CC BY
108
УДК 669.711:551.578.46:546.16 Н.И. Янченко
ФОНОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ ФТОРА В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФТОРИДОВ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ БРАТСКОГО АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА
В статье даны результаты снегохимической съемки и анализа растворимого фтора в фильтрате снеговой воды и нерастворимого фтора в осадке после фильтрования по данным шести зимних периодов 1999-2005 гг. Получены уравнения экспоненциальной зависимости содержания растворимого фтора от расстояния в радиусе 70 км в северном и северо-восточном направлении и для нагрузки нерастворимого фтора в радиусе 30 км в северо-восточном направлении от Братского алюминиевого завода.
Введение. Концепция устойчивого развития РФ предусматривает равное внимание к его экономической, социальной и экологической составляющим и признание невозможности развития человеческого общества при деградации природы [1]. Развитие алюминиевой промышленности Байкальского региона, в котором находится Братский, Иркутский, строящийся в Тайшете алюминиевые заводы, невозможно без учета природного ассимиляционного потенциала территорий. Алюминиевый завод в Братске находится на расстоянии 400 км от Байкала.
В Братске с 1966 г. работает алюминиевый завод, применяющий технологию с самообжигающимися анодами (технология Содерберга) и систему «мокрой» газоочистки. В результате электролиза глинозема (АЮз ) в криолито-глиноземном расплаве (9600С) образуется алюминий, но при этом расходуется криолит (3NaF*AlF) и фтористый алюминий ^з); в пересчете на 1 тонну алюминия - 30-45 кг. В составе отходящих газов присутствуют полиароматические углероды, перфторуглероды, СО2, в02, HF, SiF4, твердые фториды (криолит, фторид кальция, фторид алюминия) и другие соединения. Основная часть фтора улавливается в системе «мокрой» газоочистки и возвращается в процесс в виде вторичного криолита, часть фтора поступает в окружающую среду.
Мировая практика оценки экологической эффективности алюминиевых заводов выбирает приоритетный показатель - потери общего фтора на тонну алюминия. Предельные выбросы для технологии Содерберга без очистки вентиляционного газа для общего фтора должны составить в странах ЕС к 2007 г. - 1 кг/т А1 , к 2010 г. - 0,6 кг/т А1. Для фтористого водорода к 2007 г. - 0,5 кг/т А1, к 2010 г. - 0,4 кг/т А1 [2]. Современные технологии применяют обожженные аноды и систему «сухой газоочистки» для снижения выбросов. За рубежом рекомендуемая мощность завода 200-300 тыс.тонн в год [3]. В 2005 г. выпуск алюминия на БрАЗе составил примерно 975 тыс. тонн.
Проект модернизации БрАЗа, с 2000 г. принадлежащего РУСАЛу, а с 2007 г. объединенной компании «РУСАЛ», на 2007-2012 гг. преследует две основные цели: снижение выбросов и расширение производственных мощностей примерно на 200 тыс. т алюминия в год.
В атмосферном воздухе населенных мест контролируется фтористый водород ПДКсс. 0,005мг/м3, плохорастворимые фториды ^3, CaF2, Naз AlF6 ), ПДК сс. 0,03 мг/м3 и хорошо растворимые фториды (NaF, натрия гексафтор силикат) ПДКсс0,01 мг/м3 [4]. Для начального повреждения хвои достаточно
0,0013 мг/м3 HF в воздухе, т.е. меньше, чем для человека [5]. В 1989 г. площадь усыхающих и поврежденных древостоев составила 110 тыс.га [6]. По данным Н.Д. Давыдовой, поражающее действие на таежную растительность прослеживается на площади 1500 км2 [7]. Повреждение хвойного древостоя отмечается на значительном удалении от заводов. Загрязнение почв водорастворимым фтором составляет 15000 га, площадь повышенного содержания фтора в почвах практически совпадает с токсичным ареалом по снежному покрову [7]. Опасны биологически активные подвижные формы фтора, способные включаться в звенья трофической цепи, накапливаться в растениях. В связи с этим появляется опасность для животных и человека. Избыток фтора в организме человека вызывает костное заболевание флюороз, недостаток фтора - кариес.
Фтор единственный элемент, для которого установлены интервалы концентраций в питьевой воде ПДК 0,7-
1,5 мг/л [8].
Методика исследования. Материал для исследования - научно-техническая информация о содержании фтора в снежном покрове, воде. Результаты наблюдений снежного покрова с 1999 по 2005 г. Братского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, дополненные и обработанные.
Братск находится в южной части Среднесибирского плоскогорья, расположен по правому и левому берегу Братского водохранилища. Рельеф крупнохолмистый и препятствует рассеиванию выбросов. Братский район находится на территории Ангарской южно-таежной провинции, которая характеризуется как лиственнично-елово-сосновая с березой.
Климат Братска резко континентальный. Наиболее продолжительным сезоном является зима. В зимние месяцы преобладают ветры западного и юго-западного направления, с преобладающей скоростью 1-5 м/с (табл. 1) [9]. На рассеивание выбросов оказывают влияние направление и скорость ветра, Ангарский кряж, орографические условия и другие факторы. В наибольшее число дней в году промышленные выбросы направлены на восток, северо-восток и на север, т.е. в сторону жилых массивов (рис.1).
Таблица 1
Повторяемость (%) разных градаций ветра (м/с) по направлениям
Скорость, м/с С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Штиль
Зима
1-5 2,2 2,1 1,4 3,3 10,9 15,7 25,4 8,9 25,8
6-10 0,02 0,00 0,02 0,2 2,0 0,6 1,1 0,2
11-15 0,04 0,1 0,02
Рис. 1. Схема Братска с указанием БрАЗа, городских поселков и населенных пунктов
Снежный покров представляет собой естественный планшет-накопитель твердых и газообразных загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферы в сухом виде, с осадками или поглощенных [10]. Накопленные в снеге загрязняющие вещества характеризуют первичное загрязнение самой атмосферы и вторич-
ное загрязнение почв и вод. Пробы снега отбирались в феврале-марте в виде кернов на всю глубину снежного покрова. Далее снег таял при комнатной температуре. Отдельно выполнялся анализ фтора в фильтрате в снеговой воде - растворимый фторид и фтор в нерастворимом остатке (на фильтре) - нерастворимый фтор. Определялась концентрация и рассчитывалась нагрузка фтора на единицу площади кг/км2*мес. Определение фтора выполняли отдельно в отфильтрованной талой воде и осадке фотометрическим методом.
Цель работы: выбор фоновых концентраций фтора и установление закономерностей распространения фтора в снежном покрове зоне влияния алюминиевого завода.
Результаты проведенных исследований. Снежный покров. Растворимый фтор. Изменение
средней концентрации растворимого фтора в снежном покрове в зависимости от расстоянии от источника в
радиусе 70 км в северном направлении можно представить экспоненциальным уравнением (1) на рис. 2,а. Коэффициент аппроксимации 0,99. Уравнение (2) для изменения концентрации фтора в радиусе 70 км в северо-восточном направлении (рис. 2,б). Коэффициент аппроксимации 0,91.
У= 5,4415*е"00523х; (1)
У= 4,796*е-°'0514*, (2)
где X - расстояние от источника, км;
Y - средняя концентрация растворимого фтора по данным наблюдений в течение 6 зимних периодов с зимы 1999-2000 гг. по 2004-2005 гг., мг/л. Кроме последней точки отбора.
Как указывает Н.Д. Давыдова [11], содержание фтора (растворимого) в снеге за пределами эпицентра постепенно убывает вследствие растекания воздушных масс в условиях часто повторяющихся приземных инверсий штильных ситуаций. Несмотря на низкие трубы перенос фтора воздушным путем осуществляется на значительные (60-70 км) расстояния с резким падением концентрации при удалении от источника.
Расстояние, км
Е -&
£е
£ о
о 5 тс
ТС о
£ т I-
0) о ГО
° & О СО
Расстояние,км
а) б)
Рис. 2. Изменение средней (за 6 зимних периодов) концентрации растворимого фтора в фильтрате снеговой воды в зависимости от расстояния: 70 км на север от источника (а) и 70 км в северо-восточном направлении (б)
Снежный покров. Нерастворимый фтор. Наблюдается резкое падение нагрузки нерастворимого фтора в радиусе до 30 км в северо-восточном направлении (рис.3).
Изменение средней нагрузки нерастворимого фтора в снежном покрове в зависимости от расстояния в 30 км от зоны от источника можно представить уравнением (3) на рис.3. Коэффициент аппроксимации 0,95.
У= 3,5476*е-00807х, (3)
где X - расстояние от источника в северо-восточном направлении, км;
У - нагрузка нерастворимого фтора, кг/км2*год на расстоянии 30 км от источника в северо-восточном направлении по данным наблюдений в течение 6 зимних периодов.
Обсуждение результатов распространения фторидов в снежном покрове. В работе [10] указано, что концентрация металлов в снежном покрове снижается с расстояние Х от источника и удовлетворительно аппроксимируется зависимостью
С(х)= Со ехр [ -кх], (4)
где Со - концентрация в принятом за начальный пункте, удаленного на расстояние Х км. Коэффициент к оказывается постоянной величиной для данных направления, средней скорости и химического элемента. Далее указано, что для фильтрата к в среднем в 1,5-2 раза меньше, чем для осадка на фильтре. Сравнение коэффициентов -0,0523 и -0,0870 показывает, что коэффициент для фтора в фильтре (1) в 1,64 раза меньше коэффициента в уравнении (3), для фтора в осадке.
Полученные данные о концентрации фтора в снежном покрове подтверждаются результатами
В.Я. Киселева, Л.В. Малевича. Авторы указывают, что в зоне, ближайшей от завода, концентрация фтора
более 5 мг/л и на расстоянии примерно 20 км менее 1,0 мг/л [12]. На основании данных работы [12], по концентрациям на изолиниях построен график ( рис.4, уравнение 5).
Y= 4,9066*е-00521х , (5)
где X - расстояние от источника в северо-восточном направлении, км;
У - нагрузка растворимого фтора на расстоянии 30 км от источника в северо-восточном направлении, мг/л.
О
а 5
' го ■
о
I-
-&
ф
■
о
ф
о
О
Расстояние, км
Расстояние, км
Рис. 3. Изменение средней нагрузки нерастворимо- Рис. 4. График построен по концентрациям на изо-го фтора (по данным 6 зим) в снеге в зависимости линиях на карте [12], результаты 2004 г. от расстояния 30 км от источника в северовосточном направлении
В работе О.Г. Шихранова [13] приведен график «Изменение концентрации фтора в снеге санитарнозащитной зоны и за ее пределами (2002 г.)». По данным графика в настоящее время построен график с линией тренда и получено уравнение (рис. 5). Коэффициент к - 0,0517 примерно такой же, как в уравнениях (1)-(2).
У= 2,4686*е-00517х , (6)
где X - расстояние от источника, км;
У - нагрузка фтора в снеге, мг/л.
0 20 40 60 80
Расстояние, км
Рис. 5. Изменение фтора в снеге в зависимости от расстояния от БрАЗа.
Коэффициент корреляции 0,66. Коэффициент аппроксимации 0,78, 2002 г.
Фоновое содержание фтора в снежном покрове. Известно, что интенсивность техногенного загрязнения определяется степенью накопления загрязняющих веществ относительно фона или ПДК. ПДК для снега пока не установлены. В табл. 2 приведены фоновые содержания фтора в водных объектах Сибири и ПДК в воде. Вероятно, можно применить ПДК фтора или содержания фтора в природных водах (табл. 3) с учетом задачи исследования. В данном случае для сравнения анализа снежного покрова выбрана в качестве фоновой концентрация фтора в реке Ангара 0,1мг/л и 0,09 мг/л - в Енисее.
Таблица 2
Фоновое содержание фтора в водных объектах Сибири и ПДК в воде
№ п/п Объект Содержание Фон, расстояние от БрАЗа,км, годы Лит-ра
1 Местный (В.Я. Киселев) фон фтора в снеговой воде** 0,35 Локальный, до 100 км, 2004 г.
2 Снежный покров Братска 0,03 мг/л Локальный, 100 км, 1986-1988 гг. [11]
3 Питьевая вода 0,7мг/л -1,5 мг/л [8]
4 Дождевые воды СССР П'10-4 - п -10-5 г/л Глобальный [14]
5 Атмосферные осадки северной части Алданского щита 1,2 -10-4 г/л Региональный [14]
6 Обь ниже г. Новосибирска 1,2 -10-4 г/л Региональный [14]
7 Енисей у г. Красноярска 9 -10-5 г/л Региональный [14]
8 Питьевая вода с таким содержанием вызывает флюороз 1,2-10-3 г/л Глобальный [14]
9 Кларк фтора в литосфере 0,065% Глобальный [14]
10 Воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение 0,75 мг/л Глобальный [15]
11 Ангара, Лена, Нижняя Тунгуска. Наибольшие показатели относятся ко времени окончания ледостава 0,1-0,23 мг/л, 1*10-4 - 2,3*10-4г/л Региональный [16]
Содержание растворимого фтора в снежном покрове в зоне действия Братского алюминиевого завода на расстоянии 2-3 км (в пределах санитарно-защитной зоны) превышает региональный фон в 48,9 раза и на расстоянии 30 км в северо-восточном направлении превышает фон в 6 раз, в северном в 9 раз. Растворимые фториды поступают в почву и далее по корневой системе в растения, в том числе и сельскохозяйственные. В работе [18] установлено, что уровень заболеваемости болезнями костно-мышечной системы у населения Братска на 43,8% выше, чем среди населения Иркутской области. Целесообразно провести медико-географическое районирование зоны влияния алюминиевого производства на предмет обеспеченно-
сти фтором, как природным, так и техногенным, в условиях постоянного в течение 41 года поступления фторидов с выбросами алюминиевого завода.
Одно из возможных направлений снижения выбросов фторидов - применение литиевых добавок в криолито-глиноземный расплав, так как известно, что литиевые добавки изменяют свойства расплава -повышается электропроводность расплава, снижается его температура плавления, повышается выход по току, на 30% снижаются выбросы фторидов, из электролизера на 20-30%. Поэтому при модернизации завода возможно рассмотреть применение литиевых добавок, используя литийсодержащие рассолы Восточной Сибири [18].
Выводы
1. По данным снегохимической съемки Братского БЦГМС определена экспоненциальная зависимость средней концентрации (за шесть зимних периодов с 1999 по 2005 г.) растворимого фтора от расстояния в радиусе 70 км в северном и северо-восточном направлении от алюминиевого завода. Коэффициенты аппроксимации 0,99 и 0,91 соответственно.
2. Изменение нагрузки нерастворимого фтора северо-восточнее от алюминиевого завода на расстоянии 30 км представлено экспоненциальным уравнением. Коэффициент аппроксимации 0,95.
3. Коэффициент k в уравнении экспоненциальной зависимости для растворимого фтора в 1,64 раза ниже, чем в уравнении для нерастворимого.
4. На расстоянии 2-3 км (санитарно-защитная зона) превышение над региональным фоном в 49 раз,
на расстоянии 30 км в северном направлении в 9 раз, в северо-восточном в 6 раз.
Автор выражает благодарность руководству и признательность сотрудникам Братского БЦГМС за доброе отношение и квалифицированные консультации.
Литература
1. Экологическая доктрина Российской Федерации: одобр. правительством РФ 31.08.2002.
2. Бузунов, В.Ю. Технические аспекты экологической безопасности алюминиевого производства /
В.Ю. Бузунов, Б.П. Куликов // Техн.-экон. вестн. «Русского Алюминия». - 2004. - № 11. - С. 5-13.
3. Экологические проблемы производства алюминия электролизом: аналит. обзор / А.Г. Аншиц, П.В. Поляков, А.В. Кучеренко [и др.]; Объединенный институт химии и химической технологии СО АН; Всесоюзный НИИПИ алюминиевой, магниевой и электродной промышленности; Красноярский институт цветных металлов; ГПНТБ СО АН СССР. - Новосибирск: ГПНТБ СО АН СССР, 1991. - С. 92.
4. ГН 2.1.6. 1338-03. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществе в атмосферном воздухе населенных мест.
5. Гудериан, Р. Загрязнение воздушной среды / Р. Гудериан. - М.: Мир, 1979. - 200 с.
6. Угрюмов, Б.И. Аспекты лесопользования в лесах, подверженных влиянию промышленных эмиссий / Б.И. Угрюмов, Е.М. Рунова, Г.П. Нежевец. - Братск: Изд-во БрИИ, 1996. - 100 с.
7. Давыдова, Н.Д. Биоиндикация реакции геосистем на атмосферное загрязнение фторидами / Н.Д. Давыдова // Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации: мат-лы междунар. науч. конф. -Ростов-на/Д., 2006. - С. 129-133.
8. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды центральных систем питьевого водоснабжения // Санитарные правила и нормы №4630-88. - М.: Иформ. изд-во Госкомэпиднадзора России, 1984. -111 с.
9. Климат Братска / под ред. Ц.А. Швер, В.Н. Бабиченко. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 168 с.
10. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 183 с.
11. Давыдова, Н.Д. Ландшафтно-геохимический анализ состояния геосистем территории промышленного воздействия / Н.Д. Давыдова, В.Г. Волкова // География почв и геохимия ландшафтов Сибири: сб. ст. -Иркутск, 1988. - 134 с.
12. О результатах снегогеохимической съемки территории г. Братска: отчет о НИР: Геоэкоцентра БФ «Сосновгеология» при ФГУП «Урангеологоразведка» МПР РФ. - Иркутск, 2005. - 55 с.
13. Шихранов, О.Г. Влияние фторидов на древесную растительность в санитарно-защитной зоне Братского алюминиевого завода: автореф. дис. ... канд. биол. наук / О.Г. Шихранов. - Братск: Изд-во БрГУ, 2004. -19 с.
14. Перельман, А.Н. Геохимия элементов в зоне гипергенеза / А.Н. Перельман. - М.: Недра, 1972. - 288 с.
15. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. - М.: Изд-во ВНИРО, 1999.
16. Ружникова, Т.Н. Фтор как микроэлемент в природных водах Иркутской области: мат-лы хим. науч. конф. / Т.Н. Ружникова. - Иркутск, 1999. - С. 14-19.
17. Получение литиевых продуктов из сибирских рассолов для экологизации производства алюминия / А.Н. Баранов, А.Г. Вахромеев, Н.И. Янченко [и др.]. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - 125 с.
18. Савченков, М.Ф. Определение зависимости между загрязнением атмосферного воздуха фтористыми соединениями и содержанием фтора в организме / М.Ф. Савченков, Н.Н. Юшков, Е.Л. Горева [и др.] // Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе: мат-лы науч.-практ. конф. - Братск, 2002. - 369 с.
----------♦'------------
УДК 674.8.51 -74 П.Б. Рябухин
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПОВ УСТОЙЧИВОГО ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ В ХАБАРОВСКОМ КРАЕ
Для реализации принципов устойчивого лесопользования в Хабаровском крае разрабатывается программа по комплексному и рациональному использованию древесных ресурсов. Важнейшим направлением в этой программе является внедрение в производство технологических мощностей по переработке низкотоварной древесины и стволовых остатков (НТДО). С целью решения вопроса о возможностях и перспективах лесозаготовительных предприятий в рамках предлагаемой программы, разработана методика по определению объемов НТДО, формирующихся на различных фазах технологического процесса лесозаготовок, составлена имитационная модель функционирования лесопромышленного предприятия и ее программная реализация. Использование этих разработок позволяет проводить научно обоснованный выбор технологического процесса предприятия, систем лесозаготовительных машин и перерабатывающего оборудования, а также осуществлять расчет цены реализации НТДО сторонним потребителям с учетом природно-производственных условий.
Внедрение современных технологий в лесозаготовительное производство во многом определяется необходимостью комплексного использования древесного сырья и обеспечения принципов устойчивого и неистощительного лесопользования. В государствах, обладающих значительными лесными ресурсами (США, Канада, страны Скандинавии и т.д.), принцип неистощительности рубок и комплексного использования сырья является основополагающим для любых лесопользователей, независимо от формы собственности на лесные ресурсы [1].
В нашей стране, и, в частности, на Дальнем Востоке, в настоящее время сложилась ситуация, при которой лесопользователя интересует сиюминутное получение прибылей за счет реализации продукции только в виде круглых лесоматериалов без переработки заготавливаемой древесины. Такой подход к использованию запасов древесного сырья ведет к деградации лесного фонда и к уничтожению лесной среды как таковой.
Одной из основных причин данной ситуации является отсутствие финансовых возможностей у лесозаготовителей, поскольку внедрение и реализация технологий по глубокой переработке древесины требует значительных финансовых инвестиций. Сегодня эта проблема начинает уже решаться на федеральном и региональном уровнях - достигнуты соглашения с крупными зарубежными компаниями по инвестированию в лесопромышленный комплекс Хабаровского края денежных средств для восстановления лесоперерабатывающих мощностей, определена общая концепция развития технологий по переработке древесины и утверждены места их размещения в регионе.
С целью изучения вопроса о возможностях лесозаготовительных предприятий по обеспечению планируемых производств древесным сырьем, сотрудниками Дальневосточного лесотехнического института
