Мониторинг и снижение негативного воздействия градообразующего горно-металлургического предприятия в селитебной зоне

Асянина, Виктория Юрьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Мониторинг и снижение негативного воздействия градообразующего горно-металлургического предприятия в селитебной зоне
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Мониторинг и снижение негативного воздействия градообразующего горно-металлургического предприятия в селитебной зоне"

На правах рукописи

АСЯНИНА Виктория Юрьевна

МОНИТОРИНГ И СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГРАДООБРАЗУЮЩЕГО ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ В СЕЛИТЕБНОЙ ЗОНЕ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ИЮН ¿013

Санкт-Петербург - 2013

005062036

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университете «Горный».

Научный руководитель —

кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Мовчан Игорь Борисович

Официальные оппоненты:

Марченко Алексей Григорьевич доктор геолого-минералогических наук, профессор, ЗАО «Теллур СПб», заместитель генерального директора

Михайлова Надежда Викторовна кандидат технических наук, НПК «Механобр-техника», главный технолог

Ведущая организация - Филиал ФГУГП «УРАНГЕО» Российский геоэкологический центр

Защита состоится 3 июля 2013 г. в 14ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 31 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ^р СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В зоне воздействия горнометаллургических предприятий одним из основных источников загрязнения природной среды являются выбросы в атмосферу. Так, в 2012 г. в Ленинградской области от стационарных источников загрязнения в атмосферный воздух поступило свыше 200 тыс. тонн загрязняющих веществ. Вопрос воздействия предприятий горнометаллургического комплекса (ГМК) на компоненты окружающей среды особенно актуален в последние 10 лет, что обусловлено расширением жилого строительства в окрестности заводов и повышением требований к качеству компонентов окружающей среды.

На долю горно-металлургических предприятий приходится 35% выбросов в атмосферу и 17% сбросов загрязненных сточных вод. Результатом техногенного воздействия на компоненты окружающей среды являются повышенные содержания соединений цветных и черных металлов в приземных слоях атмосферы и почвах селитебной зоны на расстоянии десятков километров.

Загрязнение атмосферного воздуха соединениями металлов и их аккумуляция в компонентах ландшафта оказывает негативное воздействие на здоровье населения, проживающего в непосредственной близости от предприятий ГМК, многие из которых имеют статус градообразующих, что определяет необходимость разработки оптимальной системы экологического мониторинга селитебных территорий и методов снижения существующего воздействия на компоненты окружающей среды в окрестностях предприятий ГМК.

Проблемы разработки систем экологического мониторинга нашли отражение в научных публикациях и научно-исследовательских отчетах в России и за рубежом (Абросимова

A.A., Афанасьева Ю.А., Израэля Ю.А., Зеркалова Д.В., Меньшикова

B.C., Седых А.Д., Сафронова B.C., Фомина C.B., Фергюсона У., Хима Г.).

На фоне относительной изученности воздействия объектов ГМК, существующие системы экологического мониторинга отличаются малой периодичностью измерений и оперируют

простейшей критериальной основой для обработки эмпирических данных. Это определяет низкую достоверность получаемых данных, особенно на селитебных территориях, и отсутствие соответствующих природоохранных мероприятий.

Цель работы - снижение техногенной нагрузки на атмосферный воздух и почвенно-растительные покровы в зоне воздействия градообразующего горно-металлургического предприятия.

Идея работы: выбор рациональных мероприятий, направленных на снижение техногенной нагрузки в зоне воздействия горно-металлургического предприятия должен проводиться на основе данных мультипараметрового мониторинга состояния окружающей среды и показателей здоровья населения ранжированием п-мерной экспериментальной выборки на базе ГИС-технологии.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• выполнение натурных инструментальных измерений, ориентированных на локализацию областей выраженной аккумуляции в почво-грунтах соединений черных металлов и проведение долговременных периодических наблюдений за динамикой загрязнений приземного слоя атмосферы в рамках деятельности городской системы мониторинга в зоне ответственности горно-металлургического предприятия;

• обобщение экспериментальных материалов с применением ГИС-технологии, классификация и сокращение размерности признакового пространства, выполнение тренд-анализа с построением временных и пространственных аналитических зависимостей концентрации загрязняющих веществ;

• систематизирование материалов по заболеваемости населения, проживающего в непосредственной близости к санитарно-защитной зоне горно-металлургического предприятия с пространственной локализацией аномалий;

• разработка рекомендаций по совершенствованию организационной структуры экологического мониторинга для своевременного определения и решения проблем, связанных с

функционированием предприятия ГМК, и обоснование основных стадий рациональной технологии очистки почвогрунтов с выбором реагента и минимизацией геохимических аномалий.

Методы исследований. В качестве основных методов исследования применялись:

• системный анализ источников и факторов техногенного воздействия производственных объектов на природную среду;

• аналитические и экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях;

• системный анализ многолетних статистических данных об аварийных ситуациях и отказах технологического оборудования;

• методы математической статистики, аналогового и численного моделирования и районирования.

Научная новизна работы:

1. Выявлены геохимические аномалии в селитебной зоне горно-металлургической промагромерации по Сг и Мп, контрастностью до 4 относительно фона, определяющие всплекс общей заболеваемости детской части населения на основе количественного анализа содержания загрязняющих веществ в почво-грунтах, снежном покрове и приземном слое атмосферы с применением ГИС-технологий.

2. Теоретически обоснована система экологического мониторинга горно-металлургической промагломерации, базирующаяся на регулярном отборе проб атмосферного воздуха, а также на комплексировании с пробоотбором и количественным анализом почво-грунтов и снежного покрова в совокупности с материалами медицинской статистики.

Основные защищаемые положения:

1. Производственная деятельность ферросплавного предприятия, сопровождающаяся аэрогенными выбросами черных металлов, определяет аккумуляцию их соединений в почво-грунтах и формирование соответствующих литохимических аномалий общей площадью 420 га на расстоянии 2-3 км от исследуемого промышленного объекта, маркируемыми значимыми изменениями статистических показателей общей заболеваемости детского населения.

2. Техногенные геохимические аномалии по хрому и марганцу являются следствиями старых нагрузок и суточными превышениями ПДК в приземном слое атмосферы, что определяет необходимость развития системы городского экологического мониторинга путем изменения конфигурации сети пикетов и частоты отбора проб приземного воздуха, их комплексирования с пробоотбором и количественным анализом почво-грунтов и снежного покрова, материалами медицинской статистики.

3. Локализация на основе мониторинговых исследований и ГИС-технологий геохимических аномалий в почвах селитебной зоны горно-металлургической промагломерации вызывает необходимость планирования рекультивации загрязненных территорий в зависимости от вида землепользования: внесение сорбентов для сельскохозяйственных угодий; замена загрязненного грунта на привозной для прочих жилых кварталов.

Практическая значимость работы:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в окрестностях предприятия горнометаллургической отрасли ЗАО «ТФЗ», официально анонсируемого как экологически чистого;

• разработаны рекомендации по модернизации системы экологического мониторинга на основе комплексирования геохимических методов мониторинга и применения системной интерпретации данных;

• разработано прироодоохранное мероприятие, включающее в себя рекультивацию земель, загрязненных тяжелыми металлами, что позволяет снизить негативное воздействия предприятия ГМК на компоненты окружающей среды.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается значительным объёмом фактического материала, использованием апробированных методов математического анализа и современного программного обеспечения. Приведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты согласуются с данными, опубликованными другими авторами.

Апробация работы. Основные и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных, научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на Международном симпозиуме им. академика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2011 г.), на Международной научной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010 г.), на Молодежной научной школе-конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР К.О.Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (г. Петрозаводск, 2012 г.), на 4-м Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и инновации в технических университетах" (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), «Scientific reports on resource issues 2012» (Германия, г. Фрайберг, 2012 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, в проведении основной части комплекса исследований, в обосновании методики оценки негативного воздействия опасных объектов ГМК на компоненты природной среды и здоровье населения; в разработке рекомендаций по усовершенствованию системы экологического мониторинга и внедрению рекультивационных мероприятий.

Реализация работы:

• разработанные технические предложения по организации системы экологического мониторинга предложены для использования постоянной комиссии по экологии и природопользованию Ленинградской области Законодательного собрания Ленинградской области;

• научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горногеологического профиля в Горном Университете при проведении занятий по дисциплине «Основы экологии и природопользования», «Горное дело и окружающая среда», «Экология».

Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 156 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 97 наименований.

Исследования проводились в ЦКП Горного университета.

Автор благодарен доц. Мовчану И.Б. за научное руководство работой, проф. Пашкевич М.А. и коллективу кафедры геоэкологии Горного университета за научные консультации при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены основные проблемы, возникающие при разработке систем экологического мониторинга, и показана необходимость совершенствования существующих систем экологического мониторинга с целью контроля деятельности предприятий горно-металлургического комплекса.

Во второй главе даны характеристики предприятия ГМК и селитебной территории в окрестностях исследуемого объекта, а также оценка состояние компонентов окружающей среды.

Третья глава посвящена описанию экспериментальных исследований воздействия предприятия ГМК на природную среду и здоровье населения, анализу полученных результатов и разработке системы экологического мониторинга.

В четвертой главе проведен анализ возможных способов рекультивации почв, загрязненных металлами и выбран наиболее рациональный метод для уменьшения негативного воздействия предприятия ГМК на почвенные покровы селитебной территории г. Тихвина.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

расстоянии 2-3 км от исследуемого промышленного объекта, маркируемыми значимыми изменениями статистических показателей общей заболеваемости детского населения.

Производственные объекты ГМК необходимо рассматривать, как источники комплексного воздействия на окружающую среду, последствия которого способны проявляться на значительном удалении от источников.

Присутствие в промышленных выбросах соединений металлов служит причиной возникновения загрязнения компонентов природной среды и формирования геохимических ореолов.

Для оценки техногеннного воздействия объекта ГМК, расположенного в 2 км от границы жилой застройки, на почвенные покровы селитебной территории был проведен отбор почв в соответствии с ГОСТом 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб» в редакции от 2004 г. Сеть пробоотбора покрывает 85% территории города, включая наиболее заселенные зоны, земли сельскохозяйственного назначения и промышленные площадки.

Полученные с использованием методов спектроскопии значения концентраций загрязняющих веществ в почвах были обработаны с использованием факторного анализа, что позволило выявить группу поллютантов, имеющих сходные характеристики распространения - Ре, Мп и Сг.

Концентрации загрязняющих веществ в почвах селитебной территории представлены на рисунках 1-3, которые наглядно демонстрируют пространственное распределение Ре, Мп и Сг, что позволяет определить области с повышенным содержанием поллютантов, характерных для исследуемого объекта ГМК.

При оценке содержания металлов были найдены закономерности, характеризующие аккумуляцию загрязняющих веществ в почвах в окрестностях предприятий ГМК. На всей изучаемой территории выявлено превышение ПДК загрязняющих веществ в почвах. Области с максимальным содержанием расположены на границе промышленной площадки в непосредственной близости от производственного объекта ГМК. Также повышенные значения концентрации хрома отмечены в

наиболее густо заселенной части г. Тихвина, а также в северной части города, где проводилась отсыпка дорог щебнем и песком из шлака высокоуглеродистого феррохрома.

Загрязнение окружающей среды, в первую очередь атмосферного воздуха, служит важным фактором в формировании здоровья населения, оказывая влияние на уровень заболеваемости.

На рисунке 4 представлены систематизированные данные медицинской статистики, описывающие динамику неинфекционной заболеваемости детской части населения г. Тихвина.

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

—♦— новообразования

болезни системы кровообращения болезни органов дыхания (тыс.)

Рисунок 4 - Динамика заболеваемости детской части населения г. Тихвина в

2005-2011 гг.

Наиболее чувствительными к воздействию неблагоприятных экологических факторов, являются дети, состояние здоровья которых рассматривается как индикатор качества среды обитания. При интерпретации данных медицинской статистики был выделен рост специфических болезней, характерных для функционирования предприятий ГМК. Период начала роста заболеваемости был зарегистрирован одновременно с началом производственной деятельности промышленного объекта.

Территориальное распределение областей с повышенным уровнем общей заболеваемости совпадает с максимумами

Рисунок 1 — Пространственное распределение железа в почвах, мг/кг

г. С С:_::_

22000

-ЯГ . ..

.-.г

14000

1С,. С:

8 и. С

ТФЗ

ьдао

-г :с

Рисунок 2

— Пространственное распределение хрома в почвах, мг/кг

2400 2250 2100

1500

1350к

Рисунок 3 - Пространственное распределение марганца в почвах, мг/кг

Рисунок 5

0,001 0.00095 0,0009 0,00085 0,0008 0,00075 0,0007 0,00065 0,0006 0,00055 0,0005 0,00045 0,0004 0,00035

- Моделирование рассеивания хрома до модернизации газоочистки

Рисунок 7 - Пространственное распределение марганца в атмосферном воздухе мг/м3

Рисунок 6 -

0.00035

и ::!Ло

С.ССС75

С ССС"

0.00065

С. С С С 6

0,00055

0.0005

С.ССС45

с.ссс-

Моделирование рассеивания хрома после модернизации газоочистки

Рисунок 8 - Пространственное распределение хрома в атмосферном воздухе, мг/м3

геохимических ореолов распространения соединений черных металлов в почвах селитебной зоны.

Можно утверждать, что, несмотря на отсутствие превышения ПДК загрязняющих веществ в существующих выбросах горно-металлургического предприятия, существует негативное антропогенное воздействие на компоненты природной среды, выражающееся в образовании геохимических ореолов загрязнения и в воздействии на здоровье населения.

Исследуемое предприятие ГМК функционирует с 2007 г., когда состоялся запуск первой из четырех печей. В 2009 г. система газоочистки была модернизирована с использованием рукавных фильтров, что позволило снизить концентрации загрязняющих веществ в выбросах.

Распределение приземных концентраций хрома при существующей системе очистки промышленных выбросов, полученное путем моделирования с использованием программы УПРЗА Эколог, демонстрирует максимальное содержание хрома 0,8-0,9 ПДК на расстоянии 2500 метров от источников загрязнения, что соответствует расположению селитебной территории города Тихвин (рисунок 5,6). До совершенствования газоочистного оборудования на исследуемом предприятии в районе населенной части г. Тихвина приземная концентрация хрома превышала нормативные значения и составляла 1,15 ПДК.

Результаты моделирования позволяют сделать вывод, что высокое содержание соединений металлов в почвах в окрестностях предприятия ГМК связано с образованием старых нагрузок, которые

появились в период с запуска плавильных работ до внедрения более совершенного газоочистного оборудования.

Аналитическая обработка данных многолетних наблюдений городской системы экологического мониторинга за состоянием атмосферного воздуха выполнялась в программном комплексе 8|^ег-8.0. с целью описания пространственного распределения соединений Сг и Мп (рисунок 7,8).

При сравнении фактических значений распределения приземных концентраций хрома с результатами моделирования с использованием методики ОНД-86 было выявлено, что области с максимальным содержанием хрома (0,8-0,84 ПДК) расположены в селитебной территории города Тихвина с наиболее высокой плотностью населения.

Для получения достоверной информации о воздействии предприятия ГМК на атмосферный воздух был проведен анализ суточного изменения приземных концентраций хрома и марганца, который выявил увеличение содержания исследуемых металлов в промышленных выбросах в ночные часы с последующим снижением до предельно допустимых концентраций(рисунок 9).

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 ♦ концентрация хрома в атмосферном воздухе, мг/мЗ —ГЩКхромав атмосферном воздухе

——Полиномиальный (концентрация хрома в атмосферном воздухе, мг/мЗ)

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 ♦ концентрация марганца в атмосферном воздухе, мг/мЗ " ГЗДК марганца в атмосферном воздухе -Полиномиальный (концентрация марганца в атмосферном воздухе, мг/мЗ)

Рисунок 9 - Суточная динамика содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе селитебной зоны а) хром, б) марганец

Особенность существующей системы городского экологического мониторинга заключается в том, что измерения на маршрутных постах проводятся с использованием единственной передвижной лаборатории в дневные часы. Это исключает единовременное измерение содержания загрязняющих веществ, которое служит необходимым условием для объективного контроля концентраций поллютантов. Анализ задачи показывает, что либо этот контроль должен быть непрерывным и ориентироваться на специфику рабочего графика предприятия и возможности аварийных выбросов, либо выполняться единовременно по системе разбросанных по площади пикетов.

Система городского экологического мониторинга нуждается в усовершенствовании методики проведения контроля, так как не предусматривает оценку скрытого воздействия деятельности горнометаллургического предприятия на состояние природной среды и здоровье населения селитебной зоны.

Модернизация системы экологического мониторинга должна включать в себя следующие мероприятия:

- проведение отбора проб атмосферного воздуха на маршрутных постах ежедневно и в ночные часы с целью

постоянного контроля за качественным и количественным составом аэрогенных выбросов вследствие возможных промышленных выбросов с повышенным содержанием загрязняющих веществ;

- отбор проб почв с периодичностью один раз в год для отслеживания скрытого воздействия промышленного объекта в виде формирования геохимических ореолов загрязнения черными металлами. Сеть пробоотбора должна охватывать территорию вблизи производственных предприятий и селитебную территорию города с шагом не менее 500 м. Отбор проб должен проводиться в соответствии с ГОСТом 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб» с последующим исследованием содержания тяжелых металлов методами спектроскопии;

- проведение отбора проб снега с последующим анализом концентраций загрязняющих веществ с целью контроля содержания поллютантов в промышленных выбросах;

- дополнение списка контролируемых загрязняющих веществ железом, которое является основным поллютантом для предприятий ГМК;

- анализ данных медицинской статистики с целью контроля роста заболеваемости населения селитебной зоны, как последствия аккумуляции тяжелых металлов в окрестностях производственного объекта ГМК;

- интерпретацию полученных результатов городского экологического мониторинга как последствий единого комплексного воздействия исследуемого горно-металлургического объекта на природную среду;

- использование дистанционных методов экологического мониторинга для проведения опережающих оценок состояния компонентов окружающей среды.

сельскохозяйственных угодий; замена загрязненного грунта на привозной для прочих жилых кварталов.

Аккумуляция загрязняющих веществ в самом приповерхностном горизонте почвы является характерной особенностью техногенного загрязнения. Это обусловлено осаждением нерастворимых пылевых частиц на поверхности и связыванием поллютантов с органическими веществами и тонкодисперсными частицами почвы.

В пределах населенных пунктов основная опасность для здоровья человека состоит в увеличении концентрации металлов в верхнем слое почвы и в составе вдыхаемой пыли. В связи с этим целесообразны мероприятия по выведению избыточных концентраций загрязняющих веществ за пределы почвенного профиля и сохранению растительного покрова, предохраняющего почву от распыления.

В целях анализа долговременных процессов эмиссии, переноса, накопления и трансформации загрязняющих веществ из приземного слоя атмосферы на исследуемой территории силами «Российского геоэкологического центра» проводилась оценка содержания химических элементов в почве селитебной территории г. Тихвина. Всего в ходе исследования было отобрано 170 проб почвы на территории площадью около 735 га.

Для оценки загрязнения почв соединениями хрома и марганца использовался суммарный химический показатель Хс, который рассчитывается как сумма коэффициентов концентраций загрязняющих веществ

гс=£кС1-(п-1), (1)

1=1

где п - число определяемых элементов; КС1 - коэффициент концентрации ¡-го загрязняющего вещества.

Для селитебных территорий Кс, определяется по формуле

КЫ=С(/СГ„ (2)

где С; - концентрация ьго загрязняющего вещества, мг/кг; С г, -фоновое содержание 1-го вещества, мг/кг.

Для 15 металлов 1-3 классов опасности (таблица 1) селитебных территорий равен 29,75, что соответствует средне загрязненной категории почв. Наибольший вклад вносят хром и марганец, коэффициенты концентрации которых для среднего содержания на территории г. Тихвин составляют 3,54 и 4,00 соответственно, что определяет необходимость удаления соединений марганца и хрома из почв.

Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в почвах г. Тихвина в мг/кг

Элемент Фоновое Минимальное Максимальное Среднее

значение значение значение значение

Hg 0,03 0,01 2,10 0,10

Pb 19,11 5,20 356,00 32,81

As 2,62 1,50 11,00 1,85

Cd 0,17 0,02 1,00 0,12

Zn 43,10 30,00 4000,00 215,88

Ni 15,3 7,00 200,00 19,29

Со 4,1 2,50 30,00 4,19

Cr 12,5 10,00 1500,00 44,29

Mo 1,08 0,50 4,00 1,22

Cu 18,00 10,00 500,00 32,24

Sb 0,15 0,15 1,82 0,36

Mn 117,70 200,00 3000,00 472,94

V 16,20 10,00 70,00 24,29

Sr 111,00 100,00 400,00 109,41

Ba 202,00 100,00 400,00 135,29

Почвы в окрестностях исследуемого предприятия ГМК относятся к подзолистому типу с высокой кислотностью (рН=3-4) и содержанием хрома и марганца, превышающим предельно допустимые концентрации. При кислой реакции почвы увеличивается подвижность марганца, что приводит к повышенной миграции по почвенному профилю. Более высокую устойчивость почв к загрязнению обуславливают те свойства почв, которые способствуют прочному закреплению загрязняющих веществ. При повышении рН почв марганец переходит в нерастворимые формы, что снижает его миграционную способность и делает возможным

удаление загрязняющего вещества из почв. Хром в кислой среде инертен, а при рН 5,5 почти полностью выпадает в осадок, поэтому его соединения в почвах считаются весьма стабильными.

Анализ содержания тяжелых металлов в почвенном профиле селитебной зоны (рисунок 10) выявил, что основное загрязнение приходится на верхние 5 см. почвы.

С сг, мг/кг

С тп, мг/кг

Рисунок 10 - Распределение загрязняющих веществ по почвенному разрезу

а) хром, б) марганец.

При выборе рекультивационных мер, направленных на снижение содержания хрома и марганца в почвах, необходимо учитывать их противоположную реакцию на изменение уровня кислотности почв. Оптимальным будет рН 5.5, при котором соединения хрома станут стабильными, а миграционная способность

марганца уменьшится, что позволит удалить поллютанты из загрязненных почв.

Рекультивационные мероприятия, рекомендуемые для земель сельскохозяйственного назначения, включают в себя известкование, внесение минеральных и органических удобрений, искусственных и природных сорбентов, применяемые как по отдельности, так и в комплексе. Для снижения подвижности металлов в кислой дерново-подзолистой, песчаной и супесчаной почвах достаточно дозы извести 5 т/га. Вследствие высоких экономических затрат на искусственные сорбенты, оптимальным вариантом рекультивации является внесение природных адсорбентов, к которым относятся торф, мох, черноземные почвы, бентонитовые глины и глауконитовые пески.

Для снижения антропогенной нагрузки исследуемого предприятия ГМК на окружающую среду были выбраны такие природные адсорбенты, как торф и мох, которые широко распространены на территории Тихвинского района, что снижает затраты на их транспортировку и добычу. Уменьшение количества подвижных соединений при внесении сорбента фактически ослабляет перераспределение общего содержания металлов по почвенному профилю под действием нисходящих токов влаги и приводит к избыточной аккумуляции металлов в самом верхнем слое, что делает возможным удаление загрязняющих веществ из приповерхностного почвенного горизонта.

Для земель, не используемых в сельскохозяйственных целях, в пределах населенных пунктов рекультивация включает в себя снятие верхнего загрязненного почвенного слоя (5-7 см) и отсыпку привозной землей, создание и сохранение зеленых зон. Фиторекультивация заключается в снижении содержания загрязняющих веществ с помощью растений, которые способны накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах, выводя поллютанты из почвенных покровов.

Разработанные средозащитные мероприятия позволяют снизить содержание соединений Сг и Мп в приповерхностных почвенных покровах в пределах заселенной территории г. Тихвина, что уменьшает существующее негативное воздействие предприятия

ГМК на состояние компонентов окружающей среды и влияние его на уровень заболеваемости населения селитебной зоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной научно-производственной задачи разработки системы экологического мониторинга селитебной зоны в окрестностях предприятий ГМК.

Основные научные и практические выводы:

1. Проведена оценка состояния компонентов природной среды, испытывающих воздействие антропогенной нагрузки в окрестностях предприятий ГМК и выполнен сравнительный анализ пространственного распределения содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и результатов численного моделирования процессов рассеивания загрязняющих веществ.

2. Разработана методика исследования формирования ореолов загрязнения в районе расположения производственных объектов ГМК с целью выявления факторов антропогенного влияния на окружающую среду и определения их уровня воздействия, а также установлены закономерности формирования геохимических ореолов и потоков загрязнения с применением методов численного моделирования.

3. Установлена связь между пространственным распределением содержания тяжелых металлов, характерных для промышленной деятельности объектов ГМК, в почвах и в атмосферном воздухе и проведен анализ изменения уровня общей заболеваемости детской части населения селитебной зоны в окрестностях предприятий ГМК, а также создан картографический проект, подтверждающий связь между пространственным распределением тяжелых металлов в почвах и областями с повышенным риском проявления антропогенного воздействия на состояние здоровья населения.

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию системы экологического мониторинга селитебной зоны с целью повышения уровня экологической безопасности функционирования

предприятия ГМК и методика рекультивации загрязненных почв, позволяющая снизить содержание тяжелых металлов ниже предельно допустимых концентраций с целью уменьшения техногенного воздействия исследуемого объекта ГМК на состояние компонентов окружающей среды.

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Асянина В.Ю. К вопросу снижения негативного воздействия предприятий ферросплавного комплекса на состояние окружающей среды на примере одного из действующих предприятий/ И.Б. Мовчан, В.Ю. Асянина // Записки Горного института, том 203 «Проблемы рационального природопользования». - СПб.: Горный университет, 2013 г. - с. 71-74.

2. Асянина В.Ю. Метод опережающего прогноза в задаче снижения нагрузки на ландшафт при планировании детализационных геологических и экологических работ / И.Б. Мовчан, В.Ю. Асянина // Записки Горного института, том 203 «Проблемы рационального природопользования». - СПб.: Горный университет, 2013. - с. 190-195.

3. Асянина В.Ю. Геоэкологический мониторинг: состояние атмосферного воздуха и здоровье населения // Охрана атмосферного воздуха. Атмосфера. №1. - СПб, 2011 г. - с.46-50.

4. Asyanina V.Y. Some aspects of heavy metals adverse environmental and human health impact / I.B. Movchan, V.Y. Asyanina // Scientific reports on resource issues 2012, volume 1 - Freiberg, Germany, 2012. - p. 25-28.

РИЦ Горного университета. 30.05.2013. 3.314. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Асянина, Виктория Юрьевна, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201360328

АСЯНИНА Виктория Юрьевна

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Мовчан Игорь Борисович

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.....................10

1.1 Современное состояние природной среды России.......................................10

1.2 Экологические проблемы горно-металлургического комплекса России... 14

1.3 Системы экологического мониторинга - основные принципы и проблемы ..................................................................................................................................22

ГЛАВА 2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЕ ЗАО «ПО «ТИХВИНСКИЙ ФЕРРОСПЛАВНЫЙ

ЗАВОД»......................................................................................................................35

2.1 Территориальное районирование г. Тихвина и описание

производственных объектов.................................................................................35

Характеристика промышленного производства на территории.......................37

г. Тихвина................................................................................................................37

2.2 Климатическая характеристика района.........................................................41

2.3 Современное состояние компонентов окружающей среды в селитебной зоне г. Тихвина.......................................................................................................44

2.4 Анализ технологии производства ферросплавов..........................................54

2.5 Состав загрязняющих веществ, поступающих в среду в результате

производственной деятельности...........................................................................71

ЗАО «Тихвинский завод ферросплавов».............................................................71

2.5 Моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере................................................................................................................75

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ЗАО «ТИХВИНСКИЙ ФЕРРОСПЛАВНЫЙ ЗАВОД» И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА................................................................79

3.1 Проведение экспериментальных исследований содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе в г. Тихвине.....................................................79

3.2 Оценка содержания хрома и марганца в почвах селитебной территории г. Тихвина...................................................................................................................88

3.3 Оценка состояния природной среды с позиции ее влияния на состояние здоровья населения................................................................................................97

3.4 Разработка системы экологического мониторинга селитебной зоны......105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В зоне воздействия горно-металлургических предприятий одним из основных источников загрязнения природной среды являются выбросы в атмосферу. Так, в 2012 г. в Ленинградской области от стационарных источников загрязнения в атмосферный воздух поступило свыше 200 тыс. тонн загрязняющих веществ [34]. Вопрос воздействия предприятий горно-металлургического комплекса (ГМК) на компоненты окружающей среды особенно актуален в последние 10 лет, что обусловлено расширением жилого строительства в окрестности заводов и повышением требований к качеству компонентов окружающей среды.

На долю горно-металлургических предприятий приходится 35% выбросов в атмосферу и 17% сбросов загрязненных сточных вод [2]. Результатом техногенного воздействия на компоненты окружающей среды являются повышенные содержания соединений цветных и черных металлов в приземных слоях атмосферы и почвах селитебной зоны на расстоянии десятков километров.

Проблемы разработки систем экологического мониторинга нашли отражение в научных публикациях и производственных отчетах в России и за рубежом (работы Абросимова A.A., Афанасьева Ю.А., Израэля Ю.А., Зеркалова Д.В., Меньшикова B.C., Седых А.Д., Сафронова B.C., Фомина C.B., Ферпосона У., Хима Г. и других)

На фоне относительной изученности воздействия объектов ГМК существующие системы экологического мониторинга отличаются малой периодичностью измерений и оперируют простейшей критериальной основой для обработки эмпирических данных. Это определяет низкую достоверность получаемых данных, особенно на селитебных территориях, и отсутствие природоохранных мероприятий, направленных на повышения показателей здоровья населения.

Идея работы: выбор рациональных мероприятий, направленных на снижение техногенной нагрузки в зоне воздействия горно-металлургического предприятия, должен проводиться на основе данных мультипараметрового мониторинга состояния окружающей среды и показателей здоровья населения ранжированием п-мерной экспериментальной выборки на базе ГИС-технологии.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• выполнение натурных инструментальных измерений, ориентированных на локализацию областей выраженной аккумуляции в почво-грунтах соединений черных металлов, и проведение долговременных периодических наблюдений за динамикой загрязнений приземного слоя атмосферы в рамках деятельности городской системы мониторинга в зоне ответственности горнометаллургического предприятия;

• систематизация материалов по заболеваемости населения, проживающего в непосредственной близости к санитарно-защитной зоне горно-металлургического предприятия, с пространственной локализацией аномалий;

• разработка рекомендаций по совершенствованию организационной структуры экологического мониторинга для своевременного определения и решения проблем, связанных с функционированием предприятия ГМК, и обоснование основных стадий рациональной технологии очистки почво-грунтов с выбором реагента и минимизацией геохимических аномалий.

Методы исследований. В качестве основных методов исследования применялись:

• аналитические и экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях;

• методы математической статистики, аналогового и численного моделирования и районирования.

Научная новизна работы:

1. Выявлены и локализованы геохимические аномалии в селитебной зоне горно-металлургической промагромерации по Сг и Мп, контрастностью до 4 относительно фона, определяющие всплекс общей заболеваемости детской части населения, на основе количественного анализа содержания загрязняющих веществ в почво-грунтах, снежном покрове и приземном слое атмосферы с применением ГИС-технологий.

2. Теоретически обоснована система экологического мониторинга горнометаллургической промагломерации, базирующаяся на регулярном отборе проб атмосферного воздуха, а также на комплексировании с пробоотбором и количественным анализом почво-грунтов и снежного покрова в совокупности с материалами медицинской статистики.

Основные защищаемые положения:

3. Локализация на основе мониторинговых исследований и ГИС-технологий геохимических аномалий в почвах селитебной зоны горнометаллургической промагломерации вызывает необходимость планирования рекультивации загрязненных территорий в зависимости от вида землепользования: внесение сорбентов для сельскохозяйственных угодий; замена загрязненного грунта на привозной для прочих жилых кварталов.

Практическая значимость работы:

• выполнена оценка техногенной нагрузки на компоненты природной среды в окрестностях предприятия горно-металлургической отрасли ЗАО «ТФЗ», официально анонсируемого как экологически чистого;

Апробация работы. Основные и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных, научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на Международном симпозиуме им. академика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2011 г.), на Международной научной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010 г.), на Молодежной научной школе-конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР К.О.Кратца «Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии» (г. Петрозаводск, 2012 г.), на 4-м Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и инновации в технических университетах" (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), «Scientific reports on resource issues 2012 (Германия, г. Фрайберг, 2012 г.).

Реализация работы:

• разработанные технические предложения по организации системы экологического мониторинга предложены для использования администрации г. Тихвина;

• научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологического профиля в Горном Университете при проведении занятий по дисциплине «Основы экологии и природопользования», «Горное дело и окружающая среда», «Экология».

Исследования проводились в ЦКП Горного университета.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1 Современное состояние природной среды России

В «Основах государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года» от 30 апреля 2012 года экологическая ситуация характеризуется как вызывающая опасения высоким уровнем антропогенного воздействия на компоненты природной среды и значительными экологическими последствиями, связанными с функционированием производственных предприятий. Опасность сложившейся ситуации подтверждается статистическими данными: в настоящее время территория с крайне неблагоприятными экологическими условиями занимает до 17% общей площади страны и на ней проживает 30-40% населения России; более 40% объема сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты, относятся к категории загрязненных, следовательно, около половины населения России использует для питья воду, не соответствующую гигиеническим нормам. В многих районах антропогенные нагрузки в течение многих лет превышают установленные нормативы. Сложилась критическая ситуация, при которой возникают значительные изменения природных ландшафтов, происходит истощение природных ресурсов, значительно ухудшаются условия проживания населения, что в итоге приводит к росту заболеваемости. [63]

Неблагоприятная экологическая ситуация в России является результатом ориентирования на ресурсоемкие отрасли и энергоемкие технологии в производстве, сырьевой направленности экспорта, отсталых методов природопользования и несовершенной природоохранной политики [2].

В главе Проекта государственной стратегии устойчивого развития России «Характеристика экологической напряженности и хозяйственная емкость

экосистем России» отмечено, что экологическая ситуация • в России усугубляется из-за ограниченности финансирования природо-восстановительных мероприятий [52].

По данным специалистов-экологов, основной ущерб, который наносится хозяйству России в результате ухудшения окружающей среды, включает в себя:

1) ухудшение здоровья населения, снижение продолжительности жизни, увеличение смертности. По существующим оценкам 15% территории России с населением около 30 млн. человек относится к территориям с особо неблагоприятными экологическими условиями [34];

2) истощение ресурсов - 75% поверхностных вод непригодны для питья, около 30% подземных вод также опасно загрязнены. 250 тыс. гектаров земли занято складированием 5 млрд. тонн отходов, накопившихся в ходе производства и потребления [52].

В 30 % административных территорий остро стоят вопросы загрязнения поверхностных вод, загрязнения и истощения подземных вод, а задачи сохранения плодородия почв и земель актуальны для всей территории РФ.

Постоянное загрязнение атмосферы промышленными выбросами приводит к формированию кислотных дождей, что в конечном счете ведет к отрицательному влиянию на здоровье людей через дыхание и потребляемые продукты питания. Все это вызывает рост числа онкологических, легочных, кишечных и сердечнососудистых заболеваний вследствие снижения иммунобиологической защиты организма от неблагоприятных воздействий со стороны окружающей природной среды.

В 2011 году общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух составил 32 656 тыс. тонн, в том числе 19 196,09 тыс. тонн от стационарных источников (рисунок 1). Крупнейшими источниками загрязнениями атмосферного воздуха являются предприятия электроэнергетики и металлургии [34].

35 29$ 35 №

36 000.0 31 000.0 26 000.0 21 000,0 16 000.0 11 000.0 6 000,0 I 000,0

irtjfrn »691 32 5Ы» 32 304 32 565

[дидум ^МЯВКШШк

14 727 14 667 13 5ЯЯ 13 539 13 188 13 368

jjj - - ■ : -

20061 . 2007 r. 2008i . 2009 r. 2010 r. 2011 r. I Стационарн ые исючкнкн Перед в лжныс net очн л к л

Рисунок 1 - Динамика выбросов загрязняющих веществ

Ст

Информация о работе