Актуальность темы
Повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха промышленных городов и населенных пунктов Иркутской области, обусловлен поступлением в атмосферу значительного количества выбросов, образующихся в результате деятельности промышленных предприятий, расположенных на данных территориях. Регион характеризуется наиболее высокой степенью индустриализации. Здесь, на относительно небольшой территории, сосредоточены мощные предприятия теплоэнергетики, химической и нефтехимической промышленности, цветной металлургии, стройиндустрии, машиностроительных, металлообрабатывающих предприятий и других производств. По многолетним данным Иркутского Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ИУГМС) Иркутск, Ангарск и Шелехов регулярно входят в приоритетный список 45 городов России с очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, а города Усолье-Сибирское и Черемхо-во входят в перечень городов с высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна. Во всех указанных городах отмечается высокая интенсивность твердофазной нагрузки. I.
Твердые частицы попадают в приземную атмосферу от природных и техногенных источников (стационарные и передвижные) и оказывают негативное влияние на здоровье населения. Кристаллические фазы аэрозолей способны нанести непоправимый ущерб здоровью человека, так как многие химические элементы, которые легко распадаются в воздухе, после соединения с кристаллическими фазами, уже надолго сохраняют свои токсичные свойства.
Изучением уровня загрязнения окружающей среды аэрозолями в разное время занимались А. С. Андреева, А. В. Аргучинцева, В. К. Аргучинцев, А.И. Бо-родулин, А. П. Бояркина, Г. А. Буряк, А. А. Виноградова, Н. Ф. Глазковский, Н. А. Кобелева, B.C. Комаров, К. Я. Кондратьев, А. П. Лисицын, В. А. Оболкин, В. Ф. Рапута, А. Н. Смагунова, А. И. Сысо, Т. В. Ходжер, В. П. Шевченко и др. Их исследования были посвящены определению динамики рассеивания аэрозолей в пространстве в зависимости от физических свойств, химического состава и метеорологической обстановки. Подробно изучены типы атмосферного аэрозоля (сульфатный, пылевой, углеводородный, городской и биогенный).
Фазовый состав аэрозолей на территории промышленных городов практически не изучался, так как существовавшие ранее методики не позволяли одновременно исследовать качественный состав и количественное содержание кристаллических фаз аэрозолей. Именно долговременное воздействие различных техногенных кристаллических фаз, находящихся в составе аэрозолей и образующихся в результате деятельности различных промышленных предприятий, является причиной многих профессиональных заболеваний. Поэтому изучение проблемы загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей представляется актуальным. Для изучения твердофазных частиц аэрозолей представляющих высокую опасность для окружающей среды, необходим был новый подход и соответствующие методы.
Работа выполнена по фундаментальной тематике «Концепция обращения с отходами на предприятиях МПС с целью рационального использования» (2001 г.) — в 2002;2003 г. г. в соответствии с планом НИОКР МПС 14.3.07. по теме: «Технология утилизации металлургических шлаков, горелой земли, отсева щебня, шлаков котельных с получением продукции». Внедрения осуществлялись по договорам, НО — НОТ 1.1. (2001 г.), С-03-ВП-01-ВС (2003 г.), заключенных между Сибирским государственным университетом путей сообщения, ИрГУПС и МПС по темам: «Внедрение технологий утилизации и переработки отходов на заводах МПС» и «Внедрение технологий по утилизации и переработке промышленных отходов на предприятиях железнодорожного транспорта».
Объектами исследований явились природно-технические системы теплоэнергетической, химической, металлургической, железнодорожной и горнодобывающей отраслей.
Предмет исследований: твердые фазы аэрозолей, образующиеся в результате деятельности различных промышленных предприятий, установленные в твердом остатке снегогеохимических проб.
Цель работы. Анализ техногенного загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей в природно-технических системах Иркутской области и разработка способов, направленных на снижение уровня твердофазной техногенной нагрузки на прилегающих территориях.
Основные задачи исследований:
1. Выявить эффективный метод изучения качественного и количественного состава твердофазных частиц аэрозолей.
2. Определить генетические типы кристаллических фаз аэрозолей, установленных в твердых остатках снегогеохимических проб.
3. Установить зависимость состава кристаллических фаз аэрозолей с деятельностью различных природно-технических систем на территории Иркутской области.
4. Выполнить зонирование изучаемой территории по составу и ицтенсив-ности аэрозольной твердофазной нагрузки на региональном и локальных уровняхсоставить карты геоэкологического зонирования.
5. Разработать экономически эффективные и экологически безопасные способы утилизации промышленных отходов, направленные на снижение техногенной твердофазной нагрузки в приземной атмосфере на территориях промышленных предприятий, прилегающих к акватории оз. Байкал.
Методы исследований. При изучении техногенного загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей применялся следующий комплекс методов: снегогеохимическое опробование снежного покровадиагностика состава кристаллических фаз аэрозолей с применением рентгеновского количественного фазового анализа на установке «ДРОН — 2» с использованием картотеки Объединенного комитета по порошковым дифракционным стандартам 1982 г. США (Inorganic. JCPDS. Swarthmore, Pennsylvania, USA,.
1982) — эмиссионный спектральный анализ на 42 элементаопределение содержаний U, Th, К и удельной активности радионуклидов 137Cs, 226Ra, 232Th и 40К на низкофоновой гамма-спектрометрической установкеэкспрессные биологические анализы по определению токсичности отходов проведены в Институте токсикологии (г. Байкальск).
Опытно-промышленные испытания по апробации предлагаемых способов утилизации отходов проводились в центральной строительной лаборатории «Стройконтроль» завода ЖБК СМТ-14 филиала ОАО «РЖД».
Научная новизна. Применен дифрактометрический анализ для изучения качественного и количественного состава твердого остатка снегогеохимиче-ских проб. Установлена зависимость состава кристаллических фаз аэрозолей с деятельностью промышленных предприятий. По результатам многолетних экспериментов выделены техногенные кристаллические фазы, являющиеся индикаторами конкретных источников загрязнения приземной атмосферы. Выполнено зонирование территорий промышленных городов Иркутской области по составу и интенсивности твердофазных частиц аэрозолей.
Практическая значимость. На Федеральном уровне исследования были предусмотрены Департаментом безопасности движения и экологии МПС Российской Федерации в Экологической программе железнодорожного транспорта на 2001;2005 г. г. в разделе 14.3.00 «Использование и обезвреживание отходов. Защита почв от загрязнения». На локальном уровне, для Ангасольского щебеночного завода, исследования проводились по хоздоговорам с ВСЖД.
В результате проведенных снегогеохимических исследований в ФГУП «Урангеологоразведка» Байкальский филиал «Сосновгеология» внедрено методическое руководство по изучению количественного и качественного состава кристаллических фаз аэрозолей с применением дифрактометрии.
При разработке мероприятий по снижению уровня твердофазной нагрузки в приземной атмосфере на территории южного побережья озера Байкал, уточнен класс опасности отходов, скопившихся в карьерах щебеночного завода, что позволяет в полном объеме использовать пылящий отсев в производстве строительных материалов, а также снизить интенсивность твердофазной нагрузки на данной территории. По результатам выполненных работ, для Анга-сольского щебеночного завода, разработаны способы переработки карьерных отходов. Суммарный экономический эффект от снижения платежей за размещение и переработки отходов может достигать до 8 млн руб. в год. Разработанные способы внедрены и переданы на предприятия, о чем свидетельствуют прилагаемые в работе Акты.
Апробация полученных результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах. Результаты исследований на различных этапах освещались на международном уровне: на экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000) — на научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (Пенза, 2000) — «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (Иркутск, 2004) — на Всероссийском уровне: на научнопрактических конференциях «Безопасность движения поездов» (Москва, 2000) — «Экологическая политика и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2002) — «Информационные технологии и модели в решении современных проблем экологии» (Тула, 2002) — на Совещании руководителей природоохранных подразделений железных дорог по обмену опытом обеспечения экологической безопасности в условиях структурной реформы" (Иркутск, 2003): на региональном уровне: на научно-практических конференциях «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (Новосибирск, 2002) — «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2000, 2001, 2002, 2003).
Личный вклад автора заключается в: отборе снегогеохимических пробисследовании состава кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности техногенной нагрузкистатистической обработке данных аналитических исследованийизучении физико-механических характеристик отходов (источников аэрозолей) — разработке способов изготовления строительных материалов из отходов и проведении испытаний полученных изделий.
Благодарности. Данная работа на протяжении всех лет выполнялась при тесном сотрудничестве с ведущими специалистами ГУФП «Сосновгеология» МПР РФ: доктором геол.-мин. наук Роговой В.П.- Киселевым В.Я.- старшим инженером рентгеноструктурного анализа Механиковым Е.В.- на Ангасольском щебеночном заводе — с директором Логуновым А. Н. и гл. инженером Макаренко Е.А.- на заводе ЖБК СМТ-14 филиала ОАО «РЖД» — с начальником лаборатории «Стройконтроль" — Козловым Г. А. и инженерамитехнологами Ратахи-ной Т.В. и Ерофеевой О. В., а также с сотрудниками строительной лаборатории ОАО «Управляющей компании ЛенаБАМстрой» Лазаренко В. Н., Стеценко Л. И. Всем товарищам, которые в разные время проведения исследований оказывали помощь и способствовали выполнению данной работы, автор выражает искреннюю признательность и благодарность.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Применение дифрактометрического анализа при исследовании твердого остатка снегогеохимических проб позволяет оценить качественный и количественный состав твердофазных частиц аэрозолей.
2. Установленные дифрактометрией техногенные кристаллические фазы в аэрозолях, обладающие фиброгенной активностью, являются объективными индикаторами оценки состояния приземной атмосферы в различных природно-технических системах (теплоэнергетических, химических, металлургических, горнорудных).
3. Разработанные способы безопасной утилизации скопившихся промышленных отходов в городах Прибайкалья позволяют минимизировать уровень техногенного воздействия твердофазных частиц аэрозолей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе решена актуальная научная и практическая задача по оценке техногенного загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей, образующихся в различных природно-технических системах (теплоэнергетического комплекса, химической, металлургической и горнорудной промышленности) и предложены превентивные мероприятия, направленные на снижение загрязнения, включающие способы безопасной утилизации непосредственных источников аэрозолей, что позволяет сделать следующие основные выводы:
1. При изучении твердого остатка снегогеохимических проб, применен дифрактометрический анализ, в основе которого лежит экспрессный рентгенографический количественный фазовый анализ. Определены и количественно оценены петрогенные и техногенные типы кристаллических фаз аэрозолей, зафиксированных в воздушных выпадениях.
2. На основании проведенных исследований твердофазной нагрузки в различных городах Иркутской области, установлена зависимость состава кристаллических фаз аэрозолей, обладающих фиброгенной активностью, с’деятельностью промышленных предприятий. Выделенные техногенные кристаллические фазы, являются индикаторами конкретных источников загрязнения приземной атмосферы.
Так было установлено, что на территориях, прилегающих к объектам теплоэнергетики, в составе кристаллических фаз аэрозолей всегда присутствует муллит, наличие остальных фаз в значительной мере зависит от вида используемого угля.
В составе снеговых проб отобранных на территориях размещения энергообъектов в г. г. Черемхово, Зима, Усть-Кут в повышенном количестве установлен техногенный муллит (Al6Si2Oi3). Особенно это характерно для г. Черемхово, где установлено самое высокое, по сравнению с другими городами Прибайкалья, содержание муллита в твердых остатках проб до 25% от общего количества установленных кристаллических фаз. В г. Усть-Куте в составе твердого остатка снеговых проб отмечено, нарушение кристаллической решетки кварца и плагиоклаза, что является следствием воздействия высоких температур при сжигании угля и указывает на техногенное происхождение установленных кристаллических фаз.
Кроме твердофазной нагрузки, образующейся в результате деятельности объектов теплоэнергетики, в данной работе был проанализирован минеральный состав энергетических шлаков, образующихся в результате сжигания углей Кан-ско-Ачинского бассейна, которые используются в ряде городов Прибайкалья. Исследования показали, что главными породообразующими минералами во всех отобранных пробах шлака являются кварц, плагиоклаз, слюда, в меньших количествах присутствуют хлорит, каолинит, карбонаты. Из техногенных минералов обнаружен муллит. Учитывая данное обстоятельство, можно с уверенностью утверждать, что наличие муллита в составе кристаллических фаз аэрозолей связано с деятельностью энергообъектов.
Для городов с наличием предприятий химической промышленности (Ангарск, Усолье-Сибирское, Саянск) характерно повышенное содержание карбонатов (кальцита и доломита) в кристаллических фазах аэрозолей. Содержание техногенного кальцита в твёрдофазных частицах аэрозоля в г. Ангарска в 2 раза, а вблизи химкомбината в г. Усолье-Сибирском в 16 раз выше фоновых значений [88, 89]. Состав твердофазной нагрузки в городах Усолье-Сибирское и Ангарск практически представлен одними и теми же кристаллическими фазами, только в разных соотношениях.
Особо следует отметить кристаллические фазы аэрозолей установленные в твердофазной нагрузке в городах Братске и Шелехове, где располагаются алюминиевые заводы ИрКАЗ и БрАЗ, которые представлены разновидностями техногенного корунда, из тонкодисперсных частиц петрогенного происхождения в небольшом количестве обнаружен кварц. На указанных территориях, в воздушных выпадениях, в преобладающем количестве отмечаются дисперсные частицы глинозема, представляющие собой различные полиморфные модификации техногенного корундаа-А1203 (корунд) — образуется в широком температурном интервале (500 -1500 °С), ?-А12Оз — представляет собой продукт превращения аАЬОз в 8 -АЬ03, которое происходит в процессе медленного охлаждения расплава А1203 при температурах 1500−1800 °С и <9-А1203. Последние две модификации не имеют аналогов в природе. В городах Прибайкалья больше нигде на зафиксировано наличие техногенного корунда в снегогеохимических пробах.
В городах и населенных пунктах, расположенных на севере Иркутской области, где нет крупных промышленных предприятий, состав техногенного загрязнения атмосферы обусловлен работой местных котельных, а также различных объектов, представляющих инфраструктуру автомобильного и железнодорожного транспорта Так, на территории г. Усть-Кута, расположенного на севере области, в твердофазной нагрузке в течение всего периода проводимых исследований, отмечается стабильно высокое содержание кварца, не только на участках прилегающих к территории локомотивного депо, но и во всех других районах города. Данное обстоятельство, скорее всего, связано с деятельностью депо, находящегося на указанной территории, так как другие объекты, способные загрязнять приземную атмосферу кварцем на указанной территории не располагаются.
Изучен состав техногенного загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами со стороны южной оконечности озера Байкал, в частности на территории поселка Ангасолка, расположенного в акватории озера. На указанной территории осуществляет свою деятельность самый крупный в Восточной Сибири щебеночной завод. Техносферное загрязнение приземной атмосферы на прилегающих к заводу территориях происходит в результате взрывных работ в карьере, а также постоянного воздействия ветровой эрозии на поверхности отвалов щебня.
Выделенные техногенные кристаллические фазы, являются индикаторами конкретных источников загрязнения приземной атмосферы: для предприятий систем теплоэнергетики — муллитдля предприятий химической промышленности — карбонатыдля металлургических систем (алюминиевые заводы) — корунд и различные его модификациидля локомотивных депо — кварц, для горнорудных природно-технических систем состав кристаллических фаз аэрозолей соответствует петрографическому составу разрабатываемых в карьерах пород.
3. Проведено зонирование территорий промышленных городов Иркутской области по составу кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности твердофазной нагрузки с выделением ореолов загрязнения. Установлено, что интенсивность техногенного загрязнения атмосферы твердофазными частицами на исследованных территориях, является высокой.
Значения интенсивности твердофазной нагрузки в зонах локального загрязнения, выделенных в небольших населенных пунктах (г. Усть-Кут, п. Ангасолка, г. Слюдянка) по своим значениям сопоставимы с максимальной нагрузкой, установленной в крупных промышленных городах Иркутской области. По итогам регионального зонирования установлено, что наиболее интенсивные загрязнения отмечаются в основных промышленных центрах региона — городах Иркутске, Ангарске, Усолья-Сибирское, Шелехове, Слюдянке и Байкальске и их окрестностях. По мере удаления от городов интенсивность загрязнения окружающих сельхозугодий и лесных массивов постепенно уменьшается. Ореолы загрязнения вокруг источников выбросов формируются в зависимости от господствующей розы ветров в зимний период.
4. Ежегодно на Ангасольском щебеночном заводе образуется до 130 тыс. тонн отсева. До проведения наших исследований отходы относились к 4 классу опасности, что ежегодно приводило предприятие к сверхнормативным платежам. Уточнение класса опасности отходов проводилось комплексно с использованием наибольшего количества доступных для этого методов (геохимических, минералогических, биологических и физико-химических).
В результате проведенных исследований отсев щебня, в соответствии с приказом Министерства природных ресурсов РФ № 511 от 15.06.2001 г. «Об утверждении Критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды» отнесен к пятому классу — практически неопасному с очень низкой степенью воздействия на окружающую природную среду, вследствие чего на 5,7 млн руб. уменьшена плата за их размещение (прил.5.4.). Кроме того, согласно ГОСТ 30 108–94 отсев щебня можно отнести к строительному материалу 1 класса, пригодного для всех видов строительства без ограничения.
5. С целью снижения интенсивности твердофазной нагрузки на территории Ангасольского щебеночного завода, расположенного на побережье озера Байкал, предложены способы безопасной утилизации и переработки карьерных отходов, заключающиеся в изготовления тротуарной плитки из подвижной бетонной смеси на виброплощадке СМЖ-539 и пустотелых стеновых блоков, методом объемного полусухого вибропрессования на механизированной высокопроизводительной линии «Рифей-5». Впервые при изучении промышленных отходов применен рентгеноструктурный фазовый количественный анализ, который одновременно оценивает качественное и количественное содержание минералов, находящихся в составе отходов, что позволяет оптимально подбирать состав композитных материалов при изготовлении строительных материалов.
Суммарная экономическая эффективность предложенных способов переработки отсева щебня в условиях Ангасольского щебеночного завода составляет около 2 млн руб. в год (прил. 5.5.). Внедрение разработанных мероприятий будет способствовать минимизации загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей.
