CC BY
69
Н. В. Журавлева zhuravleva_nv@zsic.ru
IV. ПРОБЛЕМЫ И СУЖДЕНИЯ PROBLEMS AND OPINIONS
УДК 504.062.2:622.33
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ КУЗНЕЦКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ METHODS OF ASSESSING THE IMPACT OF EXTRACTION AND PROCESSING OF COAL OF THE KUZNETSK COAL BASINON THE ECOLOGICAL STATE OF THE ENVIRONMENT
Н. В. Журавлева - кандидат хим. наук, доцент, заместитель генерального директорапо научной и инновационной деятельности ОАО "Западно-Сибирский испытательный центр", член-корр. Российской Экологической Академии
N.V. Zhuravleva - candidate of chemical sciences, assistant professor, doctoral candidate of RASc Siberian Branch Federal Research Center for Coal and Coalchemistry, deputy general director for scientific and innovational activity of OAO "West Siberian testing center", Novokuznetsk, Russia
Наибольшую нагрузку на окружающую среду Кемеровской области оказывают угледобывающие и углеперерабатывающие предприятия региона, при этом сценарий долгосрочного социально-экономического развития региона показывает дальнейшее увеличение техногенной нагрузки на все компоненты природной среды. В то же время современные природоохранные требования предполагают наличие надежного, научно-обоснованного информационного и методического обеспечения методов оценки влияния добычи и переработки углей Кузнецкого угольного бассейна на экологическое состояние природной среды. В данной работе представлен комплекс мероприятий, выполнение которых способствует решению данной проблемы.
Оценка токсичности вскрышных и вмещающих пород для обоснования безопасного их использования для ликвидации горных выработок должна включать определение валовых, подвижных и водорастворимых форм токсичных элементов. Установлено, что загрязнение водных объектов тяжелыми металлами (Mo, Cu, V, Zn, Mn, As, Cr, Ni, Pb) может происходить за счет вымывания при фильтрации природных водных потоков через массы вскрышных и вмещающих пород.
Показано, что результаты исследований по мониторингу метана и диоксида углерода в источниках выбросов и атмосферном воздухе на границах санитарно-защитных зон предприятий могут быть использованы для формирования отчетности по выбросам парниковых газов и проверки объемов таких выбросов.
Для определения гранулометрического состава тонкодисперсных углеродсодержащих материалов в промышленных выбросах в атмосферу, сточных водах, отходах предложено использовать метод лазерной дифрактометрии.
Определение содержания токсичных полициклических ароматических углеводородов в углях, продуктах их добычи и переработки, геоэкологических объектах позволяет оценить уровень техногенной нагрузки на территорию.
The greatest impact on Kemerovo region environment have coal enterprises in the region, and the scenario of long-term socio-economic region development shows a further increase of anthropogenic impact on all components of the natural environment. At the same time, the modern environmental requirements imply the existence of a reliable, science-based information and methodological support of Kuznetsk coal basin coal extraction and processing influence on the ecological state of natural environment assessment methods. This paper presents a set of measures, the implementation of which contributes to the problem solution.
Toxicity evaluation of overburden and bedding rocks to support the safe use for liquidation of mine workings should include a definition of gross, mobile and water soluble forms of toxic elements. It was found that water pollution with heavy metals (Mo, Cu, V, Zn, Mn, As, Cr, Ni, Pb) can occur due to leaching during the filtration of natural water flows through the masses
of overburden and bedding rocks.
It is shown that monitoring study results of methane and carbon dioxide emission sources and ambient air at enterprises sanitary protection zone boundaries can be used to generate reports on greenhouse gas emissions and to verify such emission volumes.
To determine the size distribution of the fine carbonaceous materials in atmosphere industrial emissions, waste water and wastes it is proposed to use the laser diffraction method. Determination of toxic polycyclic aromatic hydrocarbons in coals and products of coal mining and processing, at geo-ecological sites allows to evaluate the level of anthropogenic impact on the territory.
Ключевые слова: ПРИРОДНАЯ СРЕДА, ДОБЫЧА И ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕЙ, ВСКРЫШНЫЕ И ВМЕЩАЮЩИЕ ПОРОДЫ, ТОНКОДИСПЕРСНЫЕ УГОЛЬНЫЕ ПОРОШКИ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ, ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ, ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Key words: NATURAL ENVIRONMENT, COAL EXTRACTION AND PROCESSING, OVERBURDEN AND BEDDING ROCK, FINE CARBONACEOUS POWDERS, SIZE PARTICLE DISTRIBUTION, GREENHOUSE GAS, POLYSYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS
Особенности геоэкологической обстановки в Кузбассе обусловлены высокой техногенной нагрузкой на территорию, связанной преимущественно с функционированием предприятий горного, гор-но-перерабатывающего и теплоэнергетического комплексов. Наибольшую нагрузку на окружающую среду оказывают угледобывающие и углеперерабатывающие предприятия региона. По оценкам Минприроды России, Кемеровская область входит в список наиболее проблемных субъектов Российской Федерации в части суммарного нанесенного экологического ущерба.
Экологическая ситуация в области продолжает оставаться достаточно напряженной. К числу основных экологических проблем области относятся: загрязнение атмосферного воздуха; загрязнение и истощение водных объектов; несовершенство системы обращения с отходами производства и потребления; загрязнение и деградация почвенно-земельных ресурсов. При этом сценарий долгосрочного социально-экономического развития Кемеровской области показывает дальнейшее увеличение техногенной нагрузки на все компоненты природной среды.
В 2014-2015 гг.. в Российской Федерации были приняты федеральные законы, которые вносят существенные изменения в природоохранное законодательство. Наибольшее количество новых требований, которые уже вступили и будут вступать в силу в 2015-2020 гг., содержит Федеральный закон от 21.07.2014 г. № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1]. Изменение природоохранного законодательства обязывает горнодобывающие и перерабатывающие предприятия осуществлять государственную экологическую экспертизу документации; комплексную оценку воздействий на окружаю-
щую среду; нормирование допустимых загрязняющих веществ на уровне наилучших доступных технологий (НДТ); оснащение источников негативного воздействия средствами автоматизированного контроля; разработку программ экологического контроля и повышения экологической эффективности; предоставлять отчетность об объемах воздействия на окружающую среду и др. [2]. На деятельность предприятий отрасли будет выдаваться комплексное экологическое разрешение. Выполнение новых требований должно обеспечиваться высококачественным экологическим управлением на предприятиях и государственным экологическим контролем и надзором.
Отмеченное предполагает наличие надежного, научно-обоснованного информационного и методического обеспечения методов оценки влияния добычи и переработки углей Кузнецкого угольного бассейна на экологическое состояние природной среды.
Основные природоохранные мероприятия применительно к предприятиям угледобывающей и углеперерабатывающей отрасли заключаются в уточнении перечня загрязняющих веществ, оказывающих существенное влияние на окружающую среду; в определении диапазона концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах в атмосферу для внедрения автоматизированных систем контроля; во внедрении НДТ с учетом выбросов тонкодисперсных взвешенных частиц в атмосферный воздух; в обеспечении экологического мониторинга загрязнения окружающей среды на территориях размещения отходов добычи и переработки угля; в определении уровня концентраций метана, диоксида углерода в источниках выбросов в атмосферу для ведения отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов; в осуществлении рекультивации нарушенных земель и
восстановлении почв. Кроме того, для обоснования безопасного использования вскрышных и вмещающих пород, ликвидации горных выработок необходимо выполнять комплексные исследования их состава и свойств. Для осуществления указанных мероприятий требуется наличие надежных инструментов их практической реализации.
На сегодняшний день работы по оценке экологической нагрузки на окружающую среду предприятиями угледобывающей и углепере-рабатывающей промышленности проводятся по традиционным схемам, которые не изменялись десятки лет и во многом не удовлетворяют современным требованиям. Практически отсутствуют методические подходы по анализу многокомпонентных природных систем для дифференцированного количественного определения отдельных показателей загрязнения. Возможности современных физико-химических методов анализа, существенно повышающих точность, надежность и информативность контроля состояния объектов окружающей среды, сегодня еще слабо используются в геоэкологическом контроле.
Таким образом, обоснование и разработка новых методических, технических и организационных решений по созданию и совершенствованию инструментов для практической оценки и прогноза геоэкологического состояния природной среды в угледобывающих регионах в целях обеспечения их экологической безопасности и эффективного проведения природоохранных мероприятий являются важной научной проблемой.
В данной работе представлены основные методы оценки влияния процессов добычи и переработки углей Кузнецкого угольного бассейна на экологическое состояние природной среды, применение которых актуально в соответствии с современными изменениями в природоохранном законодательстве.
1. Оценка токсичности вскрышных и вмещающих пород для обоснования безопасного их использования для ликвидации горных выработок.
С 1 февраля 2015 г. вступили в силу дополнения, внесенные в Федеральный закон № 89-ФЗ Федеральным законом № 261-ФЗ, которые касаются расширения прав и изменения обязанностей предприятий при недропользовании. Согласно дополнениям, внесенным в ст. 10, законодательно установлена возможность использования вскрышных и вмещающих пород (т.е. отходов из блока 2 нового федерального класси-
фикационного каталога отходов, утвержденного Приказом Росприроднадзора от 18.07.2014 г. № 445) для ликвидации горных выработок на основании соответствующего проекта.
Отходы при добыче полезных ископаемых создают серьезные геоэкологические проблемы на территории Кемеровской области. Так в 2013 г. на территории Кемеровской области образовалось 2661,281 млн. т отходов производства и потребления, из них 2593,780 млн. т (97,46%) приходится на отходы, образованные при добыче угля и горючих сланцев [3].
Добыча 1 т угля сопровождается выдачей на поверхность 0,1-0,35 т шахтной породы и от 1,5 до 10 т вскрышной породы [4]. В настоящее время в отвалах горнодобывающих предприятий, расположенных на территории России, накопилось не менее 12 млрд т вскрышных и вмещающих пород [4], которые содержат в своем составе широкий перечень минералов различного состава. Современные технологии позволяют использовать лишь небольшую часть извлекаемой массы горных пород, а все остальное накапливается в виде отходов. Поэтому актуальной является задача изучения состава углеотходов для оценки их токсичности и определения перечня приоритетных элементов, подлежащих экологическому мониторингу на территориях складирования.
В области изучения состава и свойств Кузбасских углей и отходов их добычи и переработки имеются следующие проблемы. Основной массив аналитических данных по элементному составу углей был получен в основном полуколичественными спектральными методами анализа и требует уточнения. Вопросы определения подвижных и водорастворимых форм токсичных элементов в отходах добычи и переработки углей Кузбасса исследователями ранее не рассматривались. При оценке техногенного влияния на окружающую среду в местах складирования отходов добычи и переработки углей определение подвижных форм токсичных элементов проводится по сокращенному перечню показателей, а водорастворимые формы токсичных элементов не определяются.
В работе [5] представлены обобщенные результаты исследований по определению валовых, подвижных и водорастворимых форм токсичных элементов из вскрышных и вмещающих пород Кемеровской области. Систематизация данных проведена по 112 пробам промышленных отходов вскрышных и вмещающих пород. Концентрации элементов в пробах определялись методами атомно-эмиссионной и атомно-
абсорбционной спектроскопии после соответствующей пробоподготовки.
Результаты исследований показали, что концентрации валовых форм нормируемых токсичных элементов (ванадия, меди, свинца, никеля, кадмия, цинка, марганца) не превышают ПДК и ОДК для почв, относящихся к кислым суглинистым и глинистым и близким к нейтральным и нейтральным. Часть вмещающих пород содержит в количествах, превышающих ПДК для валовых форм, ртуть (3,4 ПДК), сурьму (1,4 ПДК), мышьяк (1,2-1,8 ПДК). Данные элементы являются углефильными и содержатся в большей степени в органической части вскрышных и вмещающих пород. Максимальное превышение ПДК подвижных форм элементов во вскрышных породах наблюдается для Си (5,7 ПДК), N (3,4 ПДК), 1п (3,6 ПДК) и РЬ (8,5 ПДК). Максимальные концентрации подвижных форм тяжелых металлов во вмещающих породах превышают ПДК для Си (7,9 ПДК), N (5,3 ПДК), 1п (2 ПДК) и Pb (3,8 ПДК). Содержание подвижных форм марганца во вскрышных и вмещающих породах варьируется в очень широких диапазонах - от 26,0 до 539,0 мг/кг. Для водорастворимых форм токсичных элементов во вскрышных и вмещающих породах предложен следующий ряд активности: Mo > Си > V > 1п > Мп > As > Сг > N > РЬ.
Таким образом, результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что загрязнение водных объектов такими тяжелыми металлами, как Мо, Си, V, 2п, Мп, As, Сг, М, РЬ может происходить за счет вымывания при фильтрации природных водных потоков через массы вскрышных и вмещающих пород.
2. Определение уровня концентраций метана, диоксида углерода в источниках выбросов в атмосферу для ведения отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов.
Основанием для выполнения данных работ является Распоряжение Правительства РФ от 22.04.2015 г. N 716-р "Об утверждении Концепции формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в РФ" [6], в котором на период до 2020 года сформулированы основные направления формирования и развития системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов. Определена база для разработки целевых показателей сокращения выбросов парниковых газов как по России в целом, так и по отдельным секторам экономики. К 2020 году планируется достичь уровня не более 75 процентов объема антропогенных выбросов парни-
ковых газов в 1990 году.
Метан и углекислый газ являются основными парниковыми газами, поступающими в атмосферу из природных и антропогенных источников. На территории Кемеровской области главными объектами, загрязняющими воздушный бассейн данными веществами, являются угледобывающие предприятия, теплоэнергетические предприятия, полигоны ТБО, автотранспорт.
Нами проведена систематизация данных по определению содержания метана и СО2 в атмосферном воздухе на границах санитарно-за-щитных зон (СЗЗ) передвижных дегазационных установок (ПДУ) угледобывающих предприятий, на границе СЗЗ полигона ТБО, в атмосферном воздухе населенных мест.
Отбор подфакельных проб воздуха осуществлялся в герметичные контейнеры объемом 1 дм3 с учетом метеорологических параметров окружающей среды. Определение концентрации исследуемых компонентов проводилось на газовых хроматографах «Кристалл-5000.2.». Метод анализа основан на сочетании газожидкостной и газоадсорбционной хроматографии с использованием детекторов по теплопроводности (ДТП) и пламенно-ионизационных детекторов (ПИД). Чувствительность методов составляет для метана 0,2 мг/м3, для углекислого газа - 0,01 % об.
За период с 2011 по 2014 гг. было проанализировано более 600 проб атмосферного воздуха. Диапазоны содержания метана в атмосферном воздухе составляют от 0,31 до 143,61 мг/ мз (на границах СЗЗ ПДУ), от 1,08 до 3,89 мг/мз (на границе СЗЗ полигона ТБО), от 0,94 до 2,28 мг/мз (на территории населенных пунктов).
Для разовых проб метана, отобранных на границе СЗЗ ПДУ, найденные максимальные концентрации составляли от 119,15 до 143,61 мг/ мз (при ОБУВ 50 мг/мз). Средний уровень содержания этого компонента на границе СЗЗ полигона ТБО и на территории населенных пунктов не превышает допустимой концентрации.
Концентрации углекислого газа находятся в пределах от 0,043 до 0,065 % (на границах СЗЗ ПДУ), от 0,038 до 0,049 % (на границе СЗЗ полигона ТБО), от 0,035 до 0,038 % (на территории населенных пунктов). Содержание СО2 в пробах воздуха, отобранных на границах СЗЗ ПДУ и полигона ТБО, превышает фоновый уровень углекислого газа по России (от 0,034 до 0,037 %) в 1,5 раза. В атмосферном воздухе населенных пунктов этот показатель находится в пределах фона.
Таким образом, результаты исследований
по мониторингу метана и диоксида углерода в источниках выброса и атмосферном воздухе на границах СЗЗ предприятий могут быть использованы для формирования отчетности по выбросам парниковых газов и проверки объемов таких выбросов.
3. Определение гранулометрического состава тонкодисперсных углеродсодержа-щих материалов в промышленных выбросах в атмосферу, сточных водах, отходах.
Поскольку угольные предприятия являются источником поступления взвешенных веществ в воздух рабочей зоны и атмосферный воздух [7], то при экологическом и санитарно-гигиеническом контроле и надзоре вопросы определения размера частиц имеют большое значение. Кроме того, введение гигиенических нормативов содержания взвешенных частиц в атмосферном воздухе с размерами 2,5 мкм (РМ2,5) и 10 мкм (РМ10) [8] и внесение этих показателей в перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды [9], предполагают совершенствование аналитического контроля и разработку методик анализа гранулометрического состава тонкодисперсных углеродсодержащих материалов. Существует также необходимость проведения инвентаризации промышленных источников выбросов в атмосферу взвешенных частиц с размерами менее 10 мкм (РМ10) и менее 2,5 мкм (РМ2,5). Особенно актуальна эта проблема для угольной отрасли. Необходимым условием при совершенствовании систем очистки выбросов обогатительных фабрик, пунктов погрузки-разгрузки угля является информация о размере частиц в промышленной пыли. Поиск оптимальных инженерных решений по очистке сточных вод угольных предприятий от взвешенных веществ,
100
повышение эффективности работы шламоот-стойников также требует информации о гранулометрическом составе частиц и расчете кривых осаждения.
Отсутствие надежного методического обеспечения в части оценки тонкодисперсных угле-родсодержащих материалов (угольной пыли, шламов, выбросов в атмосферу углеобогатительных фабрик и др.) явилось основанием для разработки соответствующей методики определения. Для определения гранулометрического состава угольных тонкодисперсных порошков нами предложено использовать метод лазерной дифрактометрии [10]. Измерения проводятся в водной среде с добавкой высокоэффективного поверхностно-активного вещества Dusazin 901 ^г^с^ Германия), при средней скорости перемешивания и мощности ультразвука 60 Вт. Метрологическая оценка результатов определений ситовым методом и методом лазерной гранулометрии проведена на сериях стандартных образцов углей марок ГЖО, ОС, Г для диапазонов -0,074+ 0,0 -0,10+ 0,074, -0,20+ 0,10 мм. Удовлетворительные результаты получены для образцов марок ГЖО и Г во всех диапазонах определения.
Результаты, полученные с использованием данной методики показывают, что в выбросах обогатительных фабрик содержатся частицы с размерами до 30,0 мкм (рис.1), доля частиц с размерами до 10 мкм составляет более 50 %. Взвешенные вещества в сточных шахтных водах характеризуются широким распределением частиц по размерам (рис.2), присутствие в них частиц особо мелких классов (до 5 мкм) делает необходимым использование высокотехнологичных методов очистки, включая ультрафильтрацию и флотацию.
На рис.3 представлено распределение частиц по размерам пробы угольного шлама,
¿0, %
•■шнш! • . I мак......
^ХШх.
Размер часппх ьекы
Рисунок 1 - Типичное распределение частиц по размерам промышленных выбросов в атмосферу угольной пыли обогатительных фабрик. Параметры распределения: D¡0- 2,4мкм; D50- 9,9мкм; D!Ю - 20,3 мкм; D99- 30,0
106
Рисунок 2 - Типичное распределение частиц по размерам взвешенных веществ в сточных шахтных водах.
Параметры распределения: D10 -1,8 мкм; DS0 -
14,2 мкм; D„„ - 30,6 мкм; D„„ - 118,2 мкм.
¿а %
Размер частиц, мкм
Рисунок 3 - Типичное распределение частиц по размерам пробы угольного шлама. Параметры распределения:
D10 -1,2 мкм; D50 - 6,0 мкм; D9|
которые характеризуются содержанием частиц размерами до 24,2 мкм, причем половина частиц имеют размер менее 6,0мкм. Исследование гранулометрического состава таких проб позволяет оптимизировать технологический процесс получения из угольных шламов различной продукции (топливных брикетов, водно-угольного топлива и др.).
Таким образом, использование метода лазерной дифрактометрии позволяет получать информацию о распределении углеродсодержа-щих частиц в различных объектах и рационально ее использовать на предприятиях по добыче и переработке углей.
4. Определение содержания токсичных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в углях, продуктах их добычи и переработки, геоэкологических объектах с целью оценки уровня техногенной нагрузки на территорию.
Отсутствие надежных данных о составе загрязнителей класса ПАУ, уровнях их накопления в геоэкологических объектах, подлежащих контролю при добыче и переработке углей, об-
- 15,3 мкм; D99 - 24,2 мкм.
уславливает актуальность исследований в этом направлении.
ПАУ относятся к стойким экотоксикантам и входят в состав органической массы углей. Содержание в нем ПАУ может доходить до сотен, а в некоторых случаях до тысяч мг/кг. Содержание индивидуальных ПАУ в углях зависит от типа исходного растительного материала, участвующего в этапах углеообразования, а также термодинамических условий протекания данного процесса. Эмиссия ПАУ в окружающую среду возможна на этапах добычи, складирования и транспортировки, а также при процессах высокотемпературной переработки угля. Представителем данного класса соединений, обладающим сильным канцерогенным действием, является бенз(а)пирен. Однако бенз(а)пирен менее устойчив к влиянию окружающей среды, чем другие ПАУ, на его долю приходится около процента от суммы ПАУ, среди которых многие обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, поэтому неправомерно оценивать канцероген-ность проб только по бенз(а)пирену.
Наиболее распространенными и устойчи-
выми представителями ПАУ являются фенан-трен, флуорантен, пирен, хризен. Эти углеводороды - превалирующие компоненты выбросов систем, связанных с пиролизом органического вещества. Они служат удобными трассерами для оценки загрязнения атмосферы, поверхностных вод, почв. Последние выполняют функцию своеобразного накопителя, куда ПАУ попадают в результате глобального переноса выбросов из антропогенных источников и природных поступлений в атмосферу. Поэтому почвы являются наиболее представительными объектами для исследования накопления ПАУ, наличие которых может играть индикаторную роль, отражая наличие источника загрязнения.
В работе [11] было изучено распределение ПАУ в углях разных марок (Д, ДГ, ГЖО, Ж, К, КС, ОС) Кузнецкого угольного бассейна. Анализ, проведенный методом высокоэффективной хроматографии, указал на наличие в углях канцерогенного вещества - бенз(а)пирена. Содержание данного вещества в экстрактах органического растворителя (дихлорметана) находится в диапазоне 3,6-47,6 мкг/кг. Доминирующим представителем ПАУ является 3-ядерный фенантрен, его содержание в исследуемых образцах превалирует по сравнению с другими соединениями представителями класса ПАУ (табл.1). Доля фе-нантрена составляет до 50 % от суммы общего количества обнаруженных ПАУ. Максимальное суммарное значение концентраций ПАУ найдено для углей марок К и КС (363,4 и 432,0 мкг/кг соответственно).
Таким образом, фенантрен является приоритетным ПАУ для углей различных марок угля и может быть использован в качестве реперного соединения для оценки влияния процессов добычи и переработки углей на окружающую среду.
Для того чтобы провести сравнительную оценку уровня загрязнения территории соединениями данного класса, необходимо оценить
фоновое содержание данных веществ. Так, при обследовании 23-х проб почв на территории Таштагольского района было найдено, что содержание флуорантена составляет величину < 0,002 мг/кг, пирена - < 0,002 мг/кг, хризена - < 0,001 мг/кг во всех пробах. Фенантрен содержался в 10 пробах в диапазоне концентраций от 0,001 до 0,005 мг/кг, его концентрация в почвах фоновой территории составляет величину 0,0019±0,0013 мг/кг.
При изучении распределения ПАУ в почвах на границах санитарно-защитных зон предприятий по добыче угля открытым и закрытым способом показано, что содержание фенантрена находится в диапазоне от 0,0012 до 0,0031 мг/кг, при этом бенз(а)пирен в почвах не обнаруживается (ниже предела обнаружения по методу) (табл.2). Другое распределение ПАУ в почвах наблюдается в зоне влияния предприятия по обогащению угля: содержание фенантрена находится в диапазоне от 0,0015 до 0,0432 мг/кг, концентрация бенз(а)пирена - от <0,001 до 0,0390мг/кг (2 ПДК). Следовательно, предприятия по обогащению угля являются источниками поступления ПАУ в окружающую среду, в том числе канцерогенного бенз(а)пирена.
Однако наибольшее воздействие на загрязнение окружающей среды соединениями класса ПАУ оказывают процессы высокотемпературной переработки углей. В таблице 3 представлены уровни загрязнения фенантреном почв различных функциональных зон Центрального района г. Новокузнецка. Содержание фенантре-на на полигоне жидких отходов коксохимического производства составляет величину 66,0 г/кг, и данный вид отходов является источником вторичного загрязнения окружающей среды соединениями класса ПАУ. Содержание фенантрена на территории промышленной площадки предприятия, технологический цикл которого связан с эмиссией ПАУ (коксохимическое производство Кузнецкого металлургического комбината), в 465
Таблица 1 - Содержание ПАУ в пробах угля Кузнецкого угольного бассейна разной степени метаморфизма, мкг/кг
Соединения класса ПАУ Содержание ПАУ, мкг/кг
№1 Д №2 ДГ №3 ГЖО №4 ГЖО №5 Ж №6 К №7 КС №8 КС №9 ОС
Фенантрен 80,8 14,3 86,2 50,6 33,0 204,2 199,6 103,2 124,9
Пирен 36,9 1,2 14,0 12,6 19,6 69,2 66,2 6,7 32,1
Бенз(а)антрацен 32,0 9,7 21,6 5,2 7,8 16,4 34,2 4,3 3,1
Хризен < 3,0 < 3,0 < 3,0 17,9 11,9 62,6 59,6 32,4 28,0
Бенз(Ь)флуорантен < 6.0 6,2 13,0 26,0 18,8 11,0 24,8 7,6 5,6
Бенз(а)пирен < 1,0 3,6 10,6 6,6 4,4 < 1,0 47,6 24,3 21,4
I ПАУ 149,7 35,0 145,4 118,9 95,5 363,4 432,0 178,5 215,1
Таблица 2 - Содержание фенантрена и бенз(а)пирена в почвах на границе санитарно-защитных зон угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий Кемеровской области
№ Пробы Содержание, мг/кг
Бенз(а)пирен Фенантрен
Добыча угля открытым способом
1 <0,001 0,0017
2 <0,001 0,0025
3 <0,001 0,0013
4 <0,001 0,0012
5 <0,001 0,0023
6 <0,001 0,0031
7 <0,001 0,0021
Добыча угля закрытым способом
8 <0,001 0,0012
9 0,001 0,0025
10 0,001 0,0018
11 <0,001 0,0014
12 <0,001 0,0017
13 <0,001 0,0012
Обогащение угля
14 0,0021 0,0016
15 0,0014 0,0016
16 <0,001 0,0017
17 <0,001 0,0432
18 0,0390 0,0015
19 0,0024 0,0017
20 0,0015 0,0018
раз превышает фоновое значение.
Исходя из данных следует, что содержание фенантрена в почвах напрямую связано со степенью техногенной нагрузки на территорию. Максимальные концентрации ПАУ обнаруживаются на территориях промышленных полигонов, площадок предприятий, вблизи транспортных магистралей. Фенантрен служит удобным маркером для изучения степени загрязненности территорий соединениями класса ПАУ, поскольку обладает наибольшей химической устойчивостью во внешней среде. Авторами [12] при изучении загрязнения окружающей среды в зоне воздействия Верхнеижемского сажевого завода было установлено, что основной вклад техногенных ПАУ в почву вносят, главным образом, 3-4-ядерные структуры - фенантрен, флуоран-тен, пирен. Установлено, что состав ПАУ атмосферных осадков фоновых территорий на 66 % представлен фенантреном [12]. В работе 13 авторами получена оценка загрязнения почв ПАУ в зоне влияния угольного разреза в г. Шарынгол в Северной Монголии, где в 2013 г. проведено опробование поверхностного слоя почв. В 20 об-
разцах методом люминесцентно-битуминологи-ческого анализа определено содержание 11-ти ПАУ, в том числе и фенантрена, концентрация которого в отвалах карьера превышает фоновую в 3,8 раза и составляет 103 мкг/кг.
Следовательно, методика определения степени техногенной нагрузки на территорию с учетом концентрации фенатрена в почвах должна включать определение уровня концентраций данного соединения на фоновой территории, не испытывающей техногенного влияния, и сравнение с содержанием фенантрена на исследуемой площадке. Величина кратности превышения фонового значения концентрации фенантрена в почвах характеризует уровень техногенной нагрузки на территорию.
Распределение ПАУ по глубине и оценка категории загрязнения почв на территории промышленной площадки предприятия по высокотемпературной переработке углей приведена в таблице 4. Категория загрязнения почв была установлена в соответствии с нормативным документом [14] по кратности превышения ПДК бенз(а)пирена - вещества первого класса опас-
Таблица 4 - Распределение ПАУ по глубине (мкг/кг) и оценка категории загрязнения почв на территории промышленной площадки предприятия по высокотемпературной переработке угля
Таблица 3 - Оценка уровня загрязнения фенантреном почв различных функциональных зон Центрального района г. Новокузнецка
Функциональные зоны Содержание фенантрена, мг/кг Кратность превышения фонового значения, раз
Рекреационная зона района. Пляж «Водная» 0,008 4
Санитарно-защитная зона Центрального промышленного узла, Нижняя Колония 0,035 17,5
Территория, примыкающая к автомагистрали. Автомагистраль пр. Октябрьский - ул. Транспортная 0,155 77,5
Территория промышленной площадки Кузнецкого металлургического комбината. 0,930 465
Территория полигона промышленных отходов. Жидкие отходы коксохимического производства Кузнецкого металлургического комбината 66000,0 33106
Соединение Содержание ПАУ, мкг/кг
Глубина отбора, м
0,0-0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0 2,0-3,0
Фенантрен 336,22 100,16 23,63 66,72 11,15
Антрацен 78,92 20,03 3,42 4,66 2,68
Флуорантен 1028,34 342,66 68,62 70,00 40,86
Пирен 1037,42 345,80 67,32 62,40 42,77
Бенз[а]антрацен 796,97 266,60 51,30 43,92 30,67
Хризен 664,7 221,30 44,71 43,01 29,88
Бенз[а]пирен 540,97 180,45 36,62 38,31 26,25
Дибензо[а,11] антрацен 190,63 50,22 <0,02 <0,02 <0,02
Бенз[Ь] флуорантен 428,24 142,26 29,50 33,74 22,10
Бенз[к] флуорантен 381,32 120,15 27,48 9,45 15,44
Бенз[дА^ перилен 227,06 70,40 38,17 16,94 7,99
ИнденоПДЗ-cd] пирен 299,63 98,50 45,02 23,82 14,03
Суммарное содержание ПАУ 6010,42 1958,53 435,79 412,97 243,82
Категория загрязнения почвы Чрезвычайно опасная Чрезвычайно опасная опасная опасная допустимая
ности. Показано, что такие технологии переработки углей приводят к высокой эмиссии ПАУ в окружающую среду и загрязнению почв до чрезвычайно опасного уровня. При этом бенз(а) пирен может обнаруживаться в загрязненных почвах на глубине до 3-4 м (таблица 5). Относительное распределение индивидуальных ПАУ в почвах для такого объекта обуславливается параметрами технологического процесса высокотемпературной переработки углей (в данном случае коксохимического производства), функционировавшего ранее на данной территории.
Таким образом, на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследова-
ний обоснованы и разработаны новые методические, технические и организационные решения по созданию и совершенствованию инструментов для практической оценки и прогноза экологического состояния природной среды в угледобывающих регионах, что имеет важное значение для обеспечения их экологической безопасности и эффективного проведения природоохранных мероприятий.
Выполнено определение валового содержания токсичных элементов, их подвижных и водорастворимых форм в отходах добычи углей. Показано, что вскрышные и вмещающие породы угольных месторождений Кузбасса являются ис-
Таблица 5 - Содержание бенз(а)пирена (мг/кг) в почвах и грунтах скважин на территории промышленной площадки предприятия по высокотемпературной переработке угля
Скважина № Содержание бенз(а)пирена, мг/кг
Глубина отбора, м
0,0-0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0 3,0-4,0 5,5-6,5
1 0,0088 0,0065 0,0146 0,098 <0,001 -
2 0,0196 0,153 0,287 0,0152 0,0078 <0,001
3 0,0057 <0,001 <0,001 <0,001 - -
4 0,0082 <0,001 <0,001 <0,001 - -
5 0,0086 0,0033 <0,001 <0,001 - -
6 0,046 0,147 0,162 <0,001 - -
7 0,640 0,200 <0,001 <0,001 - -
8 0,540 0,180 0,037 0,038 0,026 -
точником токсичных элементов и характеризуются активностью их водорастворимых форм, для которых установлен следующий ряд: Мо > Си > V > 1п > Мп > Ль > Сг > N > РЬ.
Предложена и обоснована методика оценки степени техногенной нагрузки на территорию, учитывающая кратность превышения фонового уровня содержания фенантрена в почвах.
Разработана методика определения гранулометрического состава угольных порошков методом лазерной гранулометрии для целей экологического мониторинга, технологического контроля промышленных выбросов в атмосферу угольных предприятий, очистки сточных вод и переработки отходов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при внедрении наилучших доступных технологий в угледобывающей и углеперерабатывающей отраслях.
Подобные методы и подходы могут быть внедрены и использованы в условиях других угледобывающих и углеперерабатывающих регионов.
Методические, технические и организационные решения, предложенные в данной работе, использованы для информационного обеспечения экологической безопасности промышленных предприятий, а также деятельности органов государственного экологического контроля и надзора регионального и муниципального уровней.
1. О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации: федер. закон Рос. Федерации от 21.07.2014 № 219-ФЗ. Режим доступа: http://kremlin.ru/acts/bank/38787 (дата обращения 07.05.2016).
2. Бабина Ю.В. Об основных изменениях природоохранного законодательства в 2015 г. // Справочник эколога. 2014. № 12. С. 26-37.
3. О состоянии и охране окружающей среды Кемеровской области в 2013 году: доклад. Кемерово, 2014. 584 с. Режим доступа: http:www.kuzbasseco.ru (дата обращения 15.04.2016).
4. Шпирт М.Я., Артемьев В.Б., Силютин С.А. Использование твердых отходов добычи и переработки углей. Т. 5. Переработка и обогащение минерального сырья. Кн. 3. М.: Изд-во «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 432 с.
5. Журавлева Н.В., Иваныкина О.В., Исмагилов З.Р., Потокина Р.Р. Содержание токсичных элементов во вскрышных и вмещающих породах угольных месторождений Кемеровской области // ГИАБ. 2015. № 3. С. 187-197.
6. Об утверждении Концепции формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов в РФ: распоряжение Правительства РФ от 22.04.2015 N 716-р. Режим доступа: http://government.ru/docs/all/95640/ (дата обращения 28.02.2016).
7. Романченко С. Б. Комплексные исследования фракционного состава угольной пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 13. Аэрология. 2009. Т. 13. С. 197.
8. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.2604-10. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 19 апреля 2010 г. № 26. Режим доступа: http://eco-prof¡.info/index.php/othod/Nter/artide/dokum-klop/21-vozduh/643-gn-2-1-6-2604-10.html (дата обращения 05.05.2016).
9. Перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды: распоряжение Правительства РФ от 8 июля 2015 г. № 1316-р. Режим доступа: http://government.ru/media/files/ NQsLnpwkA9vtceGoj46TRcTSm6yxJXmH.pdf.
10. Журавлева Н.В., Потокина Р.Р., Исмагилов З.Р. Определение гранулометрического состава тонкодисперсных угольных порошков с использованием метода лазерной дифракции // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов : сб. науч. статей / Сиб. гос. индустр. ун-т; под об-
щей ред. В.Н. Фрянова. - Новокузнецк, 2015, С. 278-273.
11. Журавлева Н.В., Потокина РР, Исмагилов З.Р, Хабибулина Е.Р Определение полициклических ароматических углеводородов в углях методом высокоэффективной жидкостной хроматографии // Химия в интересах устойчивого развития. 2015. Т. 23. № 2. С. 117-123.
12. Яковлева Е.В., Безносиков В.А., Кондратенок Б.М., Габов Д.Н. Закономерности биоаккумуляции полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растения биоценозов северной тайги // Почвоведение. 2012. № 3. С. 356-367.
13. Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Алексеенко А.В. Загрязнение почв соединениями ПАУ при открытой добыче бурого угля (месторождение Шарынгол, Северная Монголия) // Экологическая и техносферная безопасность горнопромышленных регионов: Труды IV Международной научно-практической конференции. Издательство: Уральский государственный горный университет, Екатеринбург. 2016. С. 135-142.
14. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы: СанПиН 2.1.7.1287-03: Утв. Главный государственный санитарный врач РФ Г.Г. Онищенко 16.04.2003 г. Режим доступа: http:// http://files.stroyinf.ru/data1/11/11782/ (дата обращения 04.11.2016).
REFERENCES
1. O vnesenii izmenenii v Federalny zakon "Ob okhrane okruzhaiushchei sredy" i otdelnyie zakonodatelnyie akty Rossiiskoi Federatsii: Feder. Zakon Ros. Federatsii ot 21.07.2014 No. 219-Fz [On Amending the Federal Law "On Environmental Protection" and Certain Legislative Acts of the Russian Federation: Russian Federation Federal Law of July 21, 2014 No. 219-FZ]. (07.05.2016). Retrieved from http://kremlin.ru/acts/bank/38787 [in Russian].
2. Babina, Yu.V. (2014). Ob osnovnykh izmeneniiakh prirodookhrannogo zakonodatelstva v 2015 g. [On the main changes of environmental legislation in 2015]. Spravochnik ekologa - Ecologist reference book, 12, 26-37 [in Russian].
3. O sostoianii i okhrane okruzhaiushchei sredy Kemerovskoi oblasti v 2013 godu [On Kemerovo region environmental state and protection in 2013]. (15.04.2016). Retrieved from www.kuzbasseco.ru [in Russian].
4. Shpirt, M.Ya., Artemiev, V.B., & Siliutin, S.A. (2013). Ispolzovaniie tverdykh otkhodov dobychi I pererabotki uglei [The use of solid waste from mining and processing of coal]. Processing and refining of mineral raw materials. Moscow: Gornoie delo [in Russian].
5. Zhuravleva, N.V., Ivanykina, O.V., Ismagilov, Z.R., & Potokina, R.R. (2015). Soderzhaniie toksichnykh elementov vo vskryshnykh i vmeshchaiushchikh porodakh ugolnykh mestorozhdenii Kemerovskoi oblasti [Toxic element content in overburden and bedding rocks of Kemerovo region coal deposits]. GIAB, 3, 187-197 [in Russian].
6. Ob utverzhdenii Kontseptsii formirovaniia sistemy monitoring, otchetnosti I proverki obioma vybrosov parnikovykh gazov v RF: rasporiazheniie pravitelstva RF ot 22.04.2015 No. 716-r [On approval of monitoring, reporting and verification system formation Concept of greenhouse gas emission amounts in the Russian Federation: Government decree of April 22, 2015 No. 716-r [in Russian]
7. Romanchenko, S.B. (2009). Kompleksnyie issledovaniia fraktsionnogo sostava ugolnoi pyli [Complex studies of fractional composition of coal dust]. Gorny informatsionno-analiticheskii bulleten - Mining information analytical bulletin, 13, p.197 [in Russian].
8. Gigienicheskiie normativy GN 2.1.6.2604-10. Predelno dopustimyie kontsentratsii (PDK) zagriazniaiushchikh veshchestv v atmosfernom vozdukhe naselennykh mest [Hygienic standards GN 2.1.6.2604-10. Maximum permissible concentration (MPC) of pollutants in the ambient air of populated areas]. Approved by resolution of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation of April 19, 2010 № 26. (05.05.2016). [in Russian].
9. Perechen zagriazniaiushchikh veshchestv, v otnoshenii kotorykh primeniaiutsa mery gosudarstvennogo regulirovaniia v oblasti okhrany okruzhaiushchei sredy [The list of pollutants, which are subject to state regulation measures in the field of environmental protection]. RF Government decree of July 8, 2015, No. 1316-r [in Russian].
10. Zhuravleva, N.V., Potokina, R.R., & Ismagilov, Z.R. (2015). Opredeliniie granulometricheskogo sostava tonkodispersnykh ugolnykh poroshkov s ispolzovaniiem metoda lazernoi difraktsii [Determination of particle size distribution of fine coal powder using a laser diffraction method]. High technologies of development and use of mineral resources: collection of scientific articles, general edition V.N. Frianov, Novokuznetsk,[in Russian].
11. Zhuravleva, N.V., Potokina, R.R., Ismagilov, Z.R., & Khabibulina Ye.R. (2015). Opredeleniie politsiklicheskikh aromaticheskikh uglevodorodov v ugliakh metodom vysokoeffektivnoi zhidkostnoi khromotografii [Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in coal by high performance liquid chromatography]. Khimiia v interesakh ustoichivogo razvitiia - Chemistry in the interests of stable development, 23, 117-123 [in Russian].
12. Yakovleva, Ye.V., Beznosikov, V.A., Kondratenok, B.M., & Gabov, D.N. (2012). Zakonomernosti bioakkumuliatsii politsiklicheskikh aromaticheskikh uglevodorodov v sisteme pochva-rasteniie biotsenozov severnoi taigi [Laws of bioaccumulation of PAHs in soil-plant system of northern forest biocenoses]. Pochvovedeniie - Soil science, 3, 356-367 [in Russian].
13. Kasimov, N.S., Kosheleva, N.Ye., & Alekseenko, A.V. (2016). Zagriazneniie pochv soiedineniiami PAU pri otkrytoi dobyche burgoo uglia (mestorozhdeniie Sharyngol, Severnaia Mongolia) [Contamination of soil with PAH compounds at open cast mining of brown coal (Sharyn Gol deposit, Northern Mongolia)]. Environmental and technosphere safety of mining regions: Proceedings of IV International scientific-practical conference. Publisher: Ural State Mining University, Ekaterinburg. 2016. pp 135-142 [in Russian].
14. Sanitarno-epidemiologicheskiie trebovaniia k kachestvu pochvy [Sanitary requirements to the soil quality]. The sanitary and epidemiological rules and norms: SanPiN 2.1.7.1287-03: Approved. Chief State Sanitary Doctor of Russia Mr. G.G. Onishchenko 16.04.2003 (04.11.2016). Retrieved from http:// http://files.stroyinf.ru/ data1/11/11782/ [in Russian].
научно-технический журнал № 4-2016
ВЕСТНИК
