CC BY
27
УДК 551.511.61
МОНИТОРИНГ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРЕСТНОСТЕЙ НОВОСИБИРСКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА
Василий Васильевич Коковкин
Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, старший научный сотрудник, тел. (383)316-56-32, e-mail: basil@niic.nsc.ru
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Обсуждаются результаты полевых и химико-аналитических исследований многокомпонентного загрязнения снежного покрова в окрестностях Новосибирского электродного завода, выполненных в 2016 г. Для количественной интерпретации данных маршрутных наблюдений использованы малопараметрические модели реконструкции полей выпадений в моно- и полидисперсном приближении. Показано, что основным источником полиароматических углеводородов, ряда тяжелых металлов являются высотные трубы обжигового цеха; характеристики ионного состава снега обусловлены атмосферными выбросами примесей от более низких источников завода.
Ключевые слова: атмосфера, снежный покров, загрязнение, полиароматические углеводороды, модель переноса примеси, оценка.
MONITORING MULTICOMPONENT CONTAMINATION IN THE ENVIRON OF NOVOSIBIRSK ELECTRODES PRODUCING PLANT
Vasily V. Kokovkin
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, Candidate of Sciences in Chemistry, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, Associate Professor, Senior Researcher, tel. (383)316-56-32, e-mail: basil@niic.nsc.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Chief Researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
The results of field and laboratory chemical analytical investigation of Novosibirsk electrode producing plant environ snowpack multicomponent contamination carried out in 2016 are discussed. For quantitative interpretation of snow route data, there were used low parametric reconstruction models of fallout fields in mono- and polydisperse approximation. It was shown that the major sources of polyaromatic hydrocarbons (PAH) and some heavy metals are roasting process tall tubes; snow ionic composition characteristics are caused by atmospheric pollution impurities from smaller plant sources.
Key words: atmosphere, snow cover, contamination, polyaromatic hydrocarbons, model of impurity transference, assessment.
Введение. При планировании мониторинговых исследований в зонах воздействия атмосферных выбросов промышленных предприятий необходим предварительный анализ информации о характеристиках источников, химическом и дисперсном составе примеси, текущих гидрометеорологических и климатических условиях, рельефе местности и т. д. Проведение такого анализа методами прямого численного моделирования процессов атмосферного распространения примесей далеко не всегда возможно из-за отсутствия, например, данных о мощности источника, характеристиках дисперсного состава [1]. В этом случае следует использовать компромиссный подход, основанный на совместном использовании имеющихся данных мониторинга загрязнения в рамках постановок соответствующих обратных задач переноса аэрозольных примесей в приземном и пограничном слоях атмосферы с учетом дополнительных априорных сведений о характеристиках источников и составе примесей [1-3].
Экспериментальные исследования. Новосибирский электродный завод (НЭЗ) расположен в 50 км южнее Новосибирска. Местность слабо покрыта лесом и носит, в основном, равнинный характер. Основное производство основано на технологии пиролиза графита, кокса, каменноугольного пека. Полиароматические углеводороды (ПАУ) составляют значительную часть выбросов завода в атмосферу. Выброс смолистых веществ, включающих ПАУ, осуществляется через две 180-метровые трубы.
В соответствии с зимней розой ветров маршрутный отбор проб снега в окрестностях НЭЗ проводился 12 марта 2016 г. в северо-восточном секторе выноса примесей с промплощадки завода [4]. Схема отбора снеговых проб представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема отбора проб снега 117
Точки пробоотбора на маршрутах размещались с учетом предварительной информации об источниках выброса ПАУ, условий местности, системе дорог, размещения населенных пунктов и лесных насаждений, состояния снежного покрова, климатических характеристик повторяемости и скорости ветра в зимнее время и т. д. Наличие основного маршрута и дополнительных точек пробо-отбора с других направлений позволяет повысить точность реконструкции полей загрязнения снежного покрова.
В зависимости от природы определяемых компонентов (органические или неорганические) использовали 2 схемы анализа. В схеме определения неорганических компонентов и осадка предусмотрено фильтрование через бумажный фильтр с диаметром пор 3-5 мкм. Фильтры с осадками сушили на воздухе. Вес осадков определяли по разности фильтров с осадками и до фильтрования. В фильтрате определяли содержание натрия, кальция, хлоридов, сульфатов и др. Металлы определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии с использованием прибора Z 8000 (Hitachi, Япония). Для определения неорганических анионов (хлоридов, нитратов, сульфатов и фторидов) использовали ионный хроматограф Metrohm 883 Basic IC plus с кондуктометрическим детектором. Погрешности определения аналитов находились в пределах, регулируемых ГОСТ [5]. В параллельных пробах определяли до 19 ПАУ по стандартной методике, которая включала стадии топления снежных проб при комнатной температуре, введение веществ-свидетелей, позволяющих оценить полноту извлечения ПАУ, экстракционное концентрирование ПАУ в хлористый метилен из всего объема нефильтрованной пробы и осушение экстракта безводным сульфатом натрия. Сухой остаток растворяли в ацетоне, который анализировали методом хромато-масс-спектрометрии с использованием газового хроматографа Agilent Technologies (AT) 6890N.
Рис. 2. Линейно-корреляционные связи между компонентами выбросов
Таким образом, основные выпадения БП в зоне до 3 км от трубы связаны с крупными композитными частицами и обусловлены спецификой протекающих технологических процессов. К северу, в непосредственной близости от завода в соответствии с направлениями преобладающих в течение зимы ветров сформировалась область очень высоких концентраций.
Численная реконструкция полей аэрозольных выпадений. Предварительный анализ данных экспедиционных и химико-аналитических исследований показал, что концентрация ПАУ в снеге, несмотря на значительную высоту труб, с удалением от источника быстро уменьшается. Это обстоятельство позволяет утверждать, что основные выпадения ПАУ в зоне 3-4 км происходят в составе крупнодисперсных фракций. Что касается макрокомпонентного и элементного состава, то изменение концентраций происходит более плавно.
С учетом вышесказанного для восстановления полей концентраций вдоль маршрутов пробоотбора целесообразно использовать следующие модели реконструкции в моно и полидисперсном приближении [2, 3]
Л
д„(х,е) = е1х02ехР(-^), р х
qm{x,s) = slxS2Q^{-
2 х
тах
X
) ,
(1)
(2)
где х - расстояние от источника, хтах - расстояние от источника, на котором достигается максимальная приземная концентрация слабооседающей примеси. Оценки неизвестных векторов параметров 9 , ^ проводится по данным наблюдений с использованием метода наименьших квадратов.
Рис. 3. Численно восстановленные концентрации мышьяка, никеля, хлоридов, бенз(а)пирена в снеге в северо-восточном направлении: о - опорные точки, • - контрольные точки наблюдений
На рис. 3 приведены результаты восстановления по моделям (1), (2) полей концентраций мышьяка, никеля, хлоридов, бенз(а)пирена в северо-восточном направлении от промплощадки НЭЗ. Из анализа рис. 3 вытекает удовлетворительное согласие измеренных и вычисленных концентраций различных ингра-диентов примеси в контрольных точках наблюдений.
Максимумы приземных концентраций мышьяка, никеля, бенз(а)пирена достигаются на расстоянии менее 1 км от высотных труб НЭЗ, что указывает на весьма высокие скорости оседания выпавших частиц. Для хлоридов максимум расположен существенно дальше, что указывает на их поступление из более низкого источника.
Заключение. Выполнены экспериментальные исследования химического состава снежного покрова в окрестностях НЭЗ. Установлено, что основные выпадения полиароматических углеводородов происходят от высотных труб обжигового цеха в составе крупнодисперсных фракций частиц и являются весьма значительными. Численный анализ данных наблюдений содержания ряда тяжелых металлов и компонентов ионного состава показал, что их поступления происходят от более низких источников НЭЗ. Попарный корреляционный анализ позволил подтвердить их принадлежность единому источнику.
С использованием асимптотик решений уравнения переноса примеси в моно и полидисперсном приближении примеси проведено численное восстановление полей выпадений тяжелых металлов, ПАУ, компонентов ионного состава. Апробация моделей показала вполне удовлетворительное согласие с данными экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова. При выборе модели оценивания существенную роль играют априорные сведения о характеристиках дисперсного состава примеси. Результаты проведенных исследований позволяют существенно оптимизировать выполнение наземного мониторинга загрязнения окрестностей промышленного предприятия в зимний период времени.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физико-математическое моделирование регионального переноса в атмосфере радиоактивных веществ в результате аварии на Чернобыльской АЭС / Ю. С. Седунов, В. А. Борзи-лов, Н. В. Клепикова, Е. В. Чернокожин, Н. И. Троянова // Метеорология и гидрология. -1989. - № 9. - С. 5-10.
2. Численный анализ данных аэрозольных выпадений примесей от высотного источника / В. Ф. Рапута, В. А. Шлычков, А. А. Леженин, А. Н. Романов, Т. В. Ярославцева // Оптика атмосферы и океана. - 2014. - Т. 27, № 8. - С. 713-718.
3. Рапута В. Ф., Коковкин В. В. Методы интерпретации данных мониторинга загрязнения снежного покрова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - Т. 10. - С. 669- 682.
4. Климат Новосибирска. - Л. : Гидрометеоиздат, 1979. - 221 с.
5. ГОСТ 27384-2002. Вода. Нормы погрешности измерения показателей состава и свойств / Межгосударственный совет по стандартам, метрологии и сертификации. -Минск, 2002. - 8 с.
© В. В. Коковкин, В. Ф. Рапута, 2017
