В рамке данного исследования проведено испытание образцов почвенного покрова зольного хранилища тепловой электростанции ТЭЦ III, которое может стать источником загрязнения окружающей среды и почвы, на присутствие радиоактивных элементов и радиоактивных изотопов. По результатам проведенного испытания в зольном хранилище содержаться следующие элементы: уран 2.2–11.1 г/т., тория 3.3–14.4 г/т., калия 2.0–3.4 %. При выборочном измерении изотопов, таких как 232Th и 226Ra, которые образуются в результате полураспада урана, проведенном на площади зольного хранилища, установлено, что на участках зольного хранилища содержание изотопа 226Ra колеблется от 27 до 111 Bq/кг, содержание изотопа 232Th колеблется от 17 до 59 Bq/кг. По показателям пространственного распространения на 1-м и 2-м участках, в которых хранятся золы углей шахт Шарын гол и Налайх, содержание изотопа 232Th высокое, а на 4-м и 5-м участках, в которых хранятся зола угля шахты Багануур содержание изотопа 226Ra высокое.
Ключевые слова: зола угля, радиоактивные элементы, уран, тория, калия.
- Введение
Определение уровня экологического состояния города на сегодняшний день, в том числе, состояния мусора и отходов; деградации, загрязнения и эрозии почвенного покрова, а также определение методов и способов для их дальнейшего улучшения являются одним из актуальных вопросов. В почвенном покрове накапливаются бытовые отходы в результате воздействия антропогена и разные загрязняющие элементы от индустриальной и горнодобывающей деятельности, а также в результате эрозии и загрязнения.
В рамке выполненных работ по данному исследованию для примера накапливаемых влияний выбраны зольное хранилище Тепловой электростанции ТЭЦ III, которое является одним из загрязнителей, которые хранятся в течение долгого срока и постоянно увеличиваются в результате человеческой деятельности. Работа парового котла вышеназванной электростанции рассчитана была на угле шахты Шарын гол. Но в результате уменьшения выходы угля шахты Шарын гол с 1989 г. этот паровой котел стал работать на угле шахты Багануур. В среднем в год сжигает уголь в количестве 850–980 тыс. тонн. После того, как началась работа зольного хранилища, в течение периода 38 лет использован уголь в общем количестве, т. е. 28 млн. тонн уголь, и выбрасывалась зола в количестве 36000–40000 м3. Площадь наполненного зольного хранилища составляет 43.4 га. и объем составляет 4343280 м3.
Наполненные зольные хранилища, на которых проведено исследование, используются с 1968 года. Первый участок этого хранилища наполнен золой угля шахты Шарын гол, 2-й участок наполнен золами углей шахт Шарын гол и Налайх, 3-й и 4-й участки наполнены золами углей шахт Налайх и Багануур.
- Методика — информации и материалы
2.1. Площадь исследования
Зольное хранилище тепловой электростанции ТЭЦ III расположен вдоль северного берега реки Туул, общая площадь которого составляет 43.3 га. 1-е и 2-е хранилища наполнены золами углей шахт Шарын гол и Налайх, 3-е хранилище наполнено золами углей шахт Шарын гол и Багануур, 4-е и 5-е хранилища и используемое в настоящее время хранилище наполнены золой угля шахты Багануур. Наполненные участки зольного хранилища покрываются слоем из горного гравия, грунта и плодородной почвы с толщиной 25–30 см и выполняется рекультивация.
С 2006 г. совместно с КОО “Цэцэрлэгжилт” (по садоводству) высаживали кустарниковые саженцы в количестве 3000 штук на 11.9 га площади, и в настоящее время рост кустарников идет на 90 %.
Рис. 1. Участки зольного хранилища тепловой электрической станции ТЭЦ III
Измерение участков, на которых отобраны образцы почвы
2.2. Методология исследования
В рамке исследования выполнились работы по отбору образцов почвы из почвенного покрова участков зольного хранилища и по испытанию образцов на присутствие радиоактивных изотопов и элементов. Работа по отбору образцов почвы выполнена 21 марта 2015 г. и по всем участкам получен 12 образцов с помощью бурильного инструмента с диаметром 8 см. Из почвенных покров участков, в которых хранятся золы углей шахт Шарын гол, Налайх и Багануур, получены образцы на глубине 15 см. Пятого июля выполнена работа по составлению карта масштаба 1:5000 с помощью оборудования для определения местоположения. В результате лабораторного испытания по методу гамма-спектрометрии, проведенного в Центре ядерных исследований, определены содержания природных и образованных радиоактивных изотопов (Радий-226 (226Ra), Торий-232 (232Th-), Калий-40(40К), Цезий-137(137Cs)) и содержания природных радиоактивных элементов (U, Th, K) в почве.
- Результаты и дискуссия
3.1. Результаты лабораторных анализовРазрез глубинного распространения образцов исследован по результатам 5 см-го частотного измерения образцов почвенного покрова с толщиной 30 см, отобранных из 1-го участка зольного хранилища с золой угля шахты Шарын гол и 4-го зольного хранилища с золой угля шахты Багануур, и измерения угольной золы. На образцах почвенного покрова структура участков угольного хранилища рассмотрена по следующей схеме: до глубины 5 см слой плодородной почвы, на глубине от 20 до 25 см слой гравелистого грунта, на глубине от 25 до 30 см песчаный слой, на глубине от 35 см угольная зола.
Рис. 2. Содержание эквивалента Радия почвенного покрова угольного хранилища (Bq/кг)
Содержание эквивалента Радия в верхнем слое почвы и песчаном слое составляет 100–150 Bq/кг. А на глубине 25 см, т. е. в слое гравелистого грунта содержание радия дошло до 240 Bq/кг. Содержание эквивалента радия в угольной золе составляет приблизительно 170 Bq/кг, что превышает на 30 % стандартного показателя (рис. 2).
Глубинное распространение радиоактивных элементов, как например, Урана, Тория, Калия и т. д., показывает, что в слое гравелистого грунта и угольной золе более высокое содержание Тория и Урана, а в плодотворной слое и песчаной слое более высокое содержание Калия. Таким образом, содержание каждого элемента в отдельных слоях не одинаково. Отсюда можно сделать вывод, что не происходят потеря или фильтрация элементов от угольной золы в почвенный покров. Например, содержание Урана более высокое в угольной золе и слое гравелистого грунта, а содержание Тория более высокое в слое гравелистого грунта, и содержание Калия более высокое в верхнем слое грунта и песчаном слое на угольной золе. В рамке прогнозного заключения исследования считали, что в верхних слоях может образоваться накопление радиоактивных элементов, которые содержатся в угольной золе. Но на самом деле песчаный слой и слой гравелистого грунта, находящие на угольной золе, не пропускают радиоактивные элементы через себя, а также почвенный покров, искусственно созданный на угольном хранилище, имеет рыхлое сочетание, в результате чего не образовались пористость и сеть капиллярных жил. Из этого можно сделать вывод, что вышеназванные слои, т. е. песчаный слой и слой гравелистого грунта могут исполнить роль сепараторного слоя.
Также в рамке проведенных работ данного исследования определено количество радиоактивных изотопов в глубинных пробах. Результаты первичного анализа показывают, что количественные закономерности изотопов 226Ra и 232Th, которые являются продуктами распада Урана, очень близки. Это доказывается тем, что содержание изотопов в слое гравелистого грунта, находящемся под верхним слоем, и в угольном слое сравнительно высокое, чем в других слоях, а содержание изотопов в песчаном слое, находящемся над угольной золой, менее на два раза, чем в верных слоях. Это доказывает, что эти слои могут исполнить роль задерживающего слоя. На счёт изотопа природного происхождения 40К, содержание этого изотопа в верхнем слое составляет 815 (Bq/кг), а в нижних слоях этот показатель снижается и наконец, в угольной золе резко снижается до 100 (Bq/кг) (рис. 3).
Рис. 3. Содержание радиоактивных изотопов почвенного покрова угольного хранилища (Bq/кг)
Можно сделать вывод о том, что содержание радиоактивных элементов и изотопов высокое в слое гравелистого грунта, что является проявлением закономерности, вызванной геохимическими особенностями высокого содержания, причина которого служит геологическое строение отложенных пород в окрестностях города Улан-Батора. Доктор О.Батхишиг (1996) в своей работе «Почва долины реки Туул и ее геохимические особенности» дал определение: «По показателям содержания тяжелых элементов в почве долины реки Туул есть возможность образование слои биогеохимической эндемики». Поэтому есть возможность образования накопления других природных радиоактивных элементов и веществ, в результате чего содержание изотопов в почве может быть высоким по сравнению с другими странами.
Для оценки распространения радиоактивных элементов и изотопов в почвенном покрове, покрывающем зольное хранилище, выполнилась работа по отбору образцов почвы, создав трансект, проходящий через участки разных годов, и ровно распределенную сетку.
Показатели содержания радиоактивных элементов вдоль трансекта показывают, что содержание Урана в окрестностях участка, использованного в 1960 годах и наполненного золой угля шахты Шарын гол, составляет 2.4 г/т; содержание Урана в почвенном покрове, покрывающем участок, который наполнился золой угля шахты Налайх в 1980 г., составляет 3.0 г/т; содержание Урана в почвенном покрове, покрывающем участок, который наполнился золой угля шахты Багануур после 1990 г., сравнительно высокое до 9.6 г/т (рис. 4). На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что содержание урана в золе, которая охраняется в зольном хранилище, использованном и наполненном в 1960 годах, снизилось в результате распада урана. Поэтому нельзя объяснить это, как закономерность снижения содержания урана, происходящего в результате полураспада и абсорбции другими компонентами, в дело в том, что уран может стабильно храниться в течение длительного времени. Разница между содержаниями урана, выявленными в угольных золах 1990 г. и 1960 г., связана с геологическими особенностями углей. Содержание радиоактивных изотопов мало в угле шахты Шарын гол, а уголь шахты Багануур отличается особенностью высоким содержанием радиоактивных изотопов и тяжелых металлов. Также эта разница обусловлена технологическими особенностями. По технологии удаления золы, которая применялась до 1990 г. угольная зола, закаченная водой, хранилась в бассейне с водой и после процесса осаждения технологическая сточная вода удалялась, в результате чего создалась условия для нейтрализации. Поэтому я считаю, что причиной снижения содержания урана в угольной золе 1960 г. является распадом урана. Необходимо провести дополнительное исследование по этому вопросу.
Содержание Урана в почве зольного хранилище-U(г/т)
Рис. 4. Распространение урана почвенного покрова угольного хранилища (Bq/кг)
Насчёт содержания Тория не наблюдается существенная разница. По данным периода, в котором использовался уголь шахты Налайх 1980 г., содержание Тория снизилось и дошли до 4.0 г/т. По результатам испытания образцов, отобранных по трансекту из всех участков разных годов зольного хранилища, содержание Тория составляет 5.3–7.6 г/т. Таким образом, не наблюдается существенная разница в содержании Тория с учетом трансекта, технологий и шахт.Поэтому можно считать, что не происходит изменение, зависящее от распада и качества угля(рис. 5).
Содержание Тори в почве зольного хранилища-Th(г/т)
Рис. 5. Распространение тори почвенного покрова угольного хранилища (Bq/кг)
Насчёт содержания Калия, который получил самого широкого распространения на природе, наблюдается закономерность увеличения в зависимости от срока хранения и шахты. Калий особенен тем, что на природе он встречается виде соединения. По всему трансекту содержание Калия в угольной золе составляет 0.3 г/т. Тогда содержание Калия в золе угля шахты Шарын гол, добытого в 1960 гг., увеличилось до 2.0 г/т; в золе угля шахты Налайх того же периода тоже увеличилось и дошло до 2.2 г/т, а также в почвенном покрове участка с золой угля шахты Багануур увеличилось и составляло 2.9–3.0 г/т (рис. 6). На основании всего этого можно сделать вывод о том, что произошел распад, результате чего содержание Калия снизилось в почвах первых участков зольного хранилища.
Содержание Кали в почве зольного хранилища-K (%)
Рис. 6. Распространение кали почвенного покрова угольного хранилища (Bq/кг)
Под воздействием процесса полураспада радиоактивных элементов изменяется их свойство и после определенного времени под воздействием внешних факторов уран, который содержится в угольной золе, выделяет изотопы: торий, радон и т. д.
Насчёт изотопа Калия, отмечено высокое содержание от 815 до 1005 Bq/кг в основном в участках, в которых хранится зола угля шахты Налайх. В 4-м участке с золой угля шахты Багануур отмечено сравнительно низкое содержание изотопа Калия, которое составляло около 672 Bq/кг. В зольном хранилище, использованном в настоящее время, содержание изотопа Калия составляет 800 Bq/кг. (Рисунок 7)
Рис. 7. Распространение 40К в почве зольного хранилища электростанции
Содержание Тория в участке с золой угля шахты Багануур составляет 7.3 г/т, а в участках с золами шахт Налайх и Багануур составляет 4,1–5,8 г/т. Одна из точек, на которую необходимо обратить внимание, является подъездный путь к первому участку зольного хранилища и автостоянка для тяжелых машин и механизмов. На этом участке содержание Тория в почве составляет 7.2 г/т, что объясняется тем, что в нефтепродуктах также содержится Тория. (Рисунок 8)
Рис. 8. Распространение Тория в почве зольного хранилища электростанции
По показателям распространения урана в участке зольного хранилища, использованном в настоящий момент, и во 2-ом участке, в котором хранятся золы углей шахт Налайх и Шарын гол, отмечены точки, содержание урана которых достигло до 7.0 г/т. Также во 2-ом участке, в котором хранятся золы углей шахт Налайх и Шарын гол, имеются точки, содержание урана которых составляет 9.6–11.1 г/т. В почвенном покрове участка с золой угля шахты Багануур, который используется с 1991 г., отмечено урановое проявление в количестве 2.6–3 г/т. (Рисунок 9)
Рис. 9. Распространение урана в почве зольного хранилища электростанции
Из показателей распространения изотопов 226Ra и 232Th, являющие продуктами распада урана, видно, что содержание 226Ra составляет 117–135 Bq/кг в участке зольного хранилища, использованном в настоящий момент, и во 2-м участке с золами углей шахт Шарын гол и Налайх. В 1-м и 4-м участках содержание этих изотопов составляет 22–37 Bq/кг и отмечены точки с малым колебанием (рисунок 10). На счёт изотопа 232Th, распространение этого изотопа ровное по всей площади зольного хранилища и среднее значение содержания этого изотопа колеблется в пределах от 20 до 29 Bq/кг. В окрестностях автостоянки для тяжелых машин и механизмов на краю площади отмечено содержание 29 Bq/кг. (Рисунок 11)
Рис. 10. Распространение 226Ra в почве зольного хранилища электростанции
Рис. 11. Распространение 232Th в почве зольного хранилища электростанции
Таким образом, тематический рисунок распространения изотопов показывает, что содержание изотопов 226Ra и 232Th, являющих продуктами распада урана, в участке с золами углей шахт Налайх и Шарын гол привлекает на себе внимание, а на счёт распространения калия и радиоактивных элементов, в 3-й и 4-й точках с золой угля шахты Багануур отмечено значительное высокое содержание.
- Заключение
Радиоактивные элементы:
На участках зольного хранилища тепловой электростанции ТЭЦ III произведены измерения радиоактивных элементов, таких как Калия, Урана, Тория. В зольном хранилище электростанции содержания радиоактивных элементов соответственно составляют: уран 2.2–11.1 г/т, торий 3,3–14.4 г/т и калий 2.0–3.4 %. На счёт площадного распространения, в участках с золами углей шахт Шарын гол и Налайх низкое значение содержания радиоактивных элементов, а в участке с золой угля шахты Багануур высокое значение содержания радиоактивных элементов.
Радиоактивные изотопы:
Объясняют, что изотопы образуются при изменении атомного веса веществ и элементов путем создания разницы между количествами атомов и протонов. Для измерения выбраны изотопы 226Ra и 232Th, являющие продуктами полураспада урана. В участках зольного хранилища содержания изотопов колеблются: содержание 226Ra в пределах 27–111 Bq/кг, содержание 232Th в пределах 17–25 Bq/кг. Если рассмотреть пространственное распространение, в 1-м и 2-м участках, в которых хранятся золы углей шахт Шарын гол и Налайх имеются точки высокого содержания.
Литература:
- Алиев Р. А., Калмыков С. Н. Радиоактивность: Учебное пособие. –СПб.: Издательство “Лань”, 2013. — с.304.
- Ободовский И. М. Основы рациоционной и химической безопасности: Учебное пособие. Долгопрудный: Изательский Дом “Интеллект”, 2013.- с.304.
- Хala Иржи, Навратил Джеймс Д. Радиоактивность, ионизирующее излучение и ядерная энергетика: Пер. С англ./ Под ред. Б. Ф. Мясоедова, С. Н. Калмыкова. –М.: Издательство ЛКИ, 2013. — с.432.
- Amin.Y.M., Mayeen Uddin Khandaker., Shyen.A. K. S., Mahat.R.H., Nor.R.M., Bradley.D.A. “Radionuclide emissions from a coal-fired power plant”. Journal of Radiation and isotopes 80 2013, — с.109–116.
- Battogtokh.Z. “The measurement of to use fallout radionuclide level to assess ash distribution from thermal power plants”. PhD dissertation. UB. 2013
- Bohren C. F., Clothiaux E. Fundamentals of Atmospheric Radiation. Ah Introduction with 400Problems / C. F. Bohren, E.Clothiaux. –Berlin: Wiley-VCH, 2006.472 p
- Lu.X., Jia.X., Wang.F. “Natural radioactivity in coal and its by-product in the Baoji coal- fired power plant China”. Journal of Current Sciences.91. 2006.
