Оценка экспозиции населения к мелкодисперсной пыли в зонах влияния выбросов промышленных стационарных источников

Опасность пылевых частиц для здоровья человека подтверждена данными многолетних отечественных и зарубежных исследований [6, 9, 13–15, 17, 22]. Установлено, что размер частиц – это важный фактор их воздействия на здоровье, наряду с химическим составом и формой [13, 14, 22]. Доказано, что наибольшую угрозу с точки зрения воздействия на здоровье представляют именно частицы мелких фракций – размерами менее 10 (РМ 10 ) и 2,5 мкм (РМ 2,5 ), что обеспечивает их долгое присутствие в атмосфере, перенос на большие расстояния и способность проникать в нижние отделы дыхательных путей, доходить до бронхов и альвеол [9, 15, 17].

На сегодняшний день на территории Российской Федерации корректная оценка экспозиции населения к мелкодисперсной пыли затруднена, что обусловлено недоста- точностью актуальных данных о дисперсном составе пылевых выбросов промышленных предприятий. Имеющие сведения не полностью соответствуют современному уровню развития технологических процессов и применяемого сырья [10]. Положение Приказа Минприроды РФ № 579 от 31.12.2010 г. «О порядке установления источников выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, подлежащих государственному учету и нормированию, и о Перечне вредных веществ, подлежащих государственному учету и нормированию», в котором утвержден регламент нормирования выбросов пыли с учетом дисперсности, реализуется крайне слабо. К примеру, по данным Управления Роспотребнадзора по Пермскому краю, на территории Прикамья к 2013 г. ни одно из промышленных предприятий не включило дан-

ные о дисперсном составе пылевых выбросов в ведомости инвентаризации источников выделения и выбросов и, соответственно, при разработке нормативов предельно допустимых выбросов и проектировании санитарно-защитных зон мелкодисперсные пыли не рассматривались.

Сложившаяся ситуация не позволяет выполнить корректную гигиеническую оценку вероятного воздействия загрязнения атмосферного воздуха в зонах влияния стационарных источников выбросов твердых частиц промышленных предприятий.

Цель исследования состояла в отработке методических подходов к оценке экспозиции населения мелкодисперсной пылью в зонах влияния промышленных стационарных источников выбросов на базе наукоемкого анализа дисперсного и компонентного состава отходящих пылегазовых смесей.

Для достижения поставленной цели были последовательно решены задачи по установлению фракционного состава пылегазовых выбросов с выделением нормируемых фракций РМ 2,5 и PM 10 ; определению массы выбросов частиц РМ 2,5 и РМ 10 (г/с, т/год); обоснованию корректных коэффициентов седиментации в зависимости от дисперсного состава пылей и условий выбросов; а также по оценке экспозиции населения в зонах влияния источников.

Объектами исследования являлись предприятия машиностроительной, горнодобывающей и металлургической отраслей на территории г. Перми и Пермского края.

Материалы и методы. Технологические процессы промышленных предприятий исследовали методом анализа технической документации с последующим выездным обследованием производственных объектов для выявления источников пыле-образования и пылевыделения, анализа их технологических особенностей и условий функционирования. На источниках выделения пыли проводили прямые инструментальные исследования выбросов. Пробоот-бор осуществляли с применением двухциклонного сепаратора с последовательными ступенями отделения частиц различных фракций и фильтров с соответствующими размерами пор и свойствами, позволяющими максимально сохранить дисперсный состав выбросов. Продолжительность отбора проб определялась интенсивностью пылевыделения на источнике и составляла от 2 до 20 мин при скорости отбора – 20 дм3/мин. Отбор проб воздуха проводили на расстоянии, максимально приближенном к источнику пылевыделения. Для каждого источника осуществляли по 5 повторностей отбора, формировали объединённую (усредненную) пробу, для которой выполняли все измерения.

Оценку общей массы пыли, выбрасываемой в единицу времени, выполняли гравиметрическим методом.

Определение дисперсного состава пылевых выбросов осуществляли с применением лазерного анализатора частиц Microtrac S3500 (охватываемый диапазон размера частиц от 20 нм до 2000 мкм). На основании результатов, полученных при определении дисперсного состава, вычисляли массовую концентрацию фракций частиц РМ 2,5 и РМ 10 .

Форму пылевых частиц устанавливали с применением сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения (степень увеличения – от 5 до 300 000 крат; ускоряющее напряжение – от 0,3 до 30 кВ) с рентгено-флюоресцентной приставкой S3400N HITACHI (предел обнаружения – порядка 10–5 мас.%, минимальная область исследования – 100 мкм) на базе Центра коллективного пользования Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Количественную оценку частиц нормируемых фракций проводили путём определения их максимальных разовых (г/с) и валовых (т/год) выбросов в соответствии со стандартными методиками [6].

Выбор корректного коэффициента скорости оседания (седиментации, F) пылей осуществляли на стадии подготовки к расчетам рассеивания выбросов мелкодисперсных частиц от источников предприятий как отношение между скоростью оседания частиц с определённым размером к опасной скорости ветра, которая определяется расчётным путём в соответствии со стандартизованными методиками. Скорость осаждения частицы сферической формы определяли по формуле, описывающей закон Стокса, где скорость оседания частиц зависит от их диаметра и плотности, а также от свойств среды, в которой происходит осаждение. Форму частиц, установленную с использованием электронной микроскопии, учитывали в формуле закона Стокса через эквивалентный диаметр, который определяли через коэффициент χ, имеющий значения от 1 до 2,9 [4].

Расчеты рассеивания каждой фракции пылей проводили с использованием стандартизированных методов, применяемых в России [7], и программных средств, реализующих алгоритм распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Расчёты выполняли в точках на границах санитарнозащитных зон предприятий и в узлах расчётных сеток, охватывающих район расположения предприятий в радиусе до двух километров (зоны прогнозируемого загрязнения).

При оценке экспозиции населения в качестве критериев использовали значения максимальных разовых и среднесуточных предельно допустимых концентраций – ПДК мр и ПДК сс , которые составляют соответственно 0,16 и 0,035 мг/м ³ для РМ 2,5 ; и 0,3 и 0,06 мг/м ³ для РМ 10¹ и гармонизированы с референтными уровнями, рекомендованными Всемирной организацией здравоохранения [9, 21].

Отображение и анализ экспозиции проводили на базе геоинформационной системы ArcGIS 9.3 с использованием векторных карт территорий, содержащих места расположения стационарных источников пылевых выбросов, границы санитарно-защитных зон, жилую застройку, объекты социально-культурного и рекреационного назначения и др., а также данные по численности проживающего населения.

За период 2011–2013 гг. было исследовано более 600 проб пыли, выделяемой технологическими аппаратами, станками и иными источниками, проведено более 20 оценок экспозиции в зонах влияния нескольких промышленных предприятий.

Результаты и их обсуждение. При анализе технологических процессов предприятий установлено:

– на металлургических предприятиях наибольшие объемы выбросов твердых частиц образуются на агломерационном производстве (аглофабрики), при выплавке чугуна, переработке чугуна на сталь, в доменном производстве (доменная печь, рудный двор, литейный двор), в мартеновских цехах, в конвертерных сталеплавильных цехах, на коксохимическом производстве;

– наземные участки горнодобывающих производств характеризуются повышенным пылевыделением от мест пересыпки руды и готовой продукции, комплекса погрузочноразгрузочных работ, грохотов, просеивающих машин, участка размола, конвейеров;

– на машиностроительных предприятиях основными источниками пылеобразова-ния и выделения являются литейные цеха (вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов, участки выбивки и очистки литья), кузнечнопрессовые и прокатные цеха (процессы нагрева и обработки металла), термические цеха (нагревательные печи, дробеструйные и дробометные камеры), гальванические цеха (подготовительные операции, в основном механическая очистка), цеха механической обработки материалов (механическая обработка металлов, древесины, стеклопластиков, графита и др. на станках), участки сварки и резки металлов.

Источниками пыления являются также вспомогательные технологические участки: котельные, ремонтно-механические, ремонтно-строительные цеха и т.д.

Фракционный состав пылевых выбросов технологических процессов металлургических производств представлен в табл. 1.

Таблица 1

Параметры дисперсного состава пылей, образующихся при некоторых технологических операциях металлургических производств

Технологическая операция	Массовая доля частиц, %			Медианный размер частиц, мкм
	менее 2,5 мкм	менее 10 мкм	более 10 мкм
Загрузка колошниковой шихты	5,40	24,77	74,59	40,00
Загрузка моношихты	0,00	9,19	90,81	80,00
Загрузка металлургического шлака	44,46	55,52	42,58	4,00
Смешение шихты	11,40	31,14	68,16	30,00
Спекание агломерата	2,93	8,43	90,59	200,00
Выгрузка агломерата	5,24	15,41	82,33	20,00
Перегрузка руды (местного агломерата)	4,07	25,57	74,43	20,00
Выпуск чугуна	78,53	84,34	15,66	1,00
Выпуск шлака	17,56	53,91	46,12	8,50
Продувка чугуна в конвертере	1,22	10,79	89,21	8,50
Прокат заготовок на стане 370	12,06	26,87	72,15	40,00
Прокат заготовок на стане 550	0,00	8,58	91,42	90,00
Обжиг извести в печи	6,06	40,98	62,67	10,00
Выплавка феррованадия	4,71	26,95	73,05	20,00
Обработка рессоры дробью	35,51	47,91	52,09	10,00
Рубка стали	12,79	29,44	70,56	20,00
Горячая штамповка	1,32	18,01	81,99	80,00
Высверливание стержней	0,37	11,06	88,94	90,00
Отбивка от формовочной смеси	11,36	50,58	49,42	40,00
Выплавка стали в электросталеплавильной печи	16,71	38,22	61,78	20,00
Приготовление смеси в мешалке для укладки форм	1,65	13,67	86,33	20,00

Определено, что для пылей исследованного металлургического предприятия медианные размеры частиц составляли от 1,00 (операция «загрузка шлака») до 200,00 мкм (операция «спекание агломерата»). Доля частиц фракции РМ 2,5 колебалась в диапазоне от 0 до 78 %, РМ 10 – от 8 до 84 % в зависимости от технологической операции и применяемого сырья.

Пример гистограммы, описывающий дисперсный состав пыли, выделяющейся при выпуске шлака, представлен на рис. 1.

В выбросах наземного участка предприятия горнодобывающего производства доля частиц размерами до 2,5 мкм включительно составляла 0–21 %; частиц размерами менее 10 мкм включительно – 0–49 %; частиц размерами более 10 мкм – 51–100 % (табл. 2).

Медианные размеры частиц для разных технологических процессов изменялись в диапазоне от 10,00 до 450,00 мкм.

Фракционный состав выбросов пыли, полученный по результатам исследований на предприятии машиностроительного профиля, представлен в табл. 3. Медианные размеры частиц в выбросах различных технологических процессов металлообработки машиностроительного предприятия колебались в диапазоне от 80 до 300 мкм.

В целом по исследованным технологически операциям выбросы от стационарных источников машиностроительного предприятия содержали от 0 до 13 объемных процентов частиц РМ 2,5 и от 0 до 40 % частиц РМ 10 . Наибольшая доля мелкодисперсных частиц отмечена на участках сварки (до 70 %).

В выбросах всех исследованных производств идентифицировали частицы различных форм: шарообразные, угловатые, продолговатые, пластинчатые, смешанные и др. (рис. 2).

Рис. 1. Гистограмма дисперсного состава пыли от выпуска шлака

Таблица 2

Параметры дисперсного состава пылей, образующихся при некоторых технологических операциях наземного участка горнодобывающего производства

Технологическая операция	Массовая доля частиц, %			Медианный размер частиц, мкм
	менее 2,5 мкм	менее 10 мкм	более 10 мкм
Пересып руды на ленточный конвейер	0,90	2,40	97,60	60,00
Пересып руды на ленточный конвейер	14,61	32,33	67,67	30,00
Пересып руды на ленточный конвейер	13,64	48,65	51,35	10,00
Сушка материала дымовыми газами	0,00	0,00	100,00	60,00
Смешение шихты в конвейерах	6,19	48,41	51,59	10,00
Пересып готовой продукции	2,32	14,90	85,10	80,00
Просеивание руды на грохотах	6,12	36,36	63,64	20,00
Просеивание руды на грохотах	14,25	43,76	56,24	20,00
Сушка гранулята на вибрационной сушильно-охладительной установке	9,51	35,41	64,59	30,00
Просеивание агломерата	19,72	46,46	53,54	20,00
Складирование зернового концентрата	9,84	20,80	79,20	50,00
Складирование зернового концентрата	0,00	0,00	100,00	450,00
Складирование сильвинита	20,90	40,41	59,59	20,00

Таблица 3

Параметры дисперсного состава пылей, образующихся при некоторых технологических операциях машиностроительного производства

Технологическая операция	Массовая доля частиц, %			Медианный размер частиц, мкм
	менее 2,5 мкм	менее 10 мкм	более 10 мкм
1	2	3	4	5
Обработка стальных деталей на плоскошлифовальных станках	0,00	4,93	95,07	300,00
Обработка стальных деталей на отрезных станках	7,07	32,97	67,02	200,00

Окончание табл. 3

1	2	3	4	5
Обработка стальных деталей на заточных станках с алмазным кругом	0,37	15,29	84,71	100,00
Обработка стальных деталей на заточных станках	0,00	2,67	97,33	100,00
Обработка стальных деталей на горизонтальнорасточных станках	0,35	19,77	80,23	200,00
Обработка стальных деталей на сверлильных станках	6,7	13,45	86,55	100,00
Обработка стальных деталей на токарных станках	0,35	12,24	87,76	200,00
Обработка стальных деталей на фрезерных станках	5,22	38,78	61,22	300,00
Обработка стальных деталей на наждаках	5,18	30,01	69,99	100,00
Обработка стальных деталей в галтовочных барабанах	0,55	16,84	83,16	200,00
Обработка стальных деталей в дробеметных камерах	0,00	0,00	100,00	100,00
Обработка неметаллических материалов на токарных станках	0,32	8,78	91,22	100,00
Полуавтоматическая сварка стали в среде углекислого газа	13,46	39,88	60,12	80,00
Полуавтоматическая сварка стали в среде аргона	0,00	2,16	97,84	80,00

Рис. 2. Примеры различных форм пылевых частиц, установленные по результатам электронной микроскопии ( а – шарообразная, б – смешанные, в – продолговатые)

В большинстве случаев в составе пылей было установлено присутствие частиц наноразмерного диапазона (рис. 3).

Рассчитанные для отдельных видов пылей коэффициенты седиментации составляли от 1 до 2,0. В ряде случаев обоснованные коэффициенты в 2,0–2,5 раза отличались от применяемых ранее, когда фракционный состав пылей не был идентифицирован, что существенно влияло на расчет атмосферной диффузии и, соответственно, на значение приземных концентраций примесей.

Расчеты рассеивания пылевых частиц от источников обследованного машиностроительного предприятия с учетом полу-

Рис. 3. Электронная фотография пыли, выделяемой при прокате заготовок на стане 550 (ув. х 10 000)

Рис. 4. Изолинии рассеивания пылевых частиц при неблагоприятных метеорологических условиях (штиль; t 20 °С) ( а – без учёта дисперсности; б – с учётом дисперсности)

ченных данных о фракционном составе позволили выявить, что при неблагоприятных метеорологических условиях рассеивания максимальная приземная концентрация РМ 10 на границе санитарно-защитной зоны составила 1,5 ПДК мр . При сопряжении результатов расчётов рассеивания и электронных слоёв, характеризующих население, было установлено, что за границей санзоны предприятия, на территории, где формируется превышение гигиенических нормативов, проживает 1286 человек. Полученные данные позволили пересмотреть ранее выполненные оценки санитарногигиенической ситуации, при которой не было выявлено опасных уровней загрязнения атмосферы (рис. 4).

Полученные данные подтвердили гипотезу о необходимости учета дисперсного состава при обосновании проектов санитарно-защитных зон и нормативов предельно допустимых выбросов, поскольку в зонах влияния источников пылей расстояние в 50, 100, 200 метров в ряде случаев может оказаться значимым с правовой и гигиенической точки зрения [2].

Выводы. Практически все пылегазовые выбросы изученных металлургических, машиностроительных и горнодобывающих производств содержат мелкие фракции пылей – до 80 % РМ 10 и до 40 % РМ 2,5. Дисперсный состав выбрасываемых пылей разнороден и зависит от специфики технологического процесса, его аппаратного оформления, типа сырья и материалов.

В выбросах многих технологических процессов присутствуют частицы нанораз-мерного диапазона, что требует проведения направленных исследований по изучению их воздействия на работающих в частности и на население в целом.

Расчет корректного коэффициента седиментации для пылевых частиц разных фракций и разных свойств позволяет повысить надежность оценки их приземных концентраций и, соответственно, экспозиции населения.

Учёт фракционного состава пылей существенно повышает точность определения зоны влияния источников выбросов и корректность оценки экспозиции населения к опасным фракциям твердых выбросов.

Внедрение оценки фракционного состава пылей в процедуры обоснования нормативов предельно допустимых выбросов и проектирования санитарно-защитных зон должно рассматриваться как инструмент повышения эффективности мер по обеспечению санитарно-эпидемиологического благополучия населения.