Защита подземных вод от загрязнения в районе шламохранилища металлургическо-цементного завода // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. – Пермь: Перм. ун-т, 2001. – С. 314-316. — Лаборатория геологии техногенных процессов

В последние десятилетия для защиты гидросферы от загрязнения наметилась тенденция использования геохимических методов. Большую роль в этом сыграло исследование процессов техногенной миграции элементов и введение А.И. Перельманом в науку понятий «геохимический барьер» и «техногенный геохимический барьер». Это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и, как следствие, концентрация элементов [1].

Сущность методов защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения с помощью геохимических барьеров заключается в переводе загрязняющих компонентов в малоподвижные формы. При этом возможно использование природных материалов или иных веществ, например, производственных отходов. В ряде случаев локализация загрязнителей может осуществляться за счет учета природных геохимических особенностей грунтовой толщи при выборе участков складирования или сброса отходов [2, 3]. Одним из примеров использования техногенных геохимических барьеров для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения является создание экрана в основании шламохранилища Пашийского металлургическо-цементного завода [4, 5].

Черная металлургия является одной из наиболее загрязняющих природную среду отраслей промышленности. Основной техногенный поток по массе это шлаки и шламы [6]. Пашийский металлургическо-цементный завод расположен на западном склоне Среднего Урала, на территории Пермской области. Многолетнее складирование отходов газоочистки в необорудованном шламохранилище привело к загрязнению подземных вод и р. Пашийки. В настоящее время шламохранилище практически заполнено. Целью исследований являлось определение состава и масштабов загрязнения, а также разработка природоохранных мероприятий, направленных на снижение негативного воздействия нового шламохранилища на подземные и поверхностные воды.

Отходы представлены пульпой, содержание жидкой фазы в которой составляет не менее 90 %. Исследование состава пульпы показало высокую минерализацию жидкой фазы — 34-42 г/л и щелочную реакцию среды (рН=8,9-9,4). В макрокомпонентном составе пульпы преобладают гидрокарбонатный (до 18,2 г/л) и карбонатный (до 5,2 г/л) ионы, хлорид-ион (до 7,8 г/л), а также ионы натрия и калия (до 14 г/л). В микрокомпонентном составе выявлены высокие концентрации Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, Be, Mn. Определение химической потребности кислорода указывает на присутствие большого количества органики. В составе органических веществ обнаружены предельные углеводороды высоких фракций, ароматические углеводороды и их оксипроизводные (полифенолы). Растворенные органические вещества образуют устойчивые комплексы с металлами, подвижные в щелочной среде.

Пульпа из емкости-накопителя вывозится в шламохранилище, расположенное в приводораздельной части рек Вижая и Пашийки (бассейн р. Чусовой). Распространение загрязнения во многом обусловлено особенностями геолого-гидрогеологических условий участка складирования.

Схематический геолого-гидрогеологический разрез участка приведен на рисунке 1. Коренные породы представлены верхнедевонскими трещиноватыми закарстованными известняками с неровной поверхностью кровли. Мощность отложений составляет более 100 м. Верхнедевонские породы перекрыты толщей делювиальных, пролювиальных, аллювиальных и лимнических неоген-четвертичных отложений, представленных глиной и суглинками со щебнем, галькой и валунами. Мощность покровных отложений на приводораздельных участках достигает 20-30 м.

Рассматриваемая территория относится к Чусовскому району карбонатного карста [7]. Карстопроявления здесь приурочены к эрозионным формам, зонам тектонических нарушений, контактам карбонатных и некарстующихся пород. Для района характерны исчезающие реки и суходолы, воронки, родники и пещеры.

Основной водоносный горизонт приурочен к трещиноватым и закарстованным известнякам верхнего девона. Наиболее проницаемая зона находится в верхней части толщи (до 40-60 м), ниже трещиноватость и закарстованность быстро затухают и водопроницаемость пород невелика. Трещинно-карстовые воды находятся в прямой гидравлической связи с рекой Пашийкой и в большинстве случаев имеют свободную поверхность. Горизонт трещинно-карстовых вод на участке складирования имеет уклон в сторону р. Пашийки. Величина уклона примерно соответствует уклону дна долины и ориентировочно составляет 0,01. Разгрузка происходит в р. Пашийку через аллювиальные отложения и в виде родников.

Складирование отходов Пашийского металлургическо-цементного завода осуществляется в старые отработанные алмазные карьеры. Дно старого карьера представляет собой практически вскрытую кровлю коренных трещиноватых известняков (плотик), частично перекрытую глинистыми отложениями небольшой мощности. Местами девонские известняки выходят на поверхность днища. Вдоль западного борта карьера проходит тектонический разрыв, что привело к повышенной трещиноватости и водопроницаемости известняков на этом участке. Все это обуславливает плохую защищенность трещинно-карстовых вод от загрязнения с поверхности на участке складирования отходов.

Инфильтрация жидкой составляющей пульпы в коренные породы приводит к загрязнению горизонта трещинно-карстовых вод. Влияние шламохранилища на подземные воды исследовалось в зоне разгрузки трещинно-карстовых вод в р. Пашийку. Гидрохимическое опробование было проведено в четырех наблюдательных скважинах и двух родниках, выходящих из известняков. В качестве фона был принят состав воды родника, разгружающегося из этих же отложений в р. Пашийку вне зоны влияния шламохранилища.

Подземные воды в зоне влияния шламохранилища имеют повышенную по сравнению с фоновой минерализацию — 0,6-1,0 г/л. Показателем загрязнения является увеличение в подземных водах участка разгрузки загрязненных подземных вод содержания хлоридов в 90 раз и сульфатов в 3 раза (табл.). В микрокомпонентном составе подземных вод обнаружены повышенные по сравнению с фоновыми содержания титана — 1,0-1,7 мг/л, марганца — 0,2-0,3 мг/л, меди — 0,2 мг/л, цинка — 0,5-0,7 мг/л, стронция — 2,9-3,4 мг/л. Содержание титана в 10-17 раз, а марганца — в 2-3 раза превышают ПДК, установленные для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования [8]. Содержание органики в загрязненных подземных водах, рассчитанное по ХПК [9], составляет 50-59 мг/л, что в 2 раза выше нормы и в 5 раз выше, чем в роднике вне зоны влияния шламохранилища.

Рис. 1. Схематический геолого-гидрогеологический разрез участка складирования отходов металлургическо-цементного завода

Таблица — Макрокомпонентный состав подземных вод в районе шламохранилища и фонового родника

Проба	HCO₃	SO₄	Cl	Ca	Ma	Na+K	pH	Минера лизация
Родник 3 (фон)	18	43	4	9	2	15	6,45	93
Родник 1	220	106	268	106	36	54	7,27	845
Скв. 1	232	135	360	228	38	52	6,95	1045
Скв. 2	232	67	172	126	27	35	7,20	659
Скв. 3	268	115	121	124	24	46	7,16	701
Скв. 4	220	82	113	125	21	13	7,10	581

Разгрузка загрязненных подземных вод в р. Пашийку, несмотря на многократное разбавление, изменяет состав воды в реке. Опробование реки проводилось с учетом результатов выполненной предварительно речной термометрии, позволяющей выделить участки относительно концентрированной разгрузки подземных вод. На этих участках отобраны гидрохимические пробы. Содержание большинства микрокомпонентов в речной воде, источником которых является шламохранилище, на участке разгрузки загрязненных подземных вод и ниже по течению увеличивается по сравнению с фоновым. Однако только концентрация титана в 1,3 превышает ПДК. Химическая потребность кислорода на участке разгрузки загрязненных подземных вод и ниже увеличивается по сравнению с фоновым более чем в 2 раза и составляет 17,5 мг О/л, что незначительно превышает ПДК. Содержание органических соединений, рассчитанное по ХПК [9], составляет 13 мг/л.

Для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения на новом участке складирования отходов, совместно с лабораторией Охраны геологической среды МГУ предложено создание комплексного, многослойного экрана-барьера в основании шламохранилища. Конструкция экрана включает три слоя (рис. 2).

Рис. 2. Конструкция барьера-экрана в основании шламохранилища

Верхний слой, мощностью 0,1 м, создается из местной глины с добавкой гипса. Это приводит к уменьшению щелочности фильтрующегося раствора, а также гидролизу и осаждению части тяжелых металлов (кислый барьер Е). Средний слой, мощностью 0,1 м, выполнен из смеси торфа и пиритных огарков. Этот слой выполняет основную функцию перехвата загрязнителей — связывание металлов в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях (восстановительный сульфидный барьер В). Нижний слой состоит из местных глин и является дополнительным сорбционным экраном (сорбционный барьер G).

Роль верхнего и нижнего слоев глины в структуре экрана заключается также в уменьшении и рассредоточении фильтрационной нагрузки на всю территорию шламохранилища и в консервации промежуточного слоя FeS и торфа для создания в нем анаэробных восстановительных условий. Меньшая мощность верхнего слоя глин обеспечивает фильтрационную задержку растворов в среднем слое. Искусственный геохимический барьер такой конструкции не препятствует миграции железа в подземные воды. Однако, учитывая, что инфильтрация растворов происходит в закарстованные известняки, отличающиеся промывным режимом и окислительной обстановкой, предполагается окисление растворенного Fe2+ и осаждение в виде аморфного Fe(OH)3. Гидроокислы железа будут выполнять функцию дополнительного адсорбента для Hg и оксианионов As, Se, Ti, V, Mo, а также анионных гидрокомплексов Be и Zn. Лабораторные исследования показали, что применение метода обеспечивает защиту подземных вод от поступления указанных загрязнителей на весь период запланированной эксплуатации.

Список использованных источников

Перельман А.И. Геохимия. Учеб. для геол. спец. вузов. — 2-е изд., пераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989. — 528 с.: илл.
Защита подземных вод от загрязнения в районах проектируемых и действующих хвостохранилищ: Сб. научн. тр. / Под ред. В.И. Сергеева. — М.: Изд-во МГУ, 1992. — 168 с.
Sergeev V.I., Shimko T.G., Kuleshova M.L., Maximovich N.G. Groundwater protection against pollution by heavy metals at waste disposal sites // Wat. Sci. Tech. Vol. 34. No. 7-8, 1996. pp. 383-387.
Maximovich N.G., Kuleshova M.L., Shimko T.G. Complex screens to protect groundwater at sludge sites // Protection of groundwater from pollution and seawater intrusion. Bari, 1999. p. 14.
Осовецкий Б.М., Максимович Н.Г., Катаев В.Н., Блинов С.М. Экологические проблемы западноуральского региона // Водные ресурсы: мониторинг и охрана. Тр. 1 науч. симпоз. М. Изд-во МГУ, 1999. с. 59-62.
Дончева А.В., Покровский С.Г. Основы экологических технологий производства. М.: Издательство МГУ, 1999. — 108 с.
Горбунова К.А., Андрейчук В.Н., Костарев В.П., Максимович Н.Г. Карст и пещеры Пермской области. Пермь: Изд-во Перм. Ун-та, 1992. — 200 с.
Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под ред. Исаева Л.К. СПБ, Эколого-аналитический информационный центр «Союз», 1998. — 896 с.
Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Под ред. Семенова А.Д. Л.: Гидрометоиздат, 1977. — 542 с.