, превышающие ПДК.
Итак, из проведенной работы можно сделать вывод, что водный бассейн в пределах Межегейского угольного месторождения подвергается загрязнению ионами железа, поскольку, во всех пробах наблюдалось содержание ионов железа,
превышающее ПДК. Результаты исследования могут быть использованы для разработки рекомендаций по обеспечению
Библиографический список
1. Кальная, О. И. Комплексный анализ экологических проблем горнодобывающих предприятий Тувы / О. И. Кальная. - Текст : непосредственный // Региональная экономика : технологии, экономика, экология и инфраструктура : материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию ТувИКОПР СО РАН.— Кызыл, 2015.—44-52 с.
2. Чаш-оол, Н. Н. Химический анализ воды в пределах Межегейского угольного месторождения / Н. Н. Чаш-оол, Н. И. Соднам. -Текст : непосредственный // Научные труды Тувинского государственного университета. Материалы ежегодной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов ТувГУ, посвященной 65-летнему юбилею высшего педагогического образования в Туве и 95-летию становления Тувинской народной республики. — Кызыл, 2016. - С. 7-8.
3. Перистая, Л. Ф. Химико-экологическая и гигиеническая оценка воды природного парка «Нижеголь» / Л. Ф Перистая, И. В. Индина, В. А. Перистый, Ю. Н. Козырева. - Текст : непосредственный // Научные ведомости Белгородского государственного университета.—№ 21. Вып.17.—Белгород, 2011.—75-84 с.
4. Сагар, А. А. Химический анализ поверхностных и
шахтных вод территории Межегейского угольного месторождения / А. А Сагар, Е. С. Кашкак, У. В. Ондар. - Текст : непосредственный // Научные труды Тувинского государственного университета. Материалы ежегодной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов ТувГУ, посвященной Году экологии в Российской Федерации и Году молодежных инициатив в Туве. — Кызыл, 2017.—203-204 с.
5. Ондар, С. О. Опыт комплексного биологического
мониторинга с использованием индикаторных групп организмов / С. О. Ондар, В. И. Забелин, В. И. Путинцев, Н. А. Кирова, Ч. Д. Назын, Е. Э.
экологической безопасности водного
бассейна изучаемой территории.
Ондар, У. В. Ондар, А. О. Очур-оол, Н. Н. Чаш-оол, А. А. Сагар, А. М. Ооржак // Научные труды Тувинского государственного
университета. Материалы ежегодной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов ТувГУ, посвященной Году экологии в Российской Федерации и Году молодежных инициатив в Туве.—Кызыл, 2017.— 9-20 с.
References
1. Kalnaya O.I. Kompleksnyj analiz jekologicheskih problem gornodobyvajushhih predprijatij Tuvy [A comprehensive analysis of mining environmental issues in Tuva // O.I Kalnaya]. Regional economy: technologies, economy, ecology and infrastructure. Materials of the International scientific-practical conference dedicated to the 20th anniversary of Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS. Kyzyl, 2015, 44-52 p. (In Russian)
2.Chash-ool N.N. and Sodnam N.I. Himicheskij analiz vody v predelah Mezhegejskogo ugol'nogo mestorozhdenija [Chemical analysis of water within the Mezhegey coal field]. Scientific works of Tuvan State University. Materials of the annual scientific and practical conference of teachers, employees and post-graduate students of TuvSU, dedicated to the 65th anniversary of higher pedagogical education in Tuva and the 95th anniversary of the formation of the Tuvan People's Republic. Kyzyl, 2016, p. 7-8. (In Russian)
3. Peristaya L.F. at al. Himiko-jekologicheskaja i gigienicheskaja ocenka vody prirodnogo parka «Nizhegol'» [Chemical and ecological as well as hygienic estimation of water of the Nezhegol natural park]. Scientific papers of Belgorod State University, no. 21, rel.17. Belgorod, 2011, p. 75-84. (In Russian)
4. Sagar A.A. et al. Himicheskij analiz poverhnostnyh i shahtnyh vod territorii Mezhegejskogo ugol'nogo mestorozhdenija [Chemical analysis of surface and mine water in the territory of the Mezhegey coal deposit]. Scientific works of Tuvan State University. Materials of the annual scientific and practical conference of teachers, employees and post-
graduates of TuvSU, dedicated to the Year of Ecology in the Russian Federation and the Year of Youth Initiatives in Tuva. Kyzyl, 2017, p.203-204. (In Russian)
5. Ondar S.O. et al. Opyt kompleksnogo biologicheskogo monitoringa s ispol'zovaniem indikatornyh grupp organizmov [Experience in integrated biological monitoring using indicator
groups of organisms]. Scientific works of Tuvan State University. Materials of the annual scientific and practical conference of teachers, employees and postgraduates of TuvSU, dedicated to the Year of Ecology in the Russian Federation and the Year of Youth Initiatives in Tuva. Kyzyl, 2017, p. 9-20. (In Russian)
Хомушку Долана Эрес-ооловна - ассистент кафедры химии, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: dolana_t@mail.ru
Шойнуу Анай-Кара Баз-ооловна - преподаватель кафедры химии, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: anakara17@mail.ru
Кашкак Елена Сергеевна - кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры химии, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: klselen@yandex. ru
Ондар Урана Владимировна - кандидат химических наук, доцент кафедры химии, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: naukatuvsu@mail.ru
Ондар Сергей Октяевич - доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и экологии, Тувинский государственный университет, г. Кызыл, e-mail: ondar17@yandex.ru
Dolana E. Khomushku - Assistant at the Department of Chemistry, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: dolana_t@mail.ru
Anay-Kara B. Shoynuu - Lecturer at the Department of Chemistry, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: anakara17@mail.ru
Yelena S. Kashkak - Candidate of Biological Sciences, Senior Lecturer at the Department of Chemistry, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: klselen@yandex.ru
Urana V. Ondar - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor at the Department of Chemistry, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: naukatuvsu@mail.ru
Sergey O. Ondar - Doctor of Biological Sciences, Professor at the Department of Biology, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: ondar17@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 10.10.2020
