Совершенствование управления экологической безопасностью на основе исследования атмосферных выпадений в районе влияния производства алюминия

Байкальский регион расположен в центре Восточной Сибири на территории в основном с практически ненарушенными природными экосистемами за исключением локальных участков в районах расположения городов, лесозаготовительных, обогатительных горно-добывающих предприятий, нефтяных, газовых месторождений. Ненарушенные территории – основа устойчивого экологического равновесия как в регионе, так и в Северном полушарии в целом. В этой связи необходимо принимать меры по сокращению и предотвращению загрязнения ОС на любых стадиях хозяйственной деятельности.

Частью Байкальского региона является Иркутская область. В Иркутской области находятся два действующих (Братск, Шелехов) и строящиеся алюминиевые заводы в г. Тайшете, пос. Богучаны. Иркутская область расположена в трех природных зонах: зона тайги (подзоны северной, средней и южной) занимает основную часть территории. Зона лесостепей и горный комплекс занимают около трети территории Иркутской области. Братск – молодой город (основан в 1955 г.), крупный промышленный центр, расположен на берегу Братского водохранилища, образовавшегося в результате перекрытия р. Ангары. Повторяемость направлений ветра в районе Братска и в районе Шелехова такова, что выбросы основной промышленной площадки направлены на городские территории. Город Шелехов – промышленный и культурный центр. ИркАЗ расположен рядом с г. Шелехов и на расстоянии 45 км от Байкала.

Результаты и обсуждение исследования

В производстве алюминия расходуется значительное количество фтористых солей, в связи с чем представляет интерес определить, какое количество фтора поступило в производство на Братский и Иркутский алюминиевые заводы. На основании расходных коэффициентов сырья [1] и количества произведенного первичного алюминия, по нашим расчетам, с 1962 г. на территорию Байкальского региона с сырьем для алюминиевых заводов поступило примерно 1,25 млн т фтора, 0,14 млн т серы и около 1,25 млн т натрия (табл. 1).

Учитывая то, что фтористые соли, поступают в производство, но не содержатся в произведенной продукции алюминиевых заводов, можно предположить, что более 1 млн т находится на территории Байкальского региона в той или иной форме и может поступать в поверхностные воды. Известно, что содержание фтора в воде Байкала не превышает 0,2 мг/л [2], ПДК в питьевой воде – 0,70–1,5 мг/л [3]. Таким образом, можно отметить недостаток фтора в воде Байкала и Ангары. По данным ежегодника [4], в 2006 г. в атмосферный воздух Братска поступило 1,465 тыс. т HF и 1,859 тыс. т твердых плохо растворимых фторидов. С учетом расхода фтора

Таблица 1. Приход F, Na, S с сырьем для производства первичного алюминия в Байкальский регион. 1962-2013 гг. (примерный расчет)

Ингредиент	Удельный расход, кг/Al	Произведено алюминия, тыс. т		Поступило в Байкальский регион
		С 1962 г. на ИркАЗе	С 1966 г. на БрАЗе
Фтор	≈ 25 [1]	≈ 13800	≈ 36000	1,25 млн т
Сера	≈ 2,8 (0,5 % S в аноде)			0,14 млн т
Натрий	≈ 25 [1]			1,25 млн т

25 кг/т алюминия [1] и выпуска примерно 970 000 т алюминия приход фтора на завод составит 24,250 тыс. т. Таким образом, в атмосферу города поступило ≈13,7 % фтора от прихода фтора в производство.

Наряду с фтором при производстве алюминия выбрасывается значительное количество соединений серы. По данным [1], основным источником поступления серы является анодная масса, в которой содержание серы может достичь 1,3-3,5 %. С учетом изменения сырьевой базы содержание серы в анодной массе будет увеличиваться и, возможно, что увеличатся выбросы при существующей технологии очистки. Расход анода составляет примерно 560 кг на тонну алюминия. Выбросы SO2 на БрАЗе составили 3152 т в 2009 г. или 20 % от прихода серы в производство (1,5 % S в анодной массе). [5]. Наряду с фтором и серой поступает в производство алюминия натрий в составе: каустической соды, глинозема (0,2 % натрия и калия), фторида натрия, искусственного (технического), регенерационного или флотационного криолита.

В дальнейшем в технологическом цикле при производстве алюминия происходит трансформация исходного сырья и различные фтор-, серо- и натрийсодержащие соединения локализуются или рассеиваются в окружающей среде в виде твердых, жидких, газообразных отходов.

Для достижения цели управления экологической безопасностью района целесообразно рассмотреть несколько объектов исследования в их связи: технологию получения первичного алюминия, производство ферросплавов, лесопромышленное производство, автотранспорт; снежный покров, атмосферный воздух, осадки дождя и снега, аэрозоли; климатические, синоптические, метеорологические условия в районе размещения производств. В работе использовали следующие методы исследований: снегохимическая съемка [6, 7], численное моделирование, расчет материальных потоков элементов в технологии производства алюминия и объектах окружающей среды, гис-технологии. Одной из характеристик состояния окружающей среды является рН [8, 9] (водородный показатель) и микро- и макроэлементный химический состав фильтрата снежного покрова.

В Братске в марте 2013 г. проведена снегосъемка и установлены некоторые закономерности. Так, изменение рН снежного покрова зависит от содержания серы, натрия (рис. 1). Известно, что рН чистых атмосферных осадков равна 5,5 – 6,5 [10], но содержание серы в снежном по-

а

б

Рис. 1. Изменение рН о содержания S (а), Na (б) в фильтрате снеговой воды. Братск, март 2013 г.

Рис. 2. Содержание серы в фильтрате снеговой воды и расстояние от БрАЗа, март 2013 г.

крове связано не только с деятельностью БрАЗа. Есть иные источники, о чем свидетельствует отсутствие корреляции между содержанием серы и расстоянием от завода в данной области исследования на расстоянии до 11 км (рис. 2).

Величина рН атмосферных осадков и снеговой воды обычно обусловлена в основном присутствием карбонатов, сульфат-ионов и т.д. [10]. Высокая величина рН в снежном покрове (рис. 3) района исследования в 2014 г. обусловлена применением каустической соды в технологии «мокрой» газоочистки выбросов на БрАЗе; кроме того, натрий входит в состав материалов для производства целлюлозы (БЛПК). По данным О.В. Игнатенко [11], рН талой снеговой воды из образцов, отобранных на территории Центрального округа Братска, включающего площадку БЛПК, расположенную на расстоянии 1-2 км от жилых домов, находиться в интервале от 7,8 до 7,94.

По мнению авторов [11], максимальные значения рН – 7,65 и 7,94 – наблюдаются в зоне воздействия выбросов предприятий ОАО «Группа «Илим». Таким образом, наличие натрийсодержащих примесей в атмосфере пока предотвращает опасное закисление атмосферных осадков и снежного покрова.

На основании экспериментальных данных по интенсивности нагрузки ионов фтора на снежный покров в районе влияния выбросов ИркАЗа и модели осаждения атмосферных аэрозолей также выполнен прогноз скорости коррозии Ст. 3 в районе выбросов [12].

Одним из методов геоэкологии является построение карт распределения загрязняющих веществ.

Построение карт изолиний позволяют выявить основные источники выбросов и т.д. (рис. 3). На картосхеме отображены изолинии и локальные максимумы рН, соответствующие точкам отбора проб с максимальными значениями и приуроченные к промышленным объектам. На современном уровне развития информационных технологий оптимальным выбором для информирования заинтересованных специалистов являются веб-средства представления результатов наблюдения. Известно, что на основе интернет-ресурса или авторской программы можно создать новую технологию представления результатов. Желательно применять технологии, которые предполагают наличие динамического визуального интерфейса, позволяющие масштабировать изображение, менять растровые подложки, сопоставлять в рамках одной карты результаты исследований разных процессов и явлений. Такой подход создает качественно новый уровень обработки результатов наблюдений и выступает важным инструментом систе- – 478 –

Рис. 3. Распределение рН в снежном покрове г. Братска, март 2014 г.

Рис. 4. Зависимость содержания ионов фтора в атмосферных осадках дождя от температуры приземного слоя воздуха для различных интервалов количества осадков в день. Цифрами обозначены линии регрессии для соответствующих интервалов (1 – 0-1,0 мм/день; 2 – 1,0 -2,0 мм/день; 3 – 2,0-3,0 мм/день; 4– 3,0-4,0 мм/день; 4– 4,0-5,0 мм/день)

мы технолого-экологического мониторинга. В основе применяемых технологий должны находиться достоверные данные системных натурных наблюдений за изменением показателей в окружающей среде в корреляции с фактическими условиями того или иного периода (применяемое сырье, скорость ветра, количество осадков, температура воздуха [12] и т.д.). Так, содержание фтора в осадках дождя зависит от температуры атмосферного воздуха, эта корреляция проявляется, если учесть количество осадков (рис. 4). Чем ниже температура атмосферного воздуха, тем выше концентрация. Можно сделать вывод, что фториды в атмосфере находятся преимущественно в форме газообразных соединений в данной точке измерений, т.к. известно, что при понижении температуры растворимость газов увеличивается. Не учитывая эти и другие метеорологические факторы, можно сделать некорректный вывод, например, о динамике содержания фтора в осадках дождя, снега или снежном покрове.

Выводы

В г. Братске в марте 2013 г. проведена снегохимическая съемка, исследован химический состав, построена карта изменения рН в снежном покрове, показано влияние температуры на содержание фтора в осадках дождя. Таким образом, применение в качестве объекта исследования снежного покрова и атмосферных выпадений позволит совершенствовать промышленный мониторинг и скорректировать принятие технологических решений для минимизации негативного воздействия технологий, т.е. улучшить управление экологической безопасностью производств, что позволит повысить эффективность производства и улучшить качество жизни населения.

Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке, ФЦП № 847 от 21.08.2012 г., государственного задания 127/2014 Министерства образования и науки.