Использование субкритической воды для оценки содержания полициклических ароматических углеводородов в почвах импактной зоны предприятий энергетического комплекса - Статья

По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу топливно-энергетический комплекс превосходит многие отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность и повышенную социальную напряженность в районах действия энергетических предприятий. Продукты сгорания содержат оксиды азота, углерода, серы, углеводороды, пары воды и другие вещества, поступление которых в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту, населению городов [12]. Карта-схема расположения мониторинговых площадок представлена на рисунке 1. Определение бенз(а)пирена в почвах проводилось с использованием субкритической воды, которая, как показали исследования [7] позволяет извлекать до 96% бенз(а)пирена при использовании минимального количества органического растворителя. Содержание бенз(а)пирена в почвах мониторинговых площадок: В большинстве почв присутствуют и природные и техногенные ПАУ, фоновое содержание бенз(а)пирена в почвах находится в пределах 0,1-0,5 нг/г [2].Превышение содержания бенз(а)пирена над предельно допустимой концентрацией в почвах шести из десяти исследуемых площадок мониторинга территории НЧГРЭС.

По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу топливно-энергетический комплекс превосходит многие отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность и повышенную социальную напряженность в районах действия энергетических предприятий. В России около половины всех вредных выбросов от стационарных источников приходится на долю энергетического сектора [12]. Взаимодействие предприятий с окружающей природной средой происходит на всех стадиях добычи и использования топлива, преобразования и передачи энергии. Продукты сгорания содержат оксиды азота, углерода, серы, углеводороды, пары воды и другие вещества, поступление которых в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту, населению городов [12].

Исследования экологического состояния района г. Новочеркасска [2 - 11] показали, что основную лепту в загрязнение среды г. Новочеркасска вносит Новочеркасская ГРЭС. ОАО «Новочеркасская ГРЭС» (НЧГРЭС) - одна из крупнейших тепловых электростанций России - является основным источником выбросов загрязняющих веществ не только в г. Новочеркасске, но и во всей Ростовской области. Объемы выбросов НЧГРЭС с 2006 по 2009 гг. составляли от 85 до 101 тыс. тонн в год, что составляет около 30 - 40 % от общего объема выбросов промышленных предприятий Ростовской области. С 2010 года, в связи с проведением экологических мероприятий на НЧГРЭС, доля твердых выбросов в окружающую среду уменьшилась на 15 % и составила менее 84 тыс. тонн в 2010 году [11]. НЧГРЭС расположена в 7,5 км юго-восточнее г. Новочеркасска и в 2 км от п. Донской, поэтому 99% выбросов приходится на селитебные зоны [2, 6]. Непосредственное влияние атмосферных выбросов НЧГРЭС прослеживается по направлению розы ветров (преимущественными для данной территории являются восточные и юго-восточные ветры) на 25 километров. Таким образом, станицы Заплавская, Кривянская, п. Донской и восточная часть Новочеркасского холма целиком попадают в подфакельное пространство [2 - 4].

Наиболее токсичным веществом, среди загрязняющих веществ первого класса опасности является представитель класса полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) - бенз(а)пирен [1]. В настоящее время ПАУ прочно вошли в список приоритетных загрязнителей окружающей среды. Основные источники выброса ПАУ в окружающую среду связаны с различными технологическими процессами и, в первую очередь, с процессами сжигания углеводородного топлива - угля, нефти и газа. НЧГРЭС, работающая в основном на угле, несомненно, является крупнейшим в городе источником выброса ПАУ.

Целью данной работы является исследование содержания бенз(а)пирена в почвах вокруг предприятий энергетического комплекса на примере НЧГРЭС.

Объекты и методы исследований

Объектом исследования являются почвы мониторинговых площадок, расположенных на различном удалении (1-20 км) от основного источника эмиссии - НЧГРЭС. Карта-схема расположения мониторинговых площадок представлена на рисунке 1.

Направление и удаленность мониторинговых площадок от НЧГРЭС: Площадка № 1 1 км на северо-восток;

Площадка № 2 3 км на юго-запад;

Площадка № 3 2,7 км на юго-запад;

Площадка № 4 1,6 км на северо-запад;

Площадка № 5 1,2 км на северо-запад;

Площадка № 6 2,0 км на северо-северо-запад;

Площадка № 7 1,5 км на север;

Площадка № 8 5 км на северо-запад;

Площадка № 9 15 км на северо-запад;

Площадка № 10 20 км на северо-запад.

Рис. 1. Карта-схема расположения мониторинговых площадок в зоне влияния НЧГРЭС

Основные требования, предъявляемые к мониторинговым площадкам: - целостность почвенного покрова;

- отсутствие механической обработки исследуемого участка почвы (тип почвы - целина, либо залежь);

Исследуемые почвы мониторинговых площадок представлены (табл. 4): черноземом обыкновенным карбонатным тяжелосуглинистым, лугово-черноземной тяжелосуглинистой и легкоглинистой и аллювиально-луговой песчаной. Большинство почв мониторинговых площадок составляют черноземы обыкновенные карбонатные. Определение бенз(а)пирена в почвах проводилось с использованием субкритической воды, которая, как показали исследования [7] позволяет извлекать до 96% бенз(а)пирена при использовании минимального количества органического растворителя.

Для экстракции бенз(а)пирена из почвы субкритической водой использовали лабораторную установку (рис. 2). Навеску почвы массой 1 г, просеянной через сито с диаметром 1 мм, помещали в экстракционный картридж, заполненный битым пирексным стеклом с размером частиц 1 мм и 0.5 мм по 0.5 г. В экстракционном картридже образец нагревали до соответствующей температуры и давления при постоянном потоке бидистиллированной воды, проходящей через картридж со скоростью 0.6 мл/мин.

Полученный водный экстракт собирали в стеклянную емкость, после чего бенз(а)пирен трехкратно переэкстрагировали 5 мл н-гексана (ч.д.а.) при встряхивании на шейкере при 135 об./мин в течение 15 мин. Гексановые экстракты объединяли, пропускали через воронку с безводным сульфатом натрия в чистую сухую роторную колбу и упаривали досуха на роторном испарителе при температуре водяной бани 40°С. Сухой остаток растворяли в 1 мл ацетонитрила и выдерживали 30 минут для полного растворения осадка.

Рис. 2. Схема установки для экстракции бенз(а)пирена субкритической водой в динамических условиях: 1. Емкость для бидистиллированной воды; 2. Насос; 3. Термостат; 4. Спираль термостата; 5. Картридж из нержавеющей стали длиной 150 мм с внутренним диаметром 4.5 мм; 6. Ледяная баня; 7. Рестриктор (ограничитель давления); 8. Емкость для сбора экстрактов.

Результаты и их обсуждение

Содержание бенз(а)пирена в почвах мониторинговых площадок: В большинстве почв присутствуют и природные и техногенные ПАУ, фоновое содержание бенз(а)пирена в почвах находится в пределах 0,1-0,5 нг/г [2]. Установлено превышение ПДК бенз(а)пирена в поверхностном слое (0-5см) в почвах мониторинговых площадок № 4, 5, 6, 7, 8 (табл. 1). На площадке № 1 содержание бенз(а)пирена очень близко к ПДК и составляет 23,9 нг/г (табл. 1).

Таблица №1 - Содержание бенз(а)пирена в почвах мониторинговых площадок, извлеченного методом субкритической водной экстракции (слой 0-20 см), нг/г (2011 г.)

№ площадки мониторинга Удаление от ГРЭС, км Направление Глубина, см Содержание 3,4-бенз(а)пирена

1 1,0 Северо-восток 0-5 23,9

5-20 11,7

2 3,0 Юго-запад 0-5 18,5

5-20 17,3

3 2,7 Юго-запад 0-5 9,8

5-20 2,3

4 1,6 Северо-запад 0-5 56,0

5-20 34,7

5 1,2 Северо-запад 0-5 78,8

5-20 45,7

6 2,0 Северо-запад 0-5 35,9

5-20 7,3

7 1,5 Север 0-5 56,2

5-20 14,7

8 5,0 Северо-запад 0-5 32,3

5-20 22,2

9 15,0 Северо-запад 0-5 12,4

5-20 10,2

10 20,0 Северо-запад 0-5 9,4

5-20 6,9

ПДК бенз(а)пирена в почве - 20 нг/ г.

Исследование территории, прилегающей к НЧГРЭС, в 2011 году выявило близкие результаты с данными, полученными в течение предыдущих 3 лет. Максимальное содержание изучаемого поллютанта наблюдается в поверхностном слое мониторинговой площадки № 5, которая представляет собой начальную точку «генерального направления» и расположена наиболее близко к источнику загрязнения (1,2 км) по розе ветров. Абсолютное значение бензпирена составляет 78,8 нг/г, что в 3,8 раза превышает ПДК. В слое 5-20 см этой площадки содержание бенз(а)пирена хотя и существенно снижается - до 45,7 нг/г, - но превышает ПДК в 2,2 раза. Содержание бенз(а)пирена на расстоянии 1,6 км от источника загрязнения также превышает ПДК в 2,8 раза, что составляет 56 нг/г почвы.

Подтверждаются данные прошлых лет по накоплению основной массы поллютанта вблизи источника эмиссии по линии преобладающего направления розы ветров. По мере удаления от источника эмиссии в почвах наблюдается постепенное снижение содержания бенз(а)пирена. Так, на расстоянии 5 км от НЧГЭС абсолютное значение достигает 32,3 нг/г - в поверхностном слое почвы 0-5см и 22,2 нг/г в слое 5-20см, что превышает ПДК всего в 1,1-1,7 раза. Наблюдается тенденция снижения количества бенз(а)пирена в почвах по мере их удаления от НЧГРЭС. Следовательно, в почвах изучаемых территорий преобладают ПАУ техногенного происхождения и основным источником загрязнения на почвах данной территории являются выбросы НЧГРЭС [2, 5].

Дополнительным показателем, подтверждающим предположение о техногенном характере эмиссии бенз(а)пирена, является анализ данных гранулометрического состава почв мониторинговой площадки №2, для которой характерен легкий гранулометрический состав и низкое содержание гумуса. Эти свойства почвы должны обуславливать слабое закрепление веществ в почвенном профиле, что подтверждается накоплением бенз(а)пирена на данном участке близкому к ПДК - 18,5 нг/г.

В почвах всех мониторинговых площадок наблюдается уменьшение содержания загрязнителя в 1,2-3 раза вниз по профилю почв, и в половине всех исследуемых точек абсолютные величины содержания бенз(а)пирена в слое 0-20 см не превышает ПДК. Это указывает на слабую миграционную способность бенз(а)пирена в почвенном профиле и подтверждается литературными данными [1, 5] о том, что в почвенном профиле, формирующемся в условиях интенсивной техногенной нагрузки наблюдается резкая приповерхностная аккумуляция ПАУ, среди которых преобладают 3-5 ядерные углеводороды, в т.ч. и бенз(а)пирен. В то же время нужно отметить, что если абсолютное содержание изучаемого поллютанта в поверхностном слое почвы многократно превышает ПДК, как, например, в точках, расположенных на линии «генерального направления», то оно значительно и на глубине 20см. В аллювиальной песчаной почве площадки № 2 послойная дифференциация бенз(а)пирена слабо выражена. гидроэлектростанция токсичный выброс почва

1. Основным агентом техногенного воздействия на почвы исследуемого района являются токсичные выбросы НЧГРЭС.

2. Превышение содержания бенз(а)пирена над предельно допустимой концентрацией в почвах шести из десяти исследуемых площадок мониторинга территории НЧГРЭС.

3. Интенсивная приповерхностная аккумуляция бенз(а)пирена в 0-5 см слое почв и снижение его содержания в слое 5-20 см в 1,2-3 раза, за исключением аллювиально-луговой песчаной почвы.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Южного федерального университета № 213.01-24/2013-51.

1. Акопова Г.С. Образование полициклических ароматических углеводородов и их содержание в окружающей среде // Безопасность жизнедеятельности. - 2002. - №9. - С. 21-27.

2. Белоусова Н. В. Экология Новочеркасска. Проблемы, пути решения.- Ростов н/Д.: Сев. - Кав. Научный центр высш. Школы, 2001. - С. 387-395

3. Минкина Т.М., Борисенко С.Н., Сушкова С.Н., Морозова И.Ю., Манджиева С.С., Бурачевская М.В. Оценка содержания тяжелых металлов в почвах вокруг новочеркасской грэс при помощи субкритической воды // Тезисы VI Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов методов (ядерный магнитный резонанс, хроматография/масс-спектрометрия, ИК-Фурье спектроскопия и их комбинации) для изучения окружающей среды.- Ростов-на-Дону, 2011. - С. 211 - 217.

4. Минкина Т.М., Полякова А.В., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Сушкова С.Н. Ферментативная активность почв района Новочеркасской ГРЭС // Плодородие. 2011. - № 1. - С. 32-34.

5. Назаренко О.Г., Горобцова О.Н., Минкина Т.М., Гусакова М.Ю., Ботвиньева А.А. Результаты мониторинговых исследований содержания 3,4-бенз(а)пирена в почвах территорий зоны влияния Новочеркасской ГРЭС // Материалы III Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». М, 24-28 мая 2010 г., факультет почвоведения МГУ. М.: Изд-во МГУ, 2010. С. 391 - 394.

6. Отчет о результатах крупномасштабных геохимических и радиометрических исследований экологической обстановки г. Новочеркасска, проведенных в 1991 - 1994 гг. Отчет о НИР. Кн. 1-5. ГНПП «Прогресс». Новочеркасск, 1995. с. 178.

7. Сушкова С.Н., Минкина Т.М., Назаренко О.Г., Манджиева С.С., Лекарь А.В. Разработка метода экстракции 3,4-бенз(а)пирена из почв субкритической водой // Плодородие. 2012. - № 3. - С. 44-46.

8. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2007 году». - Ростов н/Д.: Администрация Ростовской области, Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов, 2006. - С. 284 - 299.

9. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2008 году» - Ростов н/Д.: Администрация Ростовской области, Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов, 2007. - С. 183 - 256.

10. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2009 году» - Ростов н/Д.: Администрация Ростовской области, Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов, 2008. - С. 252 - 264.

11. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2010 году» - Ростов н/Д.: Администрация Ростовской области, Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов, 2009. - С. 238 - 311.

12. Экология и экономика природопользования: учеб. для вузов / Э.В. Гирусов, С.Н.Бобылев, А.Л. Новоселов, Н.В. Чепурных; под ред. Э.В. Гирусова, В.Н. Лопатина. - 2-е изд,. перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ: Единство, 2003. - 519 с.

Размещено на .ru