Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

CHEMICAL CONTAMINATION OF SOILS OF INDUSTRIAL URBAN LANDSCAPES SOUTH OF RUSSIA

Shishkina D.Yu. 1
1 Southern Federal University
We studied the distribution of heavy metals, benzo(a)pyrene and oil products in soils of industrial areas of the cities of Rostov-on-Don, Volgograd and Taganrog. The geochemical associations typical of various types of industrial landscapes were identified. It was established that main pollutants of soils of Rostov-on-Don and Taganrog are zinc, lead, copper and oil products. The soil cover in the influence area of an oil refinery in Volgograd is contaminated with benzo(a)pyrene. Among the heavy metals, the maximum danger coefficient is characteristic of zinc and is 4,5. The content of oil products and benzo(a) pyrene exceeded MPC by 11,8 and 30,7 times. The soil pollution of industrial landscapes, mostly, is assessed as acceptable, in rare cases as moderately hazardous and dangerous.
heavy metals
industrial urban landscapes
sources of pollution
geochemical associations
total pollution index

Промышленные урболандшафты традиционно рассматриваются как источник загрязнения городской среды, прежде всего из-за больших объемов выбросов поллютантов в атмосферный воздух. Спад промышленного производства в 1990–2000 гг. привёл к уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников и сокращению вклада аэротехногенных потоков в формирование геохимических аномалий. Уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах заметно снизился. Так, в Ростове-на-Дону выбросы предприятиями в атмосферу сократились с 43,9 тыс. т в 1988 г. до 11,786 тыс. т в 2015 г., а комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА5) уменьшился с 22,2 до 6,0. Почва как депонирующая среда является более долговременным по сравнению с воздухом индикатором загрязнения, поэтому эколого-геохимическая оценка современного состояния почвенного покрова урболандшафтов представляется весьма актуальной, особенно в связи с застройкой зданиями жилищного и общественно-делового назначения территорий, освободившихся из-за закрытия или выноса за городскую черту промышленных предприятий.

Материалы и методы исследований

В качестве объектов исследования выбраны два областных центра Южного федерального округа с более чем миллионным населением – Волгоград и Ростов-на-Дону – и Таганрог, город, не столь многолюдный, но обладающий значительным промышленным потенциалом. Некоторые социально-экономические и экологические характеристики городов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Общие сведения об изучаемых городах по состоянию на 2015 г. (составлено по [3, 10])

Город

Площадь, км2

Численность населения, тыс. чел.

Плотность населения, чел./км2

Выбросы в атмосферу стационарными источниками загрязняющих веществ, тыс. т

ИЗА5

Ростов-на-Дону

348,5

1114,8

3198,9

11,786

6,0

Таганрог

83,1

253,1

3045,7

6,271

5,8

Волгоград

860

1017,5

1184,0

33,7

3,4

Исследования основаны на материалах, полученных в ходе инженерно-экологических изысканий на пяти площадках (три в Ростове-на-Дону и по одной в Таганроге и Волгограде), где проектируется либо реконструкция и расширение действующих промышленных объектов, либо строительство торговых центров на месте ранее существовавших предприятий. Первый из изученных в Ростове-на-Дону объектов – реконструируемая электрическая подстанция – находится в самом центре города, неподалеку от автобусного и железнодорожного вокзалов, в начале улицы Красноармейской с интенсивным транспортным потоком. В центральной части города (проспект Театральный) находится техногенный пустырь, где в прошлом располагались промышленные объекты, а в настоящее время планируется построить торговый комплекс «О’КЕЙ». Третий из ростовских урболандшафтов – лакокрасочный завод ЗАО «Эмпилс». Запроектировано его расширение и строительство комплекса по производству лаков и смол. Участок в западной части г. Таганрога ранее использовался под автотранспортное предприятие. В настоящее время на территории предполагается возвести торговый комплекс. В Волгограде изучалась территория ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» – предприятия топливно-масляного профиля, расположенного в юго-восточной части города. Это наиболее старое из рассмотренных предприятий: строительство Сталинградского нефтеперерабатыващего завода было начато в 1951 г.

На каждой площадке в зависимости от её размера отбиралось разное количество проб из верхнего почвенного горизонта – от 5 до 31, общее количество проб – 68. На некоторых участках изучалось также распределение химических веществ и элементов по почвенному профилю, для чего было взято 8 проб с глубины от 0,5 до 2,0 м. Пробы отбирались в соответствии с принятыми в инженерно-экологических изысканиях методиками [9]. В почвенных образцах определялось содержание свинца, кадмия, ртути, цинка, меди, мышьяка, никеля, марганца, ванадия, бенз(а)пирена и нефтепродуктов. Аналитические исследования выполнялись в региональном лабораторном центре ОАО «Южгеология» и испытательных лабораторных центрах ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Ростовской области» и «Центр гигиены и эпидемиологии в Волгоградской области» приближенно-количественным спектральным и атомно-абсорбционным методами. Оценка уровня загрязнения отдельными веществами проводилась на основе существующих нормативов [1, 2, 6]. С этой целью применялся коэффициент концентрации (Кс) отдельных элементов относительно их фоновых значений и коэффициент опасности (Ко) – кратность превышения ПДК (ОДК) отдельных элементов. Для характеристики комплексного загрязнения применялся суммарный показатель загрязнения (СПЗ, Zc), представляющий собой аддитивную сумму превышений концентраций отдельных элементов над единичным (фоновым) уровнем:

Zc = Σ Кc – (n – 1),

где Кс – коэффициент концентрации, n – число химических элементов, входящих в изучаемую ассоциацию.

При Zc, меньшем 16, категория загрязнения оценивается как допустимая; если Zc лежит в диапазоне 16–32 – умеренно опасная; в диапазоне 32–128 – опасная; при Zc, большем 12, категория загрязнения – чрезвычайно опасная [8].

В ходе изучения урболандшафтов Ростова-на-Дону и Таганрога использовались величины регионального фона химических элементов, полученные в ходе многолетних исследований, проводимых сотрудниками кафедры геоэкологии и прикладной геохимии ЮФУ, и обобщенные в обзоре [5]. За региональный педогеохимический фон волгоградских урболандшафтов были приняты концентрации тяжелых металлов и мышьяка в верхнем горизонте светло-каштановых почв на территории природного парка «Эльтонский» [7].

Результаты исследования и их обсуждение

Содержания химических веществ и элементов в почве под реконструируемой подстанцией варьируют в широких пределах (табл. 2). При этом средние концентрации свинца, цинка, меди, кадмия значительно превосходят региональный фон. Невзирая на мощную техногенную нагрузку, содержания тяжелых металлов и мышьяка далеки от санитарно-гигиенических нормативов (табл. 3). Максимальный суммарный показатель загрязнения почвы – 5,6. Единственным загрязняющим веществом здесь выступают нефтепродукты, концентрация которых в четырех из пяти проб превышает рекомендуемую в качестве норматива величину (1000 мг/кг), а максимальное значение достигает 7025 мг/кг, что соответствует очень высокому уровню загрязнения.

Таблица 2

Пределы колебаний химических элементов и соединений в почвах промышленных ландшафтов, мг/кг

Химические вещества и элементы

Объекты

Подстанция

Техногенный пустырь

ЗАО «Эмпилс»

Бывшая

автобаза

Нефтеперерабатывающий завод

Свинец

15,2–71,2

20,0–60,0

8,0–400,0

30,0–200,0

2,4–30,0

Цинк

112,9–187,1

200,0–500,0

50,0–1000,0

150,0–800,0

10,8–152,0

Кадмий

0,35–0,61

0,1–0,53

0,5–2,2

0,33–2,12

0,04–0,43

Ртуть

0,014—0,031

0,012–0,04

0,006–0,01

0,02–0,047

0,006–0,4

Мышьяк

0,8–2,1

4,1–6,1

1,0–3,3

5,6–8,8

0,22–5,2

Никель

9,7–22,3

50,0–60,0

30,0–50,0

15,0–50,0

11,0–41,0

Медь

41,0–78,1

50,0–150,0

20,0–50,0

40,0–300,0

3,3–125,0

Марганец

155,0–355,2

500,0–800,0

500,0–800,0

800,0–5000

8,9–192,0

Ванадий

6,5–9,5

80,0–150,0

60,0–200,0

50,0–100,0

5,3–79,0

Нефтепродукты

901–7025

100–5499

151–11755

1178–1417

98–693

Бенз(а)пирен

н. опр.

< 0,004

< 0,004

< 0,004

0,004–0,614

В 70 % почвенных проб, отобранных на техногенном пустыре, выявлены высокие концентрации цинка, превосходящие ОДК и достигающие 500 мг/кг. Кроме того, в одной пробе содержание меди (150 мг/кг) немного превышает норматив. Содержания остальных изученных элементов сопоставимы с региональным фоном и значительно меньше ПДК (ОДК). Суммарный показатель загрязнения варьирует в пределах 3,1–11,4. Концентрации нефтепродуктов в основном, не достигают 200 мг/кг, но в одной пробе зафиксировано содержание 5499 мг/кг (очень высокий уровень загрязнения).

Площадка изысканий на лакокрасочном заводе ЗАО «Эмпилс» состоит из двух участков, связанных трассой эстакады. На первом (западном) участке, расположенном в центре территории предприятия, в настоящее время находятся производственные и складские корпуса, часть из которых будет демонтирована. По проекту здесь будут располагаться цех лаков, склады готовой продукции и продуктовая насосная. Второй участок находится на северо-восточной окраине предприятия и в настоящее время не застроен. На нем сформировалась залежь и восстановилась растительность, присущая разнотравно-дерновинно-злаковой степи.

Почвенный покров большей части западного участка загрязнен цинком. Содержание элемента достигает 1000 мг/кг или 4,5 ОДК, что соответствует среднему уровню загрязнения (табл. 2). В двух точках отмечаются превышающие ОДК концентрации свинца – до 3,1 ОДК (высокий уровень загрязнения). В той же почвенной пробе, где выявлен максимум концентраций Zn и Pb, обнаружено содержание нефтепродуктов, превосходящее норматив в почти в 12 раз. Максимальная концентрация кадмия в верхнем почвенном горизонте выше ОДК в 1,1 раза. Высокие концентрации элементов характерны лишь для западного участка, где хранится готовая продукция. Суммарный показатель загрязнения почв в трех пробах превышает 16, достигая значения 31,8, что соответствует умеренно опасному загрязнению.

Характерной особенностью является аномальное содержание кадмия по почвенному разрезу. Так, в пробе, отобранной с глубины 0,5 м, содержание элемента достигает 4,7 мг/кг (2,35 ОДК). Очевидно, проникновение металла на столь значительную глубину произошло при перемешивании грунтов во время строительных и земляных работ, при планировке поверхности. Содержания остальных элементов в грунтах не достигают санитарно-гигиенических нормативов.

Высокие концентрации цинка, свинца и кадмия связаны со спецификой лакокрасочного производства, предусматривающего использование широкого круга сырьевых материалов, в том числе пигментов, сиккативов и других компонентов, содержащих тяжелые металлы. Наиболее часто используемыми являются свинцовый сурик, свинцовый и цинковый кроны, цинковые белила, кадмиевая желтая, фосфат цинка, хромат цинка и др. [4].

В восточной части не зафиксировано превышений ПДК и ОДК тяжелых металлов и мышьяка в почве, за единичным исключением: содержание цинка в 1,4 раза выше норматива в непосредственной близости от склада тары. Максимальная величина Zc – 5.

Содержания в почве участка на территории Таганрога большинства элементов (за исключением ртути) превышают региональный фон. Концентрации цинка в шести из восьми точек опробования превосходят санитарно-гигиенический норматив; концентрации свинца выше ПДК зафиксированы в двух точках; кадмия и меди – в одной. Таким образом, выявлено загрязнение большей части почвенного покрова участка цинком, а также локальное загрязнение свинцом, кадмием и медью. Комплексное загрязнение почвы всеми четырьмя элементами отмечено в точке, расположенной вблизи северной границы площадки, рядом со стихийной свалкой бытовых и промышленных отходов. Содержание кадмия достигает 1,06 ОДК, свинца – 1,5 ОДК, меди – 2,3 ОДК, цинка – 3,6 ОДК. Суммарный показатель загрязнения изменяется от 7,1 до 36,7, т.е. наряду с допустимой категорией загрязнения почв выявлены умеренно опасная и опасная.

В отличие от урболандшафтов Ростова-на-Дону и Таганрога, расположенных на обыкновенных карбонатных черноземах, зональным типом почв Волгограда являются светло-каштановые почвы, часто в комплексе с солонцами. Содержания всех тяжелых металлов, мышьяка и нефтепродуктов на территории нефтеперерабатывающего комплекса не достигают ПДК и ОДК, чего нельзя сказать о бенз(а)пирене. Если в почвах ранее рассмотренных промышленных ландшафтов он лежит ниже предела обнаружения (менее 0,004 мг/кг), то на территории ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» максимально содержание БП достигает 0,614 мг/кг, что почти в 31 раз выше ПДК (табл. 2). Даже средняя концентрация превосходит санитарно-гигиенический норматив в 2,5 раза. Накопление бенз(а)пирена в почве обусловлено спецификой химического состава сырья и продукции. Отличается высокими концентрациями и ртуть – среднее содержание в 2,7 раза выше регионального фона, а максимальное – в 20 раз (табл. 3). Zc принимает значения от 1,1 до 12,1. Таким образом, индикатором загрязнения почв этого предприятия является бенз(а)пирен, на территориях остальных наиболее характерными загрязняющими веществами являются нефтепродукты, цинк, свинец, медь и кадмий.

Таблица 3

Среднее содержание химических элементов в почвах промышленных ландшафтов, мг/кг

Объекты

Химические элементы и вещества

Pb

Zn

Cd

Hg

As

Ni

Cu

Mn

V

НП*

БП**

ЗАО «Эмпилс»

77,5

388,7

1,0

0,007

2,0

44,7

36,0

646,7

114,7

3987

н.опр.

Подстанция

35,2

149,2

0,44

0,023

1,4

15,2

54,7

232,5

7,9

1476

< 0,004

Техногенный

пустырь

41,1

322,2

0,25

0,020

5,1

53,3

73,3

711,1

96,7

4070

< 0,004

Бывшая автобаза

97,5

394

0,86

0,029

6,7

37

99

2012,5

76,3

1298

< 0,004

Нефтеперерабатывающий завод

11,9

68,6

0,18

0,055

2,1

25,2

30,0

160,4

20,5

305,3

0,053

Региональный фон черноземов []

24,0

84,3

0,22

0,018

2,4

41,0

34,8

725,0

96,0

Региональный фон светло-каштановых почв []

11,0

49,0

0,2

0,02

6,5

34,2

16,4

ПДК (ОДК)

130

220

2,0

2,1

10

80

132

1500

150

1000

0,02

Примечание. *НП – нефтепродукты; **БП – бенз(а)пирен.

Выводы

1. Геохимические спектры почв промышленных урболандшафтов юга России весьма разнообразны. При сравнении средних значений тяжелых металлов и металлоидов с природным фоном выделяются следующие ассоциации:

– лакокрасочное производство:

Zn4,6Cd4,5Pb3,2V1,2;

– электроподстанция:

Cd2,0Zn1,8Cu1,6Pb1,5Hg1,3;

– техногенный пустырь:

Zn3,8(As Cu)2,1Pb1,7Ni1,3;

– автопредприятие:

Zn4,7Cd4,3Pb4,1(As Cu Mn)2,8Hg1,6;

– нефтепереработка:

Hg2,8Cu1,8Zn1,4.

2. Индикаторами загрязнения почв в общем случае выступают цинк, свинец, медь и нефтепродукты. Специфика конкретного производства накладывает отпечаток на перечень приоритетных поллютантов. Так, для лакокрасочного производства характерен кадмий, а для нефтеперерабатывающего – бенз(а)пирен.

3. Уровень загрязнения почв металлами невысок. Максимальный Ко кадмия – 1,1, ванадия – 1,2, свинца – 1,5, меди – 2,3, марганца – 3,3 и цинка – 4,5. Концентрации ртути, мышьяка, никеля не достигают санитарно-гигиенических нормативов. Гораздо выше уровень загрязнения углеводородами: превышения норматива по нефтепродуктам – 11,8, по бенз(а)пирену – 30,7.

4. По величине Zc загрязнение почв промышленных зон оценивается в основном как допустимое. Локальные ореолы умеренно опасной категории выявлены на двух участках, опасной – на одном.