Изучение компонентного и дисперсного состава пылевых выбросов предприятий металлургического комплекса для задач оценки экспозиции населения

Автор: Загороднов Сергей Юрьевич, Кокоулина Анастасия Александровна, Попова Екатерина Владимировна

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Здоровье населения, качество жизни и социально-гигиенический мониторинг

Статья в выпуске: 5-2 т.17, 2015 года.

Бесплатный доступ

В статье представлены результаты исследований дисперсного состава твердых компонентов выбросов основных пылеобразующих технологических операций крупных предприятий металлургического комплекса. Показано, что фракции менее 10 и 2,5 мкм составляют до 88% в общей структуре выбросов пылей. Компонентный состав выбросов пылей соответствует специфике предприятий и содержит соединения металлов и другие токсичные примеси. Морфологические характеристики пылевых выбросов позволили более точно установить значения коэффициента оседания F. Проведены расчеты рассеивания пылевых выбросов с учетом мелкодисперсных пылей РМ10 и РМ2,5 и определены их зоны покрытия по территории. Повышенный уровень концентраций мелкодисперсных пылей в приземном слое атмосферы подтверждает необходимость внедрения в практику нормирования РМ10 и РМ2.5.

Еще

Предприятие, черная и цветная металлургия, пыль, выброс, мелкодисперсные частицы, фракционный состав, рм2, рм10, экспозиция

Короткий адрес: https://sciup.org/148204079

IDR: 148204079

Текст научной статьи Изучение компонентного и дисперсного состава пылевых выбросов предприятий металлургического комплекса для задач оценки экспозиции населения

тыс. жителей) – ВСМПО «Ависма»; г. Соликамск (96,3 тыс. жителей) - ОАО «Соликамский магниевый завод»; г. Чусовой (50,5 тыс. жителей) – ОАО «Чусовской металлургический завод». Уровень загрязнения атмосферного воздуха этих городов по данным Пермского ЦГМС – филиал ФГБУ «Уральское УГМС» на протяжении последних десятилетий практически постоянно характеризуется как «высокий» или «очень высокий» (индексы загрязнения атмосферы за 2010-2013 гг. колебались в диапазоне от 7,0 до 16,5) [2]. Превышения нарушения гигиенических нормативов содержания взвешенных веществ (соответственно пылей) регистрируются систематически. Так, в г. Соликамске в 2013 г. на постах, расположенных наиболее близко к промышленной зоне, около 37% суточных измерений (110 проб из 296) взвешенных веществ в атмосфере превышали ПДКс.с. (до 2,7ПДКс.с.). В Березниках на посту наблюдения регистрируются превышения как разовых, так и среднесуточных концентраций взвешенных веществ (до 2,5 ПДКм.р. и 2,0 ПДКс.с.). При этом контроль содержания наиболее опасных мелких нормируемых фракций с размерами менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5) в городах Пермского края не ведется. Дисперсный и компонентный состав промышленных пылей не учитывается ни при формировании нормативов выбросов предприятий, ни при обосновании санитарно-защитных зон, несмотря на утверждение в 2010 г. гигиенических нормативов содержания в атмосферном воздухе частиц РМ10 и РМ2.5 и включение мелкодисперсных частиц в перечень вредных (загрязняющих) веществ, подлежащих государственному учету и нормированию» [3, 4].

Исследования компонентного и дисперсного состава выбросов комплекса технологических процессов металлургических производств, производства чугуна, стали и цветных металлов, проведенные в 80-е годы, указывают на высокую степень дисперсности - в среднем пылевые частицы имеют размер от 0.1 до 100 мкм [5]. Развитие производственной базы, появление современных технологий и использование новых химических компонентов не позволяют применить данный опыт для установления зон влияния предприятий и определения уровня пылевой экспозиции населения, попадающего под воздействие.

Ц ель работы: проведение комплексных исследований компонентного и дисперсного состава пылевых выбросов предприятий металлургического комплекса для решения задач оценки экспозиции населения, проживающего в зоне влияния.

Материалы и методы исследования. Для достижения цели исследования был изучен технологический процесс 3-х предприятий металлургического комплекса, и определены основные источники пылевыделения. Отбор проб проводили непосредственно в местах образования пыли, на минимальном расстоянии от источника выделения пылегазовых выбросов. Для каждой точки было отобрано по 3 пробы воздуха (всего проанализировано 114 проб, отобранных на 38 технологических процессах). Определение дисперсного состава пылевых выбросов осуществляли с применением лазерного анализатора частиц Microtrac S3500 (охватываемый диапазон размера частиц от 20 нм до 2000 мкм). Для микроскопирования пылей с целью установления формы частиц и определения компонентного состава пылевых выбросов использовали сканирующий электронный микроскоп высокого разрешения (степень увеличения – от 5 до 300000 крат) с рентгено-флуоресцентной приставкой S3400N «HITACHI». Определение химического состава выполняли с применением рентгенофазового анализа на дифрактометре XRD-700 «Shimadzu» на базе центра коллективного пользования Пермского национального исследовательского университета.

На примере крупного металлургического предприятия расчетным методом выполняли оценку экспозиции населения к пылям. Расчеты рассеивания проводились с использованием программного продукта УПРЗА «Эколог», версия 3.0, реализующего положения «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86) [6]. Аэродинамические параметры источников выбросов, их координатную привязку и массовые характеристики пылей (как пылей, нормируемых по химическому составу, так и взвешенных веществ) принимали в соответствии c материалами инвентаризации источников выбросов загрязняющих веществ исследуемого предприятия. Максимальные приземные концентрации суммы твердых частиц, РМ 2,5 и РМ 10 в атмосферном воздухе определяли в точках ближайшей жилой застройки и по регулярной сетке, охватывающей территорию расположения предприятия и близлежащую жилую застройку, шаг сетки по оси X и по оси Y = 50 м. Для пылевых выбросов с установленным дисперсным составом были подобраны уточнённые коэффициенты скорости оседания частиц F [7], что было использовано при прогнозировании экспозиции.

Результаты исследования. Были исследованы выбросы 38 технологических операций, характеризующихся интенсивным пылевыделе-нием. В результате были получены данные о содержании фракций РМ 10 и РМ 2,5 в рассматриваемых выбросах (табл. 1).

Таблица 1. Дисперсный состав выбросов технологических операций предприятий металлургического комплекса

Производственные участки пылеобразования	РМ 10 (%)	РМ 2.5 (%)	Медианный размер частиц, мкм
Производственные участки пылеобразования	объёмный % фракций от общего объема частиц
загрузка колошниковой шихты грейфером	24.77±3.72	5.40±0.81	40
загрузка моношихты грейфером	9.19±1.38	–	80
загрузка металлургического шлака грейфером	55.52±8.33	44.46±6.67	4
смешение шихты	31.14±4.67	11.40±1.71	30
спекание агломерата	8.43±1.26	2.93±0.44	200
выгрузка агломерата (после спекания)	15.41±2.31	5.24±0.79	200
мешалка (приготовление смеси для укладки форм)	13.67±2.05	1.65±0.25	20
электросталеплавильная печь	38.22±5.73	16.71±2.50	20
выпуск чугуна (литейный двор)	84.34±12.65	78.53±11.78	1
выпуск шлака (литейный двор)	53.9±8.09	17.56±2.63	8.5

Продолжение таблицы 1
продувка чугуна в конвертере	10.79±1.62	1.22±0.18	20
прокат заготовок на стане	26.87±4.03	12.06±1.81	40
печь обжига извести во вращающейся печи	40.98±6.15	6.06±0.91	10
выплавка феррованадия (электросталеплавильная печь)	26.95±4.04	4.71±0.71	20
рубка стали	29.44±4.42	12.79±1.92	20
дробемётная камера (обработка рессор дробью)	47.91±7.19	35.51±5.33	10
загрузка NbOH 5 в формы (участок парового гидролиза)	76.43±6.13	56.7±4.50	2
выгрузка готовой продукции из форм (Nb 2 O 5 ) (участок парового гидролиза)	16.69±2.67	13.69±2.20	296
выгрузка готовой продукции (редкоземельных металлов)	85.60±5.92	20.34±1.40	6.5
приготовление раствора соды	9.88±4.65	1.63±0.80	74
рафинирование Mg, приготовление сплавов	0.56±0.22	–	148
рзмол флюса	19.96±1.57	2.14±0.20	31
размол серы	18.79±3.67	3.33±0.70	31
разливка металла (Mg) на литейном конвейере	15.53±2.35	4.55±0.70	31
слив ШЭС из скрапного тигля в технологический короб	0.51±0.18	–	105
чистка фильтров (хлор после электролиза)	38.63±5.18	11.66±1.60	19
подъем и наполнение расходных бункеров	–	–	980
выгрузка в бункер (известь для нейтрализации хлора) известь после обжига	30.13±8.34	5.97±1.70	19
загрузка CaF 2	30.98±3.71	3.35±0.40	19
выгонка карналлитовой пыли с в/печей	44.48±6.54	9.75±1.40	11
загрузка хлораторов шихтой	28.99±4.72	9.02±1.50	16
транспортировка карналлита на печи КС	27.60±6.18	15.31±3.40	62
транспортировка карналлита с печи КС	41.05±9.55	8.04±1.90	13
выбивка титановой губки	88.43±6.92	11.57±0.90	3.27
чистка реторты после выпресовки титановой губки	18.29±3.27	81.71±14.60	37
рубка титановой губки на дробилке	11.83±1.87	88.17±13.90	44
рассев титановой губки на барабанном грохоте	49.43±13.06	50.57±13.40	10.5
дробление титановой губки на дисковой дробилке	26.52±5.82	73.48±16.10	26.16

Рис. 1. Компонентный состав выбросов от проката заготовки на стане

Рис. 2. Изображения частиц пыли, выбрасываемых предприятиями металлургического комплекса (х2000 и х1000 соответственно)

Результаты исследования дисперсного состава показали, что в выбросах рассматриваемых предприятий доля частиц размером до 2,5 мкм включительно составляет от 0,0 до 88,17%, частиц размером менее 10 мкм включительно – от 0,0 до 88,43%. Медианные размеры частиц отобранных образцов составляют от 1 до 980 мкм. Наибольшая доля мелкодисперсных частиц зарегистрирована на стадиях: выпуск чугуна, выгрузка готовой продукции РЗМ и выбивка титановой губ-ки.Основную долю компонентного состава выбросов (более 50%) составляют токсические примеси и оксиды металлов: железа, алюминия, свинца, титана, меди, марганца, цинка, хрома, что соответствует специфике предприятий. Пример спектрограммы, характеризующей компонентный состав от проката заготовки на стане, представлен на рис. 1.

По морфологическим признакам изученные частицы, в зависимости от особенности технологического процесса, имеют неправильную, раздробленную, угловатую, округлую формы. Последнее было учтено при расчете коэффициента скорости оседания пыли, учитывающего форму частиц [7]. На рис. 2 представлены примеры изображений пылевых частиц, выбрасываемых в атмосферный воздух металлургическими предприятиями.

Результаты расчетов рассеивания выбросов показали, что учет компонентного и дисперсного состава существенно меняет представление о зонах влияния пылевых выбросов промышленного объекта, а соответственно и об экспозиции населения. На примере одного из рассмотренных предприятий: если выполнять оценку экспозиции отдельно для железа оксида (код 123), марганца (код 143), свинца (код 184), пыли неорганической: до 20% SiO2 (код 2909), как это на текущий момент позволяет нормативнометодическая документация, ситуацию следует оценивать, как благополучную, на границе санитарно-защитной зоны уровни содержания примесей не превышают 0,30 ПДКм.р. Если же рассматривать в целом всю твёрдую составляющую выбросов, а также отдельно учитывать РМ10 и РМ2.5, то расчётные приземные концентрации мелкодисперсных частиц достигают 0,97 ПДКм.р., что указывает на более высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха. В зоне установленной экспозиции на настоящий момент проживет более 200 человек, в том числе около 20 детей (рис. 3, 4, табл.2). Изолиния уровня 1 ПДКм.р. РМ10 выходит за границу промышленной площадки предприятия. Полученные расчетные данные требуют инструментального подтверждения.

Рис. 3. Изолинии рассеивания пыли неорганической до 20% SiO 2 , без учета дисперсности

Рис.4. Изолинии рассеивания твердых частиц: (сумма твердых частиц менее 10 мкм (РМ 10 ))

В целом полученные результаты являются основанием, как для актуализации подходов к проведению инвентаризации источников выбросов предприятий металлургического комплекса, так и для внедрения в практику учета РМ 10 и РМ 2,5 при нормировании выбросов и разработке проектов санитарно-защитных зон. Высокой уровень концентраций мелкодисперсных частиц на границе санитарно-защитной зоны предприятия позволяет предположить наличие рисков формирования нарушений функций органов дыхания у населения, постоянно проживающего вблизи предприятия, а также других отклонений в состоянии здоровья, характерных для воздействия мелкодисперсных частиц. Данные исследования позволяют более точно оценить риски для здоровья населения, сформировать доказательную базу реализации этих рисков и обосновать соответствующие санитарно-гигиенические меры по минимизации рисков.

Таблица 2. Приземные концентрации твердых частиц выбросов металлургического предприятия в точках на границе санитарно-защитной зоны и жилой застройки

№ расчетной точки	Координаты, м		Загрязняющие вещества, доли ПДК м.р.
№ расчетной точки	X	Y	РМ 10	РМ 2,5	FeO (123)	Mn (143)	Pb (184)	Пыль неорганическая: до 20% SiO 2 (2909)
1	-1474	710	0.31	0.16	0.05	0.06	0.006	0.07
2	-1305	937	0.33	0.18	0.06	0.07	0.007	0.09
3	-1015	991	0.38	0.21	0.07	0.10	0.01	0.12
4	-819	1085	0.42	0.25	0.09	0.12	0.01	0.14
5	-627	1310	0.52	0.32	0.12	0.14	0.02	0.18
6	-394	1486	0.59	0.39	0.14	0.16	0.02	0.20
7	-186	1697	0.52	0.35	0.12	0.15	0.02	0.17
8	98	1785	0.48	0.30	0.11	0.14	0.02	0.16
9	378	1692	0.50	0.27	0.12	0.15	0.02	0.19
10	626	1523	0.54	0.30	0.13	0.16	0.03	0.22
11	855	1330	0.47	0.35	0.12	0.15	0.04	0.19
12	1021	1082	0.51	0.43	0.11	0.14	0.06	0.17
13	1078	788	0.67	0.56	0.10	0.13	0.09	0.16
14	1087	489	0.91	0.67	0.11	0.12	0.14	0.16
15	1051	191	0.97	0.67	0.15	0.18	0.12	0.22
16	893	-47	0.75	0.63	0.14	0.12	0.09	0.18
17	676	-232	0.60	0.51	0.09	0.21	0.06	0.13
18	408	-330	0.74	0.70	0.13	0.30	0.05	0.14
19	112	-374	0.54	0.53	0.08	0.14	0.04	0.12
20	-184	-347	0.42	0.34	0.08	0.09	0.03	0.14
21	-463	-237	0.43	0.25	0.08	0.09	0.02	0.16
22	-740	-123	0.38	0.20	0.07	0.08	0.02	0.13
23	-1015	-3	0.35	0.19	0.06	0.07	0.01	0.10
24	-1246	185	0.33	0.17	0.05	0.06	0.008	0.09
25	-1437	416	0.31	0.16	0.05	0.06	0.007	0.08

Выводы:

1. Проведенные исследования доказывают наличие мелкодисперсных пылей РМ 10 и РМ 2,5 в выбросах металлургических предприятий. Пылевые
2. Учет дисперсного состава пылевых выбросов позволяет установить реальные концентрации
3. В данном рассмотренном примере расчетная оценка экспозиции свидетельствует о высоких уровнях концентраций PM 10 на границе санитарно-защитной зоны и в ближайшей жилой застройке. Превышений гигиенических нормативов РМ 10 и РМ 2,5 не установлено.
4. Полученные расчетные данные требуют инструментального подтверждения.
5. Результаты исследования ещё раз подтвердили необходимость учёта фракционного состава выбросов загрязняющих веществ при проведении инвентаризаций источников выбросов, дальнейшего нормирования выбросов и установления границ санитарно-защитных зон промышленных предприятий.

выбросы предприятий содержат до 88% частиц размером РМ 10 и РМ 2,5 .

мелкодисперсных частиц, формирующиеся на границе санитарно-защитной зоны предприятия и местах проживания населения.

Список литературы Изучение компонентного и дисперсного состава пылевых выбросов предприятий металлургического комплекса для задач оценки экспозиции населения

Протасов, В.Ф. Экология, здоровье и природопользование в России/В.Ф. Протасов, А.В. Молчанов. -М.: Финансы и статистика,1995. 528 с.
Доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Пермского края в 2013 году». -Пермь, 2014 г.
Дополнение №8 к ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».
Приказ Министерства Природных Ресурсов РФ № 579 от 31.12.2010 «О порядке установления источников выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, подлежащих государственному учету и нормированию, и о перечне вредных (загрязняющих) веществ, подлежащих государственному учету и нормированию».
Скрябина, Л.Я. Атлас промышленных пылей. Часть 1. Летучая зола тепловых электростанций. -М.: Цинтихимнефтемаш; 1980, 50 с. Часть 2. Пыли предприятий металлургии, машиностроения и строительной промышленности. -М.: Цинтихимнефтемаш; 1981, 39 с. Часть 3. Пыли предприятий химической и пищевой промышленности. -М.: Цинтихимнефтемаш; 1982, 63 с.
ОНД-86 Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ/ГГО им. Воейкова. -Л., 1987. -64 с.
Май, И.В. Методические подходы к учёту скорости оседания различных пылевых фракций для задач оценки экспозиции населения мелкодисперсными частицами/И.В. Май, А.А. Макс, С.Ю. Загороднов, В.М. Чигвинцев//Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14, № 5(3). С. 971-975.

Еще

Статья научная