Анализ влияния Волгодонской АЭС на водоем-охладитель

УДК 621.311.25

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС НА ВОДОЕМ-ОХЛАДИТЕЛЬ

© П.А. Гунин, Н.С. Серпокрылов, Ю.А. Лейкин

Ключевые слова: водоем-охладитель; ВоАЭС; химическая и тепловая нагрузка; токсагенты; агрессивность; экосистема; гидробионты.

Произведен химический анализ, анализ экосистемы и расчет химической нагрузки водоема-охладителя Волгодонской АЭС, определены наиболее агрессивные токсагенты и источники их поступления. Дан прогноз тепловой динамики после введения в эксплуатацию второго энергоблока ВоАЭС. Даны рекомендации по снижению теплового загрязнения и стабилизации экосистемы водоема-охладителя ВоАЭС.

При производстве электроэнергии атомными и тепловыми станциями в качестве технологического элемента охлаждения значительных объемов оборотной воды широко используются водоемы-охладители. Поскольку последние, чаще всего, - зарегулированные водоемы и представляют замкнутые системы, негативное воздействие (тепловое, гидрохимическое) со стороны электрогенерирующей станции рано или поздно проявится в изменении качества воды и экосистемы в таком объекте.

Представляется актуальной оценка состояния экосистемы водоемов-охладителей. Технологические

сбросы подогретых вод в данных водоемах изменяют продуктивность, трофическую цепь питания, что приводит к другому качеству вод и эвтрофицированию

водоемов. Впоследствии требуется корректировка сложившихся технологий обработки вод. Такую оценку влияния эксплуатации Волгодонской АЭС (ВоАЭС) на водоем-охладитель (ВО) могут дать гидрохимический анализ и анализ экосистемы.

Водоем-охладитель Волгодонской АЭС (рис. 1) используется для охлаждения технологической воды и является ее источником для бытовых и хозяйственных нужд. С целью определения качества воды и экосистемы ВО регулярно проводятся гидрохимические и гидробиологические анализы по определенным точкам, как показано на рис. 1. В ходе анализа данных проводились сравнения показателей в ЦВ, ВО и отводящем канале, куда сбрасываются сточные воды (СВ) ВоАЭС.

• 1 — Точки отбора проб гидробионтов "5 — Точки отбора для химанализа и замеры температуры

Рис. 1. Схема точек отбора проб из Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя. Водоем-охладитель: БНС - блочная насосная станция, НДВ - насосная добавочной воды

1602

Таблица 1

Среднемноголетнее содержание компонентов солевого состава воды в водоеме-охладителе

и Цимлянском водохранилище

Место отбора проб Показатели, мг/дм3

Са2+ Mg2+ Na+ НСО3- C1- SO42- ZU

ЦВ, 300 м от дамбы, левый берег 46,7 ± 7,5 24,6 ± 5,0 55,9 ± 8,2 185 ± 23 54,2 ± 5,4 92 ± 21,6 483 ± 59

ЦВ, правый берег 49,0 ± 11,4 25,8 ± 5,3 55,5 ± 7,9 184 ± 28 53,6 ± 6,3 97,7 ± 22,3 494 ± 69

ВО, среднее 75,4 ± 4,2 75,2 ± 4,3 204 ± 21 238 ± 15 171 ± 23 398 ± 32 1210±55

Превышение в ВО 1,6 3,1 3,6 1,3 3,2 4,3 2,5

ПДКвр 180 40 120 - 300 100 1000

Таблица 2

Среднемноголетнее содержание органических веществ тяжелых металлов и микроэлементов в воде водоема-охладителя и Цимлянского водохранилища

Показатели, мг/дм3

Место отбора проб ХПК бпк5 Нефте- продукты Cu, 10-3 Zn, 10-2 Mn, 10-2 Ni, 10-2 Cd, 10-4

ЦВ, среднее 26,6 ± 3,4 2,55 ± 0,54 41 ± 16 20 ± 0,9 2,2 15,8 ± 16,6 2,1 ± 1,0 0,4 ± 0,03

ВО, среднее 29,8 ± 4,4 2,10 ± 0,62 45 ± 18 74 ± 2,2 2,94 ± 0,85 12,1 ± 8,2 4,7 ± 1,0 0,8 ± 0,08

Превышение в ВО 1,1 0,8 1,1 3,7 1,3 0,8 2,2 2,0

ПДКвр 30 2,0 50 1 1 1 1 5

Таблица 3

Динамика химического состава воды в ВО

Год Показатели, мг/дм3

SO42- C1- Медь Цинк Минерализация, ЕИ

ВО ЦВ, вдоль дамбы

1989 420 400

2003 280 145 2,92 2,45 850 400

2004 310 147 3,69 2,56 900 390

2005 330 150 3,5 2,56 950 410

2006 340 155 3,41 2,28 1000 430

2007 350 165 5,45 2,94 1100 450

2008 400 170 7,4 2,40 1210 460

Таблица 4

Показатели качества воды в ЦВ и ВО в 2008 г., г/дм3

Вещество Конц ЦВ Конц ВО ПДК вр КБ ЦВ КБ ВО

Взвешенные вещества 5,3 8,5 0,75 7,010 11,330

Си2+ 0,0028 0,0072 0,001 2,800 7,200

В042- 92 398 100 0,920 3,980

Mg2+ 24,6 75,2 40 0,615 1,880

Ыа+ 55,9 204 120 0,466 1,700

ЕИ 483 1210 1000 0,483 1,210

БПК 2,55 2,1 2 1,275 1,050

ХПК 26,6 29,8 30 0,887 0,993

0,28 0,41 0,5 0,560 0,820

Нефтепродукты 41 45 50 0,820 0,900

С1- 54,2 171 300 0,181 0,570

Са2+ 46,7 75,4 180 0,259 0,419

НР042- 34 18 50 0,680 0,360

ги2+ 0,0022 0,003 0,01 0,220 0,300

ыо2- 0,006 0,003 0,02 0,300 0,150

ыо32- 0,65 0,71 9,1 0,071 0,078

КБ 17,55 32,94

ИЗВ 1,097 2,059

ИЗВ доп 0,88

1603

ИЗВ

годы

♦ ЦВ  ВО Линейный

Рис. 2. Химическая нагрузка для ЦВ и ВО 2001-2008 гг.

2003

100% ----------- |—— -----------

80% ;—------------------------------------—

60% ;— -------------------------------

40% ;---- -------- --------

20%;— -------- --------

0% ^---------------,-------------,---------

ЦВ СВ ВО

Взвешенные в-ва  Медь  Сульфаты  Нитраты

Рис. 3. Доля токсагентов в воде ЦВ, ВО и отводящего канала

Химический анализ воды в ВО, исходя из данных ВоАЭС за 2008 г. (табл. 1-3), показывает повышенное содержание сульфатов - в 4 раза, меди - в 7,4 раза больше ПДКрыб. Динамика химического состояния показывает тенденцию к накоплению сульфатов, хлоритов и меди, а также повышению общей минерализации.

Уровень экологического воздействия ВоАЭС на экосистему ВО можно определить через показатель контроля биосферы (КБ), равный отношению концентрации компонента к его ПДК и индекс загрязнения воды (ИЗВ), равный отношению суммы КБ учитываемых компонентов к их количеству. Показатели качества воды в ЦВ и ВО в 2008 г. приведем в табл. 4.

Расчет ИЗВ в ВО и его превышение по сравнению с ЦВ для 2001-2008 гг. позволил построить графики значений ИЗВ. Сравнение значений ИЗВ показывает, что количество токсагенов в ЦВ колеблется незначительно, а в ВО имеется явная тенденция к увлечению химической нагрузки (рис. 2).

Для определения агрессивности токсагенты были разделены на две группы: 1) взвешенные вещества, ХПК, БПК, Ш32-ДН4-, К02-, НР042-, Бе2+, ]^2+, Са2+;

2) Си2+, Б042+, ЕИ - общая минерализация, 7и2+, С1-. Для двух групп составлены графики сезонного измене-

2008

100% --------- ----------- ----------

80% ;— --------------------------

60% ;— --------------------------—

40%;— ------- -------

20%;— ------- -------

0% І—------------—,—-------—,--------

ЦВ СВ ВО

Взвешенные в-ва  Медь  Сульфаты  Нитраты

ния, для первой группы характерно резкое возрастание химической нагрузки в весенний и осенний периоды, химическая нагрузка в первой группе носит постоянный характер, и колебания незначительны.

Наибольшую агрессивностью в химическую нагрузку в ВО вносят взвешенные вещества, медь, сульфаты и нитраты. Для определения динамики изменения агрессивности сравнены показатели в 2003 и 2008 гг., представленные на рис. 3. В 2008 г. по сравнению с 2003 г. увеличилось содержание меди, нитратов и взвешенных веществ в отводящем канале.

Для определения источников поступления основных токсагентов были проанализированы сезонные данные изменения их концентраций в ЦВ, ВО и СВ. Содержание взвешенных веществ в СВ достигает максимума в период апрель-июнь, который не связан с паводком (рис. 4). Содержание сульфатов в СВ выше фонового и практически не колеблется (рис. 5), поэтому источник их поступления связан с эксплуатацией ВоАЭС.

Содержание нитратов в отводящем канале подвержено сезонным изменениям, связанными с паводком (весной) и осадками (осенью), поэтому источник их поступления не связан с эксплуатацией ВоАЭС (рис. 6).

1604

Взвешенные вещества

ЦВ

ВО —А—СВ

ПДК

Рис. 4. Содержание взвешенных веществ в водных объектах

Рис. 6. Содержание нитратов в водных объектах

Поступление меди в ВО на протяжении 2001-2008 гг., как показано выше, связано с ее вымыванием из медного конденсатора второго контура, а резкий скачок концентрации меди в ВО в 2008 г. (рис. 7) связан с проведением планово-предупредительного ремонта, когда производилась очистка каналов конденсатора.

Таким образом, поступление взвешенных веществ ВО обусловливается неэффективностью очистки ливневой канализации, повышение общей минерализации,

содержания сульфатов и хлоридов в ВО происходит за счет стоков химводоочистки ВоАЭС, а поступление меди связано с ее технологическим вымыванием из оборудования ВоАЭС. Поступление нитратов в ВО происходит от источников, не связанных с эксплуатацией ВоАЭС. Можно констатировать, что львиную долю дополнительных загрязнений в ВО вносит эксплуатация ВоАЭС. По значению ИЗВ для ЦВ и ВО эти водоемы можно отнести к умеренно загрязненным.

1605

Рис. 7. Концентрация меди в водных объектах в 2008 г.

Содержание сульфатов

Данные замеров Расчетные Расчетные + испарение

Рис. 8. Содержание сульфатов в ВО по материальному балансу

Для определения расчетных значений концентраций токсагентов в ВО было составлено следующее уравнение материального баланса:

СВО = ^ВО + ^СВССВ + ^СВССВ + ^ПСЦВ - ^ФСВО ,

С0 /''»/ /-~»і+1 /--» /--»

во , Сво , Сво , Ссв, Сцв — соответственно начальная, текущая, расчетная концентрации в ВО, концентрации в сточной воде отводящего канала и ЦВ.

На примере содержания сульфатов в ВО построены графики значений концентраций по данным замеров и расчетные с учетом и без учета испарения. Все три графика имеют хорошую сходимость результатов в пределах погрешности в 10 % (рис. 8).

Для определения теплоотдачи ВО и изменения ее при различных нагрузках со стороны ВоАЭС при эксплуатации одного и двух энергоблоков были получены уравнения теплового баланса. При этом учитывались следующие источники поступления тепла в водоем-охладитель: а) Волгодонская АЭС сбрасывает воды

хозбытовой канализации и технологические воды на охлаждение - Qт; б) приход тепла с солнечной радиацией Qр. Кроме этого необходимо отметить следующий расход тепла из ВО: а) подпитка ВО из Цимлянского водохранилища - Qцв; б) испарение воды с поверхности ВО - Qи; в) фильтрация нагретой воды через плотину -Qф; г) теплообмен с дном - Qг.

В качестве пограничных условий можно принять предельно допустимую по поверхности температуру воды для географической широты 48° в соответствии с РД-52.26-161-88, равную 29,7 °С.

Уравнение теплового баланса ВО будет выглядеть следующим образом:

дво(0 = Qт(í) + Qр(í) - QЦp(г) - Qс(í) - Qи(í) - Qк(í) -

- Qф(f) - 0,(0 + т-

Тепловая динамика рассчитывалась на основе данных водного баланса, метеорологических данных и данных замера температуры воды по месяцам. Тепловое загрязнение рассчитывалось как QВО(Г). При работе

1606

Таблица 5

Прирост средней температуры ВО при работе 2 блоков

Месяц Qт(ґ) 1 блок, ТДж/мес. Дґ или ґср, °С QТ (ґ) 2 блока, ТДж/мес. Дґ или ґср, °С Прирост температуры, °С

Декабрь 355,5 2,3 711 4,3 2

Среднее 329,5 2,5 659 4 1,5

Июль 355,5 26,8 711 28,8 2

Лето, 2 блока 579,6 27,5 1159,2 30 3,5

Т емпература воды

месяцы

Цимлянское водохранилище “— Водоем-охладитель — Отводящий канал ВО -Предельный уровень

Рис. 9. Температурный режим водных объектов в 2008 г.

2 блоков увеличивается сброс подогретых вод, за счет этого увеличивается тепловое загрязнение, соответственно средняя температура ВО ґср. Значения ґср получены как прямая пропорция между QВО для 1 и 2 блоков. Прирост ґср для 2 блоков - это разность между ґср для 2 и для 1 блока. Значения ожидаемого прироста температур приведем в табл. 5.

Анализ теплового состояния ВО показал значительное тепловое воздействие ВоАЭС. При работе двух блоков тепловое загрязнение увеличивается на 50 %. Средняя температура ВО увеличивается в среднем в год на 1,5 °С, а при максимальной нагрузке в летние месяцы температура увеличивается на 3,5 °С по сравнению с работой одного блока. Это приведет в летние месяцы к средней температуре воды в 30 °С, что выше установленной предельно допустимой по поверхности температуры воды для географической широты 48° в 29,7 °С.

Данные ВоАЭС по тепловому режиму водоема-охладителя за 2008 г. показывают, что уже при работе одного энергоблока средняя температура воды в ВО почти достигает предельно-допустимых значений (рис. 9). Соответственно, для 2-го энергоблока возрастает необходимость решения отвода избыточного тепла.

Значения термического загрязнения ВоАЭС в долях показывают, что максимум приходится на холодные месяцы (рис. 10).

Таким образом, материальный и тепловой анализ показывают хорошую сходимость результатов с экспериментальными замерами искомых значений и значимое воздействие ВоАЭС на ВО.

Согласно данным гидробиологического анализа (табл. 6), имеется разбалансированность трофических связей, высокая продуктивность анаэробов экосистемы ВО по сравнению со сложившимся сообществом в ЦВ, что требует разработки технологических решений по обеспечению устойчивости экосистемы ВО в условиях постоянного поступления в нее подогретой воды. В табл. 6 показаны значения варьирования биомассы как отношение содержания гидробионтов ВО к фоновому значению (ЦВ). Индекс изменения экосистемы определялся как отношение биомасс показательных трофических уровней: биомассы рыбы травоядной к биомассе фитопланктона.

Таблица 6

Содержание гидробионтов в ВО и ЦВ

Группа гидробионтов ВО ЦВ Размах варьирования

Бактериопланктон 1,61 1,24 0,3

Фитопланктон 13,5 21,16 -0,4

Зоопланктон 0,116 0,034 2,4

Зообентос 27,05 15 0,8

Биообрастания 140,1 16,8 7,3

Макрофиты 732,8 952,6 -0,2

Рыба травоядная 32,26 100 -0,7

Рыба хищная 15,74 12 0,3

ИТОГО 963,18 1058,83 -0,1

Индекс изменения 0,42 0,21 -

1607

Термический режим в 2008 году

01/0фон

02/0фон

Офон/Оср

Рис. 10. Температурная нагрузка и минимальные температуры воды

Хищная рыба

Редуценты:

бактерио-

планктон

Растительноядные(32,75): Питающиеся детритом (167,15):

зоопланктон (0,116), зообентос (27,05),

трав. рыба

Продуценты

Рис. 11. Пирамида биомасс: содержание групп в г/м3

Сравнение биомасс

5

Рис. 12. Сравнение биомасс гидробионтов

Выстраивание трофической цепи показывает избыток хищной рыбы, и особенно зообентоса и биообрастаний, что приводит к необходимости в стабилизации экосистемы (рис. 11). В связи с пуском ВоАЭС видовой состав высшей водной растительности изменился не-

значительно. Площадь зарастания ВО составила в 2002 г. 11,36 км2 (70,6 %), т. е. уменьшилась по отношению к 1999 г. в 1,3 раза. Индекс сапробности позволяет отнести исследуемую водную систему к Р-мезосапробному составу и умеренно загрязненным водоемам.

1608

Более наглядно превышение отдельных групп гид-робионтов в ВО по сравнению с ЦВ представлено на рис. 12.

Таким образом, можно констатировать, что для мелководного водоема в степной климатической зоне в условиях техногенного подогрева воды развитие организмов и степень зарастания растительностью, а также динамика изменения этих параметров является нормой. При работе 2 блоков с увеличением подогрева воды экосистема становится нестабильной, могут исчезнуть отдельные виды, что приведет к разбалансировке движения вещества и энергии в экосистеме. В конечном итоге это может привести к вырождению экосистемы.

Одной из ключевых проблем, выявленных в ходе анализа ВО, является его термическое загрязнение. По нашему мнению, оптимальным вариантом снижения тепловой нагрузки является строительство и введение в эксплуатацию градирни. Кроме того, планы строительства ВоАЭС предполагают введение в эксплуатацию третьего и четвертого энергоблока, и проектом строительства предусмотрена эксплуатация градирен. Предполагается на каждый новый энергоблок строительство градирни с естественной тягой, площадью орошения 10000 м2, расходом воды 122,5 тыс. т/ч, высотой 150 м. Две подобные градирни установлены на Калининской АЭС (Тверская область).

Рекомендации по снижению химического воздействия, а именно предварительной обработки стока химического цеха, заключаются в применении мембраной фильтрации - достаточно дешевой и эффективной технологии. Кроме того необходимо усовершенствование очистки ливневой канализации, а для исключения поступления меди в ВО необходима замена медного конденсатора на титановый, как это сделано для строящегося 2 блока ВоАЭС.

Рекомендации по необходимости выстраивания трофической сети путем искусственного внесения

хищных и детритоядных рыб для предотвращения эф-трофикации ВО: белый толстолобик - 20 т, белый амур -20 т, пиленгас - 52 т. Также необходимо вселение штамма ИФР №С-111 Chlorella vulgaris - биоингибитора развития сине-зеленых водорослей, зарекомендовавшего себя в Волгоградском и Цимлянском водохранилищах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оценка воздействия на окружающую среду. Энергоблоки 1-4: Т. 1-Х: Атомэнергопроект. Н. Новгород, 2008. (Арх. № А-94338 пм).

2. Г идрохимические показатели состояния окружающей среды: справ. мат. / под ред. Т.В. Гусевой. М.: Социально-экологический Союз, 2000. 148 с.

3. Отчет по теме «Выполнение работ по проведению анализа состояния экосистемы водоема-охладителя Волгодонской АЭС (мониторинг водоема-охладителя Волгодонской АЭС: гидрохимический, гидробиологический, ихтиологический) с выдачей рекомендаций по биомелиорации на 2007 год. Ростов н/Д, 2006.

4. Ростовская АЭС. Проект. Оценка воздействия на окружающую среду (Доработанный по замечаниям и предложениям Госэкспер-тизы Минприроды РФ): Т. III: Атомэнергопроект. Н. Новгород, 1999. (Арх. № А-65288).

Поступила в редакцию 11 мая 2010 г.

Gunin P.A., Serpokrylov N.S., Leykin Yu.A. Analysis of influence of Volgodonsk NPP on reservoir-cooler

The chemical analysis, the analysis ecosystem and calculation reservoir-cooler chemical loading of the Volgodonsk atomic power station is made, the most aggressive toxic agent and sources of their receipt are determined. The forecast of thermal dynamics after introduction in operation of second power unit VoNPP is given. Recommendations on decrease of thermal pollution and stabilization ecosystem reservoir - cooler VoNPP are given.

Key words: reservoir-cooler; VoNPP; chemical and thermal loading; toxic agent; aggression; ecosystem; hydro organisms.

1609