Мониторинг загрязнения почв в районе воздействия ОАО «Новоросцемент»

УДК 504.064.36

© М.А. Пашкевич, А.В. Алексеенко, 2015

М.А. Пашкевич, А.В. Алексеенко

МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ В РАЙОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОАО «НОВОРОСЦЕМЕНТ»

Новороссийск - город с населением более 300 тыс. жителей, где разрабатывается одно из крупнейших в мире месторождений мергеля для производства портландцемента. Старейший цементный завод России действует здесь с 1882 г. и является основным источником загрязнения окружающей среды. Проведено исследование накопления поллютантов в почвенном покрове, испытывающем наибольшую техногенную нагрузку. Процессы миграции и осаждения загрязняющих элементов в почвах проанализированы с учетом геоморфологических особенностей и преобладающих типов растительности. Образцы почвы отобраны из верхних горизонтов: слой 0-30 см. В образцах были определены валовые концентрации 22 химических элементов с помощью эмиссионного спектрального анализа в сертифицированной и аккредитованной лаборатории. Воздействие выбросов цементного производства в условиях совместного влияния различных форм рельефа и этажности застройки привело к неравномерному загрязнению почв. Средние содержания элементов повышены в почвах нижних частей склонов, что указывает на поступление загрязняющих веществ не только непосредственно из выбросов цементного завода, но и за счет миграции со склонов, расположенных выше. Отмечено интенсивное загрязнение в почвах одноэтажных районов. В зависимости от рельефа и типа техногенеза, одни и те же элементы могут вести себя совершенно по-разному, что указывает на их миграцию в различных формах и отмечает наличие нескольких различных геохимических барьеров.

Ключевые слова: производство цемента, горнопромышленная экология, загрязнение почв, тяжелые металлы, рельеф.

Старейший цементный завод России «Новоросцемент» действует с 1882 г. и выпускает около 4 млн т продукции ежегодно. Источником сырья для производства портландцемента является одно из крупнейших в мире месторождений мергеля, также расположенное в Новороссийске -городе с населением более 300 тыс. жителей. Согласно материалам Госдоклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2011 году», Новороссийск занимает 1-е место в перечне 100 самых загрязненных городов страны. Индекс загрязнения атмосферы достигает значения 36, «очень высокий». Основным источником выбросов, загрязняющих атмосферный воздух в городе, признан цементный завод.

Эмиссия пыли является основным загрязняющим фактором в воздействии цементной промышленности на окружающую среду [5, 10, 13, 14]. Городские почвы испытывают при этом наибольшее техногенное давление по сравнению с почвами других геохимических ландшафтов [4]. Воздействие выбросов цементного завода на геохимический облик почв г. Новороссийска выражается в изменении концентраций химических элементов. Данный источник загрязнения почв действует практически с момента возникновения города.

Природные факторы, в отличие от техногенных, действуют с началом развития процессов почвообразования задолго до появления населенных пунктов [6]. Влияние природных факто-

ров продолжается постоянно [1]. Они влияют не только на непосредственный процесс формирования почв, но и на распространенность и распределение веществ, поступивших в почвы техногенным путем, на образование определенных ассоциаций химических элементов, находящихся в повышенных и пониженных концентрациях [7]. Таким образом, природные факторы, совместно с антропогенными, во многом определяют не только геохимический облик почв, но и общую экологическую обстановку в населенных пунктах [9].

Данная статья посвящена мониторингу влияния цементной промышленности на состояние окружающей среды и загрязнение почв. За основу исследования принято рассмотрение ландшафтно-геохимических факторов: геоморфологических особенностей и ассоциаций городской древесной растительности. Данные факторы обуславливают перераспределение в почвах загрязняющих химических элементов и образование их ассоциаций при повышенных и пониженных концентрациях.

Детальное мониторинговое опробование почв (свыше 1 000 проб) было дважды проведено в 1992 и 2014 гг. Пробы отбирались из верхнего 30-см

слоя, являющегося «геохимическим центром почв» [2] с максимальной интенсивностью геохимических процессов в ландшафте. В ходе исследования также было установлено, что основные геохимические изменения в изучаемых ландшафтах произошли именно в этом горизонте. Контрольное опробование проводилось в объеме 3-5% от отобранного числа проб. Все пробы подвергались спектральному анализу. Внут-рилабораторный контроль анализов всех проб составил 6%, внешний контроль составил 3%. Обработка полученных данных показала хорошую воспроизводимость и правильность анализов. Все рядовые анализы проводились в аттестованной и аккредитованной лаборатории ЦИЛ «Кавказгеолсъемка». Внешний контроль проводился в лабораториях ЮФУ и ИГЕМ. Результаты анализов подвергались стандартной статистической обработке [3].

Для детального изучения загрязнения почв была составлена карта геохимических ландшафтов города Новороссийска. Карта составлялась по схеме, учитывающей вероятное влияние природных и антропогенных факторов на поведение поллютантов (рисунок). Ее использование позволило до-

Техногенные геохимические ландшафты г. Новороссийска

Жилая зона Промышленная зона Пустыри

Одноэтажная 2-5 этажная 5-10 этажная ТЕ ТА ТБА 1 1 ' 1 1,1 ТЕ ТА ТБА

Геохимические ландшафты: трэнсэпювиапьные - верхние части

Р шсеена*) р| •ЧЧ ,1 М £ ,Т*У М склонов

ш ш ш т

Схема выделения городских геохимических ландшафтов

стоверно сравнить загрязнение почв в ландшафтах, отличающихся только по одному интересующему нас фактору.

Характеристика городских ландшафтов. Город Новороссийск располагается в предгорьях Северо-Западного Кавказа на берегу Черного моря и является крупнейшим морским портом России. Воздействие выбросов цементного производства здесь во многом обусловлено новороссийской борой [8], при которой наиболее интенсивный перенос атмосферного воздуха происходит по направлению от промышленной зоны к жилой части города. По геоморфологическим особенностям в городе выделяются трансэлювиальные (верхние части склонов), трансаккумулятивные (нижние части склонов) и транссупераквальные (надводные склоны) геохимические ландшафты (рисунок). По особенностям застройки, ко времени составления карты, были обособлены ландшафты с одноэтажными, 2-5 этажными и 5-10 этажными домами, а кроме того были отдельно выделены ландшафты, занятые промышленными предприятиями (в т.ч. цементным заводом, морскими портами, железнодорожной станцией), а также пустыри. Учет особенностей городской растительности позволил выделить ландшафты с фрук-тово-ягодной, смешанной и декоративной (парки и скверы) растительностью.

Загрязнение почв в различных функциональных зонах города. Изменение концентраций были оценено отдельно для геохимических ландшафтов жилых зон, пустырей и промышленных территорий. Совместное влияние выбросов цементного завода, особенностей рельефа и этажности застройки жилых зон привело в целом для города к определенному разбросу средних содержаний элементов в почвах ландшафтов различных геоморфологических зон (таблица). Превышение более чем в 1,5 раза максимальных средних

содержаний над минимальными в жилой зоне установлено для 8 элементов из 22 изученных: РЬ (в 4,5 раза), Бг (1,7), Ад (2,2), Си (1,7), 7п (2,5), Са (1,5), Бп (1,6), УЬ (1,5). В почвах ландшафтов пустырей, в зависимости от геоморфологических условий, превышение максимальных средних содержаний над минимальными более чем в 1,5 раза установлено уже только для четырех элементов: 7п (в 1,7 раза), РЬ, Со и Ад (1,6). Отметим, что максимальные средние содержания этих элементов в почвах ландшафтов пустырей значительно ниже, чем в почвах жилых зон. В почвах ландшафтов промышленных зон, включающих в себя основной источник загрязнения - цементный завод, распределение содержаний большинства химических элементов более равномерное. Наибольшее превышение максимальных фоновых содержаний над минимальными характерно лишь для двух элементов: Бп (в 2,9 раза) и РЬ (1,7). Максимальное среднее содержание этих элементов в почвах промышленных зон выше, чем в почвах пустырей, но ниже чем в жилых зонах (таблица).

Таким образом, жилая часть города наиболее подвержена техногенному воздействию, что приводит к интенсивному загрязнению почв. В жилой зоне установлены максимальные для всего города средние содержания загрязняющих элементов. Под совместным воздействием геоморфологических и антропогенных факторов в почвах этих районов крайне неравномерно распределены содержания наибольшего числа рассматриваемых элементов.

Значительное влияние на накопление ряда загрязняющих химических элементов в почвах оказывает геоморфологический фактор [11]. В почвах трансэлювиальных ландшафтов жилых зон, наиболее подверженных воздействию цементного завода, концентрации Ад, Бп и Мп максимальны для всей

рассматриваемой зоны. В то же время минимальные средние содержания в самых верхних частях склонов установлены для 10 элементов: Ад, Си, 7п, Мо, Т1, Сг, ва, У, УЬ, Бс. В почвах расположенных ниже трансаккумулятивных и транссупераквальных ландшафтов жилых зон число элементов, образующих максимальные содержания, увеличилось в 6 раз и достигло 18: Си, 2п, РЬ, Мо, Ва, Со, N1, Т1, V, Сг,ва, Ц Бг, У, УЬ, Бс, 7г, NЬ. Данная особенность загрязнения связана с особенностями рельефа: в почвах верхних частей склонов средние содержания сформировались, в основном, за счет воздействия загрязняющих веществ, поступающих непосредственно с выбросами цементного производства. В почвах ландшафтов, расположенных ниже по склону, к поллютантам, поступающим непосредственно от источника, добавились загрязняющие вещества, мигрирующие из вышерасположенных участков. Рассмотренное влияние формы городского рельефа характерно для жилых и промышленных зон, а также для пустырей (таблица). Установлено, что характер рассматриваемых геохимических изменений зависит не только от положения на склоне, но и от типа техногенной нагрузки. Изменения произошли в почвах ландшафтов пустырей (накопление в нижней части катены 7п, Со, N1, Мп, V и уменьшение содержаний Си, ва и Бг), и промышленной зоны (накопление Мо и Сг и уменьшение Ад, Бп, Со, N1, Мп, V, Сг, У, УЬ, Бс и 2л). В зависимости от сочетания рельефа и типа преобладающего техногенеза, процесс миграции одних и тех же элементов может происходить совершенно по-разному. Это свидетельствует, во-первых, об их миграции в различных формах и, во-вторых, о наличии нескольких геохимических барьеров.

Загрязнение почв в г. Новороссийске также во многом зависит от осо-

бенностей городской растительности [12]. Как видно из данных, приведенных в таблице, к почвам ландшафтов с фруктово-ягодными насаждениями (район города с одноэтажным частным жильем) приурочены максимальные, по сравнению с ландшафтами с другой растительностью, средние содержания 7 элементов: Ад, Ва, 7п, Бп, Мо, N1, Сг. Для части элементов такие содержания должны быть связаны именно с возделыванием сельскохозяйственных культур и с их ролью в городском биологическом круговороте. Отмечены высокие содержания Си, 7п, Ва, Бг, N1, Бс в почвах ландшафтов с фруктово-ягодной растительностью, по сравнению с почвами ландшафтов без учета растительности. При этом для данных почв характерно более равномерное распределение всех рассматриваемых элементов (за исключением Ва). Об этом свидетельствуют соотношения между максимальными и минимальными содержаниями в отдельных пробах (таблица). Участки с плодово-ягодными культурами освоены довольно давно, промышленная и строительная деятельность, а следовательно и появление интенсивных точечных загрязнителей, в них в настоящее время практически не происходит.

Выводы

Загрязнение городских почв под воздействием выбросов горно-перера-батывающей промышленности определяется, помимо техногенных особенностей миграции и концентрации химических элементов, локальными природными факторами - геоморфологическим строением городской территории и растительными ассоциациями. Мониторинговые исследования г. Новороссийска показали, что изменение этих факторов вызывает существенное перераспределение многих загрязняющих химических элементов и приводит к их максимальному накоплению в почвах жилых зон.

Содержание ряда химических элементов (п-10~3%) в почвах ландшафтов при меняющихся растительных сообществах и геоморфологических условиях

Элементы ЛАНДШАФТЫ

Пустыри Промышленная зона Селитебная, с различной растительностью

трансэлювиальные трансаккумулятивные транссупе-раквальные трансэлювиальные трансаккумулятивные транссупе-раквальные фруктово-яголной смешанной декоративной

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Си 5,3

5,3

РЬ 2,7

Ад 0,006

Бп 0,39

Мо 0,12

Ва 61

Со 1

N1 2,6

Мп 121

"Л 319

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

V 6,4 6,6 7,2 6,9 5,8 6 6,3 6,5 7,8

Сг 7,3 7,4 9,5 9,5 10,6 10,8 10,5 8,5 10,3

ва 1,2 1,2 1,3 1,3 1,2 1,2 1,2 1,3 1,3

Р 54 48 55 58 54 70 96 96 67

и 4 3,8 4,4 3,9 4,1 3,2 3,4 3,3 4,6

Бг 82 80 66 61 64 56 59 80 68

У 1,6 1,6 1,5 1,8 1,4 1,4 1,5 1,6 1,6

УЬ 0,15 0,14 0,14 0,17 0,15 0,14 0,16 0,18 0,17

ИЬ 0,9 0,9 1,1 1,11 1,06 1,03 1,07 1,15 1,18

Бс 0,56 0,54 0,69 0,75 0,84 0,65 0,67 0,72 0,79

9,8 10 10,4 10,9 11 10,2 10,2 11,8 10,9

* В числителе - фоновое содержание в почвах; в знаменателе - минимальное и максимальное содержания в отдельных пробах.

Совместное воздействие цементной промышленности и геоморфологических особенностей приводит к значительному разбросу (до 4,5 раза) средних содержаний загрязняющих элементов в почвах. Количество элементов с максимальными содержаниями наиболее велико в почвах нижних частях склонов: в 6 раз выше на пустырях и в жилых районах, в 2 раза в промышленной зоне. Этот факт свидетельствует о том, что поллютан-ты поступают в почву как непосредственно из источника загрязнения, так и в результате миграции из вышерасположенных ландшафтов. Также

1. Алексеенко А.В., Касимов Н.С., Ко-шелева Н.Е. Геохимические изменения ландшафтов при добыче россыпного золота на месторождении Заамар в Центральной Монголии // Инженерная геология. - 2014. -№ 5. - С. 6-15.

2. Алексеенко В.А. Геоэкология. Экологическая геохимия. - Ростов-н/Д.: Феникс, 2015. - 688 с.

3. Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в городских почвах. - М.: Логос, 2014. - 312 с.

4. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы (генезис, география, рекультивация) / Под ред. Г.В. Добровольского. - М.: Ойкумена, 2003. - 266 с.

5. Лашина В.В., Петрова А.И., Петров И. В. Загрязнение атмосферы при производстве цемента и опыт по снижению выбросов углекислого газа на предприятиях цементной промышленности Германии и России // Научный вестник МГГУ. - 2011. -№ 12. - С. 26-33.

6. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. - М.: Академический Проект; Гаудеамус, 2007. - 237 с.

7. Пашкевич М.А. Геохимия техногене-за. Учебное пособие. - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2007. - 72 с.

было установлено влияние особенностей биологического круговорота и способов выращивания растений на концентрацию и равномерность распределения в почвах химических элементов.

Учет данных факторов миграции загрязняющих элементов необходим для установления причин появления особо загрязненных почв в зоне воздействия цементного завода. Полученные данные характеризуют эколого-геохими-ческое состояние окружающей среды города, а также позволяют проводить разработку мероприятий по улучшению экологической обстановки.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8. Торопов П.А., Шестакова А.А. Оценка качества моделирования новороссийской боры с помощью WRF-ARW // Метеорология и гидрология. - 2014. - № 7. - С. 38-51.

9. Касимов Н.С. Экогеохимия ландшафтов. - М.: ИП Филимонов М.В., 2013. -208 с.

10. Юдович Б.Э., Дмитриев А.М., Ля-мин Ю.А., Зубехин С.А. Цементная промышленность и экология // Цемент и его применение. - 1998. - № 3. - С. 11-19.

11. Alekseenko V., Alekseenko A. The abundances of chemical elements in urban soils // Journal of Geochemical Exploration. -2014. - № 147 (B). - P. 245-249.

12. Alekseenko V.A. , Laverov N.P., Alek-seenko A.V. The Clarke numbers of chemical elements in the urban landscapes soils // Ecologica. - 2012. - № 65. - P. 3-9.

13. Ali M.B., Saidura R., Hossain M.S. A review on emission analysis in cement industries // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2011. - № 15 - pp. 2252-2261.

14. Chen C., Habert G., Bouzidi Y, Jul-lien A. Environmental impact of cement production: detail of the different processes and cement plant variability evaluation // Journal of Cleaner Production. - 2010. - № 18. - pp. 478-485. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Пашкевич Мария Анатольевна - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: mpash@spmi.ru,

Алексеенко Алексей Владимирович - аспирант, e-mail: al.vl.alekseenko@gmail.com, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 504.064.36

MONITORING OF SOIL POLLUTION IN THE AREA OF JSC «NOVOROSCEMENT» IMPACT

Pashkevich M.A.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: mpash@spmi.ru,

Alekseenko A.V.1, Graduate Student, e-mail: al.vl.alekseenko@gmail.com, 1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.

Novorossiysk is a city with population over 300 thousand inhabitants. One of the world's largest deposits of marl is developed here for the production of Portland cement. The oldest Russian cement plant operating here since 1882 is a major source of environmental pollution. The accumulation of pollutants in the soil cover, subjected to maximum technogenic impact, was studied. Processes of elements migration and accumulation were analysed on the basis of catenary sequences with the account of urban vegetation features. Soil samples were taken from the uppermost soil horizons: layer of 0-30 cm. The soil samples were analysed for gross concentrations of 22 elements, using emission spectral analysis in certified and accredited laboratory.

Impact of cement production emissions, in conditions joint effect of relief and buildings height, led to certain dispersion in elements mean concentrations in soils. The elements average contents increase in soils of slopes lower parts; this indicates that pollutants appear directly from the cement plant, as well as they migrate from the soil of slopes located above. The fact that depending on factors of relief and technogenesis type, the same elements may behave quite differently, indicates their migration in various forms and shows the presence of several different geochemical barriers.

Key words: cement production, mining industry ecology, topsoil pollution, heavy metals, relief.

REFERENCES

1. Alekseenko A.V., Kasimov N.S., Kosheleva N.E. Inzhenernaya geologiya. 2014, no 5, pp. 6-15.

2. Alekseenko V.A. Geoekologiya. Ekologicheskaya geokhimiya (Geoecology. Ecological geochemistry), Rostov-on-Don, Feniks, 2015, 688 p.

3. Alekseenko V.A., Alekseenko A.V. Khimicheskie elementy v gorodskikh pochvakh (Chemical elements in urban soils), Moscow, Logos, 2014, 312 p.

4. Gerasimova M.I., Stroganova M.N., Mozharova N.V., Prokof'eva T.V. Antropogennye pochvy (genezis, geografiya, rekul'tivatsiya). Pod red. G.V. Dobrovol'skogo (Anthropogenic soils: genesis, geography, and rehabilitation. Dobrovol'skiy G.V. (Ed.)), Moscow, Oykumena, 2003, 266 p.

5. Lashina V.V., Petrova A.I., Petrov I.V. Nauchnyy vestnik MGGU. 2011, no 12, pp. 26-33.

6. Motuzova G.V., Bezuglova O.S. Ekologicheskiy monitoring pochv (Environmental Monitoring of Soil), Moscow, Akademicheskiy Proekt; Gaudeamus, 2007, 237 p.

7. Pashkevich M.A. Geokhimiya tekhnogeneza. Uchebnoe posobie (Geochemistry of Technogenesis. Educational aid), Saint-Petersburg, SPGGI (TU), 2007, 72 p.

8. Toropov P.A., Shestakova A.A. Meteorologiya i gidrologiya. 2014, no 7, pp. 38-51.

9. Kasimov N.S. Ekogeokhimiya landshaftov (Landscape Ecogeochemistry), Moscow, IP Filimonov M.V., 2013, 208 p.

10. Yudovich B.E., Dmitriev A.M., Lyamin Yu.A., Zubekhin S.A. Tsement i ego primenenie. 1998, no 3, pp. 11-19.

11. Alekseenko V., Alekseenko A. The abundances of chemical elements in urban soils. Journal of Geo-chemical Exploration. 2014, no 147 (B), pp. 245-249.

12. Alekseenko V.A., Laverov N.P., Alekseenko A.V. The Clarke numbers of chemical elements in the urban landscapes soils. Ecologica. 2012, no 65, pp. 3-9.

13. Ali M.B., Saidura R., Hossain M.S. A review on emission analysis in cement industries. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011, no 15, pp. 2252-2261.

14. Chen C., Habert G., Bouzidi Y., Jullien A. Environmental impact of cement production: detail of the different processes and cement plant variability evaluation. Journal of Cleaner Production. 2010, no 18, pp. 478-485.

- © М.А. Пашкевич, М.А. Чукаева, 2015

УДК 502.656

М.А. Пашкевич, М.А. Чукаева

ОЦЕНКА И СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОАО «АПАТИТ» НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ

Рассмотрено решение проблемы очистки производственных сточных вод. Значительное воздействие на природные воды оказывают предприятия минерально-сырьевого комплекса. Представлены результаты мониторинговых исследований, дана оценка состояния природных вод в зоне воздействия предприятия ОАО «Апатит»», сделан обзор существующих методов очистки сточных вод от фтора, а так же предложен новый метод обесфторивания сточных вод, основанный на использовании сорбентов повышенной сорбционной емкости из природного минерального сырья (глин и глинистых грунтов), отличающихся технологичностью и экономичностью.

Ключевые слова: природные воды, очистка, мониторинг, сточные воды, горное производство, гидросфера, загрязнение вод.

Большое внимание специалистов во всем мире привлекает проблема количественного и качественного истощения водных ресурсов, определяемая непрерывным ростом водопотребления в промышленности, сельском хозяйстве и быту (количественное истощение) и загрязнением вод (качественное истощение).

В настоящее время человечество потребляет более 14% общего объема речного стока. К наиболее водопот-ребляющим отраслям промышленности относится энергетика, горнопе-рерабатывающая, горнодобывающая, металлургическая и химическая [5].

Весомый вклад в загрязнение поверхностных вод Кольского полуострова вносит горнохимическое предприятие ОАО «Апатит». Территория промышленного района предприятия ОАО «Апатит» располагается в пригородной зоне города Апатиты Мурманской области на расстоянии 20 км к югу-западу от г. Кировск и 4-5 км северо-восточнее г. Апатиты, в долине р. Белой, у подножья горы Вудъ-яврчорр и связана с этими городами автомобильными магистралями. На сегодняшний день предприятие яв-

ляется крупнейшим производителем апатитового и нефелинового концентратов. Промплощадки ОАО «Апатит» находятся в непосредственной близости от селитебных зон, оз. Имандра, оз. Б. Вудъявр и уникального по качеству воды - оз. Умбозеро.

В эксплуатации находятся 6 месторождений, добыча руды осуществляется открытым и подземным способом на 4 рудниках, переработка руды осуществляется на обогатительных фабриках АНОФ-2 и АНОФ-3. Переработка апатитового и нефелинового концентратов осуществляется за пределами Мурманской области.

Воздействие горного производства на водный бассейн проявляется в изменении водного режима, загрязнении и засорении вод. Отличительной особенностью горного производства является необходимость осушения месторождений полезных ископаемых [2]. Осушение месторождения приводит к резкому изменению естественного режима подземных и поверхностных вод. При осушении месторождений, особенно при открытых горных работах, прежде всего, истощаются запасы высококачественных пресных вод.