Химический состав снегового покрова в зоне влияния промышленных предприятий: источники загрязнения и формы переноса элементов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ:

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ФОРМЫ ПЕРЕНОСА ЭЛЕМЕНТОВ

Наталия Викторовна Юркевич

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Ольга Петровна Саева

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, ведущий инженер, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Елизавета Павловна Бессонова

Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-30-86, e-mail: [email protected]

Светлана Борисовна Бортникова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, профессор,

тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected] Наталья Александровна Абросимова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, младший научный сотрудник, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Анна Юрьевна Девятова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Приводятся результаты исследования геохимических аномалий в фильтратах снеготалой воды около ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-5 и Новосибирского Оловокомбината в сравнении с химическим составом газоконденсатов, полученных при сжигании углей. Показано, что распределение элементов Cr, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, Sn в снеговом покрове в районе ТЭЦ-2, 3, 5 совпадает с распределением в угольных газоконденсатах. Аномалии As, Sn, Cd в снеговом покрове в районе Оловокомбината обусловлены спецификой производства. Концентрации всех рассматриваемых элементов, за исключением As, Sb, в снеговом покрове около ТЭЦ-5 практически не превышают фоновых значений.

Ключевые слова: геохимические аномалии, снег, ТЭЦ, уголь, химические элементы, формы переноса.

THE CHEMICAL COMPOSITION OF THE SNOW COVER IN INDUSTRIAL FACILITIES IMPACT AREAS: POLLUTION SOURCES AND MIGRATION FORMS OF THE ELEMENTS

Nataliya V. Yurkevich

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D, tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Olga P. Saeva

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Elizaveta P. Bessonova

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D., tel. (383)330-30-86, e-mail: [email protected]

Svetlana B. Bortnikova

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Prof., tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Nataliya A. Abrosimova

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D., tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

Anna Y. Devyatova

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D., tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]

The geochemical anomalies in the filtrates of the snow-smelting water from CHP -2, CHP -2, CHP -5, and Novosibirsk Tin Plant are presented in compare with the gas condensate’s chemical composition produced by burning of the coal. The Cr, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, and Sn distribution in the snow cover in the vicinity of the CHP -2, CHP -3, and CHP -5 correspond to the elements distribution in coal gas condensates. As, Sn, Cd anomalies in snow cover in the Tin Plant impact area are due to the specific production. Considering elements concentration, except As, Sb, does not exceed background levels in the snow cover around CHP-5.

Key words: geochemical anomalies, snow cover, CHP, chemical elements, transfer, species. ВВЕДЕНИЕ

Изучение состава снегового покрова даёт возможность оценить содержание загрязняющих веществ в атмосфере. Накопленная информация об аэрозольном переносе вещества на современном этапе требует понимания механизмов переноса легкоподвижных соединений. Не исключено, что водорастворимые фазы многих элементов, обнаруживаемые в составе аэрозолей, могут быть обусловлены существованием газовых комплексов, легко сорбируемых на твердых частицах, водяных каплях и поверхности снежинок [1-3].

Ранее в работе [4] был определен широкий круг элементов в фильтратах снеготалой воды и взвесях из зон влияния указанных источников. Высокие содержания элементов в фильтратах свидетельствуют о том, что перенос химических элементов в приземном слое атмосферы возможен в газовой фазе, в виде легкоподвижных соединений, которые сорбируются на снежинках, а затем, при таянии снега переходят в раствор. Исследования газового транспорта элементов из техногенных источников крайне мало освещены в литературе. Логическим продолжением данной части исследований является определение источников загрязнения и форм переноса элементов путем термодинамического моделирования поведения элементов в газовой фазе. В данной работе оценивается уровень загрязнения снегового покрова в зонах влияния нескольких предприятий и в районе «городских факелов» гг. Новосибирск, Кемерова, Искитима по химическому составу фильтратов снеготалой воды в сравнении с составом газовых конденсатов, образующихся при горении углей. Цель работы - установить источники загрязнения снегового покрова и определить формы газового переноса химических элементов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Снеговая геохимическая съемка проводилась для изучения уровня загрязнения и особенностей вещественного состава пылеаэрозольных выпадений в окрестностях нескольких предприятий и в районе «городских факелов» гг. Новосибирск, Кемерова, Искитима (ТЭЦ-5, Новосибирский электродный завод, г. Новосибирск, Кемеровский коксохимический завод, г. Кемерово, «городской факел» г. Искитим, «городской факел» и метеопосты г. Кемерово), а также на фоновом участке в Новосибирском районе Новосибирской области (пос. Ключи) в обратном направлении от розы ветров. Из каждой пробы снегового покрова таянием была приготовлена снеготалая вода, которая фильтровалась и анализировалась на содержание широкого спектра химических элементов методом ИСП-АЭС.

В Караканском угольном разрезе (Кемеровская обл.) были отобраны конденсаты на горящих отвалах. Уголь Бачатского разреза (г. Белово, Кемеровская область) был сожжён в экспериментальной установке до получения газовых конденсатов, которые были проанализированы на содержания химических элементов методом ИСП-АЭС.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Снеготалые воды в районе кемеровских метеопостов содержат высокие концентрации Fe, S, Se, Zn, Си, превышающие таковые для снегов в окрестностях новосибирского электродного завода и ТЭЦ-5. Снега, отобранные в районе искитимского «городского факела» отличаются повышенными по сравнению с другими объектами концентрациями Mn, Со, М, Л]. Концентрации абсолютно всех элементов (Mn, Со, Zn, Си, М, Л1, Fe, Ba, Se, S) в снеготалых водах рассматриваемых объектов превышают содержаниях в снеговом покрове на фоновом участке на 1-3 порядка.

Особенно контрастны по сравнению с фоном концентрации Se, S, Со, М (рис. 1), что указывает на их техногенное происхождение.

Рис. 1. Концентрации микроэлементов в снеготалых водах в окрестностях ТЭЦ-5, электродного завода (г. Новосибирск), «городских факелов» гг. Искитима и Кемерова, кемеровских метеопостов

Характер распределения химических элементов в фильтратах снеготалой воды из снегов в районе ТЭЦ совпадает с таковым для угольных газоконденсатов (рис. 2). Увеличенные концентрации Лб, Сё, Бп в снеговых пробах около Новосибирского Оловокомбината по сравнению с другими объектами объясняются спецификой производства. Концентрации Лб и Бп выше фоновых на 2 порядка, Сё - на 1 порядок значений.

Концентрация, мг/л 1

0.1 0.01 0.001

0.0001 —і--------1-1-1---1---1----1---1---1--1—

Сг Си гп Лб Бг БЬ РЬ N1 Сё Бп

Рис. 2. Распределение химических элементов в снеготалых водах, полученных таянием снегов в районе ТЭЦ-2,3 (усредненное), ТЭЦ-5,

Новосибисркого оловокомбината и фоновых участков, в газоконденсатах,

образованных при горении угля Интересно отметить, что концентрации перечисленных элементов в снеготалых водах, полученных таянием снега из окрестностей ТЭЦ-5, находятся на фоновом уровне. Последний факт может свидетельствовать о высоком качестве очистного оборудования, которое используется на современной станции. Концентрации Cr, Zn, Cu, As, Sr, Sb, Pb, Ni, Cd, Sn в снегах около ТЭЦ-2,3 на 1 порядок выше концентраций в фоновых районах. Данный факт явно указывает на то, что источником загрязнения снегового покрова элементами Cr, Cu, Zn, Sr, Pb, Ni, Cd, Sn в снегах около ТЭЦ является сжигание угля. Что касается As и Sb, то их содержания в снеготалых водах непропорционально ниже, чем в газоконденсатах (в сравнении с другими элементами), что может объясняться летучестью их соединений, в связи с чем их накопление в снеговом покрове не так выражено, как, например, для Cu и Zn.

Данные термодинамического моделирования при помощи ПК Селектор (разработчик Чудненко, 2010) указывает на формирование чрезвычайно подвижных комплексов элементов в газовой фазе, которые при конденсации переходят в биодоступные соединения и представляют наибольшую опасность для окружающей среды. Преимущественные формы переноса Cu, Zn Pb - хлоридные комплексы (Cu3Cl3, ZnCl2, PbCl4). При высокотемпературном горении (более 500 °С) As и Sb переносятся в форме As4, Sb2, Sb4.

Полученные результаты демонстрируют способность широкого спектра химических элементов (Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, As, Ag, Sn, Ba, Sb, Pb) переходить из твердого вещества в газовую фазу при горении или нагревании и мигрировать с воздушным потоком, осаждаясь на близлежащих почвах и снеговых покровах. По составу геохимических аномалий можно судить о специфике производства, дающего основной вклад в загрязнение окружающей природной среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке фонда Президента РФ (грант № МК-5724.2014.5) и РФФИ (гранты №№ 12-05-33019, 12-05-31137, 14-05-00293).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сысо А. И., Артамонова В. С., Сидорова М. Ю., Ермолов Ю. В., Черевко А. С. Загрязнение атмосферы, снегового и почвенного покрова г. Новосибирска // Оптика атмосферы и океана. - 2OO5. - Т.18. - № 8. - С. 663-669.

2. Suchara I., Sucharova J. Distribution of 36 element deposition rates in a historic mining

and smelting area as determined through fine-scale biomonitoring techniques. Part ii: Relative long-term accumulated atmospheric deposition levels // Water, Air, and Soil Pollution. - 2OO4. -Vol. 153. -

P. 229-252.

3. Fernandez-Turiel J. L., Acenolaza P., Medina M. E., Llorens J. F., Sardi F. Assessment of a smelter impact area using surface soils and plants // Environmental Geochemistry and Health. -2OO1. - Vol. 23. - P. 65-78.

4. Бортникова С. Б., Рапута В. Ф., Девятова А. Ю., Юдахин Ф. Н. Методы анализа данных загрязнения снегового покрова в зонах влияния промышленных предприятий (на примере

г. Новосибирск) // Геоэкология. - 2009. - № 6. - С. 515-526.

© Н. В. Юркевич, О. П. Саева, Е. П. Бессонова, С. Б. Бортникова, Н. А. Абросимова, А. Ю. Девятова, 2014