CC BY
69
УДК 669.711:551.578.46:546.16 Н.И. Янченко
ФТОРИДЫ В СИСТЕМЕ «АТМОСФЕРА - ПЛАНШЕТ - ПОЧВА»
Выполнена интерпретация следующих параметров: содержание фторидов в атмосферном воздухе, интенсивность нагрузки фтора территорию, содержание валового фтора в почве в зоне влияния алюминиевого завода. Получены уравнения корреляционной зависимости и обсуждены результаты снегохимической съемки на территории, прилегающей к алюминиевому заводу.
Введение. Байкальский регион является одним из привлекательных регионов для производства первичного алюминия, так как здесь имеется доступная и дешевая электроэнергия. В то время как в мире цена на электроэнергию 2 цента/кВгч считается низкой, в Сибири алюминиевые заводы платят около 1 цен-та/кВт'Ч, на Урале - 1,5 цента/кВгч [1]. В Байкальском регионе находятся БрАЗ, ИрКАЗ, строится Тайшетский алюминиевый завод. Проектируется завод в Богучанах, на границе с Иркутской областью. Братский алюминиевый завод работает с 1966 г., расположен на расстоянии 400 км от Байкала, применяет технологию с самообжигающимися анодами (технология Содерберга) и систему «мокрой» газоочистки. В составе отходящих газов электролизного производства присутствуют полиароматические углероды, перфторуглеро-ды, СО2, SO2, HF, SiF4, твердые фториды (криолит, фторид кальция, фторид алюминия) и другие соединения. Основная часть выбросов, в том числе и фтора, улавливается в системе «мокрой» газоочистки и возвращается в процесс в виде вторичного и регенерированного криолита. На БрАЗе начаты организационные и технические мероприятия по переходу на более совершенную систему газоочистки - «сухую». Так, США выпускают 2,5 млн т (менее 8% от мирового производства) первичного алюминия и находятся на четвертом месте в мире [1]. Выпуск алюминия БрАЗом составляет примерно 3% от мирового производства, планируется дальнейшее увеличение мощностей.
Братск находится в южной части Среднесибирского плоскогорья, состоит из жилых районов, расположенных по правому и левому берегу Братского водохранилища, разделенных участками тайги. Братский район располагается на территории Ангарской южно-таежной провинции, которая характеризуется как лиственнично-елово-сосновая с березой. Известно [2], что фторсодержащие эмиссии в силу своей высокой токсичности служат одним из основных факторов, вызывающих ослабление древостоев. Ю.П. Танделов [3], ссылаясь на свои исследования и на другие источники, указывает, что повышенное содержание фтора способствует снижению плодородия почвы. Известно, что недостаток фтора, как и его избыток, негативно влияет на здоровье населения. В работе [4] указано, что уровень заболеваемости болезнями костно-мышечной системы у населения Братска на 43,8% выше, чем населения Иркутской области.
Цель работы - установление корреляции между содержанием фторидов в атмосферном воздухе и их накоплением в планшетном растворе, снеге и в почве. Обсуждение результатов локальной снегохимической съемки.
Объекты и методы исследования. В качестве объекта исследования выбраны выбросы фторидов. Методы исследования: 1) интерпретация результатов содержания фторидов в атмосферном воздухе, интенсивности нагрузки фтора на территорию, валовое содержание фтора в почве, выполненных Братским центром гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды; 2) снегохимическая съемка, выполненная совместно БрГУ и ИрГТУ.
Наблюдения проводились Братским центром гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды на стационарных постах Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды (ГСН). Сеть ГСН работает в соответствии с требованиями РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» [5-7]. Для сбора проб атмосферных выпадений фтористых соединений и определения интенсивности нагрузки используется горизонтальный планшет с бортиками. Планшет крепится на стойке, на высоте 1 м от поверхности земли. В планшет заливают 10 л воды, в которой растворен NаОН. Определение
фтора проводят отдельно в отфильтрованной воде и осадке после фильтрования планшетного раствора. В зимнее время в качестве планшета используется снежный покров. Отбор проб снега проводят один раз в месяц в местах, близко расположенных к планшету. Отобранный снег тает при комнатной температуре. Отдельно выполняют анализ фтора в фильтрате талой воды: растворимый фторид и фтор в нерастворимом остатке (на фильтре), а нерастворимый фтор определяют фотометрическим методом с ализаринкомплексоном.
Места установки планшета, отбора проб воздуха и почвы одни (4 точки). Для отбора почвенных образцов выбирают участок, типичный для данной местности, и закладывают пробную площадку 100 м2. Смешанные образцы отбирали по двум горизонтам (из подстилки глубина порядка 0—2,0—5 см) и из нижележащего горизонта 5-20 см. Отбор проб почвы выполнен в августе.
Снегохимическая съемка БрГУ - ИрГТУ выполнялась в феврале-марте 2007 г. Снег отбирали в виде кернов на всю глубину снежного покрова. Снег таял при комнатной температуре, талую воду фильтровали через фильтр «синяя» лента и далее проводили анализ растворимого фтора в фильтрате снеговой воды фотометрическим методом с ализаринкомплексоном.
Результаты и их обсуждение. Установлено изменение средней интенсивности нагрузки фтора на территорию (суммы растворимого и нерастворимого) в зависимости от среднего за год содержания фтористого водорода и твердых фторидов в атмосферном воздухе, преимущественно в северо-восточном направлении в интервале 2-30 км от источника, что представлено уравнением (1). Данные 2000-2005 гг. Коэффициент аппроксимации для уравнения (1) составляет 0,69, коэффициент корреляции 0,88.
У = 3827,9х + 8,8852 , (1)
где У- средняя интенсивность нагрузки растворимого и нерастворимого фтора на территорию, кг/км2'мес.; х - среднее содержание HF и твердых фторидов в воздухе, мг/м3.
кг/км2*мес.
мг/м3
Рис. 1. Изменение средней интенсивности нагрузки фтора (суммы растворимого и нерастворимого) в планшетных растворах и снежном покрове (кг/км^мес.) в зависимости от содержания фтористого водорода и твердых фторидов в атмосферном воздухе (мг/м3)
В соответствии с почвенным районированием г. Братск находится на территории провинции подзолистых, дерново-лесных, дерновокарбонатных и серых лесных почв Иркутского амфитеатра. Подпровинция почв средневысотных плато, на которой находится Братск, характеризуется почвами дерново-карбонатными, дерново-подзолистыми и дерново-лесными. Для определения валового содержания фтора в августе 20002005 гг. на четырех площадках планшетных наблюдений проводился отбор проб почвы на глубине 0-5 см и 5-10 см. Провели выборку значений нагрузки растворимого и нерастворимого фтора по данным планшетных наблюдений с сентября по август за пять годовых периодов (2000-2005) и сравнили с содержанием валового фтора в почвенном горизонте 0-5 см. Получено уравнение (2). Коэффициент аппроксимации составил 0,84, корреляции - 0,93:
У = 0,001х + 0,0156, (2)
где У - содержание валового фтора в почве 0-5 см, %;
х - средняя интенсивность нагрузки растворимого и нерастворимого фтора на территорию, кг/км2'мес.
кг/км2*мес.
Рис. 2. Изменение содержания валового фтора в почве в зависимости от средней интенсивности нагрузки растворимого и нерастворимого фтора на территорию
На основании многолетних наблюдений с 2000 по 2006 г. (за 7 лет) установлено изменение среднего содержания валового фтора в почве в зависимости от расстояния и представлено уравнением (3) для горизонта 0-5 см. Уравнение (3) описывает линейную зависимость (коэффициент корреляции - 0,99, коэффициент аппроксимации - 0,99).
У = -0,0028* х + 0,1026, (3)
где У - среднее содержание валового фтора в почве для горизонта 0-5 см, %; х - расстояние от источника, км.
%
км
Рис. 3. Изменение валового содержания фтора (%) по трем районам в зависимости от расстояния (км) в северо-восточном направлении от источника
Как указывает Н.Д. Давыдова, нагрузка водорастворимого фтора за зимний период (5,5 месяцев) 2003 г. в северо-восточном направлении на территории жилого района Падун (26-30 км) составила 94 мг/м2, или 17,09 мг/м2'мес. (перерасчет автора). По данным БЦГМС, максимальное среднее - 15 кг/км2'мес.
Представленные данные о среднем валовом содержании фтора в почве согласуются с работой [8], где указано, что на расстоянии 4 км в северо-восточном направлении валовое содержание фтора составляет 1320 мг/кг (0,132%), на расстоянии 14 км - 500 мг/кг (0,05%), на расстоянии 30 км - 300 мг/кг (0,03%).
В государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2003 году» [9] указано, что средние массовые доли фтора в горизонтах 0-5 и 5-10 см составили 575 и 475 млн-1, что в 24 и 19,8 раза выше фона. Таким образом, фон равен 24 млн-1(575/24=23,96 и 475/19,8=23,99), или 24 мг/кг, или 0,0024% (пересчет автора). Валовое содержание фтора в почве на расстоянии 2-3 км северо-восточнее от источника превышает фон в 37 раз, на расстоянии 25-30 км северо-восточнее от источника - в 13 раз.
Выполнена снегохимическая съемка на территории влияния выбросов алюминиевого завода, примерно 16 км на восток от источника (рис. 4).
Рис. 4. Изолинии концентраций растворимого фтора в фильтрате снеговой воды на территории, прилегающей в алюминиевому заводу
Интенсивное сгущение изолиний концентраций растворимого фтора южнее завода можно объяснить влиянием Долгого хребта, сгущение изолиний западнее от завода связано с нахождением горы Моргудон высотой около 600 м. Таким образом, рельеф местности препятствует переносу выбросов на юг и на запад.
Кроме основного источника выбросов фтора (алюминиевого завода), фтор поступает в атмосферу при сжигании угля, работе двигателей внутреннего сгорания, в процессе сварки и других технологических операций. Рядом с БрАЗом находится завод по выпуску ферросплавов, в технологии которого в качестве восстановителя применяется кокс. На распределение фтора в селитебных районах оказывают влияние высота зданий и расположение застройки, перепад температур атмосферного воздуха, процессы испарения, уноса снега и другие факторы, следовательно, однозначно утверждать, что концентрация фтора в снежном покрове в Центральном районе (изолинии менее 2 мг/л) обусловлена только выбросами БрАЗа невозможно, так как вклад других факторов в процентном отношении пока не установлен, но, безусловно, влияние БрАЗа значительно.
В.Я. Киселев с коллегами выполнили карту загрязнения Братского района фтором. Представлена она примерно 10-12-кратном уменьшении [10]. На карте указаны интервалы концентрации фтора в снежном покрове в районе источника (более 5 мг/л). В.Я. Киселев выделяет в Центральном районе две области: концентрации фтора в одной области изменяются от 2 до 3 мг/л, в другой - от 3 до 5 мг/л (по данным 2004 г.). По нашим данным, концентрация фтора в Центральном районе составляет менее 2,0 мг/л. Уменьшение концентрации растворимого фтора в фильтрате снеговой воды вероятно связано с более снежной зимой 2007 г. или улучшением технологии очистки на БрАЗе (данные БрАЗа по выбросам в 2007 г. еще не опубликованы).
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,
снижаются выбросы фторидов из электролизера на 20-30% [11].
Выводы. Выполнена интерпретация интенсивности нагрузки фтора на территорию, содержания фтора в атмосферном воздухе, почве с 2000 по 2005 г. По результатам локальной снегохимической съемки устанолвлено, что рельеф местности препятствует переносу выбросов южнее и западнее от завода.
Литература
1. Зельберг, И.А. Перемены на рынке алюминия за десятилетие: 1960-2006 гг. / И.С. Зельберг // Электрометаллургия легких металлов: сб. науч. тр. - Иркутск: СибВАМИ, 2006. - 289 с.
2. 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.
3. Танделов, Ю.П. Природное содержание водорастворимого фтора в почвах Красноярского края и техногенное загрязнение окружающей среды / Ю.П. Танделов // Вестн. КрасГАУ. - 2007. - № 1. - С. 97-110.
4. Определение зависимости между загрязнением атмосферного воздуха фтористыми соединениями и содержанием фтора в организме / М.Ф. Савченков [и др.] // Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе: мат-лы конф. / Братский гос. ун-т. - Братск, 2002. - 369 с.
5. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы / Госкомитет СССР по гидрометеорологии и Министерство здравоохранения СССР. - М., 1991. - 683 с.
6. Ежегодники 2000-2005 годов. Состояние загрязнения атмосферного воздуха городов на территории деятельности Иркутского УГМС в 2000 г. / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Иркутское территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды: Иркутский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды; Рук. ПроховникЛ.Б.; исполн.: Кудринская Г.Б., Дюринг В.М. - Иркутск, 2001-2006 гг.
7. Ежегодники 2000-2005. Состояние загрязнения почв Иркутской области токсикантами промышленного происхождения в 2000 году / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Иркутское территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды: Иркутский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды; Рук. ПроховникЛ.Б.; исполн.: Кудринская Г.Б., Дюринг В.М. - Иркутск, 2001 г.
8. Пузанова, О.А. Экологическая оценка длительного техногенного воздействия на хвойные древостои Приангарья: автореф. ... дис. канд. с.-х. наук / О.А. Пузанова. - Братск: Изд-во БрГУ, 2005. - 20 с.
9. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2003 году. -Иркутск: Облмашинформ, 2004. - 296 с.
10. Техногенное загрязнение Братска по данным снегогеохимических съемок 1991 и 2004 годов / В.Я. Киселев [и др.] // Охрана окружающей среды в муниципальных образованиях на современном этапе: мат-лы II межрегион. науч.-практ. конф. - Братск: Изд-во ГОУ ВПО «БрГУ», 2005 - С. 175-180.
11. Получение литиевых продуктов для экологизации производства алюминия / А.Н. Баранов [и др.]. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - 125 с.
