Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

NATURAL AND MAN-MADE FACTORS OF CONTAMINATION OF GROUND WATERS IN THE VICINITY OF DISPOSAL FACILITIES FOR NITROGEN FERTILIZERS MANUFACTURING WASTE

Kletskina O.V. 1 Minkevich I.I. 1
1 State Educational Institution of Higher Professional Training “Perm State National Research University”
Analysis of natural and man-made factors of location of disposal facilities for waste and by-products of production of nitrogen-based chemical fertilizers has been made. A total of 19 facilities of such kind have been considered. For each of the 19 territories factors that contribute to penetration of nitrogen-containing contaminants from waste disposal facilities into ground waters and facilitate their migration in the underground hydrosphere have been taken into account. Among the man-made factors hydrofuge insulation of the facilities, phase and material composition of the waste, concentration of nitrogen-containing substances in a waste disposal facility hold a special place. Among natural factors geomorphic conditions, ground waters and properties of water-bearing materials (lithology, thickness, coefficient of permeability, ground waters level, mineralization, chemical type of water), lithology and thickness of water-resisting rocks, tectonic and neotectonic conditions, presence of karsting rocks in the section have been analyzed. As a result of the analysis made similar natural and man-made factors facilitating contamination of ground waters and conditioning generic character of their migration have been determined.
nitrogen pollution
waste disposal facilities
ground waters

Введение

Согласно статистическим данным Россия по производству удобрений за период с 1995 по 2010 г. поднялась с пятого на второе место в мире. Однако производимые азотные удобрения идут в основном на экспорт, в то время как на сельскохозяйственных угодьях страны отмечается недостаток внесения азотных удобрений в почву. В результате недостатка внесения удобрений вероятность загрязнения подземных вод азотсодержащими веществами под сельхозугодиями снижена, и имеется возрастающая опасность загрязнения подземных вод в местах размещения отходов от производства азотных удобрений.

Целью данного исследования является изучение природных и техногенных факторов, обуславливающих загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами вблизи объектов размещения отходов (ОРО).

Материал и методы исследования

Природные и техногенные факторы загрязнения подземных вод в местах размещения отходов от производства азотных удобрений изучались посредством анализа картографических материалов и опубликованных данных. Среди картографических материалов для изучения геоморфологических, геолого-гидрогеологических, тектонических и неотектонических условий и загрязнения азотными соединениями подземных вод использовались: 1) геологическая и гидрогеологическая карта СССР (серии: Московская (Л. N-37-XV), Средневолжская (Л. О-39-ХIV, N-40-XХ), Кузбасская (Л. N-45-III), Восточно-Саянская (Л. N-48-ХХХII), Тихвинско-Онежская (Л. О-37-IХ)) [4]; 2) государственная геологическая карта Российской Федерации (листы: N-(37), 38; N-(38), 39; N-(40), 41; О-(35), 36; О-(38), 39; L-(37), 38; М-(37), 38) [5]; 3) карта новейшей тектоники северной Евразии. М-б 1:5 000 000 (под ред. А.Ф. Грачева) [8]; 4) тектоническая карта России, сопредельных территорий и акваторий. М-б 1:4 000 000 (сост. О.А. Мазарович и др.) [11]; 5) карта выявленных участков загрязнения подземных вод соединениями азота на территории Российской Федерации (сост. И.А. Коваленко) [7]. Техногенные факторы изучались посредством обзора опубликованных материалов [1; 2; 5; 8-10; 12-15].

С целью корректного анализа факторов посредством изучения картографических материалов был создан ГИС-проект.

Результаты исследования и их обсуждение

Изучив структуру рынка удобрений [15], мы установили, что производство азотных удобрений в России сосредоточено в основном на 19 заводах минеральных удобрений (ЗМУ), первые 13 из которых производят 87% удобрений (рис. 1).

Рис. 1. Расположение производств азотных удобрений на территории России.

Номер ЗМУ и его местоположение: 1 – г. Невинномысск; 2 – г. Великий Новгород; 3 – г. Новомосковск; 4 – г. Кемерово; 5 – г. Кирово-Чепецк; 6 – г. Березники; 7 – пос. Верхнеднепровский; 8 – г. Тольятти; 9 – г. Россошь; 10 – г. Череповец; 11 – г. Тольятти; 12 – г. Салават; 13 – г. Пермь; 14 – г. Мелеуз; 15 – г. Балаково; 16 – г. Липецк; 17 – г. Ангарск; 18 – Кингисеппский р-н; 19 – г. Воскресенск.

В ГИС-проекте проанализировано положение ЗМУ. Установлено, что большая часть ЗМУ, производящих азотные удобрения, сосредоточена в Европейской части России – в Приволжском и Центральном федеральных округах.

Для каждого ЗМУ был проведен анализ природных факторов, оказывающих влияние на попадание загрязняющих веществ (ЗВ) из ОРО в подземные воды, а именно: 1) строение, фильтрационные и миграционные характеристики горизонта грунтовых вод (литология водовмещающих пород и пород зоны аэрации, мощность водоносного горизонта, коэффициент фильтрации, уровень грунтовых вод, минерализация и химический тип вод); 2) литология и мощность водоупорных пород для горизонта грунтовых вод; 3) геоморфологические условия расположения ЗМУ и ОРО; 4) тектонические и неотектонические условия; 5) наличие карстующихся пород в разрезе.

Анализ географического положения перечисленных выше ЗМУ показал, что они расположены в непосредственной близости от основных водных артерий регионов, что связано с большим водопотреблением. При этом расстояние от ОРО до реки составляет от 50 м до 2,6 км. В редких случаях, например ЗМУ в г. Перми, расстояние до крупного водоема составляет около 16 км. Это связано, прежде всего, с технологическим процессом и историей развития производства.

Анализ природных факторов расположения ОРО ЗМУ, показал, что имеются как их сходства, так и различия. Очевидным сходством является приуроченность исследуемых объектов к пойменным и другим террасам рек. В связи с этим литология, генезис и фильтрационные свойства водовмещающих пород и режим грунтовых вод в основном схожи. Мощность горизонта грунтовых вод напрямую зависит от динамики потока реки и колеблется от 8 до 65 метров, достигая максимальных значений в долине р. Волги. Уровень грунтовых вод, как правило, располагается неглубоко, обычно не более 3,0 м. Минерализация грунтовых вод вне промышленных зон не превышает 1,0 г/дм3, за исключением ЗМУ 1 и ЗМУ 14, где повышенную минерализацию связывают с подтоком вод из нижележащих горизонтов. Гидрокарбонат-ион является преобладающим ионом в химическом составе грунтовых вод, в большинстве случаев это воды HCO3-Ca. Водоупорными породами являются глинистые породы, но иногда выдержанный водоупор отсутствует и горизонт грунтовых вод имеет гидравлическую связь с нижележащим водоносным горизонтом, как, например, вблизи ЗМУ 9, где горизонт грунтовых вод (N-Q) имеет гидравлическую связь с нижележащим водоносным горизонтом (К2t-k). Тектонические и неотектонические условия и наличие карстующихся пород в разрезе способствуют формированию сложных гидрогеологических условий. Так, например, в связи с активными тектоническими и карстовыми процессами в районе ЗМУ 6, 8, 11 отмечается повышенная водопроницаемость земной коры.

Сопоставление карты выявленных участков загрязнения подземных вод соединениями азота и мест расположения ЗМУ показало, что в 85% случаев вблизи ЗМУ выявлено загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами. В этих местах интенсивность загрязнения составляет до 100 ПДК и более.

Состояние геологической среды вблизи ЗМУ, согласно данным государственных природоохранных и надзорных органов, является неудовлетворительным. Подобные данные имеются по ЗМУ 2, 4, 7, 9, 10. Как правило, оно проявляется в повышенном содержании аммония (NН4+) и нитратов (NO3-) в поверхностных водах.

Состояние подземных вод в пределах влияния на них ЗМУ в литературе освещено достаточно слабо. Имеются достоверные данные по трем ЗМУ – 5, 9 и 14.

На территории ЗМУ 5 отмечается минерализация грунтовых вод до 100 г/дм3 и более. Эта область «включает в себя территории, прилегающие к хвостохранилищу мела, трехсекционному шламонакопителю, а также значительные площади к западу от них» [2]. Преобладающими компонентами химического состава подземных вод в этой области являются нитраты (NO3-), аммоний (NН4+), сульфаты (SO42+), хлориды (Cl-), нитриты (NO2-), стронций (Sr2+) [2]. Некоторые исследователи считают нитрат аммония основным загрязнителем окружающей среды для данной территории.

В грунтовых водах отмечается высокое содержание нитрата аммония (NH4NO3). Источниками азотного загрязнения подземных вод признаются «высокоминерализованные воды хвостохранилища мела» [14]. Первоначально загрязнение имело преимущественно сульфатно-хлоридно-натриевый состав. На сегодняшний день состав ЗВ расширился за счёт поступления нитратов (до 57 г/дм3) и аммония (до 14 г/дм3) и стронция (до 1,5 г/дм3) [14].

Отдельными авторами отмечается, что подземные воды разгружаются в пойменные водоемы и тем самым загрязняют их азотсодержащими веществами [2]. Концентрации нитратов в этих водоемах достигают 21 г/дм3, иона аммония – 13 г/дм3. В период прохождения весенних паводков начиная с 1996 г. отмечают загрязнение аммонийным азотом р. Вятка, основным источником которого в речных водах считают территории расположения загрязненных пойменных водоемов [13], «что негативным образом сказывается на системе питьевого водоснабжения нижерасположенных населенных пунктов, в том числе г. Кирова» [10]. Загрязнение азотсодержащими соединениями на территории ЗМУ вблизи ОРО характерно также для почв и донных отложений водоемов, для снегового покрова и для растительности.

На территории вблизи ЗМУ 9 отмечается загрязнение подземных вод азотсодержащими веществами. Нитраты, нитриты и аммоний являются основными загрязняющими веществами на территории ЗМУ 9. Наибольшая площадь загрязнения выделяется по аммонию – 8 км2. Содержание нитратов достигает 22-37 г/дм3, нитритов – 0,2 г/дм3, аммония – 15 г/дм3 [5]. Минерализация подземных вод достигает 50 г/дм3. Преобладающими компонентами химического состава подземных вод под ЗМУ 9 являются нитраты, аммоний, иногда натрий [5]. Подземные воды глубоко метаморфизованные.

Также азотное загрязнение проявляется в водах р. Черная Калитва. Минерализация речных вод в некоторых случаях превышает 1 г/дм3. Кроме того, азотному загрязнению вблизи ЗМУ 9 подвержены грунты [5].

Согласно информации Главного Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды по Воронежской области под ЗМУ 9 главной причиной загрязнения подземных вод является неудовлетворительная гидроизоляция ОРО.

ЗМУ 14 является основным загрязнителем окружающей среды вблизи г. Мелеуз. Основные загрязняющие вещества (сульфаты, фосфаты, фториды, хлориды) поступают в подземные воды в результате нарушения гидроизоляции накопителя фосфогипса и испарителя пиритного огарка. Концентрации азотсодержащих веществ не превышают – 2,75 мг/дм3 для нитритов, 12,6 мг/дм3 – для азота аммонийного, 103,2 мг/дм3 – для нитратов [12]. По нитратам отмечается превышение ПДК в 22 раза [1].

На территории ЗМУ 14 существует опасность разгрузки загрязненных вод в р. Белая в течение ближайших 5 лет [12], которая является основным источником водоснабжения предприятий и населения Республики Башкортостан [1; 12]. Р.Ф. Абдрахманов говорит о том, что «поверхностные и подземные воды региона нуждаются в защите, которая предполагает создание современной системы мониторинга, разработки высокопроизводительных и эффективных технологий очистки» [1].

Таким образом, на территории ЗМУ 14 азотное загрязнение проявляется в значительно меньшей степени, чем на ЗМУ 5 и 9, и носит второстепенный характер.

В результате анализа состояния геологической среды вблизи ЗМУ было установлено, что подземные воды под ЗМУ при наличии утечек из ОРО либо сильно загрязнены с содержанием ЗВ несколько десятков г/дм3, либо содержание азотных соединений в подземных водах не превышает нескольких мг/дм3. Вероятно, это связано с технологией производства, продукцией и соответствующими отходами. Основными отходами и побочными продуктами производства, образующимися на ЗМУ и складируемыми в ОРО, являются мел и фосфогипс с пиритным огарком. При этом территории, где хранится мел, отличаются значительными концентрациями азотсодержащих веществ в подземных водах и других компонентах окружающей среды.

Выводы

Итак, изучив природные и техногенные факторы размещения отходов и побочных продуктов производства азотных минеральных удобрений, мы установили некоторые особенности территорий расположения ЗМУ. К ним относится расположение ЗМУ и их ОРО в непосредственной близости от рек регионального значения на поймах и первых надпойменных террасах, приуроченность грунтовых вод к аллювиальным отложениям. Подземные воды на территориях, прилегающих к ЗМУ, чаще всего имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав (HCO3-Ca) и минерализацию не более 1,0 г/дм3. Грунтовые воды, расположенные в зоне влияния ЗМУ, характеризуются повышенными концентрациями нитратов (NO3-), аммония (NН4+), нитритов(NO2-) и некоторых других компонентов. Основным техногенным фактором, способствующим загрязнению подземных вод, является недостаточная гидроизоляция ОРО. Установлено, что речные воды ниже ЗМУ в некоторых случаях используются в питьевом водоснабжении крупных населенных пунктов.

Рецензенты:

Осовецкий Б.М., д.г.-м.н., профессор, профессор кафедры минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Шенфельд Б.Е., д.т.н., профессор, директор ФГБУ УралНИИ «Экология», г. Пермь.