Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка состава твердых фаз аэрозолей в природно-технических системах и перспективные направления утилизации продуктов их накопления в городах Прибайкалья

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка состава твердых фаз аэрозолей в природно-технических системах и перспективные направления утилизации продуктов их накопления в городах Прибайкалья"

На правах рукописи

Фёдорова Наталья Владимировна

003456684

ОЦЕНКА СОСТАВА ТВЕРДЫХ ФАЗ АЭРОЗОЛЕЙ В ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ УТИЛИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ ИХ НАКОПЛЕНИЯ В ГОРОДАХ ПРИБАЙКАЛЬЯ

Специальность: 25.00.36- Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 ДЕН 2008

Иркутск 2008

Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и Экология» Иркутского государственного университета путей сообщения

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Скворцов Валерий Александрович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Воронов Евгений Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент Зыков Николай Васильевич

Ведущаи организация: Учреждение Российской академии наук

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, г. Иркутск

Защита состоится 12 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.02 Читинского государственного университета по адресу: г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю совета Д 212.299.02

Факс: (3022) 41-64-44; Web-server: www.chitgu.ru; E-mail: root@,chitgu.ru

Автореферат разослан «11» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук

¡jíjj Шараповым.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 высокой степенью индустриализации. Здесь, на относительно небольшой территории, сосредоточены мощные предприятия теплоэнергетики, химической и нефтехимической промышленности, цветной металлургии, стройиндустрии 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 Чсремхово входят в перечень городов с высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна. Во всех указанных городах на протяжении последних лет по данным опробования снегового покрова, отмечается высокая интенсивность твердофазной нагрузки.

Кристаллические фазы аэрозолей попадают в приземную атмосферу от природных и техногенных источников (стационарных и передвижных). Долговременное воздействие различных техногенных кристаллических фаз, находящихся в составе аэрозолей и образующихся в результате деятельности различных промышленных предприятий, является причиной многих профессиональных заболеваний. 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. Для изучения состава твердофазных частиц аэрозолей, представляющих высокую опасность для окружающей среды, необходим был новый подход. Это и обуславливает актуальность проводимых диссертационных исследований.

Объектами исследований являлись 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 сиегогеохимических 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 интенсивности аэрозольной твердофазной нагрузки на региональном и локальных уровнях; составить 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 покрова: диагностика 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. CILIA (Inorganic. JCPDS. Swarthmore, Pennsylvania, USA, 1982); атомно-эмиссионный спектральный анализ на 42 элемента; определение содержаний U, Th, К и удельной активности радионуклидов 1 7Cs, 226Ra, 232Th и 4СК на низкофоновой гамма-спектрометрической установке; экспрессные 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». -

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Применение дифрактометрического анализа при исследовании твердого остатка сиегогеохимических 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.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и результатами аналитических исследований, выполненных в аккредитованных лабораториях: центральной аналитической лаборатории «Урангеологоразведка» Байкальского филиала

«Сосновгеология» аттестат аккредитации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии России № РОСС 1Ш. 0001.51144 (действителен до 18.10.2012 г.) и испытательной лаборатории «Стройкон-троль» завода ЖБК СМТ-14 филиала ОАО «РЖД» свидетельство ИЦСМиС № 905 от 23.09.2002 г. Достоверность результатов экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа подтверждена сравнением с результатами, выполненными по данным силикатного анализа.

Личный вклад автора заключается в: отборе снегогеохимических проб; исследовании состава кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности техногенной нагрузки; статистической обработке данных аналитических исследований; изучении физико-механических характеристик отходов (источников аэрозолей); разработке способов изготовления строительных материалов из отходов и проведении испытаний полученных изделий.

Научная новизна. Применен дифрактометрический анализ для изучения качественного и количественного состава твердого остатка снегогеохимических 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 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 позволило в полном объеме использовать пылящий отсев в производстве строительных материалов и снизить интенсивность твердофазной нагрузки на данной территории. По результатам выполненных работ, для Ангасольского щебеночного завода, разработаны и внедрены способы переработки карьерных отходов. Суммарный экономический эффект от снижения платежей за размещение и от переработки отходов может достигать до 8 млн. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались па 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 научно-практических 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).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 150 стр., состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (125 наименований), 19 рис., 25 табл. и 6 прил.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность темы, цель проводимых исследований, объемы выполненных работ. Раскрыта научная новизна полученных результатов. Указаны места их апробации и внедрения.

В первой главе дан обзор о степени изученности твердых фаз атмосферного аэрозоля, рассмотрены основные источники загрязнения приземной атмосферы на территории городов Иркутской области.

Во второй главе подробно изложен подход к изучению кристаллических фаз аэрозолей, в основе которого лежит экспрессный рентгенографический количественный фазовый анализ; выполнена статистическая обработка данных аналитических исследований.

В третьей главе приводятся результаты выполненных исследовании по изучению состава твердых фаз аэрозолей, установленных в приземной атмосфере на территории промышленных городов Иркутской области; показана зависимость состава кристаллических фаз аэрозолей, от деятельности конкретных источников загрязнения окружающей среды; выделены техногенные кристаллические фазы, являющиеся индикаторами загрязнения воздуха для различных промышленных предприятий.

В четвертой главе проведено локальное и региональное зонирование изучаемых территорий по компонентному составу кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности твердофазной нагрузки, установленной в снежном покрове; показаны ореолы рассеивания установленных загрязнений.

В пятой главе изложены мероприятия, направленные на снижение твердофазной нагрузки, образующейся в процессе деятельности предприятий топливно-энергетического комплекса и щебеночных заводов, и показана их экономическая эффективность.

Заключение содержит основные выводы, полученные в результате проведенных исследований.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Применение дифрактометрического анализа при исследовании твердого остатка снегогеохимических проб позволяет оценить качественный и количественный состав твердофазных частиц аэрозолей,

В результате проведенных исследований разработан новый подход к изучению состава твердых фаз аэрозолей с применением дифрактометрического анализа. Это позволило дополнить методику снегогеохимических исследований, выявить и оценить генетические типы техногенных и петро-генных фаз аэрозолей.

Определение состава проб производилось в следующей последовательности (рис. 1.): фильтрование талой воды с выделением жидкой и твердой фаз. Жидкая фаза после определения рН делилась на две части. В одной части (1 л. воды) определяли количественным химическим анализом катионы, анионы и ртуть, другую часть воды (1 л.) выпаривали, а солевой остаток подвергали атомно-эмиссионному анализу на 42 элемента.

Твердая фаза на фильтре прокаливалась при температуре 400 °С (для удаления углеродистых веществ), взвешивалась и подвергалась атомно-эмиссионному анализу на 42 элемента. На этом заканчивались исследования снегогеохимических проб по ранее принятой методике, разработанной в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (Москва, 1982 г.).

Для оценки качественного и количественного состава техногенных и петрогенных кристаллических фаз, автором предлагается дополнительное исследование твердой фазы с применением методики экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа (Иркутск, 1988 г.). Количественное содержание кристаллических фаз определяли по методу внутреннего стандарта с использованием корундовых чисел картотеки POWDER DIFFRACTION STANDARDS. Для выполнения дифрактометрического анализа минимальная величина навески составляла 0,5 г.

После выполнения рентгеноструктурного количественного фазового анализа (РКФА), если в нерастворимом остатке присутствуют слоистые алюмосиликаты (глинистая фракция), то для их разделения и количественной оценки используется метод приготовления ориентированных препаратов на стекле. Затем для приготовленных проб выполняется РКФА. С целью уточнения глинистых и слюдистых кристаллических фаз производится насыщение их этиленгликолем, с последующей индикацией их на дифрак-тометре.

Рис.1. Схема изучения кристаллических фаз аэрозолей

По результатам проведенных анализов твердой фазы и глинистой фракции, по высоте пиков на дифрактограммах, полученных в результате отражения рентгеновских лучей от кристаллических плоскостей минералов, определяется суммарное процентное содержание техногенных минералов в пробе. Сравнивают пики между собой и рассчитывают количество всех минералов, принимая их сумму за 100 %. Предел обнаружения состава кристаллических фаз на установке ДРОН-2 составляет 1 %.

Достоверность определения кристаллических фаз аэрозолей в снего-геохимических пробах РКФА оценивалась на основе внутреннего статистического контроля по результатам измерений получаемых двумя принципиально различными методами (РКФА и химическим). Результаты сопоставления данных обоих методов показали, что фактические ошибки РКФА не превышают допустимых при отсутствии систематических погрешностей. Применение дифрактометрического анализа к изучению кристаллических фаз аэрозолей апробировано при снегогеохимической съемке территорий городов Иркутской области и внедрено в практику природопользования дня оценки загрязнения воздушной среды твердофазными частицами аэрозолей в ФГУП БФ «Сосновгеология».

2. Установленные дифрактометрией техногенные кристаллические фазы в аэрозолях, обладающие фиброгенной активностью, являются объективными индикаторами оценки состояния приземной атмосферы в различных прнродно-технических системах (теплоэнергетических, химических, металлургических, горнорудных).

Изучение количественного и качественного состава твердофазных частиц аэрозолей в приземной атмосфере различных природно-технических систем городов Иркутской области проводилось автором с 1999-2008 г.г. На участках интенсивного загрязнения было отобрано более 300 проб снега. Отбор проб снега проводился в соответствии с «Методическими рекомендациями по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами» (Москва 1982 г.). Фоновые значения определялись в пади Крестовой вблизи оз. Байкал, то есть на участке с минимальной техногенной нагрузкой.

На основе полученных результатов, определены генетические типы кристаллических фаз аэрозолей и установлена зависимость компонентного состава твердофазных частиц с деятельностью промышленных предприятий (табл. 1).

Исследования на территориях, прилегающих к объектам теплоэнергетики, показали, что состав твердой фазы аэрозолей в значительной мере зависит от вида используемого угля. В городах Черемхово, Зиме, Усть-Куте в твердом остатке снегогеохимических проб отмечается высокое содержание техногенного муллита - кристаллической фазы А1651201з, образующейся при высокой температуре сжигания угля. В г. Черемхово его количество в пробах достигает 25 %.

Таблица 1

Кристаллические фазы аэрозолей, установленные в приземной атмосфере различных природно-технических систем городов Иркутской области

Города Кристаллические фазы, %

Техногенные образования -индикаторы Петрогенные

Состав Природный аналог Кол-во

Состав аэрозолей, связанных с объектами теплоэнергетики

Черемх0Е0 А^Аз Муллит 25 Кварц - 49, ортоклаз - 17, магнетит - 9.

Усть-Кут А№0!3 СаСОз Муллит Кальцит 13 6 Кварц -48, плагиоклаз-26, ортоклаз - 7.

Зима А168;20,з Муллит 8 Кварц-41, альбит-33, ортоклаз-14, амфибол - 4.

Иркутск А^ЬОц Муллит 6 Кварц-35, шшноклаз-29, ортоклаз-26, амфибол- 4

Еайкальск А16512013 СаСОз Муллит Кальцит 5 1 Кварц - 42, альбит -25, гематнг-20, ортоклаз - 6, слюда -1, амфибол-1.

Состав аэрозолей, связанных с предприятиями химической промышленности

Усолье-Сибирское (пыль) СаСОз Кальцит 16 Оргоклаз-28, кварц-24, альбит-25, амфибол-6, гидрослюда- <1. каолинит-<1.

Усолье-Сибирское (твердый остаток) Са, Мё (СО,)2 СаСО, Доломит Кальцит 28 й Кварц-24, плагиоклаз-21, ортоклаз-17, амфибол - 2,3, гидрослюда -1,7, каолинит-1, гематит -1.

Ангарск (пыль) СаСОз Кальцит 2 Кварц-39, альбит-28, ортоклаз-18, амфибол -13, гидрослюда-<1, каолинит -<1.

Ангарск (твердый остаток) А165ЬО|3 СаСОз Муллит Кальцит 9 Кварц -38, плагиоклаз -25, ортоклаз -20, рутил -6,

Саянск СаСОз Кальцит 2 Кварц-33, плагиокдаз-31, ортоклаз-19, слюда-6, магнетит 5, амфибол-4.

Состав аэрозолей, связанных с заводами алюминиевой промышленности

Шелехов а-а!2Оз Корунд 20 -

в- АЬОз + х А1203 В природе аналог не установлен 80

Братск «-А1203 Корунд 12 Кварц -2, плагиоклаз-3.

#-А120- + <5 А12Оз В природе аналог не установлен 83

Состав аэрозолей, связанных с деятельностью локомотивного депо

Усть-Кут | ЯЮ, | | | Кварц-86, микроклин- 14

Состав аэрозолей, связанных с горнорудными предприятиями

Ангасолка Андсзин-36, биотит-22, кварц -16, микро-клин-15, амфибол-11.

Братск СаСОз Кальцит 4 Плагиоклаз-57, оливик-22, диопсид-12, кварц- 3, хлорит-2.

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.

Для городов с наличием предприятий химической промышленности (Ангарск, Усолье-Сибирское, Саянск) характерно повышенное содержание в кристаллических фазах аэрозолей техногенных карбонатов (доломита -Са, (С03)2 и кальцита - СаСОэ). Содержание техногенного кальцита в твердофазных частицах аэрозоля в г. Ангарске в 2 раза, а вблизи химкомбината в г. Усолье-Сибирском в 16 раз выше фоновых значений. В зонах воздействия алюминиевых заводов (г. Шелехов и г. Братск), в воздушных выпадениях, в преобладающем количестве отмечаются дисперсные частицы глинозема, представляющие собой различные полиморфные модификации техногенного корунда (рис. 2, 3): -а-А1;03 (корунд) - образуется в широком температурном интервале (500-1500 °С), <5-А1203 - модификация представляющая собой продукт превращения а-А1203 в<>-А1203, которое происходит в процессе медленного охлаждения расплава А^Оз при температурах 1500-1800 °С и 0-А12Оз - модификация, которая образуется при нагревании 5 -А1203 свыше 500 °С. Последние две модификации не имеют аналогов в природе.

Для территорий, расположенных в зоне деятельности локомотивного депо в составе твердой фазы аэрозоля отмечается высокое содержание кварца (до 80 %).

На территориях, прилегающих к щебеночным заводам и горнодобывающим карьерам (Ангасолка, Слюдянка, Братск), отмечено, что состав кристаллических фаз аэрозолей, зависит от петрографического состава горных пород, разрабатываемых в карьерах.

При изучении состава твердофазной части аэрозолей, как в зонах деятельности промышленных предприятий, так и на небольших удалениях от них, установлено, что компонентный состав практически не меняется.

На территории промышленных городов Иркутской области выполнено региональное и локальное зонирование по составу кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности твердофазной нагрузки с выделением ореолов техногенного загрязнения.

Установлено, что интенсивность техногенного загрязнения атмосферы твердофазными частицами на исследованных территориях, является высокой (рис.4). Наиболее интенсивные загрязнения отмечаются в городах Иркутске, Ангарске, Усолье-Сибирское, Шелехове и их окрестностях. В зонах локального загрязнения в г. Слюдянке и п. Ангасолка, расположенных па побережье оз. Байкал, отмечено несколько ореолов загрязнения, попадающих в зону действия Ангасолького щебеночного завода и Слю-дянского карьера Перевал, в которых интенсивность твердофазной нагрузки достигает значений 300 и более кг/км" в сутки. По мере удаления от городов интенсивность загрязнения окружающих сельхозугодий и лесных массивов постепенно уменьшается.

■ - «-А1203;8 з- А!203; □ - кварц.

Рис.2. Дифрактограмма пробы, отобранной около промышленной зоны Иркутского алюминиевого завода '2003 г. (г. Шелехов)

Рис.3. Дифрактограмма пробы, отобранной около промышленной зоны Братского алюминиевого завода (2005 г.)

т©сно«иш нагрузка кгдаг

[_ШЗ мавевЗО

С!) 50-100

СО ! 00-150

шт 150-300

;®®В бояее ЗОО

_110 ж

Рис. 4. Зонирование территории промышленных городов Иркутской области по интенсивности твердофазной нагрузки

В результате изучения состава твердофазной нагрузки в выделенных ореолах загрязнения на территории промышленных городов Иркутской области, оценено распределение кристаллических фаз аэрозолей, установленных в снегогеохимических пробах (рис. 5), которое показывает различие качественного и количественного состава твердофазных частиц в зависимости от деятельности промышленных предприятий, расположенных на исследованных территориях.

3. Разработанные способы безопаской утилизации скопившихся промышленных отходов в городах Прибайкалья позволяют минимизировать уровень техногенного воздействия твердофазных частиц аэрозолей.

Ежегодно в природно-технических системах на промышленных предприятиях Иркутской области образуется большое количество отходов (различных классов опасности), которые являются источниками твердофазного аэрозольного загрязнения воздушной среды. Чтобы не допускать дальнейшего загрязнения необходимо иметь экономически эффективные методы своевременной и безопасной утилизации скопившихся от промышленных предприятий отходов.

Для того чтобы минимизировать интенсивность твердофазной нагрузки на территории, прилегающей к карьерам Ангасольского щебеночного завода, расположенного в 2,5 км от оз. Байкал, и уменьшить количество пылящих отвалов, были разработаны способы переработки отходов отсева щебня, заключающиеся в изготовлении тротуарной плитки из подвижной бетонной смеси на виброплощадке СМЖ-539 и стеновых пустотелых блоков методом объемного вибропрессования на высокомеханизированной установке Рифей-5. Для утилизации энергетических шлаков предложен способ изготовления из них стеновых полнотелых блоков.

Разработка способов изготовления строительных материалов начиналась с уточнения класса опасности карьерных отходов. В результате проведенных исследований, в соответствии с приказом Министерства природных ресурсов РФ № 511 от 15.06.2001 г. <Юб утверждении Критериев отнесения опасных отходоз к классу опасности для окружающей природной среды», отсев щебня Ангасольского завода отнесен к пятому классу -практически неопасному с очень низкой степенью воздействия на окружающую среду. Это позволило в 16 раз (т.е. на 5,7 млн. руб.) снизить платежи за размещение отходов и вовлечь их во вторичное производство. Кроме того, согласно ГОСТ 30108-94 отсев щебня можно отнести к строительному материалу 1 класса, пригодного для всех видов строительства без ограничения.

К изучению фазового состава отсева щебня автором применен дк-фрактометрический анализ, который позволяет одновременно оценивать качественное и количественное содержание минералов, находящихся в составе промышленных отходов, что дает возможность оптимально подбирать состав композитных материалов.

жевьЕ-сиареаш

| днгмьгК -Ч Л.'.''

\ ШШ ИРКУТСК ¿ЩЩ^

> ШЕКЕХЭВ*/ ■■ - " г

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СИ кварц ЯОВ муллит в корунд а -А1;0; в кспувд + К-А1;0( » корунд + й-А1гО, ШИЗ гтагксктаэ ШП ортоклаз --жеяезная дорога

ТЯ альбит

ЕЗ магнетит

ЗгН амфибол

ШШ карбонаты

Рис. 5. Состав кристаллических фаз аэрозолей, установленных в приземной атмосфере в городах Иркутской области

На последующих этапах исследований изучены физико-механические свойства наполнителей; учитывая технико-экономическую целесообразность получения бетонов с нормируемыми показателями качества, подобраны составы бетонной смеси; проведены испытания опытных образцов и отформованных изделий на прочность, теплопроводность, морозостойкость. Полученные в процессе изготовления образцы соответствовали всем требованиям ГОСТ, предъявляемым к тротуарной плитке и сге-новым пустотелым блокам.

Экономическая эффективность разработанных способов безопасной утилизации отходов заключается в снижении производственных затрат при их реализации на 35 % в сравнении с ранее предлагаемыми технологиями.

Переработка карьерных отходов (продуктов образования аэрозолей), путем использования их при изготовлении строительных материалов позволит очистить от пылящих отвалов до 40 % территории, примыкающей к карьерам, что будет способствовать снижению техногенного загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами в акватории оз. Байкал.

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 мероприятия, направленные па снижение загрязнения, включающие способы безопасной утилизации непосредственных источников аэрозолей. На основании проведенных исследований сделаны следующие 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. Установлена зависимость состава кристаллических фаз аэрозолей с различными природно-техническими системами. Выделенные техногенные кристаллические фазы являются индикаторами конкретных источников загрязнения приземной атмосферы: для предприятий систем теплоэнергетики - муллит; для предприятий химической промышленности -карбонаты; для металлургических предприятий (алюминиевые заводы) -корунд и различные его модификации; для локомотивных депо - кварц, для горнорудных природно-технических систем состав кристаллических фаз аэрозолей соответствует петрографическому составу разрабатываемых в карьерах пород.

3. В результате проведенного зонирования территорий городов Иркутской области по составу кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности твердофазной нагрузки выделены ореолы загрязнения, в которых оценено распределение кристаллических фаз аэрозолей, зафиксированных в снегогеохимических пробах. Установлено, что интенсивность техногенно-

го загрязнения атмосферы твердофазными частицами в основных промышленных центрах региона - городах Иркутске, Ангарске, Усолье-Сибирское, Шелехове 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.

4. Рассмотрены различные способы утилизации карьерных отходов и энергетических шлаков.

5. В результате уточнения класса опасности отходов Ангассльского щебеночного завода, являющихся прямыми источниками твердофазных частиц аэрозолей, более чем на 40 % сокращены отчуждаемые территории и на 5,7 млн. руб. уменьшена плата за их размещение.

6. С целью снижения интенсивности твердофазной нагрузки, на территории прилегающей к озеру Байкал, для Ангасольского щебеночного завода разработаны способы переработки карьерных отходов, заключающиеся в изготовлении тротуарной плитки на вибрсплощадке СМЖ-539 и стеновых пустотелых блоков методом объемного вибропрессования на высокопроизводительной механизированной линии <(Рифей-5>>. Экономическая эффективность при изготовлении тротуарной плитки и стеновых блоков, в условиях Ангасольского щебеночного завода, составляет около 2 млн. руб. в год. Для энергетических шлаков предложен способ изготовления из них стеновых полнотелых блоков.

Внедрение разработанных мероприятий будет способствовать минимизации загрязнения приземной атмосферы твердофазными частицами аэрозолей.

Список публикаций по теме диссертации:

Монография

1, Скворцов В.А. Чурсин Д.А., Рогова В.П., Фёдорова Н.В. Снижение загрязнения бассейна озера Байкал за счет переработки промышленных отходов. Иркутск: Изд-е Иркут. гос. ун-та, 2007. - 127 с.

Статьи и тезисы докладов

1. Фёдорова Н.В. Минеральный состав твердофазных частиц аэрозолей в городах Иркутской области / Н.В. Фёдорова, В.ГГ. Рогова, Д.А. Чурсин, В.А.Скворцов // Аэрозоли Сибири. VII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института Оптики атмосферы СО РАН, 2000.- С. 34.

2. Чурсин Д.А. Минеральный состав твердофазных частиц аэрозолей в золоотвалах и отзалах отсева щебёночного завода / Д.А. Чурсин, Н.В. Федорова, В.П. Рогоза, В.А. Скворцов // Аэрозоли Сибири. VII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института Оптики атмосферы СО РАН, 2000. С. 35.

3. Скворцов В.А. Некоторые аспекты концепции экологической безопасности на объектах железнодорожного транспорта / В.А.Скворцов, В.П. Рогова, Д. А. Чурсин, Н.В. Фёдорова, В.М. Бурлаков //' Безопасность движения поездов: ма1ериалы науч. прахт. конф,- Москва, 2000.- С. 19-20.

4. Чурсин Д.А. Минеральный состав твердофазных частиц аэрозолей в снежном покрове Иркутска и Байкальска / Д.А. Чурсин, Н.В. Федорова,

B.П. Рогова, В.А. Скворцов, А.А. Лазарева // Аэрозоли Сибири. VIII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института Оптики атмосферы СО РАН, 2001.- С. 29.

5. Скворцов В.А. О некоторых особенностях состава и возможностях переработки промышленных отходов на ВСЖД / В.А. Скворцов, Д.А. Чурсин, Н.В. Фёдорова, В.П. Рогова //Информационные технологии и модели в решении современных проблем экологии: сб. матер. Всероссийской научн. практ. конф.- Тула: Гриф и К, 2002.- С. 2-3.

6. Рогова В.П. Минеральный состав твердофазных частиц в городах Южного Прибайкалья / В.П. Рогова, В.Я. Киселёв, Н.В. Федорова, Д.А. Чурсин, В.А. Скворцов // Оптика атмосферы и океана.- 2002. - Т. 15.- № 05-06. - С. 555-557.

7. Фёдорова Н.В. Зонирование территории Иркутска по интенсивности загрязнения тонкодисперсными твердыми частицами вдоль железнодорожной линии / Н.В. Фёдорова, В.П. Рогова // Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу: материалы Регион, науч.- практ. конф.- Новосибирск, 2002.-С.312.

8. Федорова Н.В. Характеристика минерального состава тонкодисперсных твердых частиц в снеге вдоль железнодорожной линии в Иркутске / Н.В. Федорова, В.П. Рогова // Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу: материалы регион, науч.- практ. конф.- Новосибирск, 2002. - С. 312.

9. Федорова Н.В. Минералого-геохимический состав аэрозолей Южного Прибайкалья и дополнение к аналитической части методики снегоге-охимической съемки / Н.В. Фёдорова, В.П. Рогова, В.Я. Киселев, Д.А. Чурсин, В.А.Скворцов.- Аэрозоли Сибири. IX Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-е Института Оптики атмосферы СО РАН, 2002,- От. 36-37.

10. Федорова Н.В. Зонирование территории Усть-Кута по техногенной нагрузке твердыми частицами аэрозолей / Н.В. Фёдорова, В.П. Рогова, Д.А. Чурсин, В.А.Скворцов // Аэрозоли Сибири. IX Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-е Института Оптики атмосферы СО РАН, 2002.-

C. 39-40.

11 .Федорова Н.В. Загрязненность приземного слоя твердыми частицами на станциях участка линии ВСЖД Байкальск - Усолье-Сибирское / Н.В. Фёдорова, В.П. Рогова, Д.А. Чурсин, В.А.Скворцов // Энергосберегающие технологии и окружающая среда: материалы Межд. конф. (29-31 марта, 2004 г., Иркутск).- Иркутск, 2004. - С. 425- 426.

12.Федорова Н.В. Техногенное загрязнение кварцем приземной атмосферы на территории локомотивного депо на ст. Лена (ВСЖД) // Энер-госберегаюпще технологии и окружающая среда: материалы Межд. конф. (29-31 марта, 2004г., Иркутск).- Иркутск, 2004,- С. 427- 428.

Подписано в печать 10.11 ..2008. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,06 Уч.-изд. л. 1,14 Тираж 100 экз. Зак. 1314

Отпечатано в Глазковской типографии. 664039, г.Иркутск, ул. Гоголя, 53. Тел. 38-78-40.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Фёдорова, Наталья Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Степень изученности твердых фаз атмосферных аэрозолей.

1.2. Основные источники загрязнения приземной атмосферы на территории городов Иркутской области.'.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Оценка правильности и точности результатов рентгеноструктурного количественного фазового анализа (РКФА).

3. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ПО СОСТАВУ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ АЭРОЗОЛЕЙ.

3.1. Кристаллические фазы аэрозолей, связанные с работой систем теплоэнергетики.

3.2. Кристаллические фазы аэрозолей в системе предприятий химической промышленности.

3.3. Кристаллические фазы аэрозолей в природно-технической системе алюминиевых заводов.

3.4. Кристаллические фазы аэрозолей в системе объектов железнодорожного транспорта.

3.5. Кристаллические фазы аэрозолей, связанные с горнорудной природно-технической системой.

4. ЗОНИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИБАЙКАЛЬЯ ПО СОСТАВУ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ

АЭРОЗОЛЕЙ И ИНТЕНСИВНОСТИ ТВЕРДОФАЗНОЙ НАГРУЗКИ

4.1. Локальное зонирование по составу и интенсивности твердофазной нагрузки в г.г. Усть-Куте и Шелехове.

4.2. Региональное зонирование по составу и интенсивности твердофазной нагрузки в городах Иркутской области.

5. СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ

НАКОПЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЕЙ.

5.1. Золошлаковые отходы и их утилизация.

5.1.1. Характеристика шлаков Байкальского региона.

5.1.2. Способ изготовления полнотелых блоков с применением золошлаков.

5.2. Отходы щебеночных заводов и их утилизация.

5.2.1. Эколого-токсикологические свойства отсева щебня карьера Ангасолка.

5.2.2. Использование отсева в асфальтобетонах.

5.2.3. Изготовление тротуарной плитки с применением ангасольсого отсева щебня.

5.2.4.Способ изготовления стеновых пустотелых блоков.

5.3. Экономическая эффективность изготовления пустотелых блоков с применением отсева карьера Ангасолка.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка состава твердых фаз аэрозолей в природно-технических системах и перспективные направления утилизации продуктов их накопления в городах Прибайкалья"

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 уровнях; составить 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 покрова; диагностика 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 элемента; определение содержаний U, Th, К и удельной активности радионуклидов 137Cs, 226Ra, 232Th и 40К на низкофоновой гамма-спектрометрической установке; экспрессные 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 научно- практических 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 проб; исследовании состава кристаллических фаз аэрозолей и интенсивности техногенной нагрузки; статистической обработке данных аналитических исследований; изучении 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 инженерами- технологами 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 Диссертация по теме "Геоэкология", Фёдорова, Наталья Владимировна

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 корунда -а-А1203 (корунд) - образуется в широком температурном интервале (500 -1500 °С), £-А12Оз - представляет собой продукт превращения а -АЬОз 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 - муллит; для предприятий химической промышленности - карбонаты; для металлургических систем (алюминиевые заводы) - корунд и различные его модификации; для 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 30108-94 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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Фёдорова, Наталья Владимировна, Иркутск

1. Антипов А.Н. Экологические проблемы урбанизированных территорий / А.Н. Антипов. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 1998.- 200 с.

2. Антропова В.А. Строительные материалы из отходов промышленности Дальнего Востока / В.А. Антропова, Н.А. Фалалеева, Ю.В. Ефименко // Сб. тр. Международного экологического конгресса / Балт. Гос. техн. унт.- 1998.- Т. 3 .- С. 56-59.

3. Аргучинцев В.К. Численное моделирование распространения твердых взвесей от промышленных предприятий в Южном Прибайкалье // География и природные ресурсы.- Новосибирск: Наука, 1995.- № 1.- С. 152158.

4. Аргучинцева А.В. Моделирование накопления на подстилающей поверхности полидисперсных аэрозолей антропогенного происхождения / А.В. Аргучинцева, В.А. Макухин // Оптика атмосферы и океана.- 2002.- Т. 13.-№ 9.- С. 865-870.

5. Баженов Ю.М. Способы определения состава бетона различных видов / Ю.М. Баженов.- М.: Стройиздат, 1975.-272 с.

6. Белан Л.Н. Особенности загрязнения снежного покрова Учалинского рудного района / Л.Н. Белан, В.А. Крылатов, А.Н. Кутлиахметов // Современные экологические проблемы. БГПИ — Уфа, 1998.- С. 163-167.

7. Бородулин А.И. Высотная и сезонная изменчивость концентрации биогенной компоненты тропосферного аэрозоля юга Западной Сибири / А.И.

8. Бородулин, А.С. Сафатов, В.В. Марченко // Оптика атмосферы и океана.-2003.- Т. 16. № 5-6.- С. 422-425.

9. Бородулин А.И. О статистике концентрации тропосферного биоаэрозоля юга Западной Сибири / А.И. Бородулин, А.С. Сафатов, Б.Д. Белан, М.В. Панченко // Оптика атмосферы и океана.- 2003.-Т. 16.- № 5-6.-С. 519-522.

10. Бояркина А.П. Аэрозоли в природных планшетах Сибири / А.П. Бояркина, В.В. Байковский, Н.В. Васильев. СПб: Изд-во Том. ун-та, 1993. -159 с.

11. Безуглая Э.Ю. Чем дышит промышленный город / Э.Ю. Безуглая, Г.П. Расторгуева, И.В. Смирнова.- Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 255 с.

12. Боталова О.В. Оценка плотности осадка атмосферной примеси в городском снежном покрове / О.В. Боталова, А.И. Бородулин, С.С. Котлярова // Оптика атмосферы и океана.- 2003. Т. 15.- № 8. - С. 736-739.

13. Boucher О., History of sulfate aerosol radiative forcings / О Boucher, M. Pham // Geophys. Res. Lett. 2002.- V. 29. -№ 9. - P. 215-228.

14. Василенко B.H. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.Н. Назаров, Ш.Д. Фридман.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-180 с.

15. Василенко В.Е. Чем дышим? Источники загрязнения атмосферы в областях Центрального федерального округа / В.Е. Василенко, А.А. Попов,

16. B.Ю. Пушкарев // Экология и жизнь. 2005,- № 4.- С. 54-57.

17. Wang Zifa, Han Lihui Local and non-local sources of airborne particulate pollution at Beijing // Arts and Sci. Natur. Sci. Ed.-2005. № 3.- C. 253-264.

18. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия.- 1962.- № 7.1. C. 555-571.

19. Владимиров A.M. Охрана окружающей среды /A.M. Владимиров, Ю.И. Ляхин, Л.Т. Матвеев.- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.- 423 с.

20. Воробьева И.Б. Наземные и дистанционные исследования загрязнения городов / И.Б. Воробьева, Т.И. Коновалова // География и природные ресурсы.- 1998.-№2.-С. 15-18.2023