An Evaluation of the Ecological Condition of the Chernaya River under Refinery Wastewater Discharge Conditions
An Evaluation of the Ecological Condition of the Chernaya River under Refinery Wastewater Discharge Conditions
Abstract
This article presents an evaluation of the ecological condition of the Chernaya River, where wastewater from a large oil refinery is discharged. As part of the study, the current ecological condition of the river was assessed using hydrochemical parameters. Water chemistry was analysed at six different points along the length of the river. The work included an analysis of the content of metals, oil products, phenolic compounds and anionic surfactants in the water and bottom sediments. The contribution of the enterprise to the pollution of the aquatic ecosystem was shown. The results indicate the necessity of taking measures to reduce the impact of wastewater on the ecological state of the river.
1. Введение
В последнее время повышенное внимание уделяется химическому составу сточных вод, которые образуются в результате деятельности нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ)
. Такие сточные воды содержат большое количество разнообразных токсинов, таких как органические соединения, нефтепродукты, масла и жиры, и являются серьезным источником загрязнения водной экосистемы . Согласно отчету Управления энергетической информации (EIA) за 2019 год, глобальное потребление нефти в 2018 году достигло уровня в 99,93 миллиона баррелей в день, что свидетельствует о ежедневном образовании приблизительно 6500 миллионов литров сточных вод, производимых нефтеперерабатывающими заводами , . В связи с этим возрастает необходимость контроля сброса сточных вод для предотвращения повышенной нагрузки на экосистемы водных объектов , , а также своевременного и полноценного контроля техногенных преобразований гидроэкосистем.В Российской Федерации (РФ) функционирует порядка 40 крупных НПЗ с годовым объемом переработки свыше 1 миллиона тонн, а также значительное количество малых НПЗ. Медленные темпы модернизации заводов и замены устаревшего оборудования способствуют возникновению экологических проблем на различных территориях
, . Река Черная является одной из малых рек, которые длительное время подвергаются загрязнению в результате деятельности промышленного предприятия. В отчетах о состоянии окружающей среды река характеризуется как загрязненная . В настоящее время система объективного контроля последствий сбросов загрязняющих веществ в промышленности остается недостаточно развитой. В результате, водные объекты в зоне влияния НПЗ, загрязняются недостаточно очищенными сточными водами .На промплощадке рассматриваемого НПЗ организованный сброс сточных вод осуществляется через 2 выпуска в реку Черная, являющуюся притоком реки Волхов.
Выпуск №1 – расположен в 2,7 км от устья реки Черная (створ впадения ручья Росох). Сброс производится в период весеннего половодья и осуществляется из прудов-накопителей. Из прудов стоки системой каналов отводятся в естественное русло ручья Росох, по которому поступает в р. Черную. Ручей Росох – пересыхающий ручей, безводный в сухое время года, что подтверждает многолетние наблюдения. Выпуск №1 в р. Черную классифицируется как сосредоточенно береговой.
Выпуск №2 – находится в 1,15 км от устья в р. Черную. Выпуск сосредоточенно береговой, диаметр труб 700 мм. Сброс производится в течение всего года. Объем сброса непостоянен.
Дискретность сброса сточных вод снижает ценность стандартных гидрохимических обследований водотока. Как правило, в таких случаях, последствия «залповых» воздействий на экосистему реки постепенно накапливаются и могут быть актуально оценены только исследованием химического состава донных отложений.
2. Материалы и методы
Киришский район находится в южной части Ленинградской области, на правом берегу реки Волхов, в 115 километрах к юго-востоку от города Санкт-Петербург. Площадь района равна 2900 км2.
Река Черная (приток реки Волхов) протекает в 7 километрах севернее от города Кириши. На левом берегу реки располагается предприятие КИНЕФ, которое сбрасывает сточные воды. В данном исследовании отбирали пробы вдоль реки Черной и ее притоков с целью оценки степени воздействия предприятия на ее экологическое состояние. Для этого были выбраны 6 точек отбора проб. На рисунке 1 представлена карта с указанием местоположения всех выбранных точек.
Рисунок 1 - Карта отбора проб воды и донных отложений:
1 – фоновая точка; 2 – р. Росох (приток р. Черная); 3 – среднее течение р. Черная; 4 – р. Жалень (приток р. Черная); 5 – автодорожный мост; 6 – устье р. Черная
Отбор проб донных отложений производили в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01-80
. Для пробоотбора в точке 5 использовали дночерпатель Ван-Вина, в остальных донные отложения отбирались в прибрежной зоне на максимально доступной глубине. Для объективности оценки химического состава в каждой точке проводилось пять пробоотборов и готовилась объединенная проба. Донные отложения высушивались до воздушно-сухого состояния, измельчались в фарфоровой ступе до однородного состояния и просеивались через сито с диаметром ячеек 1 мм. Далее в донных отложениях определялось содержание металлов по ГОСТ 33850-2016 и содержание АПАВ по методике .Также была оценена миграционная способность металлов по методике РД 52.18.289-90
. В соответствии с методикой, делали ацетатно-аммонийную вытяжку с pH 4,8. Вытяжка приготавливалась в течение 1 суток, после пропускались через фильтр. Химический состав вытяжек определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Полученные значения пересчитывали на навеску донных отложений (3 грамма). Затем переводили в процент от валового содержания, основываясь на данных РФА. Таким образом, миграционную активность оценивали путем определения концентрации высвобождаемых в водную среду металлов под воздействием ацетатно-аммонийной вытяжки, в сравнении с их содержанием в донных отложениях.3. Результаты и обсуждение
По результатам анализа воды, проведенного методом ААС (таблица 1), были выявлены превышения нормативов по содержанию железа, алюминия, марганца и кадмия. Как правило, концентрации металлов снижаются по течению реки, но даже в устье значения остаются достаточно высокими. Согласно полученным данным, источником поступления алюминия и железа в воду является ручей Росох, через который сбрасываются сточные воды.
Таблица 1 - Химический состав воды, определенный методом ААС
№ п/п | Т.1, мг/л | Т.2, мг/л | Т.3, мг/л | Т.4, мг/л | Т.5, мг/л | Т.6, мг/л | ПДК, мг/л |
Координаты точек отбор | 59.512534, 32.111227 | 59.510874, 32.109186 | 59.512063, 32.103915 | 59.512836, 32.095600 | 59.516741, 32.079268 | 59.517591, 32.064932 | – |
Fe2+ | – | 0,89 | 0,79 | 0,28 | 0,55 | 0,31 | 0,1 |
Al | – | 1,0 | 1,0 | – | 0,49 | 0,35 | 0,04 |
Cd | 0,0140 | – | 0,0061 | 0,0130 | 0,0084 | 0,0085 | 0,005 |
Mn2+ | – | 0,012 | 0,010 | 0,014 | 0,0078 | 0,0022 | 0,01 |
Ca2+ | 5,5 | 1,5 | 2,1 | 5,1 | 3,2 | 4,1 | 180 |
Na+ | 69 | 0,65 | 9,2 | 12 | 18 | 7,4 | 120 |
K+ | 0,34 | 0,046 | 0,094 | 0,19 | 0,15 | 0,14 | 50 |
Mg2+ | 1,20 | 0,32 | 0,46 | 1,0 | 0,68 | 0,77 | 40 |
Содержание кадмия незначительно превышает допустимые значения во всех точках, за исключением 2, где он не был обнаружен. При этом наиболее высокое значение относится к фоновой точке. Представляется наиболее вероятным, что, с учетом преобладающего направления ветра, высокое содержание кадмия в верхнем течении реки является следствием аэротехногенного переноса с выбросами НПЗ. Однако это предположение требует проверки. Другие катионы во всех пробах присутствовали в концентрациях, не превышающих нормативы.
Результаты химического анализа донных отложений показывают их высокую способность аккумулировать металлы (таблица 2). Анализируемые элементы были выбраны ввиду более вероятного их содержания в сточных водах НПЗ.
Таблица 2 - Содержание металлов в донных отложениях и их миграционная способность МА
№ п/п | Т.1, мг/кг | Т.2, мг/кг | Т.3, мг/кг | Т.4, мг/кг | Т.5, мг/кг | Т.6, мг/кг | MA (min-max), % |
Fe2+ | 27000 ± 500 | 10300 ± 300 | 7169 ± 240 | 24500 ± 500 | 16700 ± 400 | 10900 ± 300 | 2,31-4,74 |
Mn2+ | 445,0 ± 101,4 | 322,9 ± 77,0 | 101,7 ± 53,6 | 320,6 ± 90,5 | 322,1 ± 82,1 | 509,3 ± 91,8 | 0,33-0,77 |
Zn2+ | 41,5 ± 16,8 | 21,2 ± 12,7 | 27,4 ± 13,0 | 67,5 ± 18,6 | 57.6 ± 16.5 | 49,0 ± 15,4 | 1,07-3,27 |
Cu2+ | 36,5 ± 20,5 | - | - | 33,4 ± 20,1 | - | 47,4 ± 19,4 | 3,32-9,82 |
Анализ таблицы 2 показывает, что пространственное распределение металлов в донных отложениях отличается от распределения в толще воды, это позволяет уточнить источники их поступления. Например, высокое содержание железа было обнаружено в донных отложениях устья ручья Жалень, что не соответствует результатам анализа воды. В целом исследованные донные отложения можно отнести к умеренно загрязненным. Также следует отметить, что все указанные металлы имеют низкий потенциал к миграции. Даже при повышении кислотности воды в реке маловероятно высвобождение значительного количества любого из представленных элементов. Так как при лабораторных анализах на определение миграционной активности использовали ацетатно-аммонийную вытяжку с кислотным pH (4.8), и такие условия не спровоцировали значительного высвобождения металлов.
При анализе воды на содержание фенольных соединений выявили в реке Черная были выявлены превышения ПДК в несколько раз (рисунок 2).
Рисунок 2 - Результаты анализа содержания фенольных соединений в воде
При очистке сточных вод от нефтепродуктов используют большое количество анионных поверхностно-активных веществ (АПАВ), которые могут попадать в воду со стоками. В связи с этим был проведен анализ их содержания в воде и донных отложениях. Результаты отражены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Содержание АПАВ в воде и донных отложениях
Так как в водотоке были обнаружены превышения нормативов по металлам (таблица 1), фенолам (рисунок 2) и АПАВ (рисунок 3), была необходима оценка того, как они влияют на такие показатели водоема как химическое потребление кислорода (ХПК) и растворенный кислород. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 3 - Результаты анализов на содержание растворенного кислорода и ХПК
№ п/п | Т.1 | Т.2 | Т.3 | Т.4 | Т.5 | Т.6 | ПДК |
ХПК, мг/л | 42,0 | 102,0 | 99,0 | 68,0 | 97,9 | 110,0 | 30,0 |
Растворенный кислород, мг/л | 8,60 | 8,40 | 8,10 | 9,20 | 8,60 | 8,32 | Не менее 6 |
Высокие значения ХПК в реке Черная отмечаются в отчете о состоянии окружающей среды
. Результаты анализов подтверждают превышения нормативов, установленных для водных объектов. Было отмечено, что характер пространственной динамики значений ХПК коррелирует с содержанием АПАВ (рис.4). Но нельзя сказать, что значения ХПК полностью зависят от концентрации АПАВ в воде. Их содержание лишь оказывает определённое влияние.
Рисунок 4 - Связь между значениями ХПК и содержанием АПАВ в пробах воды
4. Заключение
В ходе исследования был проведен химический анализ проб воды и донных отложений в шести точках на реке Черная и двух её левых притоках.
Были выявлены значительные превышения нормативов по содержанию таких компонентов, как Al, Fe, Мn, фенольные соединения, АПАВ и ХПК. В реке отмечается определенный уровень фонового загрязнения, но сброс сточных вод в значительной мере усугубляет сложившуюся ситуацию. Отмечено, что основным источником поступления загрязняющих веществ в реку Черная является сброс сточных вод через выпуск № 1 нефтеперерабатывающего предприятия (створ впадения ручья Росох).
Несмотря на то, что сброс производится только в период весеннего половодья, загрязняющие вещества аккумулируются в донных отложениях водного объекта, которые становятся потенциальным источником вторичного загрязнения. Загрязненность донных отложений металлами, с учетом их миграционной способности, можно считать умеренным. Наибольшее влияние на экосистему реки оказывают фенольные соединения и АПАВ, которые в отдельных точках превышают нормативы в десятки раз. Выяснилось, что превышение норматива по ХПК, которое отмечается в государственных докладах, как критический показатель загрязнения для реки Черная, частично связано с концентрациями АПАВ в воде.