О химическом составе твердофазных атмосферных выпадений на территории углепромышленных районов Восточного Донбасса

Представлены результаты геохимических исследований твердофазных атмосферных выпадений на территории углепромышленных районов Восточного Донбасса. Рассчитаны показатели пылевой нагрузки, коэффициенты концентрации металлов в твердофазных атмосферных выпадениях. Дана оценка состоянию атмосферного воздуха на территории углепромышленных районов Восточного Донбасса.

Ключевые слова: твердофазные атмосферные выпадения, угольные породные отвалы, пылевая нагрузка, суммарный показатель загрязнения.

 

Все возрастающее техногенное воздействие на природную среду обитания, связанное с разработкой углей и других полезных ископаемых, развитием металлургической, коксохимической, строительной и иных видов промышленности, работой ТЭЦ, сжигающих каменный уголь, и других производств создало в Восточном Донбассе весьма напряженную экологическую обстановку. Она негативно сказывается не только на природных ландшафтах, водной и воздушной среде, но и здоровье населения [1].

Подземная разработка месторождений сопровождается значительным загрязнением атмосферного воздуха. Основными источниками загрязнения являются газопылевые «выбросы» из подземных горных выработок, газопылевые выделения из породных отвалов и складов полезных ископаемых. В данном случае под выбросом понимается поступление в атмосферу из подземных горных выработок рудничного (шахтного) воздуха, масса этого воздуха может быть весьма значительной.

К существенным по своему значению «неорганизованным» источникам пылегазовых загрязнителей атмосферного воздуха относятся также отвалы пород. На территории Ростовской области находится не менее 600 отвалов, 196 из которых сформированы ликвидируемыми шахтами. При подземной разработке месторождений на поверхности земельного отвода располагаются породные отвалы, форма которых зависит от вида транспорта, применяемого для транспортировки породы: конические, так называемые терриконы (узкоколейный транспорт), хребтовые (транспортировка канатными дорогами) и плоские (автотранспорт).

Рис. 3

Складированная в породных отвалах горная масса является источником выделения в окружающую среду токсичных химических веществ, мигрирующих при горении, выветривании и выщелачивании в окружающую среду.

Загрязнение воздушной среды происходит при эрозии, окислении и горении породы, особенно интенсивно протекающих в терриконах. В результате с поверхности отвалов выделяется значительное количество пыли, газообразных (в том числе ядовитых) продуктов и дыма.

В породных отвалах угольных шахт содержится значительное количество угля (от 5 до 20 %), пирита (до 10 %) и серы (от 5 % и более). Внутри отвалов длительное время происходят процессы низкотемпературного окисления горючего материала кислородом воздуха, чаще всего заканчивающиеся самовозгоранием отвала. Самовозгорание отвалов часто происходит на шахтах, где ведется разработка угольных пластов с выходом летучих веществ свыше 20 % и содержащих более 3 % серы. Температура горения породного отвала 800–1200⁰С. Интересно отметить парадоксальный, на первый взгляд, факт — наиболее интенсивное горение терриконов наблюдается в дождливые весенние и осенние сезоны. Это объясняется тем, что при обильном поступлении воды в породу в ней интенсифицируются процессы окисления пирита (при этом в качестве катализатора выступают тионовые бактерии, живущие в кислой среде). После прекращения эксплуатации отвалов поверхностные очаги горения породы довольно быстро исчезают, однако внутри отвалов горение продолжается в течение 7–12 лет.

По результатам температурной съемки Центра мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса на 01.01.2009г. из 162-х обследованных отвалов — 44 горящих, т. е. практически 1/3 всех породных отвалов находится в состоянии горения. С 1м² поверхности горящего породного отвала в атмосферный воздух выделяется до 180 м³/ч продуктов горения содержащих загрязняющие вещества.

Важнейшей частью наблюдений за состоянием атмосферы является изучение химического состава атмосферных осадков. Осадки удаляют содержащиеся в атмосфере примеси и участвуют, таким образом, в очищении воздуха.

Характеристика атмосферных выпадений в исследованиях проводились по результатам опробования атмосферной пыли в 2014 году. Отбор атмосферных проб осуществлялся в летний период (июнь-июль). Общее количество проб атмосферных выпадений — 7 штук.

Геохимическое опробование атмосферной пыли проводилось в хуторе Волченском Каменского района, хуторе Гуково Красносулинского района, поселке Соколово-Кундрюческом г.Новошахтинска, поселке Майском г.Шахты, поселке Аюта г.Шахты, Горняцком сельском поселение Белокалитвинского района и поселке Подскельном г. Каменск-Шахтинского (рис.1). Все оборудованные площадки находились в зоне влияния углепромышленности.

Рис.1. Карта-схема точек отбора проб на территории Восточного Донбасса

 

Отбор проб воздушного загрязнения методом собирания оседающей пыли сосудами (пыле-осадочный метод). Для отбора проб применяются полиэтиленовые емкости с диаметром 375 мм и высотой 200 мм. Емкости устанавливаются на уровне 2–3 м от поверхности земли [2]. Емкости были заполнены на ¾ дистиллированной водой. По мере высыхания воды ее подливали [3].

В пробах обнаружены частицы техногенного происхождения — черные скорлуповатые частицы угольной пыли (рис. 2). Размер частиц изменяется от 28 мкм до 1 мм. Широко распространены в атмосферных пробах угледобывающего района. Частицы попадают в атмосферу как с угольных разрезов, так в результате работы обогатительных фабрик [4].

Рис.2. Черные скорлуповатые частицы (угольная пыль) [4]

 

При определении суммарного прихода твердого вещества, связанного с выпадением аэрозольных частиц, применяется особый геохимический показатель атмосферной нагрузки — количество твердых выпадений, поступающих на единицу площади в единицу времени. Он называется «пылевая нагрузка» (P_n), т. к. поступление твердого вещества оценивается по массе пыли в пробах, и измеряется в мг/(м²сут.) или кг/(км²×сут.). Расчет проводится по формуле:

P_n = P / (S×t),

Где P ─ масса пыли в пробе, S ─ площадь емкости, t ─ время (в сутках), прошедшее с момента установления емкости.

Проводят расчет величины пылевой нагрузки (в мг/м²×сут.) и изучают вещественный состав пробы твердого осадка.

В практике используется следующая градация по среднесуточной пылевой нагрузке:

-        менее 250 — низкая степень загрязнения

-        251–450 — средняя степень загрязнения

-        451–850 — высокая степень загрязнения

-        более 850 — очень высокая степень загрязнения [5].

Площадь для отбора проб во всех исследуемых точках — 0,11 м². Время, прошедшее с момента установления емкостей — 40 суток. Результаты фоновой пылевой нагрузки на исследуемой территории представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты фоновой пылевой нагрузки

 

Фоновая пылевая нагрузка для континентальных территорий определена в 10–20 кг/км² в сутки. Для Ростовской области за величину принята нагрузка в Шолоховском районе, вдали от крупных промышленных предприятий и ТЭЦ (13 кг/км² в сутки) [6].

Следует отметить, что, несмотря на широкую вариабельность значений в исследуемых районах Восточного Донбасса, масса пыли, выпадающей ежесуточно на 1 м², во всех пунктах наблюдения на порядок больше фонового значения. Эта закономерность прослеживается на всех наблюдаемых площадках.

В п. Майском пылевая нагрузка составляет 463 мг/м² в сутки, но в п.Аюта она составила 173,4 мг/м² в сутки. Максимальная пылевая нагрузка наблюдается в п.Соколово-Кундрючьем 1813,9 мг/м² в сутки. Сходная картина наблюдается в Горняцком поселении, типичном шахтерском поселке, где на 1 м² ежесуточно выпадает 222,5 мг/(м²×сут.) [6].

Определение содержания тяжелых металлов в пробах осуществлялось в аккредитованной лаборатории ОАО «Южгеология» (г. Ростов-на-Дону). Результаты полуколичественного спектрального анализа представлены в таблице 2.

Таблица 2

Концентрация химических элементов в пылевых выпадениях из атмосферы, мг/кг

 

В условиях фонового участка физическая масса и химический состав атмосферной пыли в основном формируется за счет почвенных частиц. В пределах исследуемых участков в состав атмосферной взвеси входят продукты эоловой эрозии местных почв, дорожная и строительная пыль, техногенные выбросы.

Если сравнивать с фоном для континентальных территорий, вдали от крупных промышленных предприятий и ТЭЦ. Концентрация хрома, никеля, ванадия, марганца, цинка, свинца и меди превышает фон во всех наблюдаемых точках, в некоторых точках в несколько десятков раз [6].

Максимальные концентрации марганца в атмосферной пыли зафиксированы в п.Соколово-Кундрюческом, п.Аюте и г.Каменск-Шахтинском. Марганец поступает в атмосферу от выбросов предприятий черной металлургии (60 % всех выбросов марганца), машиностроения и металлообработки (23 %), цветной металлургии (9 %) и многочисленных мелких источников, например, от сварочных работ. Марганец является составляющей промышленной пыли и мигрирует в окружающей среде с частичками пыли.

Для х.Гуково и п.Соколово-Кундрюческом характерно высокое содержание в пыли никеля. Концентрация цинка и серебра превышает норму во всех исследуемых пробах. Содержание меди превышало норму в и п.Соколово-Кундрюческом и поселении Горняцкое. Медь поступает в воздух с выбросами металлургических производств. Содержание хрома превышало норму почти во всех исследуемых районах. Повышенная нагрузка формируется за счет увеличения общего количество выпадающей пыли.

Летом в атмосфере появляется большое количество аэрозолей и взвесей, содержащих свинец — за счет увеличения выбросов автотранспорта и дорожной пыли. В последние десятилетия свинец становится все более и более приоритетным загрязняющим микроэлементом вследствие его чрезвычайной токсичности и все увеличивающимися атмосферными выбросами этого тяжелого металла в составе компонентов после сжигания углей, нефтепродуктов, применения тетраэтилсвинца в качестве антидетонационной добавки к бензину. Свинец приобретает статус глобального загрязнителя, т. е. встречается в повышенном содержании практически во всех звеньях окружающей среды на значительных расстояниях от индустриальных центров. Максимальная концентрация свинца в атмосферной пыли отмечено в п.Соколово-Кундрюческом, п.Майский и поселение Горняцкое. Концентрация свинца находится в диапазоне от 50–100 мг/кг.

Атмохимические исследования позволили выявить на территории поселков не только зоны распределения повышенной пылевой нагрузки, но и поля аномальных концентраций элементов в пыли. В состав комплексной геохимической аномалии входят цинк, свинец, никель, кобальт, ванадий, хром, молибден и другие элементы.

При вдыхании загрязненного воздуха происходит: обострение уже имеющихся заболеваний или возникновение новых заболеваний органов дыхательных путей, негативное воздействие на психику, общее отравление организма, снижение иммунитета и работоспособности человека.

При очевидной значимости проблемы, на территории Восточного Донбасса размещен всего 1 стационарный пункт наблюдений за состоянием атмосферного воздуха в г.Шахты. В остальных шахтерских городах в лучшем случае проводятся эпизодические замеры уровня загрязнения атмосферного воздуха. А если учесть, что большая часть горящих породных отвалов находятся непосредственно в населенных пунктах, необходимость создания сети опорных пунктов постоянных наблюдений и ведения мониторинга состояния атмосферного воздуха на территории Восточного Донбасса не вызывает сомнений [1].

Для снижения негативного воздействия на атмосферный воздух выбросов в шахтерских населенных пунктах необходимо выполнение следующих мероприятий: ликвидация мелких нерентабельных котельных, тушение породных отвалов, организация санитарно-защитных зон на предприятиях города, озеленение, сокращение открытых почвенных пространств путем разбивки газонов перевод котельных с твердого топлива на природный газ модернизация, техническое перевооружение и реконструкция котельных с заменой котельного оборудования [7].

 

Литература:

 

1.      Трифонова С. Ф., Скрипки Г. И., Паращенко М. В. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2010 году // Экологический вестник Дона. — Ростов-на-Дону: 2011. — С. 370.

2.      Нецветаева О. Г., Ходжер Т. В., Оболкин В. А., Кобелева Н. А. и др. Химический состав и кислотность атмосферных осадков в Прибайкалье // Оптика атмосферы и океана. — 2000. — № 13. — С. 618–621.

3.      Мельчаников Ю. Л. Окружающая среда: контроль и рекомендации. — Ч.1 изд. — Екатеренбург: 1999. — 58 с.

4.      Иванов А. О. Эколого-геохимическое состояние приземного слоя атмосферного воздуха г.Томска и Объ-Томского междуречья в 2006г. (по итогам снеговой съемки) // Вестник Томского государственного университета. — 2007. — С. 194–197.

5.      Геохимия окружающей среды / Под ред. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. — М: Недра, 1990. — 335 с.

6.      Эколого-геохимические исследования городов Нижнего Дона / Приваленко В. В., Домбровский Ю. А., Остроухова В. М., Шустова В. Л., Базелюк А. А., Остробородько Н. П., — Ростов-на-Дону: 1993. — 268 с.

7.      Назарова С. М., Скрипки Г. И., Паращенко М. В. О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2007 году // Экологический вестник Дона. — Ростов-на-Дону: 2008.