Разработка предложений по снижению воздействия на окружающую среду котельных, работающих на твердом топливе, в малых населенных пунктах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Дахова Екатерина Валерьевна

• Дахова Екатерина Валерьевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Дахова Екатерина Валерьевна

Введение

Глава 1 Современное состояние и уровень изученности проблемы воздействия различных отопительных систем с использованием угля на компоненты окружающей среды

1.1 Классификация систем теплоснабжения

1.2 Проблемы угольного отопления эколого-социального плана

1.3 Тяжелые металлы в экосистемах, как компонент длительного негативного воздействия угольного отопления

1.4 Воздействие золошлаковых отходов на окружающую среду

1.4.1 Общее негативное воздействие золошлаковых отходов

на окружающую среду

1.4.2 Проблема воздействия золошлаковых отходов печного отопления частных домовладений на окружающую среду

1.5 Потенциальные направления переработки золошлаков

Глава 2 Объекты и методы исследований. Природно-климатическая

характеристика района исследования

2.1 Характеристика района исследований

2.2 Методы проведения исследования

Глава 3 Результаты исследования

3.1 Оценка пылевой нагрузки на снежный покров

3.3 Моделирование загрязнения атмосферного воздуха при котельном и печном отоплении

3.4 Биотестирование золошлаковых отходов котельного и печного отопления с помощью растений методом проростков

3.4.1 Оценка фитотоксичности золошлаковых отходов пгт. Шахтерск

3.4.2 Влияние концентрации золошлаковых отходов на ростовые показатели

3.4.3 Определение класса опасности золошлаковых отходов печного и котельного отопления пгт. Шахтерск по фитотоксическому действию

3.5 Микробиологический анализ образцов

3.6 Оценка пригодности техногрунта для биологической рекультивации

3.7 Определение элементного состава почвенных образцов на растровом электронном микроскопе

3.8 Содержание тяжелых металлов в исследуемых образцах угля и золошлаковых

отходов

Глава 4 Разработка предложений по снижению техногенной нагрузки на

окружающую среду при воздействии угольного отопления в малых населенных

пунктах на примере пгт. Шахтерск сахалинской области

4.1 Обоснование мероприятий по уменьшению загрязнения атмосферы при работе

отопительных систем

4.1.1 Обоснование мероприятий по уменьшению загрязнения атмосферы при работе котельной Районная

4.1.2 Обоснование мероприятий по уменьшению загрязнения атмосферы при

работе отопительных систем частного сектора (печное отопление)

Заключение

Список литературы

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка предложений по снижению воздействия на окружающую среду котельных, работающих на твердом топливе, в малых населенных пунктах»

Актуальность темы исследования

На территории Дальнего Востока широко распространены местности с низкими температурами, что обуславливает продолжительный отопительный период, который может составлять более полугода.

Оценка ресурсного потенциала показывает, что основные залежи угля сконцентрированы в Сибири и на Дальнем Востоке, добыча угля ежегодно растет, в т.ч. в Сахалинской области. При этом угледобывающие районы в большинстве случаев используют уголь для теплоснабжения в промышленном и жилищном комплексе как наиболее экономически выгодный вариант. Данные по плотности населения показывают, что угледобывающие районы имеют достаточно низкую плотность населения, и соответственно, наиболеераспространенными источниками теплоснабжения становятся котельные и индивидуальные отопительные системы, что соответствует государственной стратегии развития теплоснабжения. Применение автономных систем является единственно возможным решением в географически удаленных и труднодоступных районах. Использование центральных котельных наиболее целесообразно в пунктах с численностью населения до 100 тыс., т.е. применимопо отношению к малым городам, поселкам городского типа и более мелким структурам. Суммарно в малых населенных пунктах проживает около 24 % всего населения России.

Ископаемый уголь является одним из важнейших сырьевых элементов мирового топливно-энергетического комплекса, одновременно с экономической выгодой имеющий ряд негативных воздействий на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла его использования.

Газопылевые выбросы в ходе сжигания топлива, отчуждение земель под золоотвалы и полигоны, влияние золошлаковых отходов на окружающую среду определяют актуальность работ, связанных с постепенным сокращением доли выбросов путем совершенствования очистных систем отопительных установок,

Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования специфики влияния локальных котельных небольшой мощности и индивидуальных отопительных систем, использующих в качестве топлива уголь, на компоненты окружающей среды и поиском путей улучшения экологической ситуации в разрезе данной проблемы в условиях малых городов и поселков. Работа подпадает под реализацию: «Комплексного плана утилизации отходов угольных станций и котельных до 2035 года» (вовлечение в использование золошлаковых отходов, а также модернизация объектов энергетики), Нацпроекта «Экология» до 2024 гг. - обращение с отходами.

Степень разработанности исследования. Теоретической основой диссертационной работы стали труды российских и зарубежных ученых, посвященные изучению проблемы накопления золошлаковых отходов и их воздействия на компоненты окружающей среды, а также возможным путям их утилизации и переработки: Л. Я. Кизильштейн (2002), В. И. Мязина (2004), Я. Э. Юдович (2006), М. П. Кетрис (2005), Д. А. Озерский (2007), А. А. Черенцова (2013), Е. L. Petsonk (2013), М. Munawer (2017), Л. А. Аликбаева и др.(2018), А. В. Таскин (2018), С. И. Арбузов (2018), А. А. Миронов (2019), А. А. Юркова (2020), П.П. Панков (2021), Н. А., Мийи, АйПа & ВаугаИаг, Отег (2021) и др. Однако практически отсутствуют сведения об изменениях свойств золошлаковых отходов (ЗШО), в том числе печного отопления, в зависимости от сроков лежалости, и данные по обращению с отходами индивидуальных отопительных систем. Несмотря на значительный объем исследований, посвященных проблемам влияния отопительных систем на окружающую среду, вопросы комплексной экологической оценки систем отопления малых населенных пунктов остаются недостаточно изученными.

Цель работы: разработка предложений по снижения техногенной нагрузки на экосистему малых населенных пунктов от котельных, работающих на угольном топливе, на основе комплексного эколого-химического исследования (на примере пгт. Шахтерск Сахалинской области). Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Охарактеризовать техногенную нагрузку на депонирующую среду экосистемы пгт. Шахтерск Сахалинской области).

2. Оценить воздействие угольных отопительных систем пгт. Шахтерск на атмосферный воздух.

3. Охарактеризовать проблемы обращения с золошлаковыми отходами на основе комплексного эколого-химического исследования.

4. Разработать предложения по снижению выбросов в атмосферный воздух и обращению с золошлаковыми отходами котельной Районная.

Теоретическая и практическая значимость работы. Проведенное исследование можно расценивать как базисную основу для дальнейшего научно-практического изучения микроэлементного состава золошлаковых отходов и угля Солнцевского месторождения, определяющего их токсические свойства и возможности утилизации.

Определенная в работе связь вида, концентрации, степени лежалости золошлаковых отходов и воздействия их на растительные и микробиологическим организмы является обоснованием использования рассматриваемых золошлаков в рекультивационных и сельскохозяйственных целях.

Предложен комплекс мероприятий, обоснованный проведенными исследованиями, позволяющий повысить экологическое благополучие территории при эксплуатации отопительных установок котельного и печного типа и обращении с золошлаковыми отходами.

Материалы и выводы исследования могут послужить научной основой для разработки стратегии и тактики улучшения общего социально-экологического состояния пгт. Шахтерск Сахалинской области.

Полученные в ходе выполнения работы материалы могут быть использованы другими хозяйствующими субъектами для разработки мероприятий по снижению негативного воздействия на окружающую среду.

Методы исследований. Общая методология проводимого исследования базируется на принципе системного подхода. При решении поставленных задач использовались группы полевых, экспериментальных, расчетных, аналитических

методов с привлечением сторонних организаций и научных лабораторий ТОГУ, методы компьютерного моделирования, статистической обработки данных и др.

Научная новизна.

Впервые дана комплексная оценка воздействия золошлаковых отходов и угля Солнцевского месторождения на растительные организмы и микробоценозы в условиях пгт. Шахтерск Сахалинской области.

Установлена зависимость токсичности золошлаковых отходов от вида и сроков лежалости.

Оценен вклад централизованных и индивидуальных источников угольного отопления по воздействию на атмосферный воздух в условиях малых городов со сложным рельефом на примере пгт. Шахтерск Сахалинской области.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. На основе моделирования рассеивания примесей в атмосфере выявлены превышение ПДК по пыли неорганической до 5,27 раз и диоксиду серы до 1,27 раз. Максимальный вклад вносит котельная Районная (95% и 90% соответственно), расположенная в центральной части многоквартирной жилой застройки с социально-значимыми объектами.

2. Максимальный фитотоксический эффект отмечен в образцах ЗШО печного отопления и свежих ЗШО (лежалость 1-3 месяца) при использовании различных тест-объектов. С увеличением сроков лежалости ЗШО фитотоксический эффект снижается.

3. Снижение техногенного воздействия возможно за счет дополнительного внедрения 2 ступени очистки дымовых газов котельной Районная (фильтр ФКИ Бакор) и использования золошлаковых отходов котельного отопления в мелиоративных и рекультивационных целях.

Личный вклад автора состоит в сборе, анализе, обработке литературных данных и полученных результатов; описании и визуальном анализе места проведения работ в ходе полевых наблюдений; отборе и анализе проб снежного покрова, образцов золошлаковых отходов, почвы, техногрунта, угля; проведении работ по пробоподготовке и биотестированию проб золошлаковых отходов, почвы,

угля; отборе проб и пробоподготовке для дальнейшего микробиологического, микроскопического, химического, радиологического анализа; анализе и статистической обработке полученныхрезультатов исследования.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 15 научных публикаций, в том числе 5 - в рецензируемых научных журналах из списка ВАК.

Апробация работы: XII Конкурс-конференция научных работ молодых ученых ТОГУ, 25.10.2018 г. Хабаровск; XI конкурс-конференции научных работ молодых ученых Хабаровского края. Институт водных и экологических проблем ДВО РАН. Хабаровск. январь 2019 г.; Конкурс-конференция научных работ молодых ученых ТОГУ, 25.11.2021; XXIV конкурс молодых ученых и аспирантов Хабаровского края секции «Науки о Земле и сельскохозяйственные науки», 18.01.2022 г. Хабаровск; XVI Всероссийская молодежная н.п.к «Проблемы недропользования», (г. Екатеринбург, г. Апатиты и г. Хабаровск) объединенных посредством телемоста; XI международная н.п.к с международным участием «Философия современного природопользования в бассейне реки Амур», 29.05.2022, г. Хабаровск; XXVIII Международная н.п.к «Приоритетные направления развития науки и технологий», 16.10.2022, г. Тула; Конкурс-конференция научных работ молодых ученых ТОГУ, 21.11.2022, г. Хабаровск; XII н.п.к с международным участием «Философия современного природопользования в бассейне реки Амур» 24.04.2023, г. Хабаровск.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 202 наименований, в том числе 21 иностранного источника. Содержание работы изложено на 171 странице машинописного текста, иллюстрировано 52 рисунками и 37 таблицами.

Достоверность результатов исследования подтверждена объемом исследований, применением сертифицированных методик, ГОСТов и привлечением аккредитованных в системе Госстандарта лабораторий при проведении аналитических работ - Лаборатория экологии почв ИВЭП ДВО РАН, Лаборатория физико-химических методов исследования ИТиГ им. Ю. А. Косыгина

ДВО РАН, ФГБУ «Центр агрохимической службы «Хабаровский», Центр коллективного пользования «Прикладное материаловедение», лаборатории ТОГУ. Статистическая обработка результатов проведена с использованием надстройки «Excel» «Пакет анализа» и метода Boxplots. Работа выполнена в текстовом редакторе MS Word. Иллюстративный материал готовился с использованием программы MS Power Point.

Автор выражает благодарность и глубокое уважение научному руководителю д.х.н., доценту Майоровой Л. П. за постановку задачи, критические замечания и неоценимую помощь в подготовке работы, к.б.н.,доценту Имрановой Е. Л. за содействие по разделу микробиологической активности, к.г.-м.н. Бердникову Н. В. и коллективу лаборатории физико- химических методов исследования ИТиГ ДВО РАН за помощь в исследовании химического и радиологического состава образцов, коллективу Центра коллективного пользования «Прикладное материаловедения» ТОГУ за помощь в исследовании образцов на электронном микроскопе.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И УРОВЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЯ НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В главе проведен обзор и анализ литературных данных отечественных и зарубежных авторов по теме исследования.

Проанализированы проблемы выбросов при сжигании угля, образования и накопления золошлаковых отходов с учетом специфики печного и котельного угольного отопления. Рассмотрены варианты воздействия комплекса на компоненты окружающей среды и возможность влияния на здоровье населения. Представлены сведения о свойствах золошлаковых отходов и их влиянии на окружающую среду. Проанализированы основные варианты вовлечения золошлаков в различные отрасли производства.

1.1 Классификация систем теплоснабжения

Климатические особенности России зависимы от ряда факторов, в первую очередь, это географическое положение, большая протяженность и разнообразие рельефа. Характерно разделение года на холодный и теплый периоды со значительным перепадом температур [1].

В частности, на территории Дальнего Востока имеет место значительное присутствие районов и местностей с неблагоприятными климатическими условиями и наличием низких температур [2]. Эколого-биологическую визуализацию климатического распределения можно представить с помощью классификации В. П. Кеппена (рис. 1.1) [3].

Исходя из вышеизложенного следует, что отопительный период во многих районах продолжительный и может составлять более полугода [4,5].

Таким образом необходимо своевременное теплоснабжение населенных пунктов, согласно установленным требованиям.

Рисунок 1.1 - Классификация климатических зон России по В. П. Кеппену на основании естественной для территории флоры [3]

При классификации систем теплоснабжения можно выделить источники тепловой энергии в зависимости от места их выработки:

- централизованные (источник тепловой энергии, работающий на теплоснабжение группы зданий и связанный тепловой сетью с приборами потребления тепла);

- децентрализованные, подразделяющиеся на индивидуальные (теплоснабжение каждого помещения или группы помещений (квартир) от отдельного источника теплоты) и местные (теплоснабжение каждого здания от отдельного источника теплоты) [6].

Согласно концепции развития теплоснабжения в России, наиболее распространенными системами являются централизованные, которые обеспечивают до 75% всех потребителей. При этом около 35% потребности в тепловой энергии обеспечивают ТЭЦ. Однако, неравномерное распределение плотности населения на территории, географические и климатические особенности могут привести к перевесу в сторону децентрализованного или централизованного

отопления малой мощности. По данным Минэнерго РФ, на территории страны в 2018 году было 566 ТЭЦ и 74,8 тыс. котельных [7].

Обобщенная схема видов теплоснабжения населенных пунктов представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Классификация систем теплоснабжения населенных пунктов

В городах с высокой численностью населения является эффективным использование ТЭЦ, как когенерационного источника.

Привязка ТЭЦ к населенным пунктам с высокой плотностью и численностью населения обусловлена определенными факторами. В первую очередь, это радиус действия, ограниченный невозможностью транспорта тепла на слишком большие расстояния. Суточная и сезонная неравномерность тепловых нагрузок снижает эффективность работы данных источников.

Применение в качестве источника теплоснабжения центральных котельных наиболее целесообразно в населенных пунктах с численностью населения до 100 тыс. жителей, т.е. применимо по отношению к малым городам, поселкам

городского типа и более мелким структурам. Именно к этой категории относится большинство населенных пунктов России при количественном учете. На период 2019 года 793 из 1117 городов относятся к категории малых, также к ним стоит добавить категорию поселков городского типа, что суммарно дает более 2000 населенных пунктов с числом населения до 100 тыс. человек. Общая численность жителей, проживающих в этих населенных пунктах, составляет более 34 млн. человек или 24 % от общей численности населения РФ [8-10].

Обустройство ТЭЦ в таких районах не рационально по причине недостаточной нагрузки либо географической разобщенности населенного пункта, что приводит к теплопотерям по пути следования. Если в первом случае, по верхней границе численности населения, возможно рассмотрение ТЭЦ малых мощностей, что сейчас активно рассматривается за рубежом, то «растянутость на местности» предопределяет ТЭЦ как проигрышный вариант.

В крупных городах, имеющих большую протяженность или разрозненность районов, ТЭЦ эффективно дополняются котельными, которые обеспечивают теплоснабжение для районов, находящихся за пределами зон действия тепловых сетей крупных ТЭЦ. Для индивидуального жилого и малоэтажного строительства наиболее популярны децентрализованные автономные системы с тепловой мощностью до 20 Гкал/час (23 МВт) [11].

В городской среде повышается интерес к данному направлению, так как децентрализация позволяет не только снизить капитальные вложения за счет отсутствия тепловых сетей, но и переложить расходы на собственников жилья. Организация автономного отопления также упрощает реконструкцию объектов в районах старой и плотной застройки, где отсутствуют свободные мощности в централизованных системах [11].

Совершенствование индивидуальных систем теплоснабжения привело к распространению системы поквартирного отопления многоквартирных домов в странах с мягким климатом (Испания, Италия, Греция и др.). Распространенности в России данная система не получила, так как был выявлен ряд проблем и сложностей. Прежде всего, это погодно-климатическая составляющая, требующая

отопления общедомовых помещений. Система пригодна только в специально оборудованных домах, что, тем не менее, не снимает проблемы выбросов в атмосферный воздух.

Другой вариант - индивидуальные (автономные) котельные, рассчитанные на один многоквартирный дом. Система набирает популярность, и многие современные дома оборудованы крышной котельной с установленным наверху оборудованием и верхней разводкой трубопроводов. Положительные стороны системы: снижение затрат на транспортировку и доставку теплоносителя до конечного потребителя, независимость от общегородского отопительного графика, возможность учета индивидуальных требований потребителя. Недостатки: полноценное использование возможно в новых домах, изначально предполагающих данный тип отопления. Стоит отметить, что топливо низкого качества может достаточно сильно влиять на ресурсный потенциал котла, приводя к выходу его из строя. Описанная проблема обостряется в многоквартирных/многоэтажных домах [9].

Согласно энергетической стратегии РФ, к 2030 году прогнозируется возрастание объема выработки тепловой энергии индивидуальными системами отопления за счет деурбанизации и роста доли малоэтажного строительства [12]. Для территории Дальнего Востока это утверждение актуально еще и в связи с наличием стимулирующих жилищных программ, к которым можно отнести льготные программы ипотечного кредитования (дальневосточная, сельская ипотека), программы поддержки молодых специалистов по привлечению в регион, «Дальневосточный гектар».

В городах, где районы имеют большую протяженность или находятся в разных частях, крупные ТЭЦ эффективно дополняются котельными, которые обеспечивают теплоснабжение для районов, находящихся за пределами зон действия тепловых сетей. Однако в сегменте индивидуального жилого строительства центральное отопление не может конкурировать с индивидуальными системами, так как организация теплосетевого хозяйства в условиях малоэтажной застройки экономически нецелесообразна - крайне дорого

и сложно. Сегодня в области индивидуального теплоснабжения наблюдается ощутимый прогресс благодаря созданию компактных и экономичных котлов малой мощности, надежной арматуры и внедрению полимерных трубопроводов для внутридомовых инженерных систем. Таким образом, существенное влияние на выбор источника теплоснабжения имеет характер местности и застройки, показатели инженерной инфраструктуры, а также вид используемого топлива (уголь, древесные отходы, мазут, газ, и пр.).

Так, в условиях Сахалинской области действует всего несколько ТЭЦ: (Южно-Сахалинская ТЭЦ-1, две небольшие ТЭЦ (блок-станции) в г. Холмске и Томари, Охинская ТЭЦ), остальные варианты теплоснабжения области представлены котельными и индивидуальными отопительными системами.

Сравнение различных систем теплоснабжения в зонах проживания людей показывает, что крупные ТЭЦ и котельные, особенно расположенные за пределами городской черты, имеют экологические преимущества благодаря более удобному контролю и обслуживанию. В отличие от этого, малые автономные котельные и индивидуальные отопительные системы имеют высокий процент выбросов газов, а также меньший КПД и как правило, не имеют полноценных систем очистки, что особенно отражается на старом жилом фонде с примитивными отопительными системами. В государственной стратегии развития теплоснабжения России определена рациональная область применения централизованных и децентрализованных систем.

Таким образом, в населенных пунктах с высокой плотностью застройки, приоритетны системы централизованного теплоснабжения от крупных ТЭЦ, расположенных за городской чертой, с возможностью дополнения источниками генерации электроэнергии.

В малых городах или отдаленных районах применимы децентрализованные системы с предпочтительным использованием когенерационных установок. Применение автономных отопительных систем часто является единственным возможным решением в труднодоступных районах.

1.2 Проблемы угольного отопления эколого-социального плана

Россия находится на лидирующих позициях в мире по запасам и добыче угля, при этом основные залежи сконцентрированы в Сибирском и Дальневосточном федеральном округе. Количество добываемого в России угля ежегодно растет (рис. 1.3 А) [13,14]. Вместе с тем, в России большое число угольных ТЭЦ и котельных, а также частных домов, отапливаемых углем.

Ранее в работе было обосновано использование ТЭЦ, котельных и децентрализованных источников. Исходя из данных по плотности населения (рис.1.3. Б), можно сделать вывод, что угледобывающие районы имеют достаточно низкую плотность населения, и соответственно, наиболее распространенными источниками теплоснабжения будут являться котельные и индивидуальные отопительные системы.

Рисунок 1.3 - Сравнение размещения угледобывающих районов России (А)[15]

с плотность населения России (Б) [16]

По данным Министерства энергетики РФ, на Дальнем Востоке твердое топливо используется на 72% ТЭЦ и 61-62% котельных, в Сибири - в общем балансе топлива более 20% составляет газ и 53-55% твердое топливо.

Также, согласно «Программе развития угольной промышленности на период до 2030 года» [17], на Дальнем Востоке планируется строительство нескольких крупных ТЭЦ, использующих в качестве топлива уголь.

Основные проблемы угольного отопления на различных этапах, актуальные для подавляющего большинства территорий можно, представить схемой, включающей основные три этапа (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Проблемы угольного отопления на различных этапах

К подготовительному этапу можно отнести действия по цепи уголь-потребитель. В ряде случаев транспортировка угля в местных условиях осуществляется автомобильным транспортом с последующим ссыпанием и перегрузкой. В этот момент происходит активное пыление, максимально проявляющиеся при перегрузке мелкофракционного и несортированного угля [18]. При этом воздействие пыли обусловлено ее химическим составом и размерами частиц [19].

Общими характеристиками угольной пыли можно считать следующее: малый аэродинамический диаметр и размер частиц, способствующий вдыханию и

проникновению в нижние дыхательные пути, в частности в альвеолы; возможность пылевых частиц к агрегации в более крупные кластеры, задерживающиеся в верхних дыхательных путях; определенный химический состав, тождественный составу углей. Угольная пыль состоит из частиц размером до 300 мкм, наиболее гигиенически значимым классом частиц являются: РМ1 (менее 1 мкм), РМ10 (менее 10 мкм) и РМ50 (менее 50 мкм) [20].

Согласно исследованиям, наиболее опасными являются частицы мелких фракций, размер которых менее 10 мкм и 2,5 мкм (РМ10, РМ2,5). На показатели химического состава пылевого загрязнения оказывают влияние геологические особенностей месторождения, в том числе привязанность к определенной геохимической провинции, а также размер (аэродинамический диаметр частиц). Так при аэродинамическом диаметре 1 -10 мкм в составе преобладает кремний, железо, алюминий; при диаметре меньше 1 мкм - калий, натрий, кальций, сера [18].

Составляющие угольной пыли включают общие соединения: углерод, оксиды кремния и алюминия, сульфаты, нитраты, карбонаты, ионы щелочных и щелочноземельных металлов, в составе соединений, а также потенциально токсичные элементы в следовых концентрациях As, B, Cd, Mo, Pb, О, О", 7п и др) [21]. Органические компоненты представлены летучими органическими соединениями с большой долей углерода [18].

Условная группировка элементов-примесей по степени распространенности в углях по Л. Я. Кизильштейну представлена схемой (рис. 1.5) [22].

Группа малых элементов Интервал содержания, г/т сухого вещества Ориентировочный состав групп малых элементов в углях

Собственно малые 1000- 10 В, Б, С1, Тл, V, Сг, Мп, N1, Си, Ъп, Ая, Ъх, Ва, РЬ

Редкие 10-0,1 1л, Ве, Бс, Со, ва, ве, 5е, Бг, Вг, У, 1ЧЬ, Мо, Сё, 8п, 8Ь, Zr\, Се, Ьа, УЬ, В{, и, Щ

Ультраредкие менее 0,1 Яе, Аи, Р1

Рисунок 1.5 - Классификация элементов-примесей в углях (по Кизильштейн Л.Я.)

Воздействие вредных веществ от сжигания угля на организм человека определяется концентрацией загрязнителей в приземном слое воздуха, а также их токсическими свойствами. В оценке токсичности элементов-примесей учитывают их базовую концентрацию в топливе и способность переходить в газовую фазу в процессе сжигания. При этом токсическое действие на организм человека многих токсикантов и их соединений может многократно усиливаться при их совместном присутствии (синергизм и суммации) [23].

Обобщенная классификация по составу химических элементов и соединений при термической переработке ископаемых углей представлена на рис. 1.6. При построении схемы за основу взяты классификации, приведенные в работах (Пашкова Г. Л. 2001, Кизильштейна Л.Я. 2002, Юдович Я.Э., Кетрис М.П. 2006, Черенцовой А. А., 2013) [22-25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дахова Екатерина Валерьевна, 2023 год

источников пыленияи

застройки.

Координаты:

49°10'8.3244"

142°7'23.3976"

Контрольная точка. Распложена в удаленности от любых источников пыления, на возвышенности

Осадок практически

отсутствует. Отмечены остатки растительного происхождения, почвенные и скальные примеси, что обусловлено надувом в период снегостава.

(Фото местности и снегового разреза, фото фильтра и микрофотография осадка)

1

3

4

5

Анализ микрофотографий по всем пробам показывает наличие частиц разного окраса и размера, что свидетельствует о наличии пыли различного состава (наиболее заметно в образцах проб № 2 и № 4). Частицы в большинстве своем четко оконтуренные, различной степени дисперсности. Мелкодисперсные частицы присущи в основном пробе № 3 - печное отопление, также отмечены в пробе № 2 - жилой массив, что обусловлено технологическими особенностями сжигания угля (проба № 3), а также удаленностью от источника выброса (проба № 2 на границе факела выбросов котельной «Районная»).

При анализе твердых атмосферных выпадений произведен расчет пылевой нагрузки (Рп) по формуле:

Рп = Р / ^ • t), (3.1)

где Р - масса твердого вещества, содержащегося в снеговой пробе, кг; S -площадь отбора снежной пробы, км2; 1 - время, прошедшее с момента установления устойчивого снежного покрова, сут. Расчеты сведены в табл. 3.2

Таблица 3.2 - Расчет пылевой нагрузки в точках отбора проб

№ 2017 год 2019 год 2021 год 2017 год 2019 год 2021 год

точки Пылевая нагрузка, Рп, кг/км2 в сутки Уровень пылевой нагрузки

1 1332,621 1558,340 1014,135 Очень высокий, выпадение пыли, в сутки более850 кг/км2

2 1095,371 1156,886 1107,573

Высокий, выпадение Низкий,

3 475,892 211,724 209,026 пыли, в сутки 450 -850 кг/км2 выпадение пыли, в сутки 100 -250 кг/км2

Очень высокий, выпадение пыли, в Низкий,

4 1091,405 1420,847 183,310 сутки более 850 кг/км2 выпадение пыли, в

сутки 100 -250 кг/км2

5 23,768 13,121 13,825 Очень низкий, (при учете низкого уровня выпадениепыли, в сутки 100 - 250 кг/км2)

Таким образом, в пробе № 1 отмечена максимальная пылевая нагрузка на территорию, которая по шкале уровней загрязнения территории относится к категории очень высокого загрязнения. Непосредственная близость котельной, временных складов угля, а также временных складов золошлаковых отходов дает основание полагать, что основную долю в пылевом загрязнении имеет именно пыль угольная, а также продукты сгорания угля. Близость образовательных

учреждений и жилых домов делает необходимым разработку рекомендаций по модернизации котельной и мест складирования угля и его продуктов [39].

Проба № 2 отобрана в центре населенного пункта, находится практически на границе факела выброса котельной. Показатель пылевой нагрузки ниже, чем, в точке № 1, но также свидетельствует об очень высоком уровне загрязнения. Это можно расценивать как фактор снижения комфортности проживания населения и потенциального ухудшения состояния здоровья.

Ситуация в частном секторе (проба № 3) меняется по годам: от 475,89 кг/км2 в сутки в 2017 году до 211,7- 299 в 2019 и 2020 годах. Соответственно уровень загрязнения снежного покрова снижается от высокого до низкого.

Разница в показателях может быть обусловлена отсутствием определенного места для складирования золошлаковых отходов, которые высыпаются на проезжую часть, огородно-приусадебные участки, что может отразиться на уровне пыления на данной территории.

В пробе № 4 отмечается высокое содержание пыли за 2017-2019 год, однако, судя по цвету фильтров после высушивания, пробы имеют достаточно высокую примесь скальных пород. Их наличие обусловлено близким расположением открытой породы, подверженной ветровой эрозии. Низкая пылевая нагрузка в 2021 году связана со снижением отопления из-за сокращения деятельности учреждения по причине эпидемиологических ограничений в связи

с гауго-19.

В контрольной точке, удаленной от других точек отбора проб и расположенной на сопке, (проба № 5) пылевая нагрузка практически отсутствует. На период 2017 года отмечается более высокое содержание осадка по сравнению с 2019 и 2021 годом. На фотографиях видно, что осадок включает в себя остатки растительного происхождения, почвенные примеси и скальные породы (надув в период снегостава).

Приведенные данные свидетельствуют о более высоком вкладе в загрязнение снежного покрова котельных по сравнению с печным отоплением, что делает необходимым разработку мероприятий по снижению выбросов от

котельных. Вклад в пыление транспортировки угля вблизи населенного пункта на данном этапе оценить невозможно. Требуется моделирование процессов рассеивания примесей в атмосфере [39].

3.3 Моделирование загрязнения атмосферного воздуха при котельном

и печном отоплении

С целью оценки уровня загрязнения атмосферы в пгт. Шахтерск было выполнено компьютерное моделирование рассеивания вредных выбросов от сжигания угля в котельной «Районная» и печах отопления частных домов. Котельная «Керамик» (микрорайон Шахтерск-2), не затрагивает основной жилой массив по причине географической удаленности и отапливает территорию с низкой плотностью застройки. Исходя из этого в расчетах не учитывалась.

Расчет выбросов и рассевания их в атмосфере выполнен в соответствии со следующими методиками:

- Приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 06.06.2017 № 273 «Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе» [152].

- Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч, 1985 [125].

- Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час. Москва, 1999. с методическим письмом НИИ Атмосфера № 335/33-07 от 17.05.2000 г. «О проведении расчетов выбросов вредных веществ в атмосферу по «Методике определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 тонн пара в час или менее 20 ГКал в час». Санкт-Петербург, НИИ Атмосфера, 2000 [153].

Выбросы от котельной рассчитывались с помощью программы «Котельные малой мощности», версия 1.0.2 фирмы «Интеграл». Исходные данные для расчета полусены из документа «Обосновывающие материалы к

схеме теплоснабжения муниципального образования «Шахтерское городское поселение» до 2028 года» [142].

В котельном цеху установлены 5 водогрейных котлоагрегатов типа КВ-Р-7,56-150 производительностью 6,5 Гкал/час, с рабочим давлением 16 кгс/см2.

В течении отопительного сезона два котлоагрегата эксплуатируются постоянно еще два являются резервными. Один котлоагрегат рассчитан на подключение в наиболее холодные (ниже расчетных) периоды отопительного сезона. Топливо - бурый уголь, марки 3БР 0-300 Солнцевского месторождения, зольность - 15%, влажность - 19%, сернистость - 0,5 %. Расчет выбросов произведен для двух котлов. Общие исходные данные для расчета: Расход топлива:

- Валовый расход топлива (В), т/год: 11000

- Максимальный расход топлива (В'), г/с: 478.7

- Низшая теплота сгорания топлива ^г), МДж/кг: 19.228

- Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива ^4', q4):

- Максимальный ^4'), %: 6.5

- Средний ^4), %: 6.5

- Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива ^3', q3):

- Максимальный ^3'), %: 1

- Средний ^3), %: 0.75

- Тепловая производительность котла ^н, Qф', Qф):

- Номинальная ^н), ГДж/ч: 27.2142

- Максимальная ^ф'), ГДж/ч: 27.214

- Средняя ^ф), ГДж/ч: 27.214

- Объем продуктов сгорания топлива при н.у. (Уг'), м3/кг: 7.33 [142, 201]. Расчет выбросов от печного отопления проводился согласно

«Методическим указаниям по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч», 1985 г [154, 201].

Количество домов с печным отоплением посчитано ориентировочно по районам с учетом спутниковых снимков и данных Росреестра (рис.3.12).

80 домов

57 домов 55 домов 63 дома

13 домов 7-4 дома

5 домов

Система коорд>**ат проекта

✓ М 1:40000 4* X"» У*

Рисунок 3.1 - Расположение районов и количество домов в них.

Исходные данные: котлы отопительные мощностью 10 кВт, расход топлива 10 тонн в год (достаточное количество угля для отопления дома 50-100 м2, информация также подтверждается администрацией населённого пункта, при выделении объемов субсидированного топлива на одно домовладение) [201];

Топливо - бурый уголь, марки 3БР 0-300, зольность - 15 %, влажность -19 %, сернистость - 0,5 %.

Были рассчитаны показатели выбросов по исходным данным для одного домовладения и в последующем перемножены на количество домов на представленной территории.

Результаты расчетов и данные по выбросам приведены в табл. 3.3.

Результаты расчетов по выбросам от котельной и частных домов сведены в таблицу 3.4 и демонстрируют максимальный разовый и валовый выброс по основным загрязняющим веществам [201].

Таблица 3.3 - Результаты расчетов и данные по выбросам от печного

отопления

1 дом 5 домов 13 домов 74 дома

Выбросы г/с т/год г/с т/год г/с т/год г/с т/год

2908. Пыль неорганическая: 7020% двуокиси кремния 0,021 0,479 0,104 2,394 0,269 6,223 1,534 35,426

330. Сера диоксид (Ангидрид сернистый) 0,006 0,090 0,029 0,450 0,076 1,170 0,433 6,660

337. Углерод оксид 0,022 0,342 0,111 1,708 0,288 4,441 1,642 25,277

Оксиды азота 0,001 0,021 0,007 0,106 0,018 0,275 0,102 1,565

301. Азот (IV) оксид (Азота диоксид) 0,001 0,017 0,005 0,085 0,014 0,220 0,081 1,252

304. Азот (II) оксид (Азота оксид) 0,000 0,003 0,001 0,014 0,002 0,036 0,013 0,203

703. Бенз/а/пирен (3, 4-Бензпирен) 1,5 10-9 2,3 •Ю-8 7,5 •Ю-9 1,2 • 10-7 1,9 • 10-8 3 10-7 1,110-7 1,7 • 10-6

57 домов 55 домов 63 дома 80 домов

Выбросы г/с т/год г/с т/год г/с т/год г/с т/год

2908. Пыль неорганическая: 7020% двуокиси кремния 1,182 27,287 1,140 26,330 1,306 30,160 1,658 38,298

330. Сера диоксид (Ангидрид сернистый) 0,333 5,130 0,322 4,950 0,368 5,670 0,468 7,200

337. Углерод оксид 1,265 19,470 1,220 18,787 1,398 21,520 1,775 27,327

Оксиды азота 0,078 1,206 0,076 1,163 0,087 1,333 0,110 1,692

301. Азот (IV) оксид (Азота диоксид) 0,063 0,964 0,060 0,931 0,069 1,066 0,088 1,354

304. Азот (II) оксид (Азота оксид) 0,010 0,157 0,010 0,151 0,011 0,173 0,014 0,220

703. Бенз/а/пирен (3, 4-Бензпирен) 8,5Е-08 1,3Е-06 8,2Е-08 1,3Е-06 9,4Е-08 1,4Е-06 1,2Е-07 1,8Е-06

Таблица 3.4 - Результат расчёта выбросов вредных веществ от котельной и печного отопления

Код Название вещества Котельная районная Частный сектор

Максимальный разовый выброс, г/с Валовый выброс, т/год. Максимальный разовый выброс, г/с Валовый выброс, т/год

301 Азот (IV) оксид (Азота диоксид) 1,7467 40,1381 0,3810 5,8890

304 Азот (II) оксид (Азота оксид) 0,2838 6,5224 0,0610 0,9570

330 Сера диоксид (Ангидрид сернистый) 8,6166 198,0000 2,0350 31,3200

337 Углерод оксид 17,2123 296,6400 7,7210 118,8720

703 Бенз/а/пирен (3, 4-Бензпирен) 1,7764-10"6 4,0786-10"5 5,1910-7 7,94-10"6

2908 Пыль неорганическая: 70-20% двуокиси кремния 6,8749 157,9787 7,2140 166,5970

Расчет рассеивания выполнялся в программе «Унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА «Эколог»)» версии 4.60. В расчете учтены котельная «Районная» и 7 площадных источников «частный сектор». Карта схема расположения источников выбросов - рис. 3.2.

Карта (нет вариантов расчета)

Система координат проекта V М 1:-4)000 * * " ' "■ : -;5-2.50: .: -:7-*5.50

Рисунок 3.2. - Карта схема расположения источников выбросов

Контрольные точки при моделировании выбросов были взяты на границе территории различных социальных объектов (школы, детские сады и т.д.) и центральной площади, в местах, ближайших к котельной, как основному источнику загрязнения (рис.3.3). Координаты и описания контрольных точек приведены в табл. 3.5.

Рисунок 3.3 - Расположение контрольных точек

Таблица 3.5 - Координаты и описание расчетных точек

Номер Координаты (м) Высота (м) Описание

X У

2 1645,50 1271,00 2,00 Школа № 1

3 1490,00 1158,00 2,00 Дом детского творчества

4 959,00 967,00 2,00 Р.Т. на границе охранной зоны (авто) Городская площадь

5 1192,50 1006,50 2,00 Р.Т. на границе охранной зоны (авто) Городская площадь

6 1209,00 920,00 2,00 Р.Т. на границе охранной зоны (авто) Городская площадь

7 970,50 878,00 2,00 Р.Т. на границе охранной зоны (авто) Городская площадь

8 956,50 967,00 2,00 Р.Т. на границе охранной зоны (авто) Городская площадь

9 1168,00 968,00 2,00 Детская площадка на городской площади

10 1208,50 1043,50 2,00 На границе Горного техникума

11 1213,00 836,50 2,00 Детский сад № 8

12 1083,50 851,00 2,00 Центр культурного развития

13 707,50 803,50 2,00 Детский сад Ветерок

14 738,00 1130,00 2,00 Будущая начальная школа

15 1771,50 1000,50 2,00 Детская школа искусств

16 1695,00 1340,00 2,00 Школьный стадион

17 1448,00 1005,50 2,00 Детский сад № 15

Результаты расчетов рассеивания выбросов в атмосфере для котельной и печного отопления приведены в табл. 3.6-3.7, цветом в таблице отмечены показатели, имеющие превышение значений ПДК. Карты-схемы рассеивания загрязняющих веществ приведены на рис. 3.4-3.6 [201].

Таблица 3.6 - Приземные концентрации вредных веществ в контрольных

точках, доли ПДК

Наименование точки Концентрация вредного вещества, доли ПДК

0301 0304 0330 0337 0703 2908 Суммация

Азота Азот Сера Углерод Бенз/а/ Пыль 6204 Азота

диоксид (II) диоксид оксид пирен неорганич диоксид,

оксид еская: 20- серы

70% 8Ю2 диоксид

1 2 3 4 5 6 7 8

2. Школа № 1 0,59 0,05 1,17 0,23 - 4,79 1,10

3. Дом детского 0,57 0,05 1,14 0,25 5,31 1,07

творчества

4. Р.Т. Городская 0,32 0,03 0,64 0,15 0,90 0,60

площадь

5. Р.Т. Городская 0,48 0,04 0,96 0,22 1,65 0,90

площадь

1 2 3 4 5 6 7 8

6. Р.Т. Городская площадь 0,44 0,04 0,89 0,20 - 1,45 0,83

7. Р.Т. Городская площадь 0,30 0,03 0,61 0,14 - 0,85 0,57

8. Р.Т. Городская площадь 0,32 0,03 0,64 0,15 - 0,90 0,60

9. Детская площадка на городской площади 0,45 0,04 0,89 0,20 - 1,45 0,83

10. На границе Горного техникума 0,51 0,04 1,02 0,23 - 1,82 0,96

11. Детский сад № 8 0,39 0,03 0,79 0,18 - 1,23 0,74

12. Центр культурного развития 0,35 0,03 0,69 0,16 - 1,00 0,65

13. Детский сад Ветерок 0,20 0,02 0,41 0,10 - 0,58 0,39

14. Будущая начальная школа 0,23 0,02 0,47 0,11 - 0,62 0,43

15. Детская школа искусств 0,52 0,04 1,03 0,21 - 2,17 0,97

16. Школьный стадион 0,64 0,05 1,25 0,25 - 3,60 1,18

17. Детский сад № 15 0,64 0,05 1,27 0,28 - 3,08 1,19

Таблица 3.7 - Приземные концентрация вредных веществ в контрольных

точках (с превышением ПДК), доли ПДК

Наименование точки Концентрация вредного вещества в долях ПДК

0330 Сера диоксид 2908 Пыль неорганическая: 20-70% 8Ю2 Суммация: 6204 Азота диоксид, серы диоксид

№ 2. Школа № 1 1,17 4,79 1,10

№ 3. Дом детского творчества 1,14 5,31 1,07

№ 5. Р.Т. Городская площадь 0,96 1,65 0,90

№ 6. Р.Т. Городская площадь 0,89 1,45 0,83

№ 9. Детская площадка на городской площади 0,89 1,45 0,83

№ 10. На границе Горного техникума 1,02 1,82 0,96

№ 11. Детский сад № 8 0,79 1,23 0,74

№ 12. Центр культурного развития 0,69 1,00 0,65

№ 15. Детская школа искусств 1,03 2,17 0,97

№ 16. Школьный стадион 1,25 3,60 1,18

№ 17. Детский сад №15 1,27 3,08 1,19

ндек<

Рисунок 3.4 - Результаты расчета рассеивания вещества Пыль неорганическая:

20-70% 8102, превышение ПДК

Рисунок 3.5 - Результаты расчета рассеивания веществ, приземные концентрации которых превышают ПДК

Полученные результаты показали превышение ПДК по пыли неорганической 20-70 % БЮ2, диоксиду серы и суммации 6204 (Б02, N02) на различных социальных объектах. Основной вклад в суммарное загрязнение вносит котельная «Районная» (рис. 3.7) [201].

Бенз/а/пирен

Рисунок 3.6 - Результаты расчета рассеивания веществ, приземные концентрации которых не превышают ПДК

Рисунок 3.7 - Вклад источников по веществам, приземные концентрации которых превышают ПДК (в точках максимальных превышений) ( - Вклад от котельной, %; - Вклад от печного отопления, %)

Таким образом, по результатам расчетов можно сделать вывод о превышении допустимых концентраций по пыли неорганической 20-70% БЮ2 и

диоксиду серы на различных социальных объектах, а также в местах сосредоточения жилых домов с печным отоплением. Основной вклад в суммарное загрязнение вносит котельная Районная (больше 90%).

Количество образующихся отходов от сжигания топлива за отопительный сезон рассчитано по формуле:

М = 0,01^*Аг - В , т/год (3.2)

где Q - количество используемого угля в год, т/год; Аг - зольность угля, %; определяется по справочным данным или сертификату на топливо. В - выброс золы в атмосферу, т/год.

Таким образом для котельной «Районная», объем составит М=0,01*15* 11000-157,98=1492,02 т/год М = 1650, т/год, без учета выбросов в атмосферу Для домов с печным отоплением, учтенных в работе:

1,5 * 347 = 520,5, т/год М = 520,5 - 166,59 = 353,91,т/год Высокие показатели пылевого загрязнения, полученные в ходе моделирования, подтверждают данные, описанные в предыдущем пункте по расчету пылевой нагрузки на территорию. Демонстрация рассевания на карте местности совпадает с уровнем пылевой нагрузке в точках отбора проб. Исходя из этих двух пунктов, можно сделать вывод о том, что степень загрязнения угольной пылью и продуктами сгорания угля в условиях населенного пункта весьма высокая. Максимальному воздействию подвержены жилые районы, находящиеся в радиусе выбросов от котельной «Районная». В это расположение попадают практически все социально-культурные и образовательные учреждения, в том числе образовательные учреждения для детей младшего возраста, строящиеся многоквартирные дома.

Воздействию пылевого загрязнения также подвержены и жители частного сектора. Меньшие концентрации обусловлены показателями плотности жилой застройки, тем не менее в этом районе фиксируется меньший размер агрегатов и

дополнительное пыление золошлаков, размещенных в непосредственной близости к жилым домам.

Опасность пылевого загрязнения угольными частицами и продуктами его сгорания отмечена в ряде работ. Высокую степень значимости имею физические и химические показатели выбросов. В химической составляющей опасность обусловлена наличием тяжелых металлов в газопылевых выбросах, частицах уноса и непосредственно в золошлаках. Часть металлов, после выгорания органики, может конденсироваться в аэрозолях на поверхности летучей золы. Существует закономерность: распределение ряда элементов увеличивается с уменьшением размеров частиц, т.е. чем мельче частицы золы выбрасываются в атмосферу с дымовыми газами, тем большее количество элементов она может содержать, в сравнении с усредненным составом золы исходного угля. Концентрация элементов в мелкодисперсной золе может возрастать на 1 -2 порядка по отношению к среднему значению [155]. Важно учитывать изначальный химический состав топлива, так как угли различных пластов даже одного месторождения могут иметь достаточно сильные различия в своем составе. При сжигании углей в атмосферу может поступать значительное количество различных элементов (не менее 10% общей массы содержащихся в них Fe, А1, Мп, Со, Se; до 30% Сг, Си, У, №; до 50% Cd, РЬ, Ag, 7п; до 100% As, Б^, Бг, С1), многие из которых обладают иммунотоксическими и канцерогенными свойствами, что негативно сказывается на состоянии здоровья человека и окружающей среды в целом [156].

Отдельно стоит отметить, что достоверно оценить выбросы и содержащиеся в них вещества от печного отопления не представляется возможным по той причине, что местные жители вместе с углем сжигают бытовые отходы различных типов. Так, сжигание пластиковых упаковок, ветоши и т.п. может давать значительные изменение в общей картине, в том числе бенз(а)пирена и других канцерогенных веществ. Подобное поведение населения обусловлено продолжительным отсутствием в частном секторе мусорных баков. Недавний приход регионального оператора еще не в полной мере смог

обеспечить мусорными баками все потребности жителей, также здесь сказывается устоявшееся поведение населения по отношению к сжиганию и утилизации отходов.

Размерность пыли в выбросах от отопительных систем может начинаться от 0,01 мкм, основная масса - частицы диаметром до 5 мкм. Частицы такого размера проникают в растения, организмы животных и человека и достигают мишени биологического действия, оказывая токсический эффект. Анализ заболеваемости населения в России показывает взаимозависимость угольного отопления и заболеваний органов дыхания, в том числе онкологических [157], что особо актуально в условиях Сахалинской области [158, 159].

Для определения потенциальной опасности угля и золошлаковых отходов конкретной местности необходимо проведение исследований химического состава и биологического тестирования.

3.4 Биотестирование золошлаковых отходов котельного и печного отопления с помощью растений методом проростков

Воздействию отходов от сжигания угля подвержены все компоненты природной среды. Почва является наиболее нагружаемым компонентом, так как принимает в себя осадки из атмосферы, поверхностное загрязнение отходами, стоками, при этом она обладает депонирующими свойствами. Метод биотестирования представляет возможность в короткие сроки определить степень воздействия потенциально негативного фактора на тест-объект, и как следствие, на природные среды.

В данном исследовании определялся фитотоксический эффект образцов золошлаковых отходов различного времени лежалости по отношению к травянистым растениям. Пробы золошлаковых отходов были взяты от городской котельной и индивидуальных отопительных систем частного сектора пгт. Шахтерск Сахалинской области.

Скученность точек отбора проб в локации частного сектора обусловлена наличием золошлаковых отходов (ЗШО) длительной лежалости со стихийными площадками хранения, а также необходимостью непосредственного отбора проб ЗШО печного отопления (рис. 3.8). Образцы ЗШО и контрольных сред на местности представлены на рис. 3.9.

в. н и /

'ш. /" .: ШЩ В

Ж' А™У

• " ' • ,___^ лГ ^у*'*1 ■■ -С Г("Я- чу А

/П «--■'■ ■ "■_{а_

Точки отбора проб:

1 - ЗШО котельного отопления, лежалостью 3 года:

2 - ЗШО котельного отопления, лежалостью 3-6 месяцев:

3 -ЗШО котельного отопления, лежалостью 1-3 месяца;

4 - ЗШО печного отопления (частный сектор);

5 - почва без внесеши загрязнителя.

Рисунок 3.8 - Расположение точек отбора проб ЗШО, пгт. Шахтерск

Рисунок 3.9 - Образцы золошлаковых отходов и контрольных сред.

При рассмотрении поверхности золшлаковых отходов котельного отопления (3 года) в точке лежания, наблюдается естественное заселение растительностью. Визуальный анализ фракционного состава поверхностного слоя свидетельствует об отсутствии или минимальном содержании мелких и пылеватых частиц, что может давать определенное отражение при рассмотрении растворения веществ и возможность их дальнейшей миграции как в естественных условиях, так и в ходе лабораторного эксперимента [160, 202].

3.4.1 Оценка фитотоксичности золошлаковых отходов пгт. Шахтерск Был поставлен ряд опытов на пробах ЗШО различной лежалости. Средами сравнения выступали образцы незагрязненной почвы, отобранной в условиях пгт. Шахтерск, дистиллированная вода. Размеры проростков рассмотренных в опыте растений на различных образцах ЗШО представлены на рис. 3.10-3.11. Для демонстрации на указанных рисунках выбраны показатели клевера и овса, как представителей разных таксономических классов. По результатам анализа выявлено увеличение фитотоксичности по отношению к рассмотренным растениям при снижении времени лежалости шлаков (табл. 3.8) [160, 202].

Таблица 3.8 - Фитотоксичность золошлаковых отходов различной лежалости

^^^^^^^ Вид растений Вид отхода Овес, Ет, % Клевер, Ет, % Редис, Ет, %

ЗШО котельного отопления, лежалостью 3 года -2,39 14,48 7,37

ЗШО котельного отопления, лежалостью 3-6 месяцев 22,16* 34,48* 12,18

ЗШО котельного отопления, лежалостью 1-3 месяца 27,55* 60,69*** 67,05***

ЗШО печного отопления (частный сектор) 65,87*** 68,97*** 69,08***

Примечание: здесь и далее, оценка фитотоксичности (Ет, %) [Интерпретация результатов в соответствии со шкалой Н.Б. Максимовой и др. (2003)]. <20 % - норма; 20-40 - слабая фитотоксичность (*); 40-60 - средняя фитотоксичность (**); > 60 % - сильная фитотоксичность (***).

Сильная фитотоксичность определена в образцах ЗШО печного отопления и ЗШО котельного отопления лежалостью не более 3 месяцев на всех тест-объектах. Результаты также указывают на наличие более сильного эффекта по отношению к семенам клевера [160, 202].

Рисунок 3.10 - Динамика ростовых показателей семян овса посевного

(Avena sativa)

Рисунок 3.11 - Динамика ростовых показателей семян клевера лугового

(Trifolium pratense) Подобную динамику имеет показатель энергии прорастания семян. Снижен общий процент всходов, отмечено замедление прорастания на всех тест-

объектах. Зависимость всхожести и энергии прорастания семян от степени лежалости и вида субстрата представлены на показателях клевера, как на тест-объекте, показавшем наибольший отклик (рис.3.12) [160, 202].

Рисунок 3.12 - Динамика энергии прорастания и всхожести семян клевера (Trifolium pratense) на различных видах ЗШО

У проростков овса отмечается отсутствие или снижение количества корневых волосков, общее угнетение, потемнение главного корня. У проростков редиса при взаимодействии с золошлаками малой лежалости также наблюдается угнетение ростовых показателей, при воздействии золошлаков лежалостью более полугода визуальных отклонений от нормы не выявлено. Корни клевера имеют перемычки, утолщения. Наблюдается угнетение корневых волосков, потемнение (рис. 3.13). Представленные нарушения, вероятно, связаны с наличием в исследуемых образцах металлов и их соединений (так, подобные изменения наблюдаются при интенсивном воздействии железа, меди, марганца), а также определенном значении рН [160, 202].

Таким образом, можно предположить, что срок лежалости золошлаковых отходов влияет на его потенциальные токсические свойства. Зависимость всхожести и энергии прорастания от срока лежалости золошлаковых отходов подтверждена наличием высокой отрицательной коррелятивной связи (рис.3.14).

Рисунок 3.13 - Нарушение морфологических характеристик проростков

клевера на различных субстратах

Рисунок 3.14 - Корреляционная связь между показателями (значения коэффициента корреляции Пирсона)

3.4.2 Влияние концентрации золошлаковых отходов на ростовые

показатели

Для дальнейшей оценки были отобраны два образца с наиболее высоким фитотоксическим эффектом: золошлаковые отходы котельного отопления лежалостью 1-3 месяца и отходы печного отопления минимальной лежалости.

С целью выявления степени и качества воздействия ЗШО на растительные организмы в условиях наиболее близких к естественным, был произведен посев семян на вышеобозначенные образцы в различном соотношении с почвой, не имеющей загрязнения и отобранной в районе исследования (табл. 3.9, рис.3.15).

Таблица 3.9 - Фитотоксический эффект золошлаковых отходов в смеси с почвой

Вид ЗШО котельного отопления ЗШО печного отопления

\ЗШО (1-3 мес.)

Овес Клевер Редис Овес Клевер Редис

Доля ЗШО в ^^ Ет, % Ет, % Ет, % Ет, % Ет, % Ет, %

соотношении с почвой\

100 % 51,03 ** 69,33 *** 65,22 *** 63,45 *** 75,46 *** 67,54 ***

50 % 18,62 50,92 ** 14,21 28,28 * 69,33 *** 14,99

25 % -5,52 14,11 -6,18 -5,51 66,87 *** 2,63

12,5 % -5,52 0,61 -8,19 -8,96 4,91 2,01

6,25 % -11,03 -0,61 -3,86 -11,72 3,68 3,55

Подготовка пробы включала в себя отбор средней пробы с удалением достаточно крупных частиц. Измельчение и просеивание через мелкие сита не проводилось преднамеренно с целью моделирования естественных процессов постепенного вымывания и растворения.

Рисунок 3.15 - Воздействие золошлаковых отходов в смеси с почвой на растения

Показано, что фитотоксический эффект снижается по мере уменьшения доли ЗШО в смеси с почвой.

Для выявления фитоэффекта с учетом максимального перехода возможных токсикантов в растворенную форму поставлен опыт с использованием водной вытяжки из рассматриваемых образцов ЗШО. К тест-объектам добавлен Кресс-салат (лат. Lepidium sativum) (табл. 3.10) [160, 202].

Отмечено, что сохраняется общая тенденция снижения фитотоксичности с разбавлением водной вытяжки. Наименее чувствительным тест-объектом является Кресс-салат. Стоит отметить потемнение/окрашивание в желтый цвет фильтровальной бумаги в местах контакта у проростков клевера на фильтрате

печного отопления всех рассматриваемых разбавлений водной вытяжки. На прочих образцах этого не отмечено (рис. 3.16).

Таблица 3.10 - Фитотоксический эффект водной вытяжки

\ Вид \ ЗШО % водной вытяжки ^ч ЗШО \ ЗШО котельного отопления (1-3 мес.) З ШО печного отопления

Овес Ет, % Клевер Ет, % Редис Ет, % Салат Ет, % Овес Ет, % Клевер Ет, % Редис Ет, % Салат Ет, %

100 % 67,38*** 73,5*** 69,56*** 40,2 ** 56,1** 66,88*** 67,3*** 45 **

50 % 35,8* 66,88*** 20,28 * 38,2 * 27,16 * 8,6 -2,7 42,1 **

25 % 5,5 44,23 ** 8,69 -4,6 5,5 7,23 14 5,4

12,5 % 2,47 -2,64 8,11 2 5,5 7,23 2,6 -3,7

6,25 % 0 -3,97 9,56 2,65 0,6 7,6 6,2 0

Рисунок 3.16 - Проростки клевера на фильтрате ЗШО печного отопления

различной концентрации

Морфологические качества стеблей всех видов рассматриваемых растений визуально определены как «хорошие», наименьшему воздействии подвергаются проростки кресс-салата. После измерений отмечено общее изменение ростовых показателей проростков и нарушения морфологических показателей, в большей степени корней [160, 202].

Таким образом, определено наличие максимального фитотоксического эффекта в образцах ЗШО печного отопления и свежих ЗШО (лежалость 1-3 месяца) при использовании различных тест-объектов. Фитотоксический эффект снижается и входит в нормативные показатели при содержании в смеси с почвой менее 12,5%. Полученные данные являются основой для проведения

дополнительных опытов и изучения химического состава рассматриваемых образцов. Вопрос влияния золошлаковых отходов на растительные организмы носит противоречивый характер [160, 202].

По свидетельству ряда авторов, добавление умеренных количеств золошлаков способствует увеличению урожайности сельскохозяйственных культур и стабилизирует почву, улучшая ее состав и способствуя удержанию влаги [161, 162]. Комбинирование золошлаков с компостом, органическими и минеральными удобрениями дает положительный эффект при увеличении урожая пасленовых культур, в частности томатов до 70%; в этом случае не было отмечено нарушений качества окружающей среды, присутствие тяжелых металлов оставалось низким [163].

В ряде исследований показано негативное влияние ЗШО на растения. Отмечается, что пищевые культуры, выращиваемые в условиях внесения в почву золошлака в больших количествах, могут накапливать опасные концентрации мышьяка. Согласно исследованию ученых из Университета штата Индиана, культуры, выращиваемые с содержанием летучей золы от 5 до 20 процентов от веса почвы, активно поглощали токсичные металлы [163].

Известно, что тяжелые металлы быстро накапливаются в почвенном слое и имеют низкую скорость выведения, что приводит к повышенному, по сравнению с фоновым, их уровню на территориях сельскохозяйственной деятельности. Это может стать фактором реальной опасности загрязнения сельхозпродукции, в т. ч. животноводческой [157].

Подводя итог, можно отметить, что применение данного типа отходов в сельском хозяйстве с целью мелиоративных мероприятий потенциально возможно, однако необходимо предварительно оценить возможность миграции тяжелых металлов в живые системы, для чего необходимо провести ряд биологических исследований, а также определить компонентный и количественный химический состав рассматриваемых отходов.

3.4.3 Определение класса опасности золошлаковых отходов печного и котельного отопления пгт. Шахтерск по фитотоксическому действию

В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов (ФККО), золошлаковые смеси от сжигания углей (коды 61140002204, 61140002205) относятся к IV, V классам опасности. Для конкретного отхода, определение класса опасности ведется индивидуально.

Согласно «Критериев отнесения отходов к 1-У классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду», пункты 15, 16, для установления классов опасности отходов, представленных золами, шлаками и золошлаковыми смесями от сжигания углей, применяется критерий (2) -кратность (Кр) разведения водной вытяжки из отхода, при которой вредное воздействие на гидробионты отсутствует. Критерий (1) - определение расчетным методом, в данном случае не используется [164].

Таким образом, в случае ЗШО применяются методы биотестирования. В данном исследовании, как предварительное определение класса опасности золошлаковых отходов печного и котельного отопления пгт. Шахтерск, используется МР 2.1.7.2297-07 «Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности». Исходя из принципа экстремальности, исследования проводятся в условиях прямого контакта тест-растения с экстрактом отхода и его разведениями. Использованы разбавления: 1/10, 1/100 и 1/1000. Спустя 7 суток проростки были извлечены из среды и измерены их параметры - длина корня, длина стебля. Дальнейшие расчеты велись на основании расчета эффекта торможения (табл. 3.11).

Токсический эффект был зафиксирован только при действии нативного экстракта, а его разведения проявили индифферентность относительно семян, следовательно, отходу автоматически присваивается 4 класс опасности -малоопасные по воздействию на здоровье человека. Наиболее чувствительными из представленных тест-объектов являются клевер и редис, меньший отклик проявили проростки кресс-салата.

Таблица 3.11 - Результаты расчета эффекта торможения при кратности разбавления R=10

Вид ЗШО Доля ЗШО ЗШО котельного отопления (1-3 мес.) ЗШО печного отопления

Овес Ет, % Клевер Ет, % Редис Ет, % Салат Ет, % Овес Ет, % Клевер Ет, % Редис Ет, % Салат Ет, %

1 54,48** 76,52*** 60** 40,2** 62,5*** 62,5*** 65*** 40**

1/10 0,4 14,64 -3 0 1,6 6,6 -2,7 0

1/100 -0,4 1,39 0 0,7 -0,4 0,4 0,2 0,5

1/1000 -0,4 -1,18 0 0 0,67 0,65 0,2 0

Для дальнейшего движения ЗШО с целью захоронения, утилизации и переработки рекомендуется проводить регулярные исследование по критериям отнесения отходов к 1-У классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду с целью выявления действия кратности (Кр) разведения водной вытяжки из отхода на гидробионтов, в специализированных аналитических лабораториях экспериментальным путем.

3.5 Микробиологический анализ образцов

Анализ проведен с целью установления количественного и качественного состава микроорганизмов, находящихся в пробах грунта с места бывшего складирования котельных ЗШО и бытовых отходов населенного пункта; а также на образцах ЗШО печного, котельного отопления минимальной лежалости и угля с целью сравнения и определения общих принципов развития микроорганизмов на данном типе золошлаковых отходов. Численность микроорганизмов определена в колониеобразующих единицах, в пересчете на 1 г абсолютно сухой почвы (КОЕ/г). Посев производился поверхностным способом. Фиксация числа микроорганизмов проведена стандартным методом - путем посева различных разведений на агаризованные питательные среды, описанные в гл. 2. Зафиксированы колонии различных микроорганизмов, актиномицетов и грибов (табл. 3.12, рис. 3.17).

Таблица 3.12 - Содержание микроорганизмов на различных образцах при использовании четырех питательных сред

Образец РПА 105 КАА 105 ЭШБИ 105 Актиномицеты 105 Микромицеты 103

ЗШО котельного отопления 15.46 42.46 52.37 5.45 3.0

1-3 мес.

ЗШО печного отопления, ед ед ед - -

1-3 мес.

Техногрунт с бывшего места 31.75 197.77 147.86 6.51 9.71

складирования ЗШО

муниципалитетом

Уголь 18.58 99.75 81.67 24.42 5.83

Анализ численности основных физиологических групп микроорганизмов показал различную заселенность в зависимости от рассматриваемого образца. Наибольшие показатели заселенности отмечены на образцах техногрунта с бывшего места складирования ЗШО, наименьшие - на золошлаке печного отопления. Низкая заселенность золошлака печного отопления вызвана, скорее всего, незначительным контактом отхода с окружающей средой на момент отбора проб, а также потенциально более высокими концентрациями тяжелых металлов, способствующих угнетению микробного сообщества.

Число представителей олиготрофных микроорганизмов, способных к извлечению мономерных соединений при их низкой концентрации в среде, достаточно велико. Это может свидетельствовать о низкой питательности исследуемых образцов [166].

Следует отметить невысокую численность микроскопических грибов, в большей степени появившихся на пробах техногрунта и угля. Группа актиномицетов появляется на более поздних стадиях минерализации органики в почве. Эти организмы способны использовать в качестве источника энергии вещества, не доступные для бактерий. Они способны трансформировать гумусовые вещества, лигнин. Микромицеты и актиномицет являются основными деструкторами сложных биополимеров в почве [166]. Также по литературным данным отмечается высокая чувствительность азотфиксаторов и нитрификаторов к неблагоприятному воздействию тяжелых металлов [167].

Рисунок 3.17 - Содержание микроорганизмов на различных образцах при использовании четырех питательных сред

Таким образом, наличие микробиоценозов и их количественное и качественное увеличение с повышением времени лежалости образцов свидетельствует о возможности дальнейшего развития биологических сообществ на территориях, содержащих данный тип отходов. Рассмотренные грибы являются типичными обитателями почв, что дает основание сделать вывод о положительной динамике естественной ремедиации техногрунта.

3.6 Оценка пригодности техногрунта для биологической рекультивации

Участок отбора пробы подвергался неоднократной планировке с помощью спецтехники в период складирования золошлака и бытового мусора, а также после прекращения данной деятельности. На данный момент складирование отходов в данной точке прекращено, участок находится в условиях естественного восстановления.

3.6.1 Определение дыхательной активности техногрунта

«Дыхание» почвы отражает интенсивность биологических процессов, протекающих внутри нее, и отражает степень и направленность развития микробиологических сообществ. Определено количество СО2 в образце техногрунта с бывшего места складирования ЗШО котельной Районная. Расчет произведен по методу Головко Э. А. Количественные показатели, полученные в результате постановки опыта, позволили рассчитать скорость эмиссии углекислого газа почвенной биотой (табл. 3.13).

Таблица 3.13 - Скорость выделения углекислого газа почвенной биотой (г/м3)

Проба Объем кислоты (А), мл Контроль (В), мл Площадь чашки Петри, м2 Скорость эмиссии, (г/м3)

Техногрунт с бывшего места складирования ЗШО муниципалитетом 8,23 8,17 0,027 22,22

Показано, что эмиссия углекислого газа почвенной биотой высокая, что свидетельствует о благополучном существовании почвенных микроорганизмов.

3.6.2 Оценка пригодности техногрунта для биологической рекультивации лабораторным методом

Определен ряд показателей образца техногрунта с бывшего места складирования ЗШО (табл. 3.14). В последние 5 лет на этой территории не размещаются ЗШО и мусор.

Таблица 3.14 - Показатели оценки пригодности техногрунта для биологической рекультивации

Химические показатели

Наименование показателя Ед. изм. Результат испытаний, погрешность

Массовая доля органического вещества % 21,0 ± 0,6

рН водной вытяжки ед. рН 6,71 ± 0,10

Сумма токсичных солей (по сухому остатку) % 0,14 ± 0,03

Обменный натрий ммоль/ 100 г <0,1

Гранулометрический состав

Содержание фракций грунта; мм: менее 0,01 % 22,13

Агрохимические показатели (водная вытяжка)

Массовая доля плотного остатка (сухой остаток) % 0,14 ± 0,03

Исследования проводились на базе испытательной лаборатории ФГБУ ЦАС "Хабаровский". Протокол испытаний представлен в Приложении А. По заключению аналитической лаборатории, данная территория пригодна для биологической рекультивации.

Визуальный анализ территории на предмет зарастания, также свидетельствует о положительной динамике восстановления растительного покрова на нарушенной территории (рис.3.18).

Рисунок 3.18 - Естественное зарастание территории содержащей ЗШО,

2017-2022 год

3.7 Определение элементного состава почвенных образцов на растровом

электронном микроскопе

Растровый электронный микроскоп позволяет фиксировать три вида излучения электронов: отраженные, вторичные и гамма (характеристическое рентгеновское) излучения. В работе был проведен элементный анализ проб на растровом электроннос микроскопе Hitachi SU-70 с приставками энергодисперсионного спектрометрического (ЭДС) анализа.

Микрорентгеноспектральный анализ проводился с нескольких точек для выявления неоднородностей состава образца. Фиксация вторичных электронов позволяет разглядеть топографию поверхности образцов и состав, так как видны вкрапления разных цветов, более светлые включения могут свидетельствовать о наличии элементов тяжелых металлов.

Анализируя элементный химический состав образцов, можно сделать вывод, что во многом состав их совпадает с типовым химическим составом углей рассматриваемого месторождения, по данным Восточной горнорудной компании (рис. 3.19). Результаты исследований приведены в спектрах, таблицах и микрофотографиях (рис. 3.20).

Рисунок 3.19 - Характеристика углей Солнецевского месторождения (по данным Восточной горнорудной компании)

Рисунок 3.20 - Определение элементного состава образцов золошлаковых отходов на растровом электронном микроскопе

При анализе можно обнаружить избыток ионов железа, который может приводить к нарушениям жизнедеятельности растительности. Это проявляется через замедление ростовых функций, уменьшение размера листовой пластинки, интенсификацию зеленого цвета молодых листьев, покраснение стеблей и старых листьев, нарушение тургора, образование коричневых или черных крапинок или некротических пятен на листьях, почернение кончиков листьев и стебля у основания, угнетение роста корней и нарушение его нормального развития.

3.8 Содержание тяжелых металлов в исследуемых образцах угля

и золошлаковых отходов

Основываясь на разработках Федюнина Т. И. и Жилякова Е. А., Арбузова С. И., Чекрыжов И. Ю., Вялова В.И., Сосниной Н. А. и др., составлена характеристика углей Солнцевского Сахалинского месторождения. Исходный материал образования углей - древесные породы, в меньшей степени -кустарниковые и травянистые растения, что дает основание отнести их в большей степени к гумолитам. Угли характеризуются повышенным содержанием водорода, выходом первичных смол и высокой удельной теплотой сгорания. Максимальная влагоемкость бурых углей составляет 18-20%, каменных - 9-10 %. Среднее выход летучих веществ бурых углей 49 % (не более 53 %), каменных -33,5-35 % [168-170]. Содержание общей серы 0,15-0,5 %. Малофосфористые. Зола углей Сахалинского угольного бассейна в среднем содержит, %: 40-65 SiO2; 15-30 ЛШ3; 2-10 Fe2Oз; 1-2 Р2О5; 2-10 СаО; 1-5 MgO; 1-3 SOз. Содержание углекислоты карбонатов обычно не превышает 0,5%. Обладает высокими качественными показателями. Зола углей Солнцевского месторождения - слабошлакующая (Rs=0,05) и слабозагрязняющая (М=0,35) поверхности нагрева котельных агрегатов [168-170].

В исследовании определялась концентрация химических элементов масс-спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой (атомно-эмиссионная

спектроскопия) с анализом образцов на квадрупольном спектрометре: ELAN-9000 и ICP-MS ELAN DRC II фирмы Perkin Elmer. Анализ проведен в условиях аналитической лаборатории физико-химических методов исследования ИТиГ ДВО РАН. Методика анализа: ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98 «Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом ИСП-МС».

Проанализирован ряд элементов: Na, Mg, K, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Cd, Hg, Pb, P, V, Ba, Ti, B, Be, Th, U в образцах угля, и золошлаковых отходов различной лежалости котельного и печного отопления.

Результаты сравнительного анализа (уголь, ЗШО печного и ЗШО котельного отопления) показывают различную степень содержания элементов. Динамика, свидетельствующая об увеличении концентрации элементов в ряду уголь - ЗШО котельного отопления - ЗШО печного отопления, может быть обусловлена различной степенью выгорания элементов в ходе сжигания, а также кардинальная разница между двумя типами ЗШО может быть связана с наличием очистных сооружений циклонного типа, имеющихся на котельных установках и отсутствующих при печном индивидуальном отоплении. Кроме того, различается тип и количество золы-уноса при представленных типах отопления, что может влиять на количество мелких частиц, потенциально содержащих данные элементы. Отмечается изменение концентрации элементов в зависимости от сроков хранения ЗШО. Тенденция направлена в сторону снижения концентрации ТМ при увеличении срока лежалости. Тем не менее, в образцах золошлаковых отходов лежалостью 1-3 и 3-6 месяцев эта тенденция не всегда соблюдается. Данный факт может быть обусловлен использованием углей с изначально разным составом. Минимальное содержание ТМ отмечено в образцах ЗШО котельного отопления лежалостью около трех лет.

Данные измерений представлены в табл. 3.15. Кларковые значения в углях и золах взяты по Я. Э Юдовичу [170]. В таблице выделены значения, превышающие кларковые показатели. При детальном анализе исследований, проведенных в области определения состава углей Сахалинской области, в

частности, углей Солнцевского месторождения, определен факт схожести описываемых процессов по изменению количественного состава.

Таблица 3.15 - Содержание элементов, в том числе тяжелых металлов в

угле Солнцевского месторождения и в золошлаковых отходах

Элеме нт Уголь ЗШО котельного отопления, лежалостью 3 года ЗШО котельного отопления, лежалостью 3-6 мес. ЗШО котельного отопления, лежалостью 1-3 мес. ЗШО печного отопления Солнцевское месторождение (по материалам Сосниной Н. А.) Кларк по Юдовичу

Уголь, г/т Зола, Уголь, г/т Зола,

Be 0,23 1,49 1,82 1,94 1,81 0,21 2,7 1,6 9,4

V 18,19 136,25 158,73 172,48 164,34 23,6 301,4 25 155

о- 8,23 52,30 65,72 64,85 70,41 7,7 98,6 16 100

Со 1,38 8,41 9,46 10,78 10,77 1,7 21,5 5,1 32

N1 15,29 21,90 25,27 29,20 35,85 5,2 67,1 13 76

Си 6,36 40,79 47,76 54,40 57,23 7,3 95,6 16 92

гп 13,55 40,96 48,29 58,09 79,42 5,7 72,6 23 140

8г 242,25 625,26 953,36 936,11 961,32 157 1977 110 740

оа 0,03 0,002 0,03 0,01 0,11 0,05 0,62 0,22 1,2

Ва 210,86 829,38 966,13 1050,49 967,71 172 2170 150 940

НЕ 0,01 0,05 0,05 0,06 0,06 0,073 0,94 0,1 0,75

РЬ 2,76 3,94 4,05 6,86 7,07 6,61 85,9 7,8 47

ть 0,80 7,53 8,15 8,82 8,79 1,72 22,2 3,3 21

и 0,28 2,28 2,61 2,75 3,22 0,65 8,3 2,4 16

АЭ 3,13 3,78 3,60 5,98 8,06 8,3 50

Мо 0,72 2,34 2,70 2,89 4,03 2,00 14

В 15,42 34,82 62,41 49,01 112,99 44 260

Р 827,99 1347,94 2304,44 2324,59 2676,32 270 1500

Мп 10,02 212,01 233,02 243,37 447,19 70 480

Также совпадает примерный диапазон распределения элементов. Ниже приведено сравнение анализа углей по результатам проведенного нами исследования и результатам ряда авторов (Федюнина Т. И., Жилякова Е. А., Арбузова С. И., Чекрыжов И. Ю., Вялова В.И.) представленных в работе Сосниной Н. А. (табл. 3.14) [169], показавшее сходимость результатов исследований.

В настоящее время для оценки состояния почв, донных отложений и поверхностных вод применяют индивидуальные и комплексные индексы [176-181].

В работе индексы использованы для оценки характера загрязнения тяжелыми металлами угля и ЗШО. В качестве базовой величины приняты кларки ТМ в угле и золе (табл. 3.14). Расчетные формулы и ранжирование индексов представлены в табл. 3.16, исходные данные по основным ТМ - в табл. 3.17.

Таблица 3.16 - Расчетные формулы и ранжирование индексов

Индексы Расчетные формулы Параметры Ранжирование

1 2 3 4

Индекс геоаккумуляции Igeo (Geoaccumulation Index). Геохимический критерий для выявления загрязнения. Ci = l0g2(1,5 • GBi) где О -содержание металла в угле или ЗШО; GB -их кларки Ранжирует семь классов состояния: Igeo<0 - чистые; 0<Igeo<1 - загрязнение от слабого до среднего; 1 <Igeo<2 - средняя степень загрязнения; 2<Igeo< 3 -загрязнение от среднего до сильного; 3<Igeo<4 -сильное загрязнение; 4<Igeo<5 - загрязнение от сильного до очень сильного; 5<Igeo - очень сильное загрязнение

Индекс загрязнения (Single Pollution Index). Используется для выявления наличия загрязнения отдельными поллютантами. Основа для расчета комплексных показателей загрязнения [176, 177]. PI = Ci/GBi где О -содержание металла в угле или ЗШО; GB -их кларки Ранжирует пять уровней загрязнения: PI <1 -отсутствие загрязнения, 1<PI<2 - слабое загрязнение, 2< PI<3 -среднее, 3<PI<5 - сильное, PI>5 - очень сильное загрязнение [176, 177].

PLI - коэффициент загрязнения (Pollution Load Index). Рассчитывается как геометрическое среднее от PI. Указывает на совокупную аккумуляцию тяжелых металлов. PLI = VPIi-PI2--PIn где Р11, Р12 ... Рп - индексы загрязнения отдельных металлов; п - количество учитываемых металлов Значение PLI ниже 1,0 свидетельствует об отсутствии загрязнения [182, 183]

1 2 3 4

Показатель потенциального экологического риска (Potential Ecological Risk). n PERI = ^ PIi • T 1 где Т -коэффициент токсичности ТМ. Значения Т для 2п, V, Сг, Со, РЬ, N1, Си равны 1, 2, 2, 5, 5, 5 соответственно Значение РЕЫ<90 означает низкий уровень экологической опасности, 90-180 - средний, 180-360 -высокий, 360-720 - очень высокий, >720 -чрезвычайно высокий [176, 179]

Индекс загрязнения Nemerow (NPI) (Nemerow Pollution Index). Учитывает вклад не только каждого загрязнителя, но и потенциальную опасность металла-загрязнителя с наибольшим содержанием. NPI = j0,5-(Pimax + P!2ve где Р1тах -максимальное значение Р1 среди п металлов; Р1ауе - среднее значение Р1. Ранжирует пять классов загрязнения почв: №Р1<0,7 -чистая почва, 0,7<№Р1<1,0 -пограничный уровень, 1,0<№Р1<2,0 - слабое загрязнение, 2,0<№Р1<3,0 -среднее , №Р1>3 - сильное загрязнение [176, 177].

Таблица 3.17 - Исходные данные для

расчета индексов

Образцы Cr Co Ni Cu Zn As Hg Pb

Уголь 8,23 1,38 15,29 6,36 13,55 3,13 0,01 2,76

ЗШО котельного отопления лежалостью 3 г. 52,3 8,41 21,9 40,79 40,96 3,78 0,05 3,94

ЗШО котельного отопления лежалостью 3-6 мес. 65,72 9,46 25,27 47,76 48,29 3,6 0,05 4,05

ЗШО котельного отопления лежалостью 1-3 мес. 64,85 10,78 29,2 54,4 58,09 5,98 0,06 6,86

ЗШО печного отопления 70,41 10,77 35,85 57,23 79,42 8,06 0,06 7,07

Кларки уголь 16 5,1 13 16 23 8,3 0,1 7,8

Кларки зола 100 32 76 92 140 50 0,75 47

Т1 2 2 5 5 1 10 40 5

Расчет индекса геоаккумуляции приведен в табл. 3.18, индекса загрязнения - в табл. 3.19, сводные данные по комплексным индексам - в табл. 3.20 и на рис. 3. 21

Согласно ранжированию индекса геоаккумуляции все образцы характеризуются как чистые. Во всех образцах - отсутствие загрязнения, кроме № в угле - слабое загрязнение.

Таблица 3.18 - Расчет индекса геоаккумуляции

Образцы Cr Co Ni Cu Zn As Hg Pb

Уголь -1,5441 -2,4708 -0,3509 -1,9159 -1,3483 -1,9919 -3,9069 -2,0838

ЗШО котельного

отопления лежалостью 3 г. -1,5201 -2,5129 -2,3800 -1,7584 -2,3581 -4,3104 -4,4919 -4,1614

ЗШО котельного