Состояние ландшафтных систем и их охрана в зоне Белореченского химзавода

Таким образом, результаты исследований указывают на существенное влияние химзавода на его состояние бассейна р. Белой. Эти изменения касаются физических и химических свойств самой воды, а также илов и пойменных почв всей системы. Особого внимания заслуживает влияние химзавода на загрязнение пойменных почв и речных илов тяжелыми металлами.

Анализы образцов воды, отобранных в различных водных источниках в зоне влияния Белореченского химзавода, показывают, что минимальные значения показателей химического (ХПК) и биологического (БПК5) поглощения кислорода зарегистрированы в воде р. Пшеха и сбросного канала (водозабор р. Белой), которые составили 6 и 2,83; 1,0 и 0,42 мг О2/дм3 соответственно и редко превышали ПДК. Максимальные значения показателей ХПК и БПК5 зафиксированы в пунктах отбора проб воды в озере (поселок Дружный), в р. Ганжа (перед поселком Мирный и в 500 м от БХЗ) и в отстойнике завода, где отмечено превышение ПДК этих показателей в 2,5-3,9 раза. По степени общего загрязнения указанные источники воды относятся к классу грязных водоемов; доля проб с превышением ПДК составила 77,8%. Высокие величины ХПК и БПК5 в водных источниках могут быть следствием загрязнения их промышленными, а также хозяйственно-бытовыми стоками. В целом показатели (ХПК) и (БПК5) в воде речных систем, окружающих Белореченский химзавод, варьируют в довольно широких пределах: по ХПК - от 1,0 до 58,0 мг О2/дм3, по БПК5 - от 0,45 до 7,64.

Содержание общего фосфора в водоемах БХЗ отличается весьма высокими показателями - от 0,21 до 0,43 мг/дм³, что указывает на возможность их эвтрофикации, поскольку доля различных форм фосфора (общего, растворенного, минерального и органического) в незагрязненных природных водах колеблется от 0,005 до 0,2 мг/дм³ и в донных отложениях - от 68 до 159 мг/кг.

Реакция донных отложений варьирует и в среднем составляет 6,8; сильнокислая реакция характерна для донных отложений в заводском отстойнике (рН 4,5); для рек в зоне влияния завода варьирует от кислой до слабощелочной - от рН 4,2 до рН 7,8.

Анализ динамики содержания фенолов в водах окружающих завод источников, проведенный в течение 2004-2006 гг., выявил значительный разброс показателей - от 0,006 до 0,0193 мг/дм3. Минимальный уровень был отмечен в воде верхней части р. Белой (0,006 мг/дм3). В остальных пунктах отбора проб воды отмечено превышение предельно допустимых норм по данному показателю от 1,2 до 1,9 ПДК.

В воде р. Пшеха содержание цинка весной составило 6,5 ПДК1 (для водоёмов рыбохозяйственного использования); при отборе проб в летний период данный показатель составил 2,9 ПДК1; содержание никеля в весенних и летних пробах было одинаковым и составило 1,4 ПДК1; содержание марганца в исследуемой воде в среднем составляет 0,38 мг/дм3, что равно 38 ПДК1 и 3,8 ПДК2. Содержание растворенных форм железа (6,26 мг/дм3) выявлено на уровне 63 ПДК1 и 21 ПДК2. Высокое содержание железа и марганца в водах зоны завода обусловлено, возможно, вымыванием последних из каркаса железобетонных плит, которыми укреплены берега рек и канала.

В воде р. Ганжа концентрация растворённой формы цинка составила 0,029 мг/дм3 (2,9 ПДК1), а никеля - 0,014 мг/дм3, что соответствует 1,4 ПДК1; значительные превышения установленных нормативов отмечены для марганца: содержание его растворённой формы составило 0,77 мг/дм3, что равно 77 ПДК1 и 7,7 ПДК2; содержание растворённых форм многих элементов было повышенным: доля цинка составила 2,4 ПДК1, марганца - 52 ПДК1, никеля - 1,2 ПДК1 и железа - 39 ПДК1. Более высокой концентрацией тяжёлых металлов характеризуются пробы воды и донных отложений, отобранные в районе пос. Мирный, где донные отложения содержат свинца 18 мг/кг (3 ПДК), кобальта - 2,1 ПДК, меди - 2,6 ПДК, никеля - 1,5 ПДК, марганца - 570 мг/кг.

В воде заводского отстойника, который находится от завода в 500 м на запад и представляет собой искусственный водоем, используемый для сброса и охлаждения технологических вод, концентрация цинка составила 0,974 мг/дм3 (97 ПДК1, 1 ПДК 2), свинца - 0,019 (3 ПДК1, 1,5 ПДК2), кадмия - 0,0012 (1,2 ПДК2), кобальта - 0,115 (11,5 ПДК1, 1,2 ПДК2), марганца - 1,124 (112,4 ПДК1, 11,2 ПДК2), никеля - 0,619 (61,9 ПДК1, 6,2 ПДК2), железа - 4,42 (44,2 ПДК1, 14,7 ПДК2), меди - 0,238 мг/дм3. ПДК по содержанию меди в воде составляет 1 мг/дм3; но по сравнению с образцами воды, отобранными в других водоёмах, его уровень здесь выше.

Микробиота поверхностных вод и донных отложений речных систем. Были исследованы пробы воды в реках Пшеха и Белая, а также в пруду и на территории недостроенных корпусов завода в течение 2003-2005 гг. Микробный пул имеет максимальное значение в пробах воды р. Пшеха, а минимальное - в воде пруда в осеннее время. Низкая численность микроорганизмов в пробах воды, отобранных зимой, объясняется снижением активности микрофлоры вследствие низких температур.

В пробах воды, отобранных в зимнее время, в большинстве водоемов показатель самоочищения ниже 1, что указывает на слабое протекание этого процесса в этот период. В пруду показатель самоочищения высокий (47), что свидетельствует об активном разложении в нем органических веществ. Способность водоемов к самоочищению обусловлена присутствием в них автохтонных микроорганизмов, включающих бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Flavobacterium. Значения показателя свежего фекального загрязнения (коли-индекса) в пробах воды, отобранных в зимнее время, превышают норму, что свидетельствует о санитарном неблагополучии данных водоемов.

В поверхностных водах исследованных объектов показатель самоочищения сильно варьирует (0,57-2,5). Наиболее низок этот показатель в р. Белой, что свидетельствует о низкой активности разложения органических веществ и слабых процессах их минерализации. Наоборот, наиболее интенсивно проходят эти процессы в озере и сбросном канале.

Во всех исследованных пробах воды доминирует группа аммонифицирующих бактерий, что указывает на преобладание процессов гниения, брожения и разрушения сложных белковых соединений. Качественный состав исследованных проб воды не отличается большим разнообразием микроорганизмов и включает представителей родов Pseudomonas, Caulobacter, Bacillus, Pediococcus, Pimelobacter. Наиболее интенсивно микробиологические процессы протекают в донных отложениях. В среднем в 1 г ила содержится до 2,2 х 10⁸ клеток микроорганизмов.

Анализ общего характера микробного населения исследуемых рек показывает, что бактериальная флора в водоеме включает преимущественно представителей родов Pseudomonas, Bacillus, Pediococcus, Acetobacter, Pimelobacter, а также актиномицетов рода Nocardia, Streptomyces .

В донных отложениях активно протекают процессы восстановления сульфатов, на что указывает высокий титр сульфатредуцирующих бактерий. В пробах речной воды отмечено большое количество сульфатредукторов, что связано с накоплением в ней органических веществ, восстановлением сульфатов и выделением сероводорода в донных отложениях. Наиболее ярким признаком таких процессов считается запах сероводорода, а образование черного ила определяет наличие в нем значительного количества сульфида двухвалентного железа. Большая численность сапротрофной микрофлоры отмечена в воде отстойника. Таксономический состав микробоценозов водных систем представлен несколькими видами бактериальных культур, включая такие роды, как Pseudomonas, Pimelobacter, Bacillus, Acetobacter и некоторые другие.

Мезофауна воды и донных отложений. В летних пробах воды исследуемых водоемов отмечалось довольно бедное по сравнению с весной развитие зоопланктона: обнаружены коловратки, мелкие рачки, кладоцеры, личинки насекомых, стрекоз и олигохеты. Численность водных организмов весной составила 2910, а летом - всего 36 экз./м3. В летний период доминирующую группу составляли представители отряда Cladocera (сем. Daphnidae, Ceriodaphnia reticulata) - 12 экз./м3, а в весенний период - класса Eurotatoria (отр. Ploimida, Trichocerca porcellus) - 1300 экз./м3. Встречаемость таксонов по сезонам меняется: весной чаще, а летом реже. Обращает на себя внимание бедность видового и популяционного состава зоопланктона в водоемах. На численность отдельных таксонов в водоемах большое влияние оказывает химзавод через загрязнение поверхностных вод различными вредными веществами, включая нагретые воды, тяжелые металлы, кислоты и т.д.

При анализе проб донных отложений, взятых в р. Пшеха весной, обнаружено 530 экз./м3 беспозвоночных, а летом - 400 экз./м3. Доля олигохет от общего количества беспозвоночных составила 37,7% весной и 45% летом. В пробах донных отложений в р. Ганжа обнаружено беспозвоночных 900 экз./м3 весной и 330 экз./м3 летом. Доля олигохет от общего количества найденных беспозвоночных составила около 33%.

Проведенные исследования указывают на обедненность таксономического состава животных организмов в воде и донных отложениях речных систем в зоне Белореченского химзавода. Полученные данные показывают также, что таксономический состав зооценозов в изученных водных системах заметно различается по сезонам года.

В последние два года (2007-2008 гг.) положение с экологическим состоянием водных систем в зоне влияния Белореченского предприятия заметно улучшилось в связи со значительными технологическими изменениями функционирования завода (перевод производства на замкнутый цикл использования воды, введение в действие очистных сооружений бытовых стоков и т.д.).

Отбор проб воздуха в зоне влияния химзавода проводился по следующей схеме: под факелом на различном удалении от завода (500-4000 м по преобладающему направлению ветра), а также по периметру завода на расстоянии около 500 м для выявления диффузного распространения организованных и неорганизованных выбросов (рис. 2).

В процессе исследования установлено, что уровень большинства загрязняющих атмосферу веществ находится ниже предельно допустимых концентраций, так как организованные выбросы в период проведения исследований не осуществлялись. Максимальные концентрации токсичных веществ зафиксированы на расстоянии 500-1000 м от факела предприятия, что обусловлено слабым ветром и эмиссией загрязнителей от наземных источников. На расстоянии 3000-4000 м от завода из контролируемых показателей выявлены гексен, этилбензол (в концентрации до ПДК и несколько выше), а также следовые количества ортофосфорной кислоты. В период неблагоприятных метеоусловий, препятствующих рассеиванию загрязнителей (слабый ветер до 2 м/с), имеет место диффузное перераспределение загрязнителей с территории завода по всем направлениям.

При осуществлении организованных выбросов максимальные концентрации загрязняющих веществ отмечаются на расстоянии 1-3 км от факела в зависимости от скорости ветра и характера ландшафта. Во время слабого ветра (0,5 м/с), а также при наличии неорганизованных источников и при небольших выбросах завода повышенные концентрации поллютантов отмечаются по периметру предприятия на расстоянии 200-500 метров с последующим снижением по мере удаления от него.

Рис. 2. Максимальные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в зоне влияния завода (летний период): 1 - СО; 2 - взвешенные вещества, 3 - H2SO4+SO3, 4 - H3PO4+P2O5,, 5 - ОМЧ КОЕ

Весной и летом проводились также микробиологические исследования воздуха прилегающих к БХЗ территорий. Количество микроорганизмов-аэробионтов определялось методом седиментации по Коху. Идентификация микроорганизмов в атмосферном воздухе исследуемых территорий показала наличие в пробах воздуха различных бактерий и плесневых грибов; актиномицеты не были выделены. Необходимо отметить доминирование в летний период микромицетов. Общее микробное число также выше в летний период, когда содержание в воздухе микроорганизмов возросло в 2 раза. Численность микроорганизмов в воздухе варьирует в течение дня - отмечены полуденный максимум и вечерний спад. Среди колоний, высеянных из дневных проб, отмечено большое количество по сравнению с «ночными» пробами пигментированных форм - Micrococcus и Staphylococcus.

Наиболее часто в воздухе прилегающих территорий БХЗ встречались бактерии родов Micrococcus, Bacillus. При повышении влажности воздуха увеличение численности бактерий идет быстрее, чем численности микромицетов. Наличие влаги в атмосфере сильно влияет на морфогенез грибов, степень ветвления мицелия, интенсивность споруляции, репродукции и т.д. Влажность окружающей среды имеет большое значение непосредственно для прорастания спор, минимальные значения находятся в пределах от 0,7 до 0,9 показателя активности воды, а некоторые грибы (Fusarium, Aspergillus, Cladosporium) способны прорастать и при высокой активности воды 0,90. В весенний период в микробоценозах были выделены представители родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma. При исследовании воздуха в летний период было отмечено доминирование темноокрашенных грибов Fuzarium, Altenaria, что, возможно, связано с защитой микромицетов от солнечной радиации.

Воздушный бассейн в зоне влияния Белореченского химзавода характеризуется разной концентрацией минеральных и органических (пыль, угарный газ, аммиак, различные группы углеводородов и т.д.) и биологических (грибы, бактерии) загрязнителей. Проведенные исследования по загрязнению воздушного бассейна территории завода обозначили существование этой проблемы и указывают на необходимость её контроля.

7. Свойства фосфогипса и перспективы его использования

Основным твердым отходом производства Белореченского химзавода является фосфогипс, представляющий собой дисперсную систему тонко размолотых частиц, распределенных в однородной среде. Важнейшими свойствами дисперсной системы являются молекулярные взаимодействия частиц, способных агрегироваться в хлопья и давать студнеобразные или твердые коагуляционные структуры. По соотношению физических структур в фосфогипсе преобладают фракции, относящиеся к физическому песку (до 80%), а долевое участие физической глины колеблется от 18 до 23%. В состав фосфогипса входит до 95% дигидрата сульфата кальция, 3-4% фосфорных соединений, 1,5% примесей (микроэлементов и тяжелых металлов). В валовом составе фосфогипса значительная часть приходится на кальций - от 25 до 30 и серу - от 21 до 24,3%; доля неразложившегося фосфата составляет до 3,8 и примесей - до 0,35%. В состав примесей фосфогипса входят титан, железо, стронций, фтор, барий, марганец, хром, лантан и церий, соотношение кальция и стронция колеблется от 75 до 85. В процессе производства для экстракции фосфорных соединений применяется серная кислота, определяющая весьма сильнокислую реакцию фосфогипса (рН около 3,0), но технологии, внедренные в последние годы на Белореченском химзаводе, позволили увеличить рН отхода до 5,5 и выше.

Коагуляционные свойства дисперсной системы фосфогипса, а также высокое содержание таких элементов, как кальций, сера, фосфор, магний, калий, цинк, марганец, медь, относящихся к макро- или микроэлементам, безусловно, представляют большой хозяйственный интерес. Например, при внесении фосфогипса в почву или при его добавлении в навоз процессы структурообразования в них заметно активируются.

В вегетационных опытах нами изучено влияние фосфогипса на содержание подвижного фосфора, нитратов и на кислотность почвенной среды. При внесении фосфогипса из расчета 5 т/га содержание подвижного фосфора по сравнению с чистой почвой повышается на 7 мг/кг почвы, заметно также повышение уровня нитратов и снижение рН почвы - от щелочной (8,2) до нейтральной (6,9). Увеличение содержания подвижного фосфора и нитратов мы связываем с коагулирующей способностью коллоидов фосфогипса и уменьшением выщелачивания питательных веществ, а снижение рН - с воздействием кислотности самого фосфогипса. С добавлением фосфогипса (5 т/га) в смеси возросло валовое содержание ванадия, железа, стронция и некоторых других элементов; повысились концентрации подвижных форм тяжелых металлов, особенно меди (на 1,7 мг/кг), кобальта (на 0,38) и свинца (на 1,0).

Определение в смешанном субстрате (2/3 почва + 1/3 фосфогипс) различных трофических групп микроорганизмов показало, что в целом добавление фосфогипса способствовало повышению активности нитрифицирующих, аммонифицирующих и аминоавтотрофных групп, а также микромицетов, сдерживало развитие процессов денитрификации азота и по сравнению с обычной технологией сокращало его потери в верхнем слое почвы примерно в 1,3-1,5 раза. Учитывая коагуляционные свойства фосфогипса, высокое содержание в нем серы, фосфорных соединений и ряда микроэлементов, а также его кислую реакцию, мы изучали возможности ускорения переработки твердого и жидкого свиного навоза, отличающегося щелочной реакцией (рН до 9,0) путем добавления 1 т фосфогипса на 10 т навоза. За 4 месяца было получено комплексное органоминеральное гранулированное удобрение с заметным содержанием в нем аммиачного и нитратного азота, а также общего фосфора.

Кислая реакция водного раствора фосфогипса и особенно наличие большого количества фосфорных соединений, наличие таких окислителей, как фтор и хлор, хотя и в небольших количествах, а также его коагулирующие свойства обусловили мацерацию верхних тканей яиц различных паразитов и их гибель за весьма короткий срок.

Были проведены также исследования по влиянию фосфогипса при добавлении в почву на прорастание семян озимой пшеницы и развитие её проростков. В субстрате с добавлением фосфогипса проростки пшеницы раньше перешли к кущению, чему, очевидно, способствовало наличие серы, микроэлементов и улучшение аэрации субстрата. Проведен также опыт по внесению фосфогипса в почву в качестве удобрения перед посевом озимой пшеницы из расчета 1,5 и 5 т/га. В вариантах с внесением фосфогипса отмечено активное формирование в верхнем слое субстрата почвенных гранул, рост проростков и более синхронное и активное кущение растений пшеницы по сравнению с контрольным вариантом. В мелкоделяночных опытах отмечено влияние фосфогипса при его внесении перед посевом подсолнечника, сахарной свеклы и кукурузы.

В 2007-2009 гг. проведены производственные испытания по влиянию фосфогипса на особенности развития и продуктивность озимой пшеницы, кукурузы и сахарной свеклы в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района. Под посев кукурузы в 2008 г. внесли 3 т/га фосфогипса на участке, где в 2007 г. возделывали суданскую траву, и осенью того же года внесли по 50 т/га навоза; урожайность зерна в варианте с фосфогипсом составила 72,2, а без фосфогипса - 66,1 ц/га. Урожай корнеплодов сахарной свеклы в варианте с фосфогипсом (5 т/га) в 2008 г. составил 444,3 а без фосфогипса - 401,1 ц/га. Под посев озимой пшеницы осенью 2007 г. внесли фосфогипс и получили урожай 62,8, а без фосфогипса - 59,0 ц/га; в варианте с фосфогипсом значительно повысилось также качество зерна; аналогичные результаты получены и в 2009 г.

Предварительные опыты по использованию фосфогипса в сельском хозяйстве показали перспективность его исследования в качестве вторичного сырья для широкой мелиорации почв в условиях Кубани. Нет сомнения, что сельскохозяйственное использование фосфогипса в целях мелиорации щелочных земель, ускорения переработки отходов животноводства для получения органоминерального удобрения, возможное использование в ближайшие годы при подготовке кормов для животных, а также его применение как серокальциевого и микроэлементного удобрения, особенно для зерновых культур, весьма перспективно при углубленном изучении как почвенных составляющих ландшафтов, так и биоты, включая урожай сельскохозяйственных культур и его качество.

Производство химических удобрений сопровождается выходом большой массы жидких, твердых и газообразных отходов, которые, безусловно, влияют на окружающие ландшафты, что указывает на необходимость выработки мероприятий по их сохранению. Под охраной ландшафтов мы понимаем систему экологических, экономических, технологических и административно-правовых мероприятий, которые способны обеспечить им условия выполнять формирующие и ресурсовоспроизводящие функции.

Большой проблемой охраны окружающих Белореченский химзавод ландшафтов является влияние на них различных отходов производства и в частности фосфогипса, для хранения которого заняты значительные площади ценных земель. С ростом производства масса фосфогипса нарастает. Важнейшей задачей поэтому является осуществление научно-изыскательских работ по использованию фосфогипса без нанесения вреда в других отраслях производства. В 2004 году нами начаты экспериментальные работы по использованию фосфогипса в переработке жидкого и подстилочного навоза крупного рогатого скота, свиней и птицы для получения перегноя и его обогащения микроэлементами, кальцием и серой. Полученные результаты показывают перспективность предложенного метода утилизации фосфогипса и снижения загрязнения окружающей среды азотом и тяжелыми металлами.

В связи с образованием значительных количеств различных видов заводских отходов мы предлагаем также пересмотреть нормы санитарно-защитного зонирования территории вокруг завода - в радиусе до 10 км, как для промышленной, так и жилой зон; следует также провести обновление санитарно-защитной зоны и лесных посадок газо- и пылестойкими видами растений, такими как биота, крушина, тополь, белая акация и другими, а также пересмотреть ширину и структуру лесополос. Все это необходимо осуществлять в связи с особенностями воздушных загрязнений и их потоками, с одной стороны, и с учетом процессов рассеяния в атмосфере, в водных источниках и в почве, с другой.