Характеристика сточных вод промышленной зоны г. Усолья-Сибирского и их влияние на гидрохимический состав р. Ангары в периоды с разной техногенной нагрузкой

Полный текст

Ведение

Сточные воды являются одним из основных источников загрязнения водных экосистем. Поступление со сточными водами загрязняющих веществ в водоемы в значительной мере ухудшает качество водных ресурсов, создавая проблему общемирового масштаба [1–3]. Наибольшую опасность представляют промышленные сточные воды, характеризующиеся высокими концентрациями потенциально токсичных элементов [4]. В первую очередь, поступление сточных вод изменяет гидрохимический состав водоемов, который является главным детерминантом условий существования всей биотической составляющей [5, 6]. Увеличение концентраций элементов техногенного происхождения в водной среде может привести к токсикологическому воздействию на гидробионтов различных трофических уровней, а в итоге и к нарушению гомеостаза всей водной экосистемы [7–9].

Река Ангара, вытекающая из оз. Байкал, имеет большое значение для населения Иркутской области. Её водные ресурсы используются в питьевых, рекреационных, гидроэнергетических и рыбохозяйственных целях. Вместе с этим в границах ее водосборного бассейна расположены крупные промышленные комплексы, представленные металлургическими, нефтеперерабатывающими, лесозаготовительными и химическими производствами и оказывающие непосредственное влияние на химический состав всех компонентов экосистемы водоема. Поступление в р. Ангару загрязненных вод различного генезиса – хозяйственно-бытовых, производственных, сельскохозяйственных, а также поверхностного стока во многом определяет гидрохимический режим реки. Наиболее масштабная промышленная зона расположена в г. Усолье-Сибирском, в междуречье р. Ангары и ее притока – р. Белой (рис. 1). Промышленная зона включает в себя производства химической, фармацевтической и энергетической отраслей, предприятия которых обеспечивают поступление широкого круга органических и неорганических загрязнителей в окружающую среду Приангарья на протяжении нескольких десятков лет. Самым крупным предприятием промышленной зоны г. Усолья-Сибирского являлось организованное в 1936 г. предприятие «Усольехимпром» (УХП), производившее разнообразную химическую продукцию (кремнийорганических полимеры, карбид кальция, метилцеллюлозы, каустической соды, металлического натрия, эпихлогидрина и т. д.). Крупномасштабной экологической проблемой, вызванной деятельностью этого предприятия, является широко известное ртутное загрязнение геосистем Иркутской области, связанное с производством хлора и каустической соды методом ртутного электролиза. Результаты эколого-геохимических исследований импактного района показали чрезвычайно высокие концентрации Hg в почве в районе предприятия УХП, водах и донных осадках р. Ангары и созданного на ней Братского водохранилища [10, 11]. Закрытие цеха ртутного электролиза (1998 г.) и полная остановка предприятия (2012 г.) предопределяли снижение техногенной нагрузки на прилегающие к промышленной зоне г. Усолья-Сибирского экосистемы, в том числе и р. Ангары. Однако техногенное воздействие на окружающую среду Приангарья продолжается с функционирующими до сих пор предприятиями промышленной зоны. Помимо этого, в настоящее время проводятся работы по демеркуризации цеха ртутного электролиза и других высокотоксичных технологических объектов предприятия УХП, а значит, вероятность поступления веществ техногенного генезиса в окружающую среду существенно возрастает. В таких условиях принципиально важным становится изучение химического состава сточных вод и вод р. Ангары в зоне их влияния, а также проведение мониторинговых исследований, позволивших бы определить уровень загрязнения реки с учетом ретроспективной составляющей. В связи с этим целью работы стало: а) инвентаризация поступающих в р. Ангару сточных вод промышленной зоны г. Усолья-Сибирского; б) оценка воздействия сточных вод на гидрохимический состав р. Ангары.

 

Рис. 1. Карта-схема района работ и точки отбора проб: а) сточные воды, поступающие в р. Ангару по поверхности; б) коллекторные выпуски сточных вод; 1 – канализационно-очистные сооружения Усольехимпром; 2 – станции нейтрализации жидких стоков Усольехимпром; точки отбора: сточные воды: ПК – приемная камера городских стоков, В1, В2, ДК – организованные выпуски Усольехимпром; С1, С2, МВ – водотоки, наполняющие канаву гидрозолоудаления; С3 и ГЗУ – канава гидрозолоудаления; НВ – надшламовые воды золоотвальных сооружений ТЭЦ-11; р. Ангара: А1 – фоновый участок р. Ангары; А2 – участок р. Ангары на удаленности 50 м от выпуска канавы гидрозолоудаления; А3 – участок на удаленности 1,5 км от всех промышленных выпусков; А4 – участок на удаленности 5 км от всех промышленных выпусков

Fig. 1. Map-countor of study area and location of sampling sites: а) wastewater flowing into the Angara river by the surface; б) collector wastewater effluents; 1 – wastewater treatment facilities of Usoliekhimprom; 2 – liquid effluent neutralization plants of Usoliekhimprom; sampling sites: wastewater: ПК – intake chamber of town effluents; В1, В2, ДК – regulated effluents of Usoliekhimprom; С1, С2, МВ – watercourses filling the ash removal ditch; С3, ГЗУ – ash removal ditch; НВ – ash pond top water of the thermal power plant-11; the Angara river: A1 – background site of the Angara river; A2 – the Angara river site 50 m away from outlet of ash removal ditch; A3 – 1.5 km away from all industrial outlets; A4 – 5 km away from all industrial outlets

 

Материалы и методы

Объекты исследования

Для изучения динамики химического состава сточных вод промышленной зоны г. Усолья-Сибирского и вод р. Ангары проведены исследования в разные по техногенной нагрузке периоды:

• 2010 г. – период с высокой техногенной нагрузкой. В пределах промышленной зоны г. Усолья-Сибирского функционируют градообразующее предприятие – «Усольехимпром», а также ряд крупных производств химической, фармацевтической, энергетической (ТЭЦ–11) и пищевой отраслей с соответствующими вспомогательными инженерными структурами, городские канализационно-очистные сооружения (КОС);
• 2020 г. – период снижения техногенной нагрузки. Цеха предприятия УХП остановлены, крупные производства промышленной зоны функционируют.

В 2010 и 2020 гг. пробы сточных вод организованных выпусков промышленной зоны г. Усолья-Сибирского отобраны из коллекторных сбросов предприятия УХП (выпуск 1 (точка отбора В1) и выпуск 2 (точка отбора В2), дренажной канавы (точка отбора ДК)) и канавы системы гидрозолоудаления от золоотвальных сооружений ТЭЦ-11 (точка отбора ГЗУ) (рис. 1). В 2020 г. дополнительно проведен отбор сточных вод из коллекторного сброса городских канализационно-очистных сооружений (точка отбора ПК). Помимо этого, для инвентаризации сточных вод территории промышленной зоны г. Усолья-Сибирского выполнено рекогносцировочное обследование, позволившее охарактеризовать сточные воды в соответствии с их территориальной принадлежностью. Выявлено, что канава гидрозолоудаления вмещает в себя два смешивающихся водотока: левый (точка отбора С1) и правый (точка отбора С2) (рис. 1). Сточные воды канавы гидрозолоудаления отобраны в месте слияния этих водотоков (точка отбора С3) и ниже по течению вблизи р. Ангары (точка отбора ГЗУ). Ниже точки отбора ГЗУ в канаву гидрозолоудаления впадает малодебитный водоток (МВ), который разгружается на склоне оврага и через 20 м поступает в канаву гидрозолоудаления. Для уточнения генезиса сточных вод отобраны образцы воды в надшламовых водах золоотвальных сооружений ТЭЦ-11 (точка отбора НВ).

Образцы воды р. Ангары в районе промышленной зоны г. Усолья-Сибирского отобраны в 2010 и 2020 гг. на условно фоновом участке (около 10 км выше по течению от промышленной зоны) (точка отбора А1) и на удаленности 50 м ниже от канавы системы гидрозолоудаления (точка отбора А2), 1,5 км (точка отбора А3) и 5 км (точка отбора А4) ниже от всех промышленных сбросов.

Химический анализ образцов и методы экологической оценки загрязнения

Определение концентраций элементов в образцах воды осуществлено в центре коллективного пользования «Изотопно-геохимических исследований» Института Геохимии СО РАН (г. Иркутск, Россия). Концентрации HCO₃^–, SO₄^2–, Cl^–, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ определены по стандартным методикам, принятым для общего гидрохимического анализа: атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная пламенная спектрометрия, спектрофотометрия, потенциометрия, титриметрия. Концентрации 23 микроэлементов (Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Mo, Cd, Sb, Cs, Tl, Pb, U, Ga и Ge) определены методом масс-спектрометрии с индуктивной связанной плазмой (ICP-MS) на масс-спектрометре высокого разрешения с двойной фокусировкой ELEMENT-2. Определение концентраций Hg в воде проведено атомно-абсорбционной спектрометрией на ртутном анализаторе РА-915+ с приставкой РП-91.

Для определения степени воздействия сточных вод на р. Ангару применены однофакторный индекс загрязнения (pollution factor index CF) [12] и индекс нагрузки загрязнения (pollution load index PLI) [13], которые используются для оценки экологического состояния водной среды [14, 15]. Индексы рассчитаны для участков реки на удаленности 50 м, 1,5 и 5 км от промышленных сбросов.

CF используется для учета загрязнения отдельного элемента в каждом образце:

$CF=\frac{C_i}{C_0},$

где С_i – тестируемая концентрация элемента; С₀ – концентрация элемента в воде условно фонового участка.

PLI используется для расчета суммарного загрязнения каждого образца:

$PLI=\sqrt[n]{C{F}_1\cdot C{F}_2\cdot \mathrm{...}\cdot C{F}_n}.$

где CF – однофакторный индекс загрязнения для определенного элемента. По полученным значениям PLI образцы воды относятся к следующим категориям: PLI<0 – незагрязненные, 0<PLI≤1 – содержащие базовые уровни загрязняющих веществ, 1<PLI≤10 – загрязненные, 10<PLI≤100 – сильно загрязненные, PLI>100 – прогрессивное ухудшение окружающей среды.

Результаты и обсуждение

Сточные воды

Канализационные очистные сооружения г. Усолья–Сибирского

Наряду с промышленными сточными водами постоянным источником поступления элементов-загрязнителей в р. Ангару в г. Усолье-Сибирском являются хозяйственно-бытовые сточные воды городских очистных сооружений. После механической и биологической очистки сточные воды накапливаются в приемной камере (ПК), из которой поступают непосредственно в реку по проложенному по ее дну трубопроводу. Воды ПК HCO₃–Cl–Ca–Na c самой низкой величиной минерализации (604 мг/л) из всех стоков промышленной зоны характеризуются окислительными условиями (Eh=228 мВ) и околонейтральной реакцией среды (рН=7,28).

Микроэлементный состав городских сточных вод КОС не выделяется аномально высокими концентрациями относительно промышленных выпусков (табл. 1). Все концентрации микроэлементов ниже предельно-допустимых значений.

 

Таблица 1. Концентрации микроэлементов в сточных водах промышленной зоны, мкг/л

Table 1. Trace elements concentrations in wastewater from an industrial zone, µg/l

Микроэлементы Trace elements	ПДК/MPC		ПК	С1	С2	С3	МВ
	пв.*	рбх.**
Li	30	80	11	16	10	14	173
B	500	100	22	342	760	299	244
Al	200	40	9,2	9,3	57,0	4,8	3,0
Ti	100	60	0,204	3,03	12,40	0,57	1,70
V	100	1	0,59	9,70	58,00	6,20	0,45
Cr	50	20	0,71	1,50	3,81	0,67	<ПО
Mn	100	10	5,4	159	225	111	2351
Fe	300	100	26,7	166	419	84	241
Co	100	10	0,08	0,26	0,73	0,32	2,30
Ni	20	10	6,7	9,1	35,0	6,5	26,6
Cu	1000	1	0,7	0,69	3,99	0,90	5,20
Zn	5000	10	9,4	1,7	1,9	7,0	26,8
As	10	50	1,5	22,0	41,1	13,5	136,1
Sr	7000	400	385	1092	514	982	7885
Mo	70	1	0,9	5,4	39,0	6,7	4,2
Cd	1	5	0,01	0,05	0,28	0,06	3,98
Sb	0,5	–	0,17	0,50	0,65	0,28	–
Cs	–	1000	0,121	0,006	0,017	0,011	0,778
Tl	0,1	-	0,002	0,008	0,007	0,008	3,264
Pb	10	6	0,15	2,34	1,55	3,44	39,29
U	15	-	0,68	1,31	2,11	1,62	16,69
Нg	0,5	0,01	0,006	0,840	2,360	0,131	0,004
Ga	–	–	0,115	0,09	0,44	0,13	4,08
Ge	–	–	0,071	0,45	1,24	0,27	3,91

Примечание: ПК – приемная камера городских КОС, С1 – правый водоток канавы гидрозолоудаления, С2 – левый водоток канавы гидрозолоудаления, С3 – канава гидрозолоудаления в месте слияния С1 и С2, МВ – малодебитный водоток, поступающий в канаву гидрозолоудаления ниже точки отбора ГЗУ; пв.* – предельно допустимая концентрация (ПДК) веществ для водных объектов питьевого значения [16], рбх.** – для водных объектов рыбохозяйственного значения [17].

Notes: ПК – intake chamber of municipal wastewater treatment plants, С1 – right-hand watercourse of the ash removal ditch, С2 – left-hand watercourse of the ash removal ditch, С3 – ash removal ditch at the confluence of С1 and С2, MB – marginal watercourse, entering the ash removal ditch below the sampling point of ГЗУ (ARD); пв.* – maximum permissible concentration (MPC) of substances for water bodies of drinking significance [16], рбх.** – for water bodies of fishery significance [17].

 

Коллекторные сбросы предприятия «Усольехимпром» (В1и В2)

В период работы предприятия УХП промышленный коллекторный выпуск 1 осуществлял сброс сточных вод (расход 132384 м³/сут) непосредственно в р. Ангару. Основной вклад в него вносили стоки станции нейтрализации и системы промливневой канализации предприятия [18]. В 2020 г., несмотря на закрытие предприятия, сточные воды выпуска со значительно меньшим расходом поступают через поврежденную трубу выпуска в канаву гидрозолоудаления. Гидрохимические характеристики В1 демонстрируют значительную вариабельность в межгодовом аспекте (рис. 2). В 2010 г. сточные воды Cl–Na c высокой величиной минерализации (16322 мг/л), слабо окислительными условиями (Eh=32 мВ) и слабокислой реакцией среды (рН=6,3). В 2020 г. для сточных вод В1 характерны слабоокислительные условия (Eh=47 мВ) и слабощелочная реакция среды (рН=7,8). Величина минерализации вод В1 (1404 мг/л) снизилась в 11,6 раз, основной ионный состав сменился на Cl–Mg–Na–Ca.

 

Рис. 2. Диаграммы Стиффа для сточных вод выпуска 1 (В1), выпуска 2 (В2), канавы ГЗУ и дренажной канавы (ДК) в 2010–2020 гг.

Fig. 2. Stiff diagram of the wastewater from effluent 1 (В1), effluent 2 (В2), ash removal ditch (ГЗУ) and drainage ditch (ДК) in 2010–2020

 

В разные по техногенной нагрузке периоды, наряду с изменением соотношения концентраций главных ионов в водах В1, происходит трансформация его микроэлементного состава. В 2010 г. сточные воды характеризуются максимальными для всех промышленных выпусков концентрациями Li, В, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Sr, Cd, Sb, Cs, Tl, Pb, Ga и Ge (рис. 3). Сравнение с ПДК, установленными для водных объектов питьевого водоснабжения (ПДКпв) и рыбохозяйственного (ПДКрбх) значения, показало, что концентрации микроэлементов, за исключением Cr, Co, As, Cd, Cs, Pb и U, превышают величины нормативных показателей. В большей степени это относится к Hg (5ПДКпв и 239 ПДКрбх), Mn (2 ПДКпв и 20 ПДКрбх), Al (3 ПДКпв и 15 ПДКрбх), B (3 ПДКпв и 14 ПДКрбх), Mo (7 ПДКрбх), Sb (6 ПДКпв), V (5 ПДКрбх), Cu (4 ПДКрбх) и Ni (2 ПДКпв и 3 ПДКрбх). В период спада техногенной нагрузки (2020 г.) концентрации большинства микроэлементов (рис. 3) ниже уровня ПДК. Вместе с этим выделяются концентрации Mn (5 ПДКпв и 50 ПДКрбх), Sr (6 ПДКрбх), As (1 ПДКпв) и U (увеличение в 17 раз, по сравнению с 2010 г.), которые, напротив, значительно возросли.

 

Рис. 3. Динамика концентраций микроэлементов в сточных водах выпуска 1 (В1), выпуска 2 (В2), канавы ГЗУ и ДК в 2010–2020 гг., мкг/л

Fig. 3. Dynamics of trace elements concentrations in wastewater from effluent 1 (В1), effluent 2 (В2), ash removal ditch (ГЗУ) and drainage ditch (ДК) in 2010–2020, µg/l

 

В 2010 г. в стоках В1 после станции нейтрализации была определена и максимальная для всех промышленных выпусков концентрация основного загрязнителя – Hg, составляющая 2,39 мкг/л (239 ПДКрбх и 5 ПДКпв). Следует отметить, что это значение находится в интервале концентраций (от 0,01 до 9,0 мкг/л), определенных в сточных водах В1 в течение ежемесячного трехлетнего мониторинга 2006–2008 гг. [19]. Высокие концентрации Hg в В1 в 2006–2008 и 2010 гг., несмотря на закрытие цеха ртутного электролиза, отражали специфику производства хлора и его производных методом электролиза соляного раствора. В процессе электролиза водного раствора поваренной соли для получения газообразного хлора и едкого натра в качестве катода использовалась металлическая Hg. Помимо Hg, сточные воды обогащены Na⁺ и Cl^–, а также рядом микроэлементов, в первую очередь, В, Mn, Fe и Al, характерных для подземных вод.

В 2020 г. концентрация Hg в В1 снижается (0,88 мкг/л), но остается повышенной, по сравнению с другими выпусками и ПДК. В работе [18] вариабельность концентраций Hg в сточных водах в период работы предприятия связывали не только с производственными процессами, активизирующими эмиссию Hg из технологических объектов, но и со смывом соединений Hg поверхностными водами с высокозагрязненной промплощадки и прилегающей к ней территории. Спустя 22 года после остановки цеха ртутного электролиза на промплощадке УХП крупные очаги ртутного загрязнения обусловлены локализацией техногенной ртути под цехом ртутного электролиза, строительными конструкциями зданий, шламами, производственными отходами и т. д. За годы деятельности УХП суммарное поступление Hg в окружающую среду достигло 1327 т, из них 345 т накоплено в грунте под цехом ртутного электролиза, 620 т – в шламонакопителе УХП [20]. Поверхностный слой почв и грунтов (до 25 см) промплощадки УХП и прилегающих территории содержит порядка 24 т Hg [18].

Значительное уменьшение количества растворенных веществ и изменение основного гидрохимического состава В1 в 2020 г., с одной стороны, указывают на спад техногенной нагрузки от закрытого предприятия. С другой стороны, по-прежнему высокие концентрации Hg, V, Cu, Cs, Tl и Pb, а также увеличение концентраций Mn, As, U и Sr определяют вклад загрязненной системы промышленно-ливневой канализации, очагов крупных локализаций элементов техногенного происхождения на территории УХП и поверхностного стока с высокозагрязненных территорий.

Промышленный выпуск 2, как и выпуск 1, – часть организованной коллекторной водоотводной системы предприятия УХП. В период работы предприятия формирование сточных вод выпуска (расход 65904 м³/сут) происходило в основном из осветленных вод шламонакопителя предприятия и стоков системы промышленно-ливневой канализации [18]. В 2010 г. воды В2 Cl–Na с величиной минерализации, составляющей 11926 мг/л, обладают щелочной реакцией среды (рН=8,9) и окислительными условиями (Eh=72 мВ). После закрытия предприятия (2012 г.) сброс сточных вод В2 в р. Ангару прекратился [21], однако в 2020 г. поток со значительно меньшим, по сравнению с 2010 г., расходом воды возобновился. В 2020 г. гидрохимический состав В2 характеризуется также окислительными условиями (Eh=110 мВ) и слабощелочной реакцией среды (рН=8,1). Величина минерализации снизилась в 6 раз (2130 мг/л). Соотношение главных ионов изменилось в сторону уменьшения относительного содержания Cl^– и Na⁺ и увеличения HCO₃^–, SO₄^2–, Ca²⁺ и Mg²⁺ (рис. 2).

В 2010 г. микроэлементный состав вод В2 (рис. 3) характеризуется высокими уровнями Hg (40 ПДКрбх), Al (1 ПДКпв и 7 ПДКрбх), Mo (2 ПДКрбх) и Sb (2 ПДКпв). В 2020 г. концентрации Cs, Al, Cr и Ti значительно снижаются, Mn, B, Ni, Cu и Sr, напротив, повышаются до 46 ПДКрбх и 5 ПДКпв для Mn, 20 ПДКрбх и 4 ПДКпв для B, 6 ПДКрбх для Cu, 2 ПДКрбх для Sr. Кроме того, несмотря на отсутствие превышения ПДК, как и в В1, отмечен рост концентрации U (в 6 раз). Концентрация Hg в 2020 г. (0,05 мкг/л) значительно меньше, чем в 2010 г. (0,395 мкг/л), но все еще превышает нормативы. Тенденция, связанная с закрытием цеха ртутного электролиза, к снижению концентраций ртути была выявлена уже в 2000 г. [22]. Вместе с этим определено, что главным фактором, влияющим на содержание токсиканта в сточных водах выпуска, являлся плоскостной смыв ее адсорбированных форм с частицами грунта территории предприятия УХП.

Возобновление поступления сточных вод В2 в р. Ангару в 2020 г. совпало с началом работ по демеркуризации цеха ртутного электролиза. С целью уменьшения поступления атомарной Hg в атмосферу в ходе демонтажа конструкций цеха была создана водяная завеса, на которую было использовано 900 т воды. Таким образом, появление стока выпуска 2 в 2020 г. может быть связано с излишками воды, поступившими в коллекторную сеть предприятия во время проведения работ по ликвидации накопленного экологического ущерба. Повышение концентраций Hg в водах, используемых для завесы, в большей степени, определяется поступлением токсиканта из высокозагрязненной коллекторной сети предприятия. Изучение отложений коллекторной сети УХП определило их как потенциальный источник поступления Hg [19]. Установлено, что в пробах отложений коллекторной сети доля нерастворимого HgS в среднем составляет 30 %, а 70 % техногенной Hg способны переходить в водный раствор.

Дренажная канава (ДК)

На территории промышленной зоны г. Усолье–Сибирское расположен крупный шламонакопитель УХП площадью около 130 га. Спроектированное для хлорно-щелочного комбината сооружение было предназначено для хранения и отстаивания шлама и жидких отходов производства, в том числе для отделения и очистки рассола и станции нейтрализации. В период работы УХП дренажная канава (длина около 2000 м) использовалась для отвода излишков воды из шламонакопителя. По данным [23] в период интенсивной работы предприятия (2006–2008 гг.) основной ионный состав ее вод был HCO₃–Cl–Na или HCO₃–Na с высоким содержанием Ca²⁺. Минерализация изменялась от 2082 до 7921 мг/л. Такой состав сточных вод отражал технологические особенности предприятия, а также состав и свойства отходов шламонакопителя. В 2010 г. основной ионный состав вод дренажной канавы Cl–Na с минерализацией 7858 мг/л. Относительное содержание HCO₃^– уменьшилось, доминирующим стал Cl^–. Поступление сточных вод от шламонакопителя практически прекратилось в 2013 г. В 2020 г. дренажная канава представляет собой временный водоток, наполняемость которого обеспечивается поверхностным стоком с прилегающей территории и зависит от дождевых осадков и талых вод в период снеготаяния. Величина минерализации в водах ДК после закрытия предприятия, в отличие от В1 и В2, осталась в прежних пределах (7885 мг/л). Сточные воды ДК характеризуются окислительными условиями (Eh=165 мВ) и околонейтральной реакцией среды (рН=7,31). Трансформация основного ионного состава вод выражена в смене на Cl–Ca–Na с увеличением относительного содержания Ca²⁺ и Mg²⁺ (рис. 2).

Особенностью микроэлементного состава вод ДК в 2010 г. были максимальные, относительно всех стоков промышленной зоны (рис. 3), концентрации As (2,1 мкг/л), который, так же как Hg, относится к элементам первого класса опасности. Также в высоких пределах находятся концентрации Hg (4 ПДКпв и 199 ПДКрбх), Al (4 ПДКрбх), Mn (2 ПДКрбх), Mo (2 ПДКрбх), Sb (2ПДКпв), V (1 ПДКрбх) и В (1 ПДК). За период работы цеха ртутного электролиза в шламонакопитель поступило более 620 т ртути [24]. Дренирование вод высокозагрязненных отходов предприятия определяло и высокие концентрации этого токсиканта в сточных водах ДК: в 2006–2008 гг. (до 1,1 мкг/л) [22] и в 2010 г. (1,99 мкг/л). В 2020 г. концентрация Hg значительно снизилась, что отражает уменьшение техногенной нагрузки. Из других рассматриваемых микроэлементов в этот период в стоках ДК определено снижение концентраций Ti, Al и Cr и, напротив, увеличение Mn (51 ПДКпв и 505 ПДКрбх), Sr (9 ПДКрбх), В (4 ПДК рбх), Cu (3 ПДКрбх), Co, Ga, Ni, Zn, As, и Ge (рис. 3). Отметим, что такая динамика для Hg, Ti, Al, Cr и Mn характерна для всех стоков УХП. Механизм формирования сточных вод ДК в 2020 г. определяет влияние поверхностного стока на состав ее вод. Водные массы, поступающие в дренажную канаву в период снеготаяния или в период дождевых осадков, обогащаются растворенными веществами за счет их выщелачивания из почво-грунтов техногенной территории. Еще одним важным фактором, влияющим на повышение концентраций элементов в наполняющих дренажную канаву водах, является их взаимодействие с высокозагрязненными отложениями (наилками) водотока, в которых за время работы предприятия аккумулировано значительное количество загрязняющих веществ.

Канава гидрозолоудаления (ГЗУ)

Канава ГЗУ на территории промышленной зоны г. Усолья-Сибирского является частью ирригационной производственной системы ТЭЦ-11, которая в качестве ресурсного обеспечения использует твердое угольное топливо. Образовавшаяся в процессе сжигания топлива минеральная составляющая переходит в аэрозольную и шлаковую фазы в определенных соотношениях [25]. Дымовые газы, содержащие летучую мелкодисперсную золу, обеспечивают аэроперенос техногенных элементов, состав и свойства которых зависят от характеристик угля, условий сжигания и используемой технологии [26].

Атмосферный перенос пылевых частиц как с зольными компонентами при сжигании топлива, так и при естественном пылении золоотвальных сооружений приводит к аккумуляции веществ антропогенного происхождения в различных компонентах природной среды: снеге, почве, поверхностных и подземных водах района размещения техногенных объектов [27, 28]. Поступление в атмосферу с зольными компонентами в процессе сжигания топлива ТЭЦ-11 и последующее осаждение V, Hg, As и U и их соединений в снеговой покров обсуждается в работе [29]. Жидкая (шлаковая) фаза ТЭЦ-11 представлена шлако-зольной пульпой, транспортируемой на два золоотвальных сооружения – специально оборудованные котлованы для хранения и фильтрации отходов. Состав надшламовых вод (НВ), который, как известно [30], зависит от исходного состава золошлаковых отложений, характеризуется SO₄–Ca составом с величиной минерализации 1033 мг/л.

Концентрации большинства микроэлементов в НВ (табл. 2) выше, чем в сточных водах, поступающих в р. Ангару. В большей степени это относится к B, V, Cr, Mo, Cd, Ga и Ge. Источником высоких концентраций ряда элементов в НВ золоотвальных сооружений ТЭЦ-11 являются минеральные зольные компоненты бурых углей Азейского и Мугунского месторождений Восточной Сибири. Зола Мугунских углей характеризуется высоким содержанием Mn, Pb, Ni, V, Cr и As [31], Азейских углей, в свою очередь, обладает высоким содержанием ряда элементов-примесей, в том числе B и Mo [32]. Об обогащении Восточносибирских углей радиоактивными элементами, в частности U, известно из работ [33, 34]. Из выделенных элементов при сжигании топлива As и Pb преимущественно концентрируются в газообразной фазе [35–37]. V и Mn, напротив, поступают в шлаковую фазу, концентрируясь в толще шламового материала в золоотвальных сооружениях [35, 38].

 

Таблица 2. Концентрации микроэлементов в надшламовых водах золоотвала ТЭЦ-11, мкг/л

Table 2. Trace elements concentrations in the ash pond top water of the thermal power plant-11, µg/l

Элемент Element	Li	B	Al	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn
Концентрация Concentration	181	5081	137	2,3	36	44	56	50	0,337	4,6	2,2	1,8
Элемент Element	As	Sr	Mo	Cd	Sb	Cs	Tl	Pb	U	Нg	Ga	Ge
Концентрация Concentration	6,6	2712	390	2,9	5,1	0,215	0,018	1,4	3,057	0,013	2,7	3,9

 

В 2010 г. (до перехода золоотвальных сооружений ТЭЦ-11 на замкнутый цикл водоснабжения) прошедшая через фильтрационные колодцы золоотвала вода по трубопроводу поступала в канаву гидрозолоудаления, затем в р. Ангару. Достигая места сброса в реку сточные воды ГЗУ обладали окислительными условиями (Eh=221 мВ), кислотной реакцией среды (рН=3,7) и имели Cl–Na состав с величиной минерализации 4119 мг/л (рис. 2). Микроэлементный состав вод ГЗУ в 2010 г. характеризовался высокими концентрациями B, Mn, Ni, Cu, Sr, Mo, Tl, Ge и Hg (рис. 3), из которых наибольшими превышениями нормативных показателей отличались Mn (146 ПДКрбх и 15 ПДКпв), Hg (8 ПДКрбх), Sr (4 ПДКрбх), Tl (4 ПДКпв) и Mo (3 ПДКрбх).

Сравнение основного гидрохимического состава НВ (SO₄–Ca) и ГЗУ (Cl–Na) показывает, что по течению сточных вод канавы гидрозолоудаления по территории промплощадки их состав значительно изменяется. Проведенное в 2020 г. обследование территории промышленной зоны обнаружило, что сточные воды канавы сформированы двумя водотоками: левый (С2) выходит на поверхность вблизи золоотвальных сооружений ТЭЦ и протекает между полями нейтрализации промышленных отходов УХП, правый (С1) протекает в понижении рельефа между заброшенным комплексом канализационно-очистных сооружений для отходов УХП и полем нейтрализации (рис. 1). Эти два водотока соединяются в общий поток (С3), течение которого направлено к р. Ангаре.

Воды водотоков, формирующих канаву гидрозолоудаления, обладают различным гидрохимическим составом (рис. 4). Несмотря на близость выхода С2 к золоотвальным сооружениям ТЭЦ, основной ионный состав его вод отличается от состава надшламовых вод. Воды С2 Cl–Na с величиной минерализации 5996 мг/л характеризуются окислительными условиями (Eh=86 мВ) и щелочной реакцией среды (рН=9,12). Для вод С1 определены восстановительные условия (Eh= –80 мВ) и слабощелочная реакция среды (рН=7,73). Относительное содержание Cl^– и Na⁺ значительно ниже, чем в С2. Основной ионный состав HCO₃–Cl–Ca–Na, минерализация составляет 4933 мг/л. При смешении водотоков (С3) создаются cлабовосстановительные условия (Eh= –17 мВ) и слабощелочная реакция среды (рН=7,87). Гидрохимический состав С3 преобразуется в Cl–Ca–Na с величиной минерализации 2852 мг/л.

 

Рис. 4. Диаграмма Стиффа для вод, формирующих канаву гидрозолоудаления

Fig. 4. Stiff diagram of the waters forming the ash removal ditch

 

Воды С2 отличаются более высокими, чем С1, концентрациями большинства элементов. Несмотря на различия в основном ионном составе, в микроэлементном составе С2 прослеживается взаимосвязь с надшламовыми водами. Так же как в НВ, в нем определены высокие концентрации B, V, Cr, Mo, Cd, Ga и Ge. Источником микроэлементов для вод С2 являются и поля нейтрализации стоков УХП, дренируя которые они обогащаются элементами, присущими технологическим отходам предприятия. В первую очередь, показателем этого являются высокие концентрации Hg (2,36 мкг/л). В водах С3 концентрации микроэлементов, за исключением Zn и Pb, так же как и компоненты основного ионного состава, уменьшаются относительно формирующих поток водотоков. В большей степени это относится к Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Ge и Hg. Смена окислительно-восстановительных условий может оказывать влияние на поведение этих элементов. Так, например, происходит выпадение гидроксидов железа, марганца, алюминия и других элементов.

Изменение основного ионного состава сточных вод канавы гидрозолоудаления происходит и по мере их течения от точки наблюдений С3 к точке наблюдений ГЗУ, что определяется увеличением концентраций Cl^–, Na⁺ и величиной минерализации (от 2852 до 4788 мг/л). В разные по техногенной нагрузке периоды воды ГЗУ Cl–Na. Вместе с этим по сравнению с 2010 г., в 2020 г. относительное содержание Na⁺, Cl^– в них уменьшается, HCO₃^–, SO₄^2–, Ca²⁺, Mg²⁺ увеличивается (рис. 2).

В межгодовом аспекте в водах ГЗУ отмечается значительное снижение концентраций Ge, Tl, Ti и Cs, и несколько меньшее Cd, Sr и Cr (рис. 3). Обращает на себя внимание значительное увеличение объема сточных вод по мере течения канавы гидрозолоудаления к р. Ангаре. Изменяется и пространственная динамика в составе главных ионов и микроэлементов. Определено, что концентрации большинства микроэлементов перед поступлением сточных вод канавы в р. Ангару как в 2010 г., так и в 2020 г. значительно выше, чем в формирующих ее сток водотоках. Выделенные особенности указывают на существование дополнительных источников формирования стока канавы. Выявить точные источники поступления растворенных веществ в сточные воды канавы гидрозолоудаления от С3 до ГЗУ в настоящее время невозможно в связи с отсутствием публичной информации о водоотводных коллекторных сетях закрытого предприятия УХП. Однако полученные результаты позволяют выделить наиболее вероятные из них.

В первую очередь, это подземные коммуникации заброшенного предприятия, которые, так же как коллекторный выпуск 1, находятся в критическом состоянии. На это указывают полученные данные по концентрациям Cl^– и Na⁺, которые в сточных водах ГЗУ становятся близкими к организованным выпускам предприятия УХП (В1, В2, ДК). Наряду с утечками из коллекторной сети, источником поступления растворенных веществ является поверхностный сток с прилегающей территории, так как, подобно дренажной канаве, наполняемость канавы гидрозолоудаления обуславливается поступающими в нее водами сезонного характера. Привнесение загрязняющих веществ происходит с дождевыми и талыми водами от комплекса заброшенных очистных сооружений и станций нейтрализации УХП, а также с размывом отложений (наилков) канавы.

Существование третьего источника определено рекогносцировочным исследованием территории промышленной площадки, выявившим поступление в канаву гидрозолоудаления малодебитного водотока (МВ), просачивающегося из-под земли. Воды МВ обладают самой высокой величиной минерализации (59783 мг/л) из всех опробованных сточных вод, слабовосстановительными условиями (Eh= –34 мВ) и околонейтральной реакцией среды (рН=7,07) и имеют, так же как все выпуски промышленной зоны, Cl–Na состав вод. Гидрохимический состав МВ выделяется высокими и колоссально высокими концентрациями как главных ионов, так и микроэлементов, превышающими ПДК (табл. 1). Вместе с этим концентрации Cl^– (38600 мг/л) и Na⁺ (18750 мг/л) в водах МВ близки к их концентрациям (37396 и 22260 мг/л, соответственно [23]) в воде, отобранной из скважины Бродовича (глубина 190 м), находящейся в г. Усолье-Сибирском в 100 м от уреза воды р. Ангары. Ранее определено, что на участках расположения техногенных объектов УХП (шламонакопителей, полигонов хранения токсичных отходов, трубопроводов и т. д.) химический состав природных подземных вод верхней гидродинамической зоны кардинально изменен [39]. В естественном состоянии грунтовые воды до участка промплощадки имеют НСО₃–Са–Mg состав, а в районе расположения объектов предприятия выделено 15 гидрохимических типов вод (НСО₃–Сl–Ca–Мg, НСО₃–Са–Na, Cl–Na, Cl–SO₄–Ca и т. д.). Вышесказанное позволяет предположить, что в канаву гидрозолоудаления на всем ее протяжении происходит подток грунтовых вод, разгрузка которых происходит в виде малодебитных рассредоточенных выходов. На это указывают и восстановительные условия, определенные в воде канавы.

Воды р. Ангары

Условно фоновый участок: 10 км выше промышленной зоны г. Усолья–Сибирского (А1)

На формирование гидрохимического состава р. Ангары большое влияние оказывает оз. Байкал, которое является крупнейшим природным резервуаром чистой пресной воды (минерализация ~96 мг/л [40]). В воде истока реки минерализация и концентрации главных ионов сопоставимы с этими показателями в воде озера [41]. За счет влияния природных (литология, притоки) [42] и антропогенных факторов в 10 км выше промышленной зоны г. Усолья-Сибирского (160 км ниже истока р. Ангары) минерализация увеличивается, составляя 119 мг/л (2010 г.) и 125 мг/л (2020 г.). Это связано с повышением концентраций НСО₃^– (от 60,8 мг/л в воде истока реки [43] до 78 мг/л в воде А1), Са²⁺ (от 15,2 до 20 мг/л, соответственно), SO₄^2– (от 5,7 до 10 мг/л, соответственно), Cl^– (от 0,6 до 5,6 мг/л, соответственно). По гидрохимическому составу р. Ангара в истоке и на условно фоновом участке, как и оз. Байкал, НСО₃–Ca.

Так же как основной ионный состав, микроэлементный состав вод истока р. Ангары слабо отличается от вод оз. Байкал [44]. По сравнению с истоком реки, в воде условно фонового участка концентрации Al, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Tl и Ga повышены, Zn, Pb и Ge, напротив, ниже (рис. 5). Zn в истоке реки характеризуется повышенным содержанием, наследуя геохимические особенности бассейна оз. Байкал, в частности, его поступление с эоловым переносом с западного побережья озера, коренные породы и почвы которого обогащены элементом [45]. В 2010 и 2020 гг. в воде А1 концентрации Li, B, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Mo, Cd, Sb, Cs, Pb, U, Hg и Ge сопоставимы между собой (рис. 5). Наибольшие различия определены для концентраций Al, Ti, Fe и Ga, которые в 2010 г. выше, чем в 2020 г., концентрации Tl, напротив, ниже.

 

Рис. 5. Концентрации микроэлементов в воде р. Ангары, мкг/л: исток (1), фоновый участок 2010 г. (2) и 2020 г. (3)

Fig. 5. Trace elements concentrations in Angara river water, µg/l: source (1), background site 2010 (2) and 2020 (3)

 

Для оценки вклада каждого микроэлемента, поступающего со стоками промышленной зоны, в загрязнение р. Ангары использован однофакторный индекс загрязнения (CFст.в), рассчитанный через нормирование концентраций микроэлементов в сточных водах к их концентрациям в воде условно фонового участка (табл. 3). Элементы, CFст.в. которых превышает значение 100 и более, отнесены к приоритетным элементам-загрязнителям.

 

Таблица 3. Группы микроэлементов в сточных водах, сформированные по однофакторному индексу загрязнения (CFст.в.)

Table 3. Groups of trace elements in wastewater formed by the one-factor pollution index (CFст.в.)

Сточные воды Wastewater	CFст.в. CFст.в.	2010	2020
Выпуск 1 Effluent 1	>1000 100–1000 50–99 10–49 2–9	Hg Ge, B, Sb Cs, Ti Ni, Li, Co, Mn, Tl, Cd, Ga, Cr, Al, Zn, Pb V, Sr, As, Cu, Fe	– Hg, Mn – Pb, As, Cs, B, Ge, Li, Co, Ga, Sr, Tl, U, V, Ni Sb, Zn, Cr, Cu, Mo, Cd
Выпуск 2 Effluent 2	>1000 100–1000 50–99 10–49 2–9	– Hg Ge Sb, Cr, Cs, Ti, B, Li, Ga Zn, Al, Tl, Pb, V, Co, As, Mo, Cd	– B, Mn – Hg, Ge, Ga, Co, Ni, Li Sr, U, Zn, Cd, Cs, Cu, Sb, As
Дренажная канава Drainage ditch	>1000 100–1000 50–99 10–49 2–9	Hg – – Sb, Ge, Cs, Ti, Cr, B, Tl, Ga As, Al, Co, Mn, Sr, V, Mo, Cd, Pb	Mn Ge, Ga, B, Co Sr, As, Li, Hg Ni, Cs, Sb, Cu, Cr, Fe, Zn, Cd
Канава ГЗУ Ash removal ditch	>1000 100–1000 50–99 10–49 2–9	– Ge, Mn, B Tl Hg, Co, Li, Cs, Cd, Ga, Ni, Sr As, Zn, Mo, Sb, Cr, U, V	– B, Mn Hg, Co Ga, Ge, Li, Ni Sr, As, Sb, Cs, Pb, U, Cu, Mo, Cd, V, Zn, Tl
Приемная камера Intake chamber	>1000 100–1000 50–99 10–49 2–9	н/д	– – – Сs, Ga, Ge, Ni Li, B, As, Sb, Hg, Zn, Sr, Cr, V, Co, Pb

Примечание: жирным выделены микроэлементы, CFст.в. которых превышает 100.

Notes: trace elements with CFст.в. exceeding 100 are marked in bold.

 

Как и ожидалось, в 2010 г. во всех сточных водах еще работающего предприятия УХП к таким элементам относится Hg (табл. 3). В 2020 г. CFст.в. Hg в В2 и ДК значительно уменьшается, составляя 45 и 12, соответственно. В В1 CFст.в. Hg остается высоким (800), а в ГЗУ переходит в категорию выше, чем в 2010 г. Рассчитанные значения CFст.в. показывают, что в 2010 г. в сточных водах всей промышленной зоны, помимо Hg, к приоритетным элементам-загрязнителям р. Ангары относятся Ge и B, частично – Sb и Mn. В 2020 г. возрастает вклад в загрязнение реки Mn (В1, В2, ДК, ГЗУ), а также B (В2, ГЗУ), Ga и Ge (ДК). Наименьший для всех микроэлементов CFст.в. (не превышающий 49) определен для сточных вод ПК. Однако, так же как для других выпусков, выделяются Ga и Ge, для которых определен самый высокий CFст.в.

Участок в 50 м ниже сбросов сточных вод (А2)

Во все периоды исследования наиболее значимая трансформация гидрохимического состава р. Ангары определена на близком к впадению промышленных сбросов участке. Поступление сточных вод изменяет НСО₃–Са состав вод реки и увеличивает их минерализацию. В 2010 г. воды А2 Cl–Na с минерализацией 1280 мг/л. В 2020 г., за счет значительного снижения относительного содержания Cl^– и Na⁺ (рис. 6), состав вод Cl–HCO₃–Na–Ca с минерализацией 147 мг/л.

 

Рис. 6. Диаграмма Стиффа для вод реки Ангары в точках А2, А3 и А4

Fig. 6. Stiff diagram of the Angara river waters at points A2, A3 and A4

 

В 2010 г. на этом участке концентрации большинства изучаемых микроэлементов выше фоновых значений. Наиболее значимые превышения определены для Hg, Ge и B (рис. 7), CFст.в. которых превышает 100. Концентрации B, Al, Mn, Cu и Mo находятся в пределах от 1 до 3 ПДКрбх, для Hg составляют 24 ПДКрбх. В 2020 г. концентрации микроэлементов, за исключением Tl, в воде А2 значительно уменьшаются относительно величин 2010 г. (рис. 7). Такая тенденция отражает снижение количества растворенных веществ в промышленных стоках (рис. 3, табл. 3) и объема поступающих в р. Ангару сточных вод. Превышения установленных нормативов все еще обнаруживаются для Mn (2 ПДКрбх), Cu (1 ПДКрбх) и Mo (1 ПДКрбх).

 

Fig. 7. Trace element concentrations in the Angara river water (µg/l) at sites 50 m below outlet of ash removal ditch (1), 1.5 km (2) and 5 km (3) below the discharge of the Usolye-Sibirskoe industrial zone. a – 2010, b – 2020

Fig. 7. Trace element concentrations in the Angara river water (µg/l) at sites 50 m below outlet of ash removal ditch (1), 1.5 km (2) and 5 km (3) below the discharge of the Usolye-Sibirskoe industrial zone. a – 2010, b – 2020

 

Качество вод р. Ангары определено с помощью CF, рассчитанного через нормирование концентраций микроэлементов в водах участка А2, а также А3 и А4, к их концентрациям в воде условно фонового участка (А1) (табл. 4). По классификации, предложенной [12] для оценки экологического состояния водной среды, CF выше 6, определенный в 2010 г. для Hg, Ge, B, Cs и Sb, позволяет отнести воды участка А2 к категории очень высокого загрязнения. Воды А2 по концентрациям большинства микроэлементов умеренного (от 1 до 3) и значительного (от 3 до 6) загрязнений, низкого загрязнения – только по Fe и Cu. В 2020 г. показатели качества вод р. Ангары на близком к месту сбросов участке улучшаются: полученные значения CF классифицируют воды как умеренно загрязненные и низко загрязненные (табл. 4). Исключением является CF для Tl, который демонстрирует смену уровня загрязнения со значительного на очень высокий. Для Hg во все периоды определено очень высокое загрязнение вод, для Mn – значительное.

 

Таблица 4. CF микроэлементов в воде р. Ангары

Table 4. CF of trace elements in Angara river water

Водный участок р. Ангары The Angara river water site	CF значение* CF value*	Микроэлементы (2010) Trace elements (2010)	Микроэлементы (2020) Trace elements (2020)
50 м от выпуска канавы гидрозолоудаления (А2) 50 m away from outlet of ash removal ditch (А2)	CF<1	Fe, Cu	Zn, Mo, Cd, Pb, U
	1≤CF≤3	Al, V, Cr, As, Sr, Mo, Pb, U	Li, B, Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, As, Sr, Sb, Cs
	3≤CF≤6	Li, Ti, Mn, Co, Ni, Zn, Ga, Cd, Tl	Mn
	6≤CF	B, Ge, Sb, Cs, Hg	Tl, Hg
1,5 км от всех сбросов сточных вод (А3) 1.5 km away from all industrial outlets (А3)	CF<1	Mo, As, U	Zn, Mo, Cd, Tl, U, Hg
	1≤CF≤3	Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Cd, Sb, Cs, Tl, Pb	Li, B, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Ge, As, Sr, Sb, Pb
	3≤CF≤6	–	Co, Ga, Cs
	6≤CF	Hg	Al, Ti, Fe
5 км от всех сбросов сточных вод (А4) 5 km away from all industrial outlets (А4)	CF<1	Mo, U	Li, B, Mo, U, Hg
	1≤CF≤3	Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Sr, Cd, Sb, Cs, Tl, Hg	V, Cu, Zn, Ge, As, Sr, Cd, Sb
	3≤CF≤6	Pb	Cr, Mn, Ni, Pb
	6≤CF	–	Al, Ti, Fe, Co, Ga, Cs, Tl

Примечание: категории качества вод в соответствии с [12]: CF<1 – низкое загрязнение, 1≤CF≤3 – умеренное загрязнение, 3≤CF≤6 – значительное загрязнение, 6≤CF – очень высокое загрязнение.

Notes: water quality categories according to [12]: CF<1 – low contamination, 1≤CF≤3 – moderate contamination, 3≤CF≤6 – significant contamination, 6≤CF – very high contamination.

 

Участки в 1,5 и 5 км ниже сбросов сточных вод (А3 и А4)

В 2010 г. воды А3 и А4 характеризовались HCO₃–Cl–Ca–Na и Cl–HCO₃–Na–Ca составом, соответственно, с повышенными относительного А1 величинами минерализации (309 и 169 мг/л, соответственно). В 2020 г. количество растворенных веществ в водах А3 (121 мг/л) и А4 (107 мг/л) ниже, основной ионный состав изменился на HCO₃–Mg–Ca (рис. 6).

В период с высокой техногенной нагрузкой (2010 г.) в воде А3 концентрации Hg составляют 3 ПДКрбх, Al – 2 ПДКрбх, Cu – 2 ПДКрбх, Mn – 1 ПДКрбх и Fe – 1 ПДКрбх, в воде А4 – Al (3 ПДКрбх), Mn (2 ПДКрбх), Cu (2 ПДКрбх) и Fe (2 ПДКрбх). По мере удаления речных вод от техногенных источников только концентрации Mo в воде А4 достигают фоновых значений. Содержание Li, V, Ti, Ni, Ga, Mo, Cs, Tl и Hg характеризуется закономерным последовательным уменьшением по течению реки (рис. 7), что обуславливается, в первую очередь, сильным разбавлением сточных вод большим объемом низкоминерализованных вод р. Ангары. Одновременно выведению из водной среды потенциально токсичных элементов способствуют процессы их сорбции взвешенными частицами. Как было определено ранее для процессов перераспределения техногенной ртути [19], часть поступающей в составе сточных вод взвеси выводится из водной среды в результате осаждения на ближних к источнику загрязнения участках реки. В пространственном распределении концентраций элементов выделяются Pb и Fe, для которых, напротив, характерно постепенное увеличение содержания по мере удаления вод от источников загрязнения, а также Mn, Co, Zn, Cd и Sb, которые, снижаясь в воде А3, далее повышаются в воде А4.

В 2020 г. превышения нормативов определены в воде А3 и А4 для Al (2 и 4 ПДКрбх, соответственно), Fe (2 и 3 ПДКрбх, соответственно), Mn (1 и 3 ПДКрбх, соответственно), Cu (1 и 3 ПДКрбх, соответственно), в А4 – Tl (5 ПДКпв). Результаты исследования этого периода не повторяют выделенных в 2010 г. трендов. Основной особенностью 2020 г. является уменьшение концентрации основного элемента-загрязнителя промышленной зоны – Hg – в А3 и А4 до фоновых значений и соответствия ПДК. Концентрации As и U близки между собой на всех станциях наблюдений. Наиболее высокие, по сравнению с А2 и А3, концентрации Al, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Cs и Pb зафиксированы в воде А4, концентрации Mn, Cd, Sb и Tl, уменьшаясь в воде А3, по сравнению с А2, вновь увеличиваются в А4 (рис. 7). С одной стороны, выделенное пространственное распределение микроэлементов в воде р. Ангары в период снижения техногенной нагрузки может определять накопленный за годы интенсивной работы предприятия экологический вред. В частности, аккумуляцию элементов техногенного происхождения в береговых донных отложениях и их вторичное поступление в водную среду. Одним из факторов, провоцирующих взмучивание загрязненных осадков и высвобождение элементов из депонирующей среды в водную, является изменение уровневого режима водоема в межсезонном и межгодовом аспектах. С другой стороны, можно предположить наличие еще одного источника, влияющего на увеличение концентраций микроэлементов: подземные воды, поступающие по зонам повышенной трещиноватости в долине реки. Повышение хлорид-ионов и ионов натрия, основных показателей рассолов, в водной среде участка реки в 5 км ниже сточных вод определено как в настоящем исследовании, так и ранее [46].

В 2010 г. показатель CF на участках А3 и А4 по большинству микроэлементов определяет умеренный уровень загрязнения (табл. 4). Исключением является CF для Hg в воде А3 и для Pb в воде А4, определяющий очень высокое и значительное загрязнение, соответственно. Качество вод в 2020 г. на этих участках р. Ангары ухудшилось (табл. 4). В водах А3 уровень загрязнения Co, Ga, Cs сменился с умеренного на значительный, Al, Fe и Ti – с умеренного на очень высокий, в водах А4 – Cr, Mn и Ni с умеренного на значительный, Al, Ti, Fe, Co, Ga, Cs и Tl – с умеренного на очень высокий.

Индекс нагрузки загрязнения PLI, суммирующий моноэлементные показатели качества вод, в 2010 г. составил для А2 – 4,1, А3 – 1,6 и А4 – 1,7, в 2020 г. 1,4, 1,6 и 3,0, соответственно. Сравнение качественных характеристик воды р. Ангары на разных мониторинговых участках по полученным значениям PLI показывает, что во все периоды исследований воды р. Ангары «загрязненные».

Заключение

Изучение химического состава сточных вод промышленной зоны г. Усолья-Сибирского в разные по техногенной нагрузке периоды показало, что, несмотря на остановку предприятия УХП, в р. Ангару по-прежнему поступают сточные воды, содержащие значительное количество элементов техногенного происхождения. Cl–Na состав организованных выпусков предприятия УХП (В1, В2, ДК) в период с высокой техногенной нагрузкой (2010 г.) полностью отражал специфику действующего производства. В период снижения техногенной нагрузки (2020 г.) в В1 и В2 значительно уменьшается величина минерализации, основной ионный состав изменяется на Cl–Mg–Na–Ca и Cl–Ca–Na. При изменении основного ионного состава ДК на Cl–Са–Na величина минерализации (7885 мг/л) ее сточных вод остается высокой. Несмотря на то, что канава гидрозолоудаления является производственным объектом ТЭЦ-11, состав надшламовых вод которой SO₄–Ca, гидрохимический состав сточных вод ГЗУ перед поступлением в р. Ангару Cl–Na. Трансформацию химического состава сточных вод по мере течения определяют формирующие ее сток водные потоки.

Наибольшим изменениям в сточных водах подвержены концентрации приоритетного элемента-загрязнителя территории исследования – Hg, динамика снижения которого в сточных водах, безусловно, является показателем снижения уровня техногенной нагрузки на окружающую среду от предприятия УХП. Однако временной тренд концентраций других микроэлементов в сточных водах не указывает на значительное улучшение экологической ситуации: установлено увеличение концентрации Mn, B, Ge и Ga. В связи с этим говорить об устойчивой тенденции к прекращению и (или) уменьшению поступления элементов техногенного генезиса в окружающую среду преждевременно. На гидрохимический состав сточных вод, поступающих в р. Ангару, значительно влияют инфраструктура и инженерные коммуникации УХП, которые находятся в катастрофическом состоянии: практически все производственные объекты заброшены и полуразрушены, водоотводные системы промплощадки не демонтированы. В условиях закрытия предприятия наиболее значимым фактором, негативно влияющим на экологическую ситуацию р. Ангары, становится поступление поверхностного стока с высокозагрязненных территорий как непосредственно в реку, так и через коллекторную сеть промплощадки.

В период снижения техногенной нагрузки поступление сточных вод и большие объемы накопленных за годы работы предприятия УХП техногенных отходов продолжают оказывать влияние на гидрохимический состав р. Ангары. По результатам исследования установлено, что воды р. Ангары в районе промышленной зоны сохраняют статус загрязненных. Кроме того, наблюдается ухудшение качественных характеристик на удаленных от сбросов сточных вод участках, создавая потенциальную угрозу для всей водной экосистемы. В настоящее время изучение биогеохимических циклов загрязняющих веществ природно-техногенной системы (промышленная зона – р. Ангара) становится важным для установления объективной оценки и прогноза вектора преобразования экологической ситуации. Проведенное исследование, как ожидается, внесет вклад в политику природопользования Иркутской области при проведении мероприятий по ликвидации накопленного экологического ущерба на территории промышленной зоны г. Усолья-Сибирского.

Об авторах

Евгения Андреевна Цветкова

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.tsvetkova@igc.irk.ru

аспирант, инженер-исследователь

Россия, г. Иркутск

Вера Игоревна Полетаева

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН; Иркутский национальный исследовательский технический университет

Email: alieva@igc.irk.ru

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН; доцент кафедры прикладной геологии, геофизики и геоинформационных систем Иркутского национального исследовательского технического университета

Россия, г. Иркутск; г. Иркутск

Михаил Владимирович Пастухов

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН

Email: mpast@igc.irk.ru

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Россия, г. Иркутск

Список литературы

Дополнительные файлы