УДК 669.711:504
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОНИТОРИНГА КОМПОНЕНТОВ ВЫБРОСОВ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ
© Янченко Наталья Ивановна, д-р техн. наук, e-mail: fduecn@bk.ru ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет». Россия, г. Иркутск
Суходолов Александр Петрович, д-р экон. наук, проф. Байкальский государственный университет экономики и права. Россия, г. Иркутск
Слуцкий Сергей Леонидович, e-mail: serey-s174@mail.ru Иркутское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Россия, г. Иркутск
Статья поступила 04.08.2014 г.
Изучено распределение в снежном покрове фтора как одного из основных компонентов пылегазовых выбросов производства алюминия. Исследования проведены на основе данных снегохимической съемки Братского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 2000-2013 гг. и результатов анализа снежного покрова в районе г. Братска за 2008-2014 гг., осуществленных специалистами ИрГТУ. Установлено, что совершенствование ежегодного мониторинга компонентов выбросов в снежном покрове предполагает установление или учет таких закономерностей, как изменение содержания компонентов в снежном покрове от их содержания в атмосфере, температуры атмосферного воздуха в зимний период, количества атмосферных осадков и от расстояния от источника выбросов. Определение содержания элемента в фильтрате снеговой воды и в твердом осадке снежного покрова позволяет судить о форме нахождения в атмосфере соединения, включающего этот элемент. Показана целесообразность учета ежегодных фоновых концентраций для оценки динамики выбросов. Проведено сравнение содержания 64 элементов в фильтрате снеговой воды и в байкальской воде, отмечено восьмикратное и более превышение концентраций в снежном покрове алюминия, таллия, марганца, галлия на расстоянии от завода 27 км, но предельно допустимые концентрации этих элементов, установленные для питьевой воды, не превышены (предельно допустимая концентрация для галлия не установлена).
Ключевые слова: первичный алюминий; фтор; снежный покров; атмосферные осадки; мониторинг.
Загрязнение окружающей среды соединениями фтора, одного из основных компонентов пылегазовых выбросов производства алюминия, - одна из важных проблем, обусловленная его негативным влиянием на человека [1], животных, растительность, в том числе и хвойные леса. С фтором в окружающей среде связаны две экологические проблемы: обеспечение оптимальной потребности организма человека в этом элементе и защита населения и персонала, работающего на предприятиях, от вредного влияния фтора и его соединений [1].
В Байкальском регионе расположен один из крупнейших в мире алюминиевых заводов - Братский. В регионе также находится Иркутский алюминиевый завод, идет строительство Тайшетского и Богучанского алюминиевых заводов. В последние десятилетия в мире прослеживается устойчивая тенденция отказа большинства развитых стран от размещения на своей территории производств
первичного алюминия, а также закрытия старых заводов, работающих по устаревшей технологии Содерберга, что связано с проблемами энергетического (высокие удельные затраты электроэнергии на единицу продукции, высокая стоимость электроэнергии) и экологического характера. Промышленные выбросы в Братске обусловлены производством первичного алюминия (БрАЗ), ферросплавов (БЗФ), целлюлозы на лесопромышленном комплексе (БЛПК), предприятиями теплоэнергетики и автотранспортом.
Известно, что эффективность природоохранных мероприятий определяется прежде всего состоянием экосистем, в частности по параметрам распределения компонентов выбросов в снежном покрове.
В качестве объектов исследования выбраны технология получения первичного алюминия и снежный покров в районе промышленных и жилых территорий Братска.
Была выполнена интерпретация данных снегохимиче-ской съемки Братского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (БЦГМС). В 2008, 2010, 2013, 2014 г. по методике Росгидромета [2] специалистами ИрГТУ выполнены отбор и полный химический анализ снежного покрова во многих точках (30-70) в районе Братска.
Расчет поступления техногенного фтора на БрАЗе и Ирк-АЗе показал, что при удельном расходе порядка 25 кг Б/т А1 [3] в период с 1966 по 2013 г. на 5 заводы поступило примерно ^ 1,25 млн т фтора для получения й
около 13 800 тыс. т алюминия ^
>
на ИркАЗе и примерно 36 000 Ц тыс. т алюминия на БрАЗе. По |
данным ежегодника [4], в 2006 г. в атмосферный воздух Братска поступило 1,465 тыс. т ИБ и 1,859 тыс. т твердых плохо растворимых фторидов. С учетом расхода 25 кг Б/т А1 [3] и выпуском около 970 тыс. т алюминия «приход» фтора на завод составил 24,250 тыс. т. Таким образом, в атмосферу города поступило примерно 13,7% фтора от «прихода» фтора в производство алюминия. Учитывая, что фтор не содержится в первичном алюминии, а вывозится с заводов только в небольшом количестве в составе вторичного криолита или демонтированной футеровки, можно предположить, что в 2014 г. примерно 1 млн т фтора находилось на шламовых полях, в местах локализации предприятий, в объектах окружающей среды Байкальского региона и незначительная часть переносится дальше.
Зависимость содержания водорастворимого фтора в снежном покрове от мощности выпуска алюминия. Загрязнение снежного покрова происходит в два этапа: во-первых, влажное выпадение загрязняющих веществ со снегом (загрязнение снежинок при их образовании в облаке и выпадении на местность); во-вторых, загрязнение уже выпавшего снега в результате выпадения сухих загрязняющих веществ из атмосферы, а также их поступления из подстилающих почв и горных пород [5]. Установлено, что снежный покров отража-
1,00 0,95 0,90 0,85 0,80
2 4 6
Порядковый номер года
0 2 4 6
Порядковый номер года
>8
Н СР
О
СР
си
К
Рис. 1. Динамика выпуска алюминия (1) и интенсивности нагрузки по содержанию водорастворимого (а) и нерастворимого (б) фтора (2) в снежном покрове на расстоянии N км от БрАЗа
ет деятельность предприятия [6]: так, увеличение выпуска алюминия в течение шести лет сопровождается увеличением интенсивности нагрузки по содержанию водорастворимого (рис. 1, а) и нерастворимого фтора (рис. 1, б) в твердом осадке снега, по данным, полученным в ближней зоне на расстоянии N км от БрАЗа.
Корреляция между содержанием фтористого водорода в атмосфере и содержанием водорастворимого фтора в снежном покрове. Интерпретация многолетних наблюдений БЦГМС показывает, что содержание водорастворимых фторидов в фильтрате снежного покрова коррелирует с содержанием ИБ в атмосферном воздухе. Об этом свидетельствует невысокий, но устойчивый коэффициент парной корреляции между содержанием ИБ в атмосферном воздухе и интенсивностью нагрузки по содержанию фтора в снежном покрове R = 0,57 на расстоянии N км от БрАЗа (рис. 2).
Содержание водорастворимого фтора в снежном покрове зависит от температуры атмосферного воздуха. В 2002 г. содержание водорастворимого фтора в снежном покрове составило 3 мг/л, что меньше, чем в 2001 г. (6 мг/л), несмотря на то что концентрация ИБ в воздухе снизилась незначительно. Возможно, это объясняется влиянием температуры атмосферного воздуха. Средняя температура с октября 2000 г. по конец февраля 2001 г. была -19,8 °С, с октября 2001 г. по конец февраля 2002 г. —9,66 °С, т.е. средняя температура в период устойчивого снежного покрова в 2001/2002 г. была выше, чем в период устойчивого снежного покрова в 2000/2001 г. примерно на 10 °С. Возможно, что повышение температуры способствовало меньшему содержанию водорастворимого фтора в снежном покрове, так как
200
3 100
♦ кг/км2'мес. ------- ИБ, мг/м3
? \ К =0,57 / Ц
-- 0,011
-- 0,006
К
0,001
1999
2004 2009
Годы
2014
Рис. 2. Корреляция между интенсивностью нагрузки по содержанию фтора в снежном покрове и содержанием ИБ в атмосферном воздухе Братска (по данным 2000-2014 гг.)
а
0
б
5
4
3
2
1
0
а
6
25 -|-
Год № 1
20 -
-5 15 " у = 22,338е-0,1737"
® \ К2 = 0,8597
^ 10 - N.
—____
0 -I-1-1-1-
0 5 10 15 20
Расстояние от БрАЗа, км
20 15 3 10 -5 0
0 5 10 15 20
Расстояние от БрАЗа, км
Год № 1
\ ♦
у = 22,338е-0,1737"
К2 = 0,8597
_____
а
6
Рис. 3. Содержание фтора в фильтрате снежного покрова в зависимости от средней температуры атмосферного воздуха на удалении от БрАЗа в точках № 1 (а), № 3 (6)
Рис. 4. Зависимость содержания водорастворимого фтора в фильтрате снежного покрова от расстояния от БрАЗа в разные годы
уменьшилась растворимость фтористого водорода в микрокаплях влаги в подоблачном слое, в жидкости межкристаллического пространства снежного покрова [6]. Это влияние подтверждается интерпретацией данных наблюдений БЦГМС в 2000-2014 гг. в двух точках отбора проб снежного покрова (№ 1, 3), расположенных на разном удалении от БрАЗа в северо-восточном направлении (рис. 3). Это позволяет установить тенденцию увеличения содержания водорастворимого фтора в снежном покрове при снижении температуры атмосферного воздуха в период устойчивого снежного покрова (см. рис. 3).
Зависимость содержания водорастворимого фтора в снежном покрове от расстояния от БрАЗа. В результате исследований снежного покрова в условных годах № 1 и № 2 установлена зависимость уменьшения содержания фтора в фильтрате снежного покрова от расстояния от БрАЗа (рис. 4). Показано, что при расстоянии х = 0 км от БрАЗа в году № 2 наблюдалось снижение содержания фтора в снежном покрове на 2,25 мг/л, что составляет (20,091 - 22,338)/22,338 х 100% = 10,06%. Средняя температура атмосферного воздуха в период устойчивого снежного покрова в годах № 1
и № 2 примерно одинакова, количество осадков примерно то же - 75,6 и 71,0 мм. Следовательно, снижение содержания водорастворимого фтора может быть обусловлено снижением выбросов газообразных фторидов на БрАЗе.
Известно, что ПДК фтора в питьевой воде ограничено его содержанием в пределах 0,71,5 мг/л (в зависимости от климатического района РФ) [7]. Сравнение показало, что содержание фтора в природной ангарской воде - менее 0,2 мг/л [8] и в снежном покрове на расстоянии более 15 км от БрАЗа меньше, чем ПДК
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.