Оценка техногенного воздействия промышленных стоков горно-металлургического комплекса на состояние поверхностных вод реки Урал Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.424

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД РЕКИ УРАЛ

В.Х. Валеев, Ю.В. Сомова, В.А. Сомов

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 455000, Россия, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, [email protected]

В статье приведена экологическая оценка состояния поверхностных вод р. Урал, подверженных влиянию горно-обогатительного и металлургического производств ОАО «ММК». На основе анализа ряда показателей авторами показана связь между характером промышленных стоков и свойствами воды (жесткость, минерализация, щелочность, содержание хлоридов и сульфатов). Ил. 2. Табл. 5. Библиогр. 1 назв.

Ключевые слова: промышленные стоки; река; тяжелые металлы; жесткость; минерализация; ирригационные показатели.

ASSESSMENT OF TECHNOGENIC INFLUENCE OF THE INDUSTRIAL DRAINS OF MINING AND METALLURGICAL COMPLEX ON THE STATE OF THE SURFACE WATER OF URAL RIVER

V.H. Valeev, J.V. Somova, V.A. Somov

Magnitogorsk State Technical University,

38, Lenin st., Magnitogorsk, Russia, 455000, [email protected]

The article provides an environmental of the state of surface waters of the Ural River affected by mining and metallurgical enterprises of JSC «<MMK». The authors show, the

connection between the character of industrial drains and water properties (hardness, salinity, alkalinity, chloride and sulfate) based on the analysis of some indicators.

2 figures. 5 tables. 1 source.

Key words: industrial drains; river; heavy metals; hardness; salinity; irrigation indicators.

ВВЕДЕНИЕ

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» входит в число крупнейших мировых производителей стали и представляет собой крупный металлургический комплекс с полным производственным циклом, начиная с подготовки железорудного сырья и заканчивая глубокой переработкой черных металлов. Функционирование такого комплекса невозможно без негативного воздействия на окружающую среду.

В связи с этим актуальной задачей становится изучение экологического воздействия пылевых выбросов и промышленных стоков на состояние поверхностных вод р. Урал и Магнитогорского водохранилища в зоне влияния горно-металлургического комплекса.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для изучения состояния поверхностных вод опробованы воды р. Урал и техногенные водотоки района. Пробы воды отбирали с основных техногенных водотоков (пробы 401406), р. Урал и Магнитогорского водохранилища (пробы 501-519) ежемесячно в течение 20082010 гг. Отбор проб природных и сточных вод проводили в соответствии с требованиями ГОСТ Р 515925, ГОСТ 17.1.5-05, СанПиН 2.1.5.980, РД 52.24.353.

Пробы отбирали в турбулентных, хорошо перемешанных потоках на прямолинейных участках водоотводящих устройств вне действия подпора. Схема расположения точек отбора проб (рис. 1) спланирована таким образом, чтобы выявить характер влияния левобережной части водохранилища, которая примыкает к промплощадке комбината на качество поверхностных вод. Учитывая большое значение р. Урал, опробование вод проводили на протяжении 40 км - от плотины Верхнеуральского водохранилища (проба 501) до пос. Агаповка (проба 519).

В пробах воды определяли ионный состав, металлы и взвешенные вещества. Концентрацию металлов в пробах определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Квант-г.ЭТА. В пробах воды

и определяли спектрофотометриче-

ским методом, СГ, - титриметрическим и гравиметрическим методами. Щелочность определяли титриметрическим методом с потен-циометрической индикацией точки эквивалентности. Содержание нефтепродуктов определяли флуориметрическим методом. Ирригационные показатели рассчитывали эмпирическими методами, предложенными М.Ф. Будановым,

H.Н. Антиковым-Каратаевым и Г.А. Кадером, Х. Стеблером и Департаментом сельского хозяйства США (показатель SAR).

По методу М.Ф. Буданова определяли ряд коэффициентов расчета пригодности вод для орошения:

- при минерализации вод менее 1 г/л:

KL = [iVn+]/[Co!+] + [Мд1+] (для оросительных вод < 1); (1)

Кг = [JVo+]/([Cq:+] -I- (для ороситель-

ных вод <0,7). (2)

Показатель величины ионного обмена (Н.Н. Антиков-Каратаев и Г.А. Кадер) рассчитывали по формуле

К = ([Саг+] + + 0,238.0 , (3)

где - минерализация воды (г/л).

Воды считаются пригодными для орошения при К > 1 и непригодными при К < 1.

Ирригационный коэффициент X. Стеблера [Кц) для различных химических типов вод рассчитывали по следующим формулам:

Ка = 288/5 [СГ] при LVo+] < [СГ]; (4) Ка = 288/([АГи+] + 4[СГВ

при

[СГ] + [504:-] > [JVQ+] > [СГ]; (5)

Ка = 283/(lO[iVn+] + 5[СГ] - 9|[504:"])при [Wa+] > [СГ] + [SOj-]. (6)

Качество оросительной воды считается хорошим при Кс > 18, удовлетворительным - при Ка = 18-6, неудовлетворительным - при Ка <

I,5. В исследуемом случае коэффициент Ка рассчитывали по формуле (4).

Коэффициент потенциального поглощения натрия (SAR) определяли по формуле

= [iVn+]/V([Cfl!+] +[Mgi+])/2. (7)

По величине вероятность осолонцева-ния считается низкой при SAR < 10. По соотно-

шению между одновалентными катионами и суммой катионов:

- весьма неблагоприятные для орошения

([Яа+] + +] > 75%); (8)

- неблагоприятные для орошения

([ЛГп+] + +] = 66 - 75%); (9)

- благоприятные для орошения

([Яо+] +- < 66%). (10)

Кроме того, важным показателем является величина рН. Усиление осолонцевания почво-грунтов происходит при рН = 8-8,4.

Все перечисленные показатели рассчитывали в мг-экв/л.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование химического состава воды. Поступление промышленных стоков от горнообогатительного и металлургического производства комбината привело к значительному изменению физико-химических показателей водной среды [1]. Параметры химического состава основных техногенных водотоков комбината представлены в табл. 1 и 2 (усредненные значения за 2008, 2009 и 2010 годы).

Наибольшее влияние на концентрацию компонентов химического состава воды оказывают промстоки Северной и Южной нагорных канав, а также промстоки с Известкового карьера и через р. Сухая горно-обогатительного производства комбината. Кроме этого имеет место аэротехногенный перенос веществ и вынос элементов от массивов шлаковых отвалов металлургического производства поверхностными стоками. Несмотря на то, что существующая система очистки сточных вод достаточно эффективно снижают концентрацию взвешенных частиц, Fe2+, Рв3+, Мп2+, 2п2+, Си2+, имеет место осаждения в каналах-отстойниках (в устье Северной нагорной канавы и Левобережного отстойника промстоков) взвешенных частиц в виде шламов донных отложений, которые в дальнейшем земснарядами перекачиваются в шламовые карты. В настоящее время в действующих и складированных картах гидроотвалов накоплено более 3 млн т шламов с содержанием железа от 50 до 70% .

В табл. 3 и 4 представлены результаты химических анализов гидрохимических проб р. Урал и Магнитогорского водохранилища.

По результатам анализа воды р. Урал (рис. 2) до техногенного воздействия комбината

(пробы 401-402) гидрокарбонатно-кальциевыми первого типа (по классификации О.А. Алекина). Для них характерно [НСО¿"] > ([Саг+] +- [Мд1*]) в миллиграмм-эквивалент-ной форме и повышенное значение рН (> 8,14), общая минерализация не превышает 1 г/л.

В зоне техногенного воздействия комбината (пробы 403-419) воды относятся к гидрокар-бонатно - сульфатно - хлоридно (смешанные) кальциевым первого типа. При этом необходимо отметить различное состояние вод в пруду Заводском у левого берега (в зоне влияния комбината) и правого в пределах г. Магнитогорска. Левый берег пруда в пределах городской черты представлен шлаковыми отвалами с хорошей дренирующей способностью, а также стоками из гидрозолопородоотвала г. Мохнатая, северного канала промливнестоков и левобережного отстойника Левый берег пруда в пределах городской черты представлен шлаковыми отвалами с хорошей дренирующей способностью, а также стоками из гидрозолопоро-доотвала г. Мохнатая, северного канала про-мливнестоков и левобережного отстойника промстоков. В поведении тяжелых металлов наблюдается несколько иная закономерность: возрастание содержания железа (II, III), марганца (II) и цинка (II) в 1,5-2 раза в р. Урал от Верхнеуральского водохранилища до п. Ага-повка, особенно в районах выпуска техногенных вод комбината. В водах пруда Заводского у левого берега установлено превышение ПДК по железу (II, III), марганцу (II) (более 2ПДК), на уровне ПДК содержание цинка (II), свинца (II), никеля (II). В водах отстойников и шламохрани-лищ комбината содержание железа достигает 2,23 мг/л, марганца - 0,18 мг/л, цинка - до 0,96 мг/л, меди - 0,28 мг/л, никеля - 0,05 мг/л.

Ирригационные характеристики. Результаты расчета ирригационных показателей отобранных проб представлены в табл. 5.

В целом, расчетные ирригационные показатели соответствуют нормам. Но в пределах городской черты (пруд-охпадитель) для вод характерно повышенное значение рН (> 8), что уже является ограничением для использования вод из пруда для орошения. При этом необходимо отметить, что воды с содержанием [С<Э32~ ] > 1,5 мг-экв/л и рН > 8,4 имеют ограничения для орошения сельскохозяйственных культур.

ВЫВОДЫ

Приведенные данные свидетельствуют о том, что техногенные водотоки комбината оказывают негативное воздействие на качество поверхностных вод р. Урал, особенно в пруду Заводском, где отмечаются повышенные кон-

«в

£ та

I £

§

со

о £ о >о

0 со

Й ■а

1 I ф <м

0

1 £ ю

о &

9

0 ф э-

з §

1

£

<м «в

со

з £

I та

о

<м

0 ф

э-

з §

Л «в

£

1 «

о

£

с?

11ч

с?

(Л

с

у §

с

.с;

.13

с;

о

зМ § £

О т- СО СО со

(О N NN N

сг> со о со ю

а> см га га СО СМ~ СЗ СО СО- «3 «3

оо со аз га о

со со со

N С! (Ч га О (О см со со со со со

■ О т со СМ Ю

с ^ Г*-» Ж— ГЧ1 1П

со ю

ю оо

т-

СМ Ю

ч-- СМ~ 1П сз

?! ¡5) СС) СС)

N Ш N П

аз аз аз га оо ю

т- СП СО -ЧГ т- т-СМ- т-^" сз- сз сз сз

аз ю ю

т- СО т-

ю аз

Т-

«5 см «5

О <4 <4 сз

-- СЗ СЗ СЗ --

см-

СО ОО СО

со см ю т- аз

т- т- т- т- СО СО

аз со

о

аз о т- со

со ю со

СО СО СО со

со см о

аз

СО

оо со

аз оо оо аз аз оо

т- СМ СО ю со о о о о о о "Э- "Э- "Э-

см «в У

3 £

.«в

та

£ та I

£ §

§

со §

о £ о т>

0 со

Й ■а

1 I ф <\>

0

1

£ £

чэ

0

&

1

0 ф

э-

3 §

1

3 <\|

со «в

0

1

£

ф

§

I

ф

з I

I

вГ

Т>

о

О

с; СМ оо ю

т— сз т— т—

2 СЗ сз сз сз

зМ § &

оо ю ю

о о

со ю СМ ОО

СО О т-СО ю ю СМ

со со со со со

см см см

о о

о о

сз сз

сз сз

V V

см о о сз сз V

о о

о о

сз сз

сз сз

V V

т- см

СО

о о

сз сз

сз сз

см см см см

о о о о

сз сз сз сз

сз сз сз сз

V V V V

со со

ю со

о о

сз сз

сз сз

см со ю ю

см ю о о

о о о о

о о

< о О СЗ V

о

V

см со

Ю СО сз сз

^ со о

^ га га N

- сз сз сз

0 сз сз сз

см ю

см §

<=1 сз

С3 сз

Ю Ю ч-

■ст г— га со

о о о о

сз сз сз сз

сз сз сз сз

см га

см со

Т- СМ сз сз о о о

ю со о

"СТ таз со

ю см га со ю см со

о о о о о о

■СГ со аз

см о

со т оо со

аз оо оо аз аз оо

ч— см га ^ ю со

о о о о о о ^ ^ ^ ^ ^

.. „ 10 20 30 40 30 70 Й0 ЙО 100% Ся1 Ма-гК

Рис. 2. Диаграммы химического состава поверхностных вод реки Урал: - вне зоны техногенного влияния комбината и правый берег водохранилища; х - в зоне влияния комбината (левый берег водохранилища)

о

«в у

£ .«в

та ?

з

5

I та

¡Г

о

со

о

<м

о а

0

<м §

з

1 <м «в

£ ¿У

а ю

о &

9

0 ф э-

з §

1 *

3 <м со ю

0

5

6

ф

§

1

ф

з I

И ф

о

о

аз о сч о о ю о сч со, ю ю о ■яг со аз о

о о о о * о о

.о

ю о с^ с

<и

т- аз аз о о

со СО

о о

о о о о о о

со о

т- СЧ 00 таз со ю аз

сч со

СОСЧЮт— т— ^тг— Г— т— ч-ооаэсосчюсо-;го

т-

со о

со ю ю

сч сч сч

сч

т- Ю

о о

о о СЭ

О V V

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

о о о

СЗ

V

о о о

СЗ

V

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

§§ ? ^

М М N М

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

о о

о о

о о

СЗ СЗ

V V

сч сч

о о

о о

СЗ СЗ

V V

сч сч

т- о о

т- о о

0~ СЗ СЗ

V V

N СО М

о ю о

ООО СЗ СЗ

V О V

сч сч

о о

о о

СЗ СЗ

V V

сч сч

о о

о о

СЗ СЗ

V V

сч сч

о о

о о

СЗ СЗ

V V

N М О

о о сч

ООО СЗ СЗ V V о

сч сч

о о

о о

СЗ СЗ

V V

аз аз ю ю т- аз

ю со ю о со оо

о о о о о о о

о о о о ~ ~

о~ о~ о~ о~

о о V о~ о~

Ч- сч со

т- ю со ю сч со

о о о о о о о

о о о о ~ _ _

01 О) М (О ^ N

сч ю ю ю

о о о о

о о о о

о о о о

о о о о~ о~ о"

о о о о

оо со

Т- СЧ

_ Ю т- со

э -чГ т- а>

о~ о~ о~

„ N С) М О СО О)

; П СО П (О п ^г

, о о о о о о

° о~ о~ о~ о~ о~ о~

оо сч а> о сч аз со сч о СО аз

ю со сч со со со сч сч сч со сч со оо ю сч

1_ о о о о _ о о о _ о ° о о о о о о о

2 о о о о о о о о о о о о о о о о

о~ о~ о~ о~ о о~ о~ о~ о о~ о~ о~ о~ о~ о~ о~ о~ о~

со 00 2 аз о

ю со со со сч

М О) о т- О т-

-тоооооооооооо

о со аз

У О) N N Ю ОО

, о о о о о

о о о о о

(О со оо а> аз сч оо со (О (О оо (О сч

сч со ■чг СЗ СЗ о СЗ сч "чГ со

2 о~ о~ о~

Ю I—

ООО

со со о со ю аз о ч- а> сч

сч сч

оооооооооооооооооооо

> ^ СЧ

- 1Ч ~ ^ а, со

; со со

О) со ю

ю о оо

оо оо оо аз оо оо оо

ч-гчсо-^юю^ооаэоч-счсо-^юю^ооаэ

ОООООООООч-т-т-т-т-т-т-т-т-ч-

ююююююююююююююююююю

Таблица 5

Ирригационные показатели опробованных вод_

Номер пробы Ирригационные показатели

рН Ка SAR [Na+] + [K+] К К1 К2

501 8,16 144 0,11 8,56 287 0,09 0,06

502 8,46 128 0,10 7,91 347 0,09 0,06

503 8,40 101 0,11 8,52 261 0,10 0,06

504 8,46 8,1 0,10 6,94 325 0,07 0,04

505 8,95 17,9 0,10 5,31 210 0,06 0,04

506 8,31 92 0,13 7,95 251 0,09 0,06

507 8,40 19 0,12 6,30 158 0,07 0,05

508 8,22 27 0,09 6,75 298 0,07 0,05

509 8,17 17,2 0,09 6,32 217 0,06 0,05

510 8,19 38,4 0,12 8,53 242 0,10 0,04

511 8,20 35 0,09 6,31 296 0,07 0,04

512 8,40 26 0,08 5,70 356 0,07 0,04

513 8,47 29 0,07 5,28 350 0,05 0,03

514 8,92 34 0,08 5,83 341 0,06 0,04

515 8,84 63 0,08 5,70 439 0,06 0,04

516 9,11 33 0,08 5,83 332 0,06 0,04

517 8,59 64 0,09 6,93 343 0,08 0,05

518 8,93 30 0,09 6,34 272 0,05 0,04

519 8,85 25 0,06 5,25 284 0,04 0,03

Удовлетв. :: 8,4 18 :: 10 :: 66 1 :: 1 :: 0,7

показатели

центрации тяжелых металлов, а также измене- Агаповка, где установлены повышенные содер-

ние химического типа воды по главным компо- жания железа и цинка по сравнению с водами

нентам. Негативное воздействие техногенных севернее г. Магнитогорска. водотоков комбината прослеживается до п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Валеев В.Х., Сомова Ю.В. Зуева Т.Ю. тии: сборник материалов V междунар. науч.-Исследование техногенных водотоков магнито- практ. конф.: в 2 т. Челябинск: Изд. ЦентрЮУр-горского промышленного района // Безопас- ГУ, 2012. Т. 2. С. 112-116. ность жизнедеятельности в третьем тысячеле-

REFERENCES

1. Valeev V.H., Somova Y.V., Zueva T.U. safety in the third Millennium". Chelyabinsk, SUSU Study of man-made watercourses Magnitogorsk Publ., 2012, vol. 2, pp. 112-116. (In Russ.) industrial area. Proc. V Int. Sci.-Pract. Conf. "Life

Поступила в редакцию 17 февраля 2015 г.

После переработки 5 марта 2015 г.