Влияние техногенеза на качественный состав и количественные параметры геохимических аномалий в водах р. Ока

Одна из основных экологических проблем индустриальных городов заключается в интенсивном загрязнении окружающей среды вредными веществами и неблагоприятном влиянии их на состояние здоровья населения. Изучение экологической среды города основывается на использовании как традиционных, так и современных методов исследования, с помощью которых формируется необходимая база данных природных и антропогенных характеристик городской среды в связи с целевой задачей: оценкой состояния окружающей среды города, степени воздействия источников вредных выбросов и масштабов загрязнения территорий.

Для понимания экологической обстановки на урбанизированных территориях необходимо выявление особенностей загрязнения, формы нахождения вредных веществ, возможности их накопления и выноса в ландшафты, концентрации.

Негативное воздействие на состояние здоровья населения урбанизированных территорий обусловлено изменением химического состава поверхностных и подземных вод, химического класса вод, ростом минерализации, жесткости, содержания макрокомпонентов и других загрязняющих веществ. Как правило, кардинальные преобразования происходят в реках промышленно-урбанизированных районов, где практически всегда наблюдается техногенная метаморфизация исходного химического типа, группы и класса речных вод, что может проявляться в переходе зональных гидрокарбонатных кальциевых вод в сульфатно-натриевые и хлоридно-натриевые воды и формировании резко выраженной пространственной гидрохимической пестроты поверхностных вод, когда в пределах небольшого по площади участка бассейна одновременно развиты речные воды разного химического типа, группы и даже класса. Многочисленные и разнообразные по своим характеристикам источники загрязнения обусловливают формирование в речных водах интенсивных полиэлементных геохимических аномалий [1, 2].

Основным источником водоснабжения промышленных объектов г. Орла является река Ока, наиболее крупная река Орловской области. Исток ее расположен вблизи села Александровка Глазуновского района на высоте около 226 м над уровнем моря.

Бассейн Оки занимает 60 % всей территории области. Длина Оки в пределах области - 211 км. Падение реки в пределах области - 97,22 м. Уклон реки уменьшается от 0,003 в верховьях до 0,0003 у г. Орла. От истока до впадения реки Кромы Ока представляет собой ручей шириной 2-6 м, а в г. Орле ширина ее достигает 70 м.

Скорость течения в межень на плесах - от 0,04 до 0,75 м/с, на перекатах - до 1,6 м/с. В паводок скорость увеличивается. В пределах области Ока принимает 16 притоков длиной свыше 20 км. Наиболее крупные из них: Нугрь, Неполодь, Орлик, Цон, Крома (левые), Оптуха, Рыбница, Зуша (правые). Водные характеристики реки Ока приведены в таблице 1.

Таблица 1. Водные характеристики реки Ока

Основными источниками загрязнения поверхностных вод р. Ока в городской черте являются объекты промышленности, энергетики, коммунального хозяйства, автотранспорта, агропромышленного комплекса, а также стоки дождевых, талых и поливомоечных вод, поступающие с производственных территорий, площадей и улиц областного центра.

В общем загрязнении природных вод р. Ока у г. Орла велик объем сточных городских вод: 250 тыс. тонн ежегодно сбрасывает в р. Оку г. Орел (табл. 2).

В черте г. Орла идет интенсивное загрязнение водных ресурсов подземного горизонта нефтепродуктами, эмульсиями, солями тяжелых металлов. Загрязнение происходит в результате сброса в овраги, балки, не обустроенные свалки отходов производства. Справедливости ради отметим, что в начале 90-х годов в связи со спадом промышленного производства в области несколько уменьшилось и загрязнение природных вод.

Отмечается постоянное поступление в реки и ручьи стоков с полей (ядохимикаты и удобрения), от ферм (навоз, моча, фосфоросодержащие отходы), от молокозаводов, спиртозаводов, свеклопунктов, сахарных предприятий.

Анализы по соединениям тяжелых металлов (никеля, цинка, хрома, ванадия, меди) показывают 200-300, а порой и 1000 ПДК.

Как видно из данных таблицы 2, в речных водах отмечено появление нехарактерных для них и практически несуществующих в природных условиях соединений. Это азот нитратный, нефтепродукты, смолы и асфальтены, поверхностно-активные вещества, фенолы.

В 2002 году анализ результатов мониторинга состояния поверхностных вод показал, что качество поверхностных вод в области характеризовалось различной степенью загрязнения. Отрицательное воздействие на качество малых рек оказывает хозяйственная деятельность предприятий и организаций различных форм собственности. Основными источниками загрязнения водных объектов являются сосредоточенные и рассредоточенные стоки:

- распаханных сельскохозяйственных угодий с биогенами;

- животноводческих комплексов и ферм;

- селитебных зон городов и населенных пунктов;

- территории промышленных застроек.

Имеющиеся на предприятиях промышленности, жилищно-коммунального хозяйства очистные сооружения, в основном, - биологические. Они не предназначены для очистки стоков от соединений металлов. Кроме того, источником поступления в поверхностные воды загрязняющих веществ являются ливневые стоки, не имеющие вообще очистных сооружений. геохимическая аномалия речная загрязнение

Одним из наиболее крупных загрязнителей р. Ока является открытое акционерное общество "Орловский сталепрокатный завод" (ОАО "ОСПАЗ"), выбранное авторами по этой причине в качестве объекта исследования. Промплощадка завода имеет форму вытянутого с юго-запада на северо-восток прямоугольника и граничит: с северо-запада - с железнодорожной магистралью Москва - Орел, с северо-востока и востока - с незастроенной территорией, с юго-запада - с промбазой СМУ №1, с юго-востока - с территорией государственного лесного фонда (Медведевским лесом). Юго-восточнее завода, на удалении в 1,7 км проходит автомагистраль Москва - Харьков.

Таблица 2. Виды загрязняющих веществ и их содержание в водах р. Ока

Технологической схемой производства ОАО "ОСПАЗ" предусматривается забор и использование значительного объема пресной воды, которая в процессе производства "обогащается" различными загрязняющими веществами (взвешенными веществами, нефтепродуктами, солями тяжелых металлов, нитратами, нитритами и др.), а также проведение очистки стоков перед их сбросом в горколлектор.

Незначительная часть воды, используемой в производственном цикле, имеет замкнутую систему оборота, т.е. после очистки запускается в производство повторно. Вместе с тем основной объем воды, использованной в производственных и хозяйственных целях, направляется по системе канализации на городские очистные сооружения, принадлежащие МПП "Орелводоканал", для очистки. Дождевые, талые и поливочные воды, "обогащенные" загрязняющими веществами, поступающими как в процессе трансграничных переносов, так и от деятельности названных выше производственных объектов, собираются со всей территории предприятия, составляющей около 150 га, образуют поверхностный сток, который по системе ливневой канализации отводится с территории завода без очистки в водные объекты по 4 выпускам.

Результаты исследования состояния поверхностных вод реки Ока в местах поступления в реку ливневых стоков из горколлектора без очистки и сточных вод предприятия "ОСПАЗ", прошедших производственную систему очистки приведены в таблице 3.

Таблица 3. Состояние поверхностных вод реки Ока в местах поступления производственных и ливневых стоков ОАО "ОСПАЗ" в среднем за 2002-2007 гг.

За период 2002-2007 гг. количество нефтепродуктов, взвешенных твердых частиц и загрязняющих веществ органической природы (БПК), поступающих с ливневыми, поливомоечными и талыми водами, увеличилось. Так, концентрация легкоокисляемых органических веществ изменялась от 11,79 т/год в 2002 году до 17,98 т/год в 2007 году. Это свидетельствует о том, что чем больше кислорода расходуется на окисление органических веществ, тем хуже условия для жизни водоема и населяющих его организмов, идет процесс зарастания водоема.

Загрязнение нефтепродуктами, попадающими в реку Ока с ливневыми водами, также за последние четыре года увеличилось. Если в 2002 году их количество в речной воде в местах сброса составило 0,18 т/год, то к 2007 году количество нефтепродуктов увеличилось до 0,22 т/год, при этом в 2005 и 2006 гг. количество нефтепродуктов в поверхностных водах было наибольшим: 0,24-0,39 т/год.

Содержание взвешенных частиц при сбросе ливневых вод в реку также значительно возросло: от 5,37 т/год в 2002 году до 7,79 и 7,13 т/год в 2006 и 2007 гг., соответственно. Твердые частицы, оседая на дно реки, способствуют заилению реки, повышению температуры воды, что усиливает зарастание водоема и снижает судоходность реки.

Показатель сухого остатка, то есть общей суммы водорастворимых веществ, состав анионов (СО ₂^2-; НСО ₃^-; С 1^-; SO₄^2-) и катионов (Ca²⁺; Mg²⁺; Na⁺; K⁺) также изменяются в поверхностных водах при сбросе ливневых вод. Так, количество сухого остатка в 2002 году составило 208,2 т/год, а за пять лет увеличилось до 229,1 т/год, при этом в 2005 и 2006 годах количество сухого остатка увеличилось до 240-252,8 т/год.

Полученные результаты убедительно показывают, что сброс в городской коллектор неочищенных ливневых вод приводит к значительным загрязнениям реки Ока и нарушению экологической устойчивости экосистемы водоема, что ухудшает условия жизнеобеспечения городского населения.

Данные о составе сбрасываемых сточных вод такого крупного промышленного предприятия города Орла, как ОАО "ОСПАЗ", представленные в таблице 3, показывают, что количество загрязняющих веществ, поступающих в водоем со сточными водами, во много раз ниже количества этих веществ, попадающих в водоем с ливневыми водами. Так, содержание поступающих со сточными водами органических веществ, оцениваемых по показателю БПК, составляет 0,047-0,079 т/год, что почти в 230 раз меньше концентрации этих веществ в ливневых водах.

Содержание нефтепродуктов в сточных водах не превышает 0,001-0,0016 т/год. Это количество почти в 140 раз меньше количества нефтепродуктов, поступающих с ливневыми и поливомоечными водами.

Производственные стоки ОАО "ОСПАЗ" содержат почти в 250 раз меньше взвешенных твердых частиц: 0,029-0,032 т/год, величина сухого остатка составляет 1,08-1,04 т/год. Это говорит о том, что количество карбонатов, бикарбонатов, хлоридов и сульфатов кальция, магния, натрия, калия в 200 раз меньше, чем в неочищенных ливневых водах, поступающих в городской коллектор с территории города Орла.

Химические элементы, мигрирующие в речных водах в растворенных и взвешенных формах, характеризуются резко выраженной пространственно-временной неоднородностью распределения их концентрации. Это обусловливает изменение типичных соотношений указанных форм, свойственных конкретным элементам в фоновых условиях данного района. Если для взвешенных и растворенных форм мигрирующих элементов характерна относительная пространственно-временная стабильность их соотношений, то в зонах техногенного загрязнения она резко нарушается. Для некоторых элементов возрастает значимость растворенных форм. И одновременно происходят значительные изменения в составе растворенных форм этих элементов. Однако для многих элементов отмечается заметный рост доли их взвешенных форм, что связано как с увеличением мутности речных вод, так и с резким возрастанием концентрации элементов самой взвеси, формирующейся за счет поступающих сточных вод и загрязненного поверхностного стока с городских территорий. Поскольку во взвеси большая часть металлов концентрируется в подвижных формах, то это обусловливает их высокую миграционную способность и потенциальную возможность преобразования в системе вода-биота-донные отложения.

Влияние Орла, города с хорошо развитой промышленной структурой, на состав вод и взвеси малых и средних рек прослеживается на расстоянии 25-30 км, а иногда до 100 км.

Илы, концентрируя поллютанты, являются источником вторичного загрязнения воды и способны оказывать прямое токсическое действие на гидробионты, поэтому нормальное функционирование речной экосистемы и использование ее ресурсов в практических целях возможно лишь при изъятии техногенных илов.

Таким образом, технологическая схема системы очистки производственных вод обеспечивает значительную степень очистки и сброса в реку Ока условно очищенных сточных вод, которые поэтому представляют незначительную опасность для экосистемы водоема и экологических условий города. Ливневые и поливомоечные воды, поступающие в городской коллектор и сбрасываемые в реку Ока, представляют экологическую угрозу для устойчивости водоема и здоровья жителей города Орла и прилегающих территорий.

Основными показателями загрязнения рек являются биогенные элементы, относящиеся к классу опасных веществ: азот аммонийный, азот нитратный, БПК ₅.

Присутствие в природных водах аммонийного, нитратного азота связано с процессами разложения органических веществ и нитрификацией. Аммонийные ионы под действием особого вида бактерий окисляются до нитритных ионов, которые при дефиците кислорода обнаруживаются в заметных концентрациях. Концентрация аммонийного азота является показателем загрязненности сточных вод фекальными стоками.

В период весеннего половодья с поверхностным стоком в реки поступает основная масса загрязняющих веществ, и, как правило, в этот период наблюдается резкое ухудшение качества воды.

У всех рек степень загрязнения обусловлена высокими концентрациями общего органического вещества по БПК _5, являющемуся основным показателем загрязнения поверхностных водных объектов промышленными сточными водами.

Химический состав загрязняющих веществ, сбрасываемых в реку Ока ОАО "ОСПАЗ", представлен в таблице 4.

Таблица 4. Элементный состав загрязняющих веществ производственных и ливневых стоков ОАО "ОСПАЗ" в среднем за 2002-2007 гг.

Данные в таблице 4 показывают, что в водах реки Ока значительно изменяется элементный состав при поступлении в них неочищенных ливневых вод. Так, содержание нитритов колеблется от 17,2 до 19,0 кг/год и меняется по годам незначительно. В производственных сточных водах количество нитритов в 210 раз меньше. Количество нитратов в ливневых водах достигает 401-621 кг/год, что в 230 раз больше концентрации нитратов в сточных водах завода.

По характеру действия на теплокровных выделяют: первичную токсичность собственно нитрат-иона; вторичную, связанную с образованием нитрит-иона; третичную, обусловленную образованием из нитритов и аминов нитрозаминов.

Содержание аммонийного азота в сточных водах не превышает 0,6-0,97 кг/год, в то время как в ливневых водах его концентрация увеличивается в 215 раз и достигает 164-209 кг/год.

Тяжелые металлы - наиболее распространенная группа высокотоксичных и долгосохраняющихся веществ. Соединения тяжелых металлов отрицательно влияют на процесс самоочищения, вызывая угнетение жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Процесс загрязнения воды тяжелыми металлами имеет два исхода: приводит к гибели обитателей водоемов и к отравлениям человека, пользующегося "дарами водоемов" (накапливающийся в потребляемых человеком моллюсках кадмий вызывает страшное заболевание - "итай-итай", поражающее все внутренние органы).

Фитотоксичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Как химический аналог цинка, кадмий может заменить этот элемент во многих биохимических процессах, нарушая работу ферментов и целых экзиматических систем.

Используемая для водопоя животных речная вода, содержащая свинец, оказывает негативное действие, в первую очередь, на состояние жвачных животных, так как долгое время находится у них в пищеводе. Накопление свинца у человека в организме может вызывать заболевания, такие, как венозный стаз, пневмосклероз, сердечную гипертонию, цирроз печени и другие.

В производственных стоках ОАО "ОСПАЗ" количество свинца составляет 0,06-0,21 кг/год, а в ливневых стоках концентрация свинца достигла 37,7 кг/год в 2002 году. Содержание кадмия в ливневых водах колеблется по годам от 0,4 до 5,2 кг/год, а в производственных стоках количество кадмия составляет 0,001-0,004 кг/год.

Обращает на себя внимание такой вид загрязняющего вещества, как синтетические поверхностно-активные вещества. Их количество в производственных стоках минимально: 0,39-0,41 кг/год, в ливневых водах количество этих веществ резко возрастает до 94,2 кг/год, что обусловлено широким использованием синтетических моющих средств.

Анализ представленных данных показывает, что налаженная система очистки производственных вод обеспечивает сброс в реку Ока условно очищенных сточных вод с содержанием загрязняющих веществ, не превышающим предельно допустимые концентрации. При сбросе ливневых и поливомоечных вод концентрация загрязняющих веществ резко увеличивается и по многим показателям превышает предельно допустимые уровни. Это влечет за собой изменение условий обитания организмов, населяющих водоемы, нарушение биоценотических связей, опасность распространения загрязняющих веществ с поливными и оросительными водами и, как результат, проявление ответных реакций организмов, таких, как заболевания и гибель. Отмеченные закономерности указывают на необходимость организации и проведения локального мониторинга состава и качества водных ресурсов.