2809

УДК 614.715 613.633

М.В. Волкова, Т.С. Уланова

МЕЛКОДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИЦЫ PM2,5 И PM10 В ВОЗДУХЕ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Отражена опасность взвешенных частиц для здоровья человека и вызванная этим необходимость организации контроля содержания частиц фракций PM2,5 и PM10 в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны. Рассмотрены методы мониторинга содержания частиц PM2,5 и PM10.

Ключевые слова: мелкодисперсные частицы, PM2,5, PM10, атмосферный воздух, воздух рабочей зоны, лазерная дифракция, лазерная нефелометрия.

M.V. Volkova, T.S. Ulanova

MONITORING OF FINE PARTICLES PM2,5 AND PM10

IN THE AIR OF URBAN AREAS

The article is about the danger of particulate matter for human health and the necessity of control the content of particle fractions PM2,5 and PM10 in atmospheric air and air of working areas. The methods of monitoring the content of particles

PM2,5 and PM10 are reviewed.

Keywords: fine particles, PM2,5, PM10, atmospheric air, air of working area, laser diffraction, laser nephelometry.

Взвешенные вещества являются одним из наиболее распространенных неблагоприятных факторов окружающей среды. Образованием антропогенных взвешенных частиц сопровождаются многие отрасли хозяйственной деятельности человека: работа автомобильных двигателей, технологические производственные процессы, сельское хозяйство. Большое количество образующейся пыли характерно для промышленности, в особенности горнодобывающей, машиностроения, металлургии и т.д.

Пагубное воздействие пыли на организм человека определяется ее токсичностью, физико-химическими свойствами: дисперсностью (размером частиц), концентрацией, формой частиц, удельной поверх-

71

ностью, твердостью, волокнистостью, электрозаряженностью и другими свойствами. Вредность взвешенных частиц обусловлена их способностью вызывать заболевания при попадании на кожу, слизистые оболочки и особенно при проникновении в легкие. При последнем виде воздействия возникают заболевания, носящие общее название «пневмокониозы». Они имеют много разновидностей в зависимости от основного компонента пыли, вызывающей возникновение заболевания.

Дисперсность взвешенных частиц имеет большое значение, так как именно она определяет длительность пребывания пыли в воздухе и характер ее воздействия на органы дыхания. Особенно этот фактор важен в производственных условиях, так как в результате работы аппаратов и вентиляционных установок воздух находится в постоянном движении, что затрудняет выпадение мельчайших частиц, вследствие чего они могут долгое время находиться во взвешенном состоянии, абсорбируя различные загрязнители и увеличивая степень токсичности для организма. Если оценивать по степени дисперсности, то наибольшую угрозу для здоровья человека представляют частицы фракций PM2,5 и PM10. PM2,5 – это частицы с аэродинамическим диаметром 2,5 мкм и менее, PM10 – частицы с аэродинамическим диаметром 10 мкм и менее. Данные частицы относятся к респирабельным, могут проникать в легкие человека, вызывать заболевания или обострять уже имеющиеся [1]. Зависимость глубины проникновения от размера частиц показана на рисунке.

Рис. Распределение взвешенных частиц различных фракций в легких человека [2]

72

В связи с токсичностью мелкодисперсных частиц существует необходимость организации контроля за их содержанием в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны промышленных предприятий. Вместе с тем в нормативно-методической базе РФ до настоящего времени ПДК для воздуха рабочей зоны отсутствует, нормируется содержание мелкодисперсных взвешенных частиц PM2,5 и PM10 только в атмосферном воздухе населенных мест [3].

Применение гравиметрического метода для определения содержания мелкодисперсных частиц PM2,5 и PM10 в воздухе несет ряд недостатков. Для селективного отбора частиц определенной крупности необходимо использование импакторов, отсекающих частицы больше какого-либо размера. Также зачастую для получения необходимого количества пробы необходим длительный отбор, метод характеризуется большой погрешностью.

К современным методам детектирования мелкодисперсных частиц относятся инструментальные способы, основанные на лазерной дифракции, или лазерной нефелометрии. Суть определения размеров частиц с помощью метода лазерной дифракции основывается на регистрации рассеянного света от частиц. При этом угол рассеяния пропорционален размеру частиц. На данном принципе основывается лазерный анализатор Microtrac S3500 (США), предназначенный для измерения дисперсных параметров суспензий, эмульсий и порошкообразных материалов. Он применяется при контроле технологических процессов и качества продукции в химической промышленности, порошковой металлургии и т.д. В методе лазерной нефелометрии световой сигнал с фотодетектора преобразуется в электрический, пропорциональный размеру и концентрации взвешенных частиц. Данный принцип лежит в основе анализатора аэрозоля DustTrak 8533. Анализатор используется для измерения массовой концентрации аэрозольных частиц в воздухе рабочей зоны, технологического контроля систем кондиционирования, вентиляционных систем и чистоты воздуха объектов различного назначения. Прибор позволяет в режиме онлайн определять концентрацию частиц фракций PM1, PM2,5, PM4 и PM10. Метод лазерной нефелометрии можно применять при оценивании качества воздуха на соответствие нормам ПДК при установлении максимально разовой концентрации частиц. Для определения среднесуточной концентрации целесообразнее использовать метод лазерной дифракции, для которого характерна необходимость в большем объеме

73

анализируемой пробы. К достоинствам метода лазерной дифракции стоит отнести возможность не только количественного определения распределения частиц по размерам, но также возможность оценивания формы частиц, что также является немаловажным фактором при оценке их токсичности для организма.

Таким образом, необходима организация контроля содержания взвешенных частиц в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны с оценкой фракционного состава. Данные определения содержания мелкодисперсных частиц фракций PM2,5 и PM10 в воздухе рабочей зоны могут служить основой для разработки нормативов предельно допустимых концентраций при оценке риска здоровью рабочих, задействованных на производствах, связанных с высокой степенью образования взвешенных частиц.

Список литературы

1.Тертишников И.В. Совершенствование методов экологического мониторинга пылевого загрязнения воздушной среды в жилых зонах при суммарном воздействии промышленных предприятий: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Волгоград, 2012. – 20 с.

2.Origin and health impacts of emissions of toxic by-products and fine particles from combustion and thermal treatment of hazardous wastes and materials / S.A. Cormier, S. Lomnicki, W. Backes, B. Dellinger // Environ. Health Perspect. – 2006. – № 114. – P. 810–817.

3.Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих

веществ в атмосферном воздухе населенных мест: дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338–03. Утв. Постановлением глав. гос. сан. врача РФ от

19.04.2010 г. № 26. – М., 2010.

Об авторах

Волкова Марина Валерьевна – магистр кафедры охраны ок-

ружающей среды, Пермский национальный исследовательский поли-

технический университет, e-mail: mari_703@mail.ru.

Уланова Татьяна Сергеевна – доктор биологических наук,

профессор кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: ulanova@fcrisk.ru.

74

УДК 504.064.45

М.В. Волкова, А.Р. Сахабиева, М.С. Ефремчик, К.Г. Пугин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ФЕРРОВАНАДИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ КИСЛЫХ ШАХТНЫХ ВОД КИЗЕЛОВСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Излив кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна является значимой экологической проблемой. Предлагаемые методы нейтрализации зачастую являются дорогостоящими или неэффективными. Рассматривается возможность решения проблемы, заключающаяся в использовании в качестве нейтрализующего агента шлака феррованадиевого производства, характеризующегося рядом свойств, необходимых для эффективного процесса нейтрализации.

Ключевые слова: кислые шахтные воды, угольный бассейн, нейтрализация, шлак феррованадиевого производства.

M.V. Volkova, A.R. Sahabieva, M.S. Efremchik, K.G. Pugin

USING WASTE OF FERROVANADIUM PRODUCTION

FOR NEUTRALIZATION OF ACID MINE WATER

FROM KIZEL COAL BASIN

The spout of acid mine water of Kizel coal basin is a significant environmental problem. Proposed methods for neutralization are often costly or ineffective. There is the possibility of solving the problem using as a neutralizing agent the slag of ferrovanadium production, characterized by several properties needed for effective neutralization process.

Keywords: acid mine water, coal basin, neutralization, slag of ferrovanadium production.

На территории Пермского края активно проводилась добыча каменного угля шахтным методом, что имело ряд негативных последствий для окружающей среды. В настоящий момент шахты Кизеловского угольного бассейна ввиду нерентабельности добычи закрыты, шахтный водоотлив ликвидирован, горные выработки затоплены. Од-

75

нако до сих пор имеет место их негативное воздействие на окружающую среду из-за происходящего самоизлива шахтных вод на земную поверхность. Существует более 12 участков самоизлива с суммарным среднегодовым расходом около 2,5 тыс. м3/ч.

Шахтные воды Кизеловского угольного бассейна отличаются высокой минерализацией, cернокислой реакцией среды (значение pH 2–4), высокой концентрацией сульфат-иона, железа и тяжелых металлов. Смешиваясь с подземными водами, они формируют техногенные водоносные горизонты, при слиянии с речными водами образуются осадки, и происходит значительное загрязнение рек. На загрязняемых участках выпадает около 80 т техногенных донных осадков каждые сутки. При смыве в Камское водохранилище и реку Чусовую они являются вторичным источником загрязнения, что представляет угрозу для централизованного питьевого водоснабжения [1]. Шахтные поля расположены на большой территории, охватывающей также землю, занятую жилыми домами и производственными участками. Из-за подтопления происходят провалы, приносящие экономический ущерб и создающие опасность для здоровья и жизни людей. Учитывая всю серьезность последствий излива шахтных вод, поиск путей ликвидации экологических последствий является актуальной задачей.

Большинство методов, предложенных для решения проблемы Кизеловского угольного бассейна, основано на нейтрализации кислых шахтных вод веществами, имеющими запас щелочности. Реакция нейтрализации заключается в химическом взаимодействии между веществами, имеющими кислотные и щелочные свойства, с потерей характерных свойств, присущих обоим веществам, и образованием нейтральных продуктов реакции в виде солей и воды. Это реализуется путем создания искусственных геохимических барьеров, в основу которых положены процессы, встречающиеся в природе, когда нейтрализация кислых потоков вод происходит при взаимодействии с карбонатными породами [2]. В качестве нейтрализующего агента существующие методы предлагают использовать известковые карбонатсодержащие материалы (например, отходы производства стройматериалов, известняк). Зачастую недостатками таких способов нейтрализации являются дороговизна материала, большое количество агента, идущего на нейтрализацию, длительность процесса, сложность технического осуществления процесса и большое количество отработанного материала [3].

76

Материал для нейтрализации кислых шахтных вод должен обладать запасом щелочности, быть безопасным для окружающей среды, не образовывать в результате реакции токсичных веществ, а также характеризоваться высокой степенью дисперсности, что необходимо для создания большой реакционной поверхности и уменьшения времени, нужного для проведения реакции нейтрализации.

Всеми вышеперечисленными свойствами обладает шлак феррованадиевого производства одного из металлургических предприятий Пермского края. Шлак состоит в основном из мервинита и двухкальциевого силиката, также в нем присутствуют мелит, периклаз и феррованадий металлический. Общее содержание оксидов кальция и магния достигает 60 % (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав шлака

Шлак является малотоксичным веществом, относится к IV классу опасности по методикам Министерства природных ресурсов и Роспотребнадзора. Его достоинством является доступность, обусловленная большим количеством уже накопленных объемов и добавляющихся с каждым годом. Он не требует дополнительной обработки, так как в процессе остывания твердое тело шлака в результате силикатного распада превращается в порошкообразный материал, отличающийся высокой степенью дисперсности (табл. 2).

77

После распада шлак представляет собой пылевидную массу белосерого цвета с удельной поверхностью до 300 м2/кг, характеризуется биохимической потребностью в кислороде (БПК20) и химической потребностью в кислороде (ХПК) – не выше 300 мг/л. Удельная эффективная активность природных радионуклидов составляет 58 Бк/кг [4].

Технически процесс нейтрализации может быть реализован путем создания фильтрующей дамбы из шлака. Сточные воды могут подаваться самотеком по водоотводной канаве. В качестве устройства для равномерной подачи воды может использоваться пруд перед дамбой (рисунок).

Рис. Возможная схема нейтрализации кислых шахтных вод при помощи дамбы из шлака: 1 – русло реки; 2 – заградительное сооружение; 3 – накопительный пруд; 4 – дамба из шлака производства феррованадия

Таким образом, предложенный метод использования шлака в целях нейтрализации кислых шахтных вод угольного бассейна может решить сразу две экологические проблемы. Во-первых, сократить скопление отходов в виде отвалов, занимающих значительные территории, и платежи предприятия за размещение этих отходов. Во-вторых, снизить экологический ущерб от изливов кислых шахтных вод.

Список литературы

1.Максимович Н.Г., Черемных Н.В., Хайрулина Е.А. Экологические последствия ликвидации Кизеловского угольного бассейна // Географический вестник. – 2006. – № 2. – С. 128–134.

2.Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафтов: учеб.

пособие. – М.: Астрея–2000, 1999. – 786 с.

78

3.Способ нейтрализации кислых шахтных вод и установка для его нейтрализации: пат. 2293063 Рос. Федерация МПК С02F 1/66 С02F 103/10 / Н.Г. Максимович, В.Н. Басов, С.Б. Холостов. Опубл. 10.02.2007. Бюл. № 4. – 7 с.

4.Зверева Н.И., Пугин К.Г. Использование отходов металлургического завода в качестве пересыпного материала на полигоне ТБО // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11–6. – С. 1455–1458.

Об авторах

Волкова Марина Валерьевна – магистр кафедры охраны ок-

ружающей среды, Пермский национальный исследовательский поли-

технический университет, e-mail: mari_703@mail.ru.

Сахабиева Айсылу Рафилевна – магистр кафедры охраны ок-

ружающей среды, Пермский национальный исследовательский поли-

технический университет, e-mail: sahabiewa.ajsylu2010@yandex.ru.

Ефремчик Марина Сергеевна – магистр кафедры охраны ок-

ружающей среды, Пермский национальный исследовательский поли-

технический университет, e-mail: mefremchik@yandex.ru.

Пугин Константин Георгиевич – кандидат технических наук,

доцент кафедры автомобилей и технологических машин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: 123zzz@rambler.ru.

79

УДК 630*116.64

В.С. Ворсин, Н.Л. Коробова

ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ГОРОДА МАГНИТОГОРСКА К ДЕЙСТВИЮ ЩЕЛОЧНОГО АЭРОЗОЛЯ В СВЯЗИ С ЗАДАЧАМИ «ЗЕЛЕНОГО» СТРОИТЕЛЬСТВА

Рассмотрена чувствительность годового прироста веток сосны обыкновенной к воздействию щелочных выбросов предприятий черной металлургии. Описаны основные источники щелочного аэрозоля в пределах города Магнитогорска. Даны рекомендации по совершенствованию методов реабилитации промышленных урбосистем с черной металлургией с помощью зеленого строительства. Сосна обыкновенная не рекомендуется к использованию в «зеленом» строительстве промышленных урбосистем с черной металлургией.

Ключевые слова: черная металлургия, урбосистемы, щелочной аэрозоль, хвойный опад, годовой прирост веток, биоиндикация, фитоценозы, «зеленое» строительство, сосна обыкновенная.

V.S. Vorsin, N.L. Korobova

SENSITIVITY OF PINUS SYLVESTRIS PLANTATIONS

TO LIME-DOLOMITE AEROSOL INFLUENCE IN CONNECTION WITH PROBLEMS OF “GREEN” BUILDING IN MAGNITOGORSK

In the article the sensitivity of annual Pinus Sylvestris branches growth to ferrous metallurgy lime-dolomite ejection influence is devoted. Major lime-dolomite aerosol sources on the territory of Magnitogorsk are written. Recommended improvements of ferrous metallurgy urban systems rehabilitation methods using the principles of green building. Pinus Sylvestris is not recommended in “green” building of ferrous metallurgy urban systems.

Keywords: ferrous metallurgy, urban systems, lime-dolomite aerosol, coniferous litter, annual growth of branches, bioindication, plant communities, “green” building, Pinus Sylvestris.

Лесопосадки в пределах городских урбосистем играют важную роль в процессах реабилитации окружающей среды. Они выделяют O2 и фитонциды, поглощают CO2, NO2, SO2, снижают запыленность воз-

80