Состояние и буферные свойства подземной гидросферы в районе полигона захоронения промышленных отходов нефтехимического предприятия

УДК 502.55+556.314

В работе рассматривается полигон захоронения промышленных отходов ПАО «Нижнекамскнефтехим», функционирующий с 1982 года. Отмечены объемы захороненных отходов, особенности эксплуатации полигона. Показано, что основное негативное воздействие полигон оказывает на подземные воды. Повышение их уровня и загрязнение связано в первую очередь с усилением инфильтрационного питания атмосферными осадками, взаимодействующими с отходами в картах.

Ключевые слова: полигон захоронения промышленных отходов, подземная гидросфера, ПАО «Нижнекамскнефтехим», грунтовые подземные воды

Загрязнение подземных вод на полигоне захоронения отходов ПАО «Нижнекамскнефтехим» характеризуется узкоструйчатым характером распространения. Максимальной интенсивности оно достигает в ближайшем обрамлении полигона. По мере удаления от него происходит резкое снижение концентраций всех загрязняющих веществ, и на расстоянии трех километров подземные воды характеризуются фоновыми показателями своего качественного состояния

Полигон является поставщиком в подземную гидросферу нефтепродуктов, фенолов, формальдегида, бензола, толуола, ксилола, этилбензола, а также железа и, в меньшей степени, сульфатов, хлоридов и бария. Сверхпредельные концентрации других компонентов связаны с их интенсивным выщелачиванием из пород разреза агрессивными углекислыми водами. Концентрации гидрокарбонатов в грунтовых водах в пределах самого полигона и в ближайшем окружении могут достигать 8 г/л, тогда как в ненарушенных условиях они не превышали 0,4 г/л. Это возможно лишь при повышенной парциальной активности углекислого газа, связанного с деструкцией органического вещества, захороненного на полигоне.

Одним из важнейших процессов, обуславливающим восстановление качества подземных вод, является смешение загрязненных грунтовых вод с инфильтрующимися атмосферными осадками вне полигона.

Введение и постановка задачи

Одной из крупнейших нефтехимических компаний Европы является ПАО «Нижнекамскнефтехим», специализирующееся на производстве синтетических каучуков, пластиков, этилена и другой продукции (более 100 наименований). Его ежегодный объем превышает 1,5 млн. тонн, а стоимость - более 100 млрд. руб. Основной производственный комплекс акционерного общества включает 10 заводов и 7 различных центров (научно-технологический, проектно-конструкторский и др.), которые базируются в г. Нижнекамске Республики Татарстан. Начало его функционирования приходится на 1967 год.

Основной объем промышленных отходов захоранивается на крупном поверхностном полигоне, эксплуатируемом с 1982 года. К 2014 году его ресурсы выработаны на 80%. На полигоне размещено 504080,7 м3 разноагрегатных отходов.

Выявление характера и степени влияния полигона на окружающую среду представляет собой чрезвычайно актуальную задачу.

Объекты и методы исследования

Полигон захоронения отходов имеет площадь 0,25 км2 (0,5х0,5 км). Он расположен в пределах Волго-Уральской антеклизы Русской платформы Камско-Вятского артезианского бассейна, в левобережной части р. Камы, в приосевой части залесенного водораздела, в 8 км юго-восточнее г. Нижнекамска. Абсолютные отметки ненарушенной поверхности в районе полигона – 186-199 м, превышение над руслами рек - до 120 м.

Ближайшие два населенных пункта расположены на удалении 3 км. Количество жителей в них - не более 400. Направление поверхностного стока – юго-западное, уклон земной поверхности - не более 2-3°.
Верхняя часть геологического разреза (200 м) представлена субгоризонтально залегающими фациально невыдержанными комплексами карбонатно-терригенных пород уржумского и казанского ярусов, в районе полигона перекрывающихся четвертичными суглинками мощностью до 2-4 м и почвенно-растительным слоем. Наиболее верхний гипсометрический уровень – 160-205 м – сложен пестроцветными уржумскими образованиями, характерной особенностью которых является переслаивание песчаников и глин с толщиной отдельных слоев до 3-4 м, реже более. Песчаники обычно полимиктовые, тонкомелкозернистые, слабосцементированные, а глины характеризуются наличием маломощных прослоев алевролитов и тонкозернистых песчаников и разноориентированной трещиноватостью.

Соотношение пелитовых и псаммитовых пород ~2:1. Близким строением отличается и нижележащая 140-160 м толща казанских отложений, 30-40 м основание которой представлено сероцветными глинами, содержащими 1-3 м прослои карбонатных пород. Комплекс казанских отложений подстилается пачкой так называемых «лингуловых глин», непосредственно под полигоном имеющих мощность 14 м и залегающих в гипсометрическом интервале 2-16 м. Данная глинистая пачка выдержана по простиранию и играет важную гидрогеологическую роль в качестве регионального водоупорного горизонта.

Подземные воды (ПВ) охарактеризованного разреза - поровые, трещинные и порово-трещинные. Они формируют отдельные водоносные горизонты, в основном приуроченные к проницаемым песчаным и карбонатным породам и объединяемые в уржумский, верхнеказанский и нижнеказанский водоносные комплексы. Разрыв уровней смежных водоносных комплексов может достигать нескольких метров. Уровни в сглаженной форме повторяют поверхностный рельеф.

Направление подземного стока - юго-западное. Кроме этого, по всему разрезу проявлена нисходящая фильтрация, в связи с чем отдельные водоносные горизонты и комплексы гидравлически взаимосвязаны. Выдержанные водоупорные горизонты до уровня «лингуловых глин» отсутствуют. Питание ПВ осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и снеготалых вод. Норма осадков - 554,6 мм/год.

Состав ПВ в надлингуловой части разреза в естественных условиях преимущественно гидрокарбонатный магниево-кальциевый (компоненты в наименовании состава воды здесь и далее перечисляются в порядке увеличения их процент-мольных концентраций) с минерализацией 0,2-0,8 г/л, общей жесткостью - до 7-8 ммоль/л. Минерализация и жесткость увеличиваются с глубиной, при этом качество основного объема ПВ соответствует питьевым стандартам. Ниже лингулового водоупора в шешминских отложениях уфимского яруса возможно развитие солоноватых вод.

Данные особенности состава ПВ определяются действием природных факторов, важнейшее значение из которых имеет взаимодействие первичных атмосферных осадков с почвами и породами разреза. Глубина залегания первого от поверхности водоносного горизонта в меженный период в естественных условиях в районе полигона составляет 3-8 м, при этом свободные гравитационные воды локализованы как в песчаниках, так и в глинах уржумского яруса, характеризующихся средними значениями фильтрационной способности, соответственно 1,23 и 0,05 м/сут. Горизонт - безнапорный, в отдельных участках возможно наличие избыточного напора 0,51 м [1]. Далее этот водоносный горизонт для удобства будет именоваться грунтовым.

Полигон захоронения промышленных отходов состоит из 48 отдельных карт, имеющих проектные размеры 50х70 м и глубины 3-5 м. Днища и борта карт выполнены утрамбованной глиной, борта крайних восточных карт забетонированы. На полигоне происходит захоронение около 250 видов отходов III-V классов опасности в твердой, пастообразной и жидкой формах. Преимущественно это отходы катализаторов, полимерных материалов, донные осадки, шламы очистки трубопроводов и емкостей, нефтешламы и др. Агрегатный состав - 504 080,7 м3 отходов, захороненных к 2014 году (м 3 ): твердые – 444 717,9; пастообразные - 51 467,8; жидкие - 7895.

В ближайшее время планируется проведение реконструкции полигона, в рамках которой предполагается заключение отходов в водонепроницаемый резервуар. Создание таких резервуаров планируется за счет выемки отходов из большей части уже полностью заполненных карт, установления в их основании противофильтрационного экрана (ПФЭ), обратной засыпки карт их первичным содержанием и, наконец, перекрытия карт ПФЭ и почвенным грунтом с высевом травянистой растительности. В качестве ПФЭ планируется использовать геосинтетические материалы с крайне низкими фильтрационными свойствами - (2-5)*10-11 м/с. Рабочими останутся 8 карт, в них будет присутствовать только нижний ПФЭ.

На полигоне сооружены нагорная канава с трубчатым дренажем в основании по внешнему периметру полигона для перехвата поверхностных вод и части грунтового подземного стока; противофильтрационная завеса в виде грунтовой глинистой стены глубиной до 6 м при ширине до 5 м вдоль северной и южной границ объекта; работает насосная станция, перекачивающая дренажные воды и воду части незаполненных карт на очистные сооружения, расположенные за пределами полигона. Вся территория ограждена бетонным забором высотой 2 м.

Эксплуатация полигона сопровождается постоянным мониторингом качественного состояния атмосферного воздуха и грунтовых вод; эпизодическим контролем состояния почв в ближайшем его обрамлении, а также качества поверхностных и подземных вод на некотором удалении от площадки захоронения отходов (у ближайших населенных пунктов).
Мониторинг грунтовых вод ведется по сети двух поясов наблюдательных скважин. Первый пояс, включающий 12 скважин, непосредственно примыкает к границе полигона, а второй насчитывает 20 скважин и расположен в 150 м от первого пояса.

Полигон отличается достаточно высокой степенью изученности. В его пределах проведены детальные инженерно-геологические исследования в 1975, 1991 и 2011 гг., проводится ведомственный мониторинг качественного состояния поверхностных и подземных вод, а также почвенного покрова и атмосферного воздуха. Инженерно-геологические изыскания сопровождались наблюдениями за уровнями грунтовых вод и их гидрохимическим опробованием.

Кроме этого, в районе расположения и непосредственно в пределах полигона в 2004, 2011 и 2012 гг. были проведены гидрогеоэкологические исследования.
Таким образом, полигон характеризуется наличием разновременных карт гидроизогипс и разновременного гидрогеохимического материала.

Для определения характера и степени влияния полигона на подземную гидросферу авторами проведены гидрогеодинамические и балансовые расчеты аналитическим методом и методом моделирования (с использованием Processing Modflow) по определению: интенсивности инфильтрационного питания грунтовых и ниже залегающих межпластовых вод в пределах полигона; расхода загрязненных подземных вод на «выходном» контуре полигона; расхода чистых подземных вод для второго и третьего от поверхности водоносных комплексов на его «входном» контуре; производительности и эффективности дренажной системы; также проведена обработка гидрогеохимических данных.

Результаты и их обсуждение

Данные гидрогеоэкологического мониторинга свидетельствуют, что максимальному негативному воздействию со стороны полигона подвержены грунтовые воды.

Уже в первые 10 лет его эксплуатации непосредственно под картами произошел подъем уровня грунтовых вод на 1-5 м. Их анионный состав трансформировался с гидрокарбонатного на гидрокарбонатно-хлоридный, минерализация увеличилась с 0,2-0,4 до 4-5 г/л, а общая жесткость - с 4-8 до 40-70 ммоль/л.

В настоящее время минерализация грунтовых вод в пределах полигона и в его ближайшем обрамлении (наблюдательные скважины первого пояса) может достигать 7-12 г/л; жесткость – 70-135 ммоль/л; концентрации наиболее характерных загрязнителей (мг/л): нефтепродукты - до 500-982; фенолы - до 13,9; железо общее – до 153 (преобладающий гидрогеохимический тип воды - хлоридно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый).

Но уже на небольшом расстоянии от полигона, в наблюдательных скважинах второго пояса, возможно снижение содержаний многих компонентов-загрязнителей на 1-2 порядка.
Всеми предшествующими исследованиями инженерно-геологического и экологического плана данные изменения связывались с утечками жидких отходов.

Выводы:
Проведенные авторами исследования позволяют утверждать следующее:
1. Подъем уровня грунтовых вод связан с тем, что полигон с самого начала своего функционирования превратился в источник интенсивного питания ПВ. При этом основной объем этого питания приходится не на жидкие отходы, а атмосферные осадки, в разной степени трансформированные. В пределах полигона нарушен поверхностный сток и подавляющая часть атмосферных осадков (за вычетом их испарения) здесь просто аккумулируется. В настоящее время интенсивность общей инфильтрации в картовом поле полигона в 2,8 раз превышает ее естественный уровень и составляет 208,2 мм/год (37,5% от нормы осадков). Современный водный баланс полигона (м3 /сут.): приходные статьи (332,75): атмосферные осадки - 324,12; промышленные жидкие отходы - 8,63; расходные статьи (332,75): испарение - 184,69; инфильтрация - 129,98; поверхностный сток - 5,46; перекачка из карт на дренажную станцию - 5,05; подтопление карт - 7,57.
2. Загрязнение ПВ связано с инфильтрацией и нисходящей фильтрацией первичных атмосферных осадков, преобразованных процессами взаимодействия в системе «вода-отходы» и в меньшей степени жидких отходов.
3. Величина расхода через днища карт интенсивно загрязненного фильтрата составляет 129,98 м3/сут., из них на жидкие отходы приходится 8,63 м3/сут., все остальное - трансформированные атмосферные осадки. В грунтовом стоке принимает участие 121,67 м3/сут. фильтрата (остающийся объем фильтратов - 8,31 м3/сут. - формирует питание нижележащего верхнеказанского водоносного комплекса). Общая величина грунтового стока, выходящего из-под полигона, составляет 172,7 м3/сут., из них 64,31 м 3/сут. перехватывается подземным дренажем. Величина не перехватываемого загрязненного подземного стока - 116,7 м3/сут. (из них 108,39 м3/сут. - сток грунтовых вод; 8,63 м3/сут. - глубокий подземный сток).
4. Отходы полигона могут быть поставщиками в подземные воды нефтепродуктов, фенолов, формальдегида, бензола, толуола, ксилола, этилбензола, а также железа и в меньшей степени - сульфатов, хлоридов, бария (при этом высокие – более чем в 10 раз - превышения ПДК для питьевых вод характерны только для железа и тесно скоррелированных друг с другом органических веществ). Повышенные концентрации этих компонентов обычно отмечаются в картовом поле полигона и на его ближайшей периферии, тогда как на удалении 150 м (второй пояс наблюдательных скважин) они могут быть снижены в 10 раз и более.

Поведение концентраций основной части неорганических микрокомпонентов (Al, B, As, F, Br, Cd, Mn, Mo, Hg, Pb, Cr) находится в обратной зависимости от расстояния до картового поля, при этом превышения ПДК возможны в скважинах первого пояса, уровень превышения ПДК редко когда поднимается до 3-5. Подобный характер распределения наиболее адекватно описывается моделью интенсивного выщелачивания как микрокомпонентов, так и основных катионов из минерального матрикса агрессивными углекислотными водами с концентрациями гидрокарбонатов свыше 800-1000 мг/л (содержания HCO 3 могут достигать 4-8 г/л, тогда как в естественных условиях они не превышали 400 мг/л).

Грунтовые воды с такой «гидрокарбонатностью» обычно развиты внутри картового поля и его ближайшего обрамления. Их формирование возможно лишь в условиях повышенной парциальной активности углекислого газа [2, 3]. Увеличение же содержания углекислого газа может быть связано только с деструкцией (окислением) захорониваемых органических веществ. Из указанных микрокомпонентов источниками F, Br и, вероятно, As и Hg, скорее всего, являются отходы, а другие элементы поставляются породами разреза.

Деятельность полигона никак не отражается на содержаниях в грунтовых водах нитратов, нитритов, фосфатов, фторидов, бромидов, также индифферентными являются Co, Cu, Ni, Se, Sr, Zn, Be, к которым можно добавить АСПАВ и пестициды (ДДТ; 2,4-Д; γ-ГХЦГ; HS).
5. В целом отмечается узкоструйчатый характер распространения загрязнения (близрасположенные наблюдательные скважины могут характеризоваться резко различными составами грунтовых вод). Это связано с тем, что состав отходов практически в каждой карте индивидуальный, следовательно, практически каждая карта характеризуется своим обликом картовых фильтратов. Грунтовые перемычки, разделяющие карты, отличаются своим составом инфильтрующихся вод. Поэтому на уровне зеркала грунтовых вод в пределах картового поля гидрогеохимическое поле должно характеризоваться обликом лоскутного одеяла.

При движении отдельных струй воды в составе подземного потока в одном юго-западном генеральном направлении их перемешивание невозможно, а «размазывание» границ отдельный струй будет происходить за счет диффузии и поперечной гидродисперсии. Низкие значения скоростей этих процессов и определяют узкоструйчатый характер распространения загрязнения.
6. Снижение минерализации и жесткости грунтовых вод, концентраций в них компонентов-загрязнителей по мере удаления от полигона связано со многими процессами и явлениями. Это сорбция и диффузия, поперечная гидродисперсия, деструкция загрязнителей (особенно нефтепродуктов и фенолов), выпадение в осадок Fe, Mn и др. по мере изменения условий рН и Еh. Наиболее же мощным фактором уменьшения концентраций загрязнителей является природное разбавление загрязненных вод чистыми (по мере плановой фильтрации в юго-западном направлении на уровень грунтовых вод с каждого квадратного метра земной поверхности приходит как минимум 1,9*10-4 м3/сут. (67,6 мм/год) инфильтрационного питания).
7. При нисходящей фильтрации и достижении полигонными фильтрата ми (8,63 м3/сут.) уровней верхне- и, возможно, нижнеказанского водоносных комплексов они также будут интенсивно разбавляться чистыми подземными водами.

По данным геофильтрационного моделирования, на проекцию восточного ограничения полигона на указанные комплексы со стороны подземного водораздела, совпадающего с поверхностным, «приходят» плановые потоки с расходами 253 и 131 м3/сут., соответственно в верхнеказанском и нижнеказанском комплексах. Подтверждением этих данных является узколокальный мелкопятнистый характер распространения повышенных концентраций нефтепродуктов в водах верхнеказанского комплекса в южной части полигона.
8. Отмеченные процессы самоочищения определяют то, что на удалении трех километров от полигона в районе дер. Клятле не фиксируются изменения состава подземных и поверхностных вод, которые можно было бы связать с функционированием полигона захоронения отходов.
9. Локальный характер распространения интенсивного загрязнения подземных вод отмечается и в районах многих других полигонов захоронения промышленных отходов, важной составной частью которых является органическое вещество.

В качестве ярких, хорошо изученных примеров можно привести полигон в эстонском Кохтла-Ярве (Kohtla-Jarve), функционирующий с 1938 года и вмещающий 8х107 м3 отходов переработки горючих сланцев [4]; а также закрытый полигон бытовых и промышленных отходов в канадском г. Гамильтон (Hamilton), обладающий площадью 50 га [5].

Литература:
1. Мусин Р. Х. и Мусина Р.З. 2014. - О влиянии на гидролитосферу полигонов захоронения промышленных отходов. Недрополь зование XXI в. 8789.
2. Шварцев С.Л. 1982. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. Новосибирск: Наука. стр. 288.
3. Roscoe Moss Company. 1990 Handbook of Ground Water Development (John Wiley & Sons). p. 493.
4. Vallner L., Gavrilova O., Vilu R. 2015. Environmental risks and problems of the optimal management of an oil shale semicoke and ashlandfill in KohtlaJarve, Estonia (Science of The Total Environment Vol 524525) pp. 400-415.
5. Barker J. F., Barbash J. E., Labonte M. 1988. Groundwater contamination at a landfill sited on fractured carbonate and shale (Journal of Contaminant Hydrology Vol 3). pp. 125.

Condition and buffer properties of underground hydrosphere in the area of industrial waste landfill of petrochemical enterprise

This paper examines the industrial waste disposal site of PJSC «Nizhnekamskneftekhim», operating since 1982. Volumes of the buried waste, features of operation of the ground are noted. It is shown that the main negative impact of the landfill has on groundwater. The increase in their level and pollution is primarily due to the increase in infiltration nutrition of precipitation interacting with waste in the maps.

Keywords: industrial waste landfill, underground hydrosphere, PJSC Nizhnekamskneftekhim, ground groundwater.

Musin Rustam Gadyevich, candidate of geological’mineralogical Sciences, associate Professor of General Geology and hydrogeology, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;

Kurlyanov Nikita Andreevich, engineer, employee of the Department of General Geology and hydrogeology, Institute of Geology and petroleum technology. Kazan (Volga region) Federal University.
420008, Russia, Kazan, Kremlevskaya str., 18.

Журнал «Вода Magazine», №3 (127), 2018 г.