Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

«Комплексная оценка техногенного воздействия предприятий черной металлургии на окружающую природную среду центра европейской России»

(теория, методология, практика)

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология

На правах рукописи

Груздев

Владимир Станиславович

Москва 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО Государственном университете по землеустройству

Официальные оппоненты:

Разяпов Анвар Закирович;

Доктор технических наук,

профессор Национального исследовательского

технологического университета (МИСиС);

Коронкевич Николай Иванович Зав. лабораторией в ИГРАН;

Кузьмина Жанна Вадимовна, доктор

географических наук; ведущий научный

сотрудник ИВП РАН.

Ведущая организация: Московский Государственный областной университет

Защита диссертации состоится «_____»_____________2010 г в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 220. 025. 03 при ФГОУ ВПО Государственном университете по землеустройству по адресу: 105064, г. Москва, ул. Казакова 15, ГУЗ (конференц-зал), тел. (499)-261-31-46, факс. (499)-261-95-45

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета по землеустройству.

Автореферат разослан и размещен на сайте ВАК

«_____»_____________2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.г.н., доцент Т.А. Соколова

Актуальность темы. Черная металлургия является одним из основных загрязнителей окружающей природной среды (ОПС) во многих городах России и мира. Наибольший вред ОПС приносят техногенные выбросы от предприятий черной металлургии. Негативное воздействие на ОПС оказывает также складирование отходов производства и сброс отработанных вод. В результате длительного поступления в ОПС техногенных выбросов почвы прилегающих к предприятиям территорий все больше накапливают тяжелых металлов (ТМ) и других загрязняющих веществ (ЗВ). Выбрасываемая пыль содержит значительное количество кальция и магния, и её поступление в почву приводит к увеличению рН почвы до 7,2-8,3, особенно, на черноземах. Масштабы изменения ОПС в зоне действия предприятий черной металлургии зависят не только от состава и объема техногенных выбросов, но и от положения предприятия в определенной природной зоне и подзоне. По данным Росгидромета к чрезвычайно опасной категории загрязнения ТМ отнесено 0,5 % населенных пунктов России, к опасной категории - 3,7 %, к умеренно опасной - 10 %. Объекты нашего исследования («Северсталь», «Электросталь», «Косогорский металлургический комбинат «, «Новолипецкий металлургический комбинат» и другие отнесены к умеренно опасной зоне загрязнения. Накопление загрязнений оказывает негативное воздействие не только на состояние ОПС, но и здоровье населения.

Масштабы и характер загрязнения ОПС предприятиями металлургического комплекса связаны с уровнем применяемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством используемого сырья, объемом и составом выбросов, сбросов и твердых отходов, географическим положением предприятий, характером рассеивания загрязнений и влиянием на ландшафты, экосистемы и их компоненты.

Необходимость улучшения состояния ОПС делает актуальным исследование и оценку техногенного воздействия черной металлургии на ландшафты природных зон и поиск путей оптимизации состояния ОПС в регионах с черной металлургией. При этом очень важна оценка влияния на ОПС внедрения новых технологий, что позволит оптимизировать стратегию и тактику природоохранной деятельности с учетом зонального и регионального положения предприятий черной металлургии.

Цель и задачи исследования

Цель исследования:

- на основе комплексного, регионального подхода провести исследование и оценку техногенного воздействия предприятий черной металлургии на окружающую природную среду центра Европейской России и дать практические рекомендации оптимизации состояния ОПС.

Соответственно с целью были поставлены и выполнены следующие задачи:

- выявить объемы, состав, структуру и рассеивание загрязнений от предприятий черной металлургии;

- провести сравнительный анализ природных условий и выявить воздействие выбросов и сбросов предприятий черной металлургии на компоненты ОПС лесной и лесостепной зон центра Европейской России: атмосферу, почвы, воды, растительность;

- выявить сообщества и виды-биоиндикаторы техногенного воздействия на окружающую природную среду лесной и лесостепной зон центра Европейской России;

- определить основные тенденции в динамике растительности и почв под влиянием техногенного воздействия предприятий черной металлургии в лесной и лесостепной зонах;

- на основе применения биоиндикации и химического мониторинга определить зоны влияния техногенных выбросов черной металлургии;

- выявить виды технологий, применяемых в производстве проката черных металлов, сравнить их влияние на ОПС и модификации технологии, предложенной автором;

- провести экологическую оценку влияния внедрения новых технологий в производстве проката черных металлов на состояние ОПС и здоровье работников производства;

- разработать практические рекомендации по оптимизации природопользования в лесной и лесостепной зонах в условиях техногенного воздействия предприятий черной металлургии.

Научная новизна

Разработана и обоснована концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на ОПС природных зон, подзон и провинций. Показано, что ответная реакция ландшафтов и их компонентов на техногенное загрязнение зависит не только от объема и состава последних, но также от положения ландшафта в природной зоне, подзоне и провинции и от исходных параметров почвенного и растительного покровов, что определяет характер мероприятий по санации техногенно загрязненных почв, их использованию, внедрению мероприятий по улучшению состава растительного покрова и почв.

В результате проведенных комплексных исследований, включающих изучение почв и растительности на ключевых участках, химические анализы образцов почв и растений, биоиндикацию и биотестирование автором получены новые результаты по воздействию техногенного загрязнения от предприятий черной металлургии на почвы, воды, атмосферу и растительность лесной и лесостепной зон центра Европейской России. Выявлена динамика почв, луговых и лесных сообществ в подзонах лесной и лесостепной зон центра Европейской России, а также под совместным влиянием подтопления и техногенных выбросов от черной металлургии в водоохранной зоне северо-восточной части Рыбинского водохранилища. Проведена оценка биоразнообразия в основных растительных сообществах и выявлены тенденции его изменения в условиях техногенного воздействия. Разработаны экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к воздействию техногенного загрязнения. Оценен вклад новых технологий проката черных металлов, разработанных с участием автора, в охрану окружающей среды и здоровья населения.

Теоретической и методологической основой работы послужили идеи и принципы концептуального, регионального комплексного подхода к изучению окружающей природной среды и её изменения в условиях техногенного воздействия. В процессе исследований нами были проанализированы и учтены результаты исследований ученых институтов Глобального климата и экологии Росгидромета РАН, Геоэкологии РАН, МГУ имени М.В.Ломоносова и др. Учтены результаты исследований по влиянию техногенных выбросов на ОС М.А.Глазовской, В.Г.Заиканова, А.В.Хабарова, Е.А.Афанасьева, Э.Ю.Безуглой, Т.В.Звонковой, Н.И.Коронкевича, Н.М.Чернавской и др.

Теоретическая и практическая значимость

В диссертации обоснована концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на ОПС, развиваются вопросы методики мониторинга динамики почв и растительности при совместном влиянии подтопления, рекреации и техногенного воздействия. Анализируются пути миграции и аккумуляции загрязняющих веществ и, в соответствии с этим, даются практические рекомендации по оптимизации природопользования в данных условиях. Обоснованы методические приемы применения для выявления техногенного загрязнения и токсичности почв биоиндикации и биотестирования. Выявлены растения гипераккумуляторы тяжелых металлов (ТМ) и растения биоиндикаторы техногенного воздействия. Важное значение для практики имеют разработанные автором экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к техногенному воздействию, а также рекомендации по созданию санитарно-защитных зон предприятий.

Разработки автора применяются на кафедре земледелия и растениеводства Государственного университета по землеустройству при преподавании дисциплин: агроландшафтное земледелие, растениеводство, агроэкологические основы использования сельскохозяйственных машин, а также при организации научно-исследовательской работы студентов. Монография В.С.Груздева «Биоиндикация состояния окружающей среды» используется в университете в качестве учебного пособия.

Технологические и конструкторские разработки по оптимизации технологии проката черных металлов, созданные с участием автора, использованы при выдаче технического задания на реконструкцию цеха стальных фасонных профилей Омутнинского металлургического завода.

Основные защищаемые положения

- Концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия от предприятий черной металлургии на состояние окружающей природной среды. Устойчивость экосистем лесной и лесостепной зон к техногенному воздействию зависит от их состава, структуры и географического положения в природной зоне, подзоне и регионе;

- Наибольшее влияние на состояние окружающей среды в зоне влияния предприятий черной металлургии оказывают техногенные выбросы, содержащие газообразные и твердые вещества (пыль). Газообразные выбросы наиболее негативно влияют на состояние растительности. Особенно неблагоприятно влияют выбросы SO₂, NО_2, NO, что проявляется у вегетирующих растений в появлении на листьях участков хлороза и некроза и снижает годичные приросты в среднем в 1,5 раза. На почвы наибольшее влияние оказывает техногенная пыль.

- Зональные особенности техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты природных зон и подзон зависят от реакции почвенного раствора зональных почв, содержания в почве гумуса и обменных оснований, а также от флористического состава исходных растительных сообществ;

- Масштабы и характер техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты природных зон и подзон, а также границы зон техногенного воздействия выявляются на основе учета химического состава почв и растений, а также при помощи растительных сообществ, растений-биоиндикаторов и при помощи биотестирования;

- Для природных зон и подзон, а также для зон техногенного воздействия выбросов предприятий черной металлургии характерен свой набор биоиндиаторных растительных сообществ и растений-биоиндикаторов;

- Мероприятия по санированию и использованию в народном хозяйстве техногенно загрязненных почв имеют зональные особенности, связанные не только с составом и объемом техногенных загрязнений, но также с особенностями их миграции, аккумуляции и превращений в ландшафтах природных зон и подзон.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах в Университете стали и сплавов, на экологических семинарах в Госуниверситете по землеустройству и на нескольких научных и научно-практических конференциях (Горки, 2002, 2004; Тверь, 2005; Москва. 1993, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009; и др.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 2 монографии, одна из которых в соавторстве, 38 статей и тезисов. В журналах рекомендованных ВАК опубликовано 24 статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, практических рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 300 страницах компьютерного текста, плюс - библиографический список и приложения. В диссертацию включено 108 таблиц, 20 фотографий, 16 рисунков и 26 приложений.

техногенный загрязнение металлургия атмосфера

Основное содержание диссертации

Исследования воздействия предприятий черной металлургии на ОПС проводились в подзонах средней и южной тайги и подзоне широколиственно-хвойных лесов лесной зоны в пределах Вологодской, Кировской и Московской областей, а также в лесостепной зоне, в подзонах северной и южной лесостепи, в Тульской и Липецкой областях Российской Федерации.

Проведенный сравнительный анализ показал постепенное изменение при движении с севера на юг климата, почв и растительности (табл. 1, 2), что предопределило разные ответные реакции почв и растительности природных подзон и провинций на техногенное воздействие черной металлургии. Проведено исследование воздействие на ОПС комбината «Северсталь», расположенного в г. Череповец Вологодской области, Омутнинского металлургического завода в Кировской области, завода «Электросталь в Московской области, Косогорского металлургического завода и комбината Тула-чермет в Тульской области и Ново-Липецкого металлургического комбината в Липецкой области. Теоретической основой такого выбора металлургической предприятий явилась разработанная нами концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия металлургических предприятий на ОПС.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика климатически параметров для изучаемых областей лесной и лесостепной зон ЕТС

№	Название области	Характеристика климата	Осадки мм/год	Средняя t°C в июле	Средняя t°C в январе	Продолжите льность вегетационного периода, дни
1.	Вологодская	Умеренно-континентальный	550-600	+17 °, +18°	-11° , -14°	120-130
2.	Кировская	Континентальный	400-450	+17° , +19°	-14° , -16°	100-140
3.	Московская	Умеренно- континентальный	500-650	+17°, +18°	-10°, -11°	130-140
4.	Тульская	Умеренно-континентальный	500-550	+18,6°	-9,8°	140-145
5.	Липецкая	Умеренно-континентальный	500-520	+20, +20,4°	-10, -10,4°	180-190

В процессе исследования была проанализирована имеющаяся по данной тематике литература, а также некоторые фондовые и картографические материалы. Были проанализированы данные по изменению состояния ОПС с момента открытия металлургических комбинатов по настоящее время. Учтены обобщения, сделанные в 1992 году А.В.Герасимовым и В.А.Федоровым. Проведено сравнение полученных нами показателей состояния ОПС с состоянием её в 1992 году и ранее и выявлены основные тенденции в динамике ландшафтов и их компонентов в условиях техногенного воздействия. На местности проведены маршрутно-ключевые исследования с изучением почв и растительности на разном удалении от источников загрязнения. Пробные площади закладывались вблизи комбинатов, на расстоянии 0,5 км, 1 км, 2, 5, 12, 15, 20, 30, 50 км и далее.

Таблица 2.

Сравнительная характеристика параметров рельефа, почв и растительности областей с черной металлургией

Область	Природная зона	Природная подзона	Рельеф	Почвы, рН	Зональная растительность, % лесистости
Вологодская	Лесная	Средняя тайга	Холмистая равнина	Подзолистые, болотно-подзолистые, рН 4,5-5,5	Еловые, реже сосновые зеленомошные и сфагновые леса, лесистость до 80%
		Южная тайга	Холмисто-увалистый	Дерново-средне подзолистые, рН 5,0-6,0	Березовые, осиновые, реже еловые зеленомошно-кустарничковые леса. Лесистость 10-30%
Киров ская	Лесная	Средняя тайга	Увалисто-холмистый	Подзолистые, болотно-подзолистые рН 4,5-5.0	Елово-пихтовые моховые и зеленомошно-кустарничковые леса. Лесистость более 80%
		Южная тайга	Увалисто-холмистая равнина полого наклоненная на юг	Дерново-средне подзолистые, рН 5,0-6,0	Смешанные елово-пихтово-осиново-березовые зеленомошно-кустарничковые леса. Лесистость 10-30%
Московская	Лесная	Подзона широколиственно-хвойных лесов	Равнинный	Дерново-слабо подзолистые, рН 5,0-6,5	Еловые, сосновые и широколиственнохвойные зеленомошно-кустарничко-вые и травяные леса. Лесистость более 40%
Тульская	Лесостепная	Северная лесостепь с широколиственными лесами	Расчлененная равнина, на севере области - волнистая равнина	Серые лесные - на севере области, на юге имеются серые лесные почвы и оподзоленные черноземы, рН 5,5-6,8	Широколиственные липовые и дубовые снытевые, пролесниковые, зеленчуковые леса. Лесистость 14%
Липец кая	Лесостепная	Южная лесостепь с луговыми степями	Расчлененная возвышенная равнина	Черноземы оподзоленные, выщелоченные и типичные, рН 6,6-7,2	Луговые степи, почти полностью распаханы. Участки целинных степей сохраняются в заповедниках. Лесистость 7%

Это позволило выявить ореолы рассеивания загрязнений и выделить зоны сильного, довольно сильного, среднего, слабого влияния и фоновую территорию.

На пробных площадях делались геоботанические описания растительности по общепринятой методике, копались почвенные шурфы и прикопки. Отбирались средние образцы почв, которые в дальнейшем были проанализированы в агрохимическом центре «Московский» и в ГЕАХИ им. В.Вернадского. Часть анализов и опытов проведена в ГУЗе. Обращалось также внимание на реакцию видов флоры на загрязнение, наличие негативных изменений и пр.

В городах с черной металлургией проведено обследование зеленых насаждений для выявления их реакции на техногенное загрязнение. В прибрежной зоне Рыбинского водохранилища сделаны описания водных и прибрежных растительных сообществ и визуальная оценка качества воды. Обобщены литературные данные по загрязнению Шекснинского плеса Рыбинского водохранилища.

При камеральной обработке применялись методы: системный, сравнительный, ретроспективный, обработка геоботанических описаний по экологическим шкалам, проводилось биотестирование техногенно загрязненных почв, выявлялись биоиндикаторы загрязнения оценивалось биоразнообразие. Выявлены основные факторы, вызвавшие изменение ОПС, а также компоненты экосистем, изменившиеся в неблагоприятную сторону. Виды высших и низших растений нами использованы как биоиндикаторы состояния ОПС.

Проведена оценка экологического эффекта от использования установки ТМО, разработанной с участием автора на состояние ОС в цехах прокатного производства.

Обобщены данные по истории развития черной металлургии и её влиянии на ОПС. Черная металлургия - одна из важнейших отраслей тяжелой индустрии, производящая чугун, сталь, ферросплавы и различный прокат. Она является основой средств производства, особенно машиностроения, с развитием которого связан технический прогресс. Для черной металлургии характерно сильно развитое производственное комбинирование. Современные крупные предприятия черной металлургии представляют собой металлурго-энерго-химкомбинаты. Предприятия с полным циклом дают 80 % чугуна и 70 % стали и проката. На производство 1 т чугуна расходуется 1,2…1,5 т угля, до 1,5 т железной руды, свыше 0,5 т флюсовых известняков и до 30 м? воды. Предприятия с полным циклом тяготеют к источникам минерального сырья, топливным базам или к пунктам между ними (Череповец). Работа предприятий черной металлургии приводит к возникновению ряда экологических проблем (Осипов, 2001):

Главная экологическая проблема - загрязнение атмосферы;

Загрязнение водных ресурсов;

Образование и накопление промышленных отходов;

Нарушение земель карьерами, отвалами и пр.;

Возникновение техногенных геохимических аномалий;

Неблагоприятное влияние на почвы, растительность и животный мир;

Неблагоприятное влияние на здоровье человека.

По стадиям металлургического цикла образуются газы, шламы, шлаки пыль. Особенно много пыли образуется при работе доменных, сталеплавильных, коксовых печей, агломерационных фабрик, заводов по обжигу извести. Значительное количество пыли образуется в прокатных цехах. Объем выбросов пыли зависит от применяемой технологии и оборудования. Пылевые выбросы являются важным источником эмиссии вредных веществ в ОС. Поступление и накопление пыли приводит к формированию техногенных геохимических аномалий.

Используемые на предприятиях черной металлургии руды (Янин, 2004) в своем составе содержат значительное количество ТМ, которые в дальнейшем обнаруживаются в ореолах рассеивания (табл. 3). Подсчеты показали, что на территории предприятий черной металлургии и угольной промышленности имеется более 12 млрд. м? отвалов, вскрыши и хвостов обогащения, более 100 млн. т металлургических шлаков и более 140 млн. т пылей и пр. и ежегодно поступает 2 млрд. м? (Вальдберг и др., 2002 и др). При производстве 1 т отливок в атмосферу выбрасывается 40…60 кг силикатной пыли, 200-300 кг СО, 1…2 кг оксидов азота и серы, 0,5…1,5 кг фенола, формальдегида и др., в водоемы поступает до 3 м? сточных вод, в отвалы вывозится до 6 т отработанных формовочных смесей.

Таблица 3.

Химические элементы в пыли сталеплавильного завода, мг/кг (Янин, 2004)

Элемент	Плавление ферросплавов	Травление	Вторичный переплав	Прессование	Плавление стали	Кларк осадочных пород
Ti V Cr Mn Co Ni Cu Zn Ca Y Nb Mo Ag Sn W Pb Bi	600 300 2000 10000 1000 6000 500 10000 6 300 30 300 30 300 800 1000 300	2000 300 2000 3000 1000 3000 400 200 3 8 80 300 1 20 1000 300 100	400 1000 5000 5000 1000 10000 4000 600 20 - 100 300 10 10 800 1000 -	800 300 3000 4000 1000 6000 2000 1500 5 8 30 300 10 800 500 -	400 150 1500 8000 1000 4000 300 15 6 - 300 0,1 - 200 150 -	4500 130 100 670 20 95 57 80 30 30 20 2 0,1 10 2 20 0,01

При производстве черных металлов в атмосферу выбрасывается много газов (SO₂, NO₂, NO и др.), вызывающих вместе с СО₂ парниковый эффект и выпадение кислых осадков. Но к подкислению почв, в отличие от цветной металлургии, это не приводит, так как с пылевыми выбросами в почвы поступают карбонаты кальция и магния, нейтрализующие кислотность и подщелачивающие почву. Многие города с черной металлургией входят в список городов с наиболее загрязненным атмосферным воздухом.

Мировая общественность обеспокоена состоянием окружающей среды городов. На 11-й сессии Межгосударственного Экологического совета (МЭС) приняты решения по проектам: «Конвенция об экологической безопасности», «Межгосударственная научно-техническая программа создания и развития системы экологического мониторинга территории государств - участников СНГ», «Программа создания межгосударственной экологической информационной системы», «Концепция экологического образования для государств - участников СНГ» и др. Продолжается работа по проекту «Сохранение биоразнообразия России».

В выбросах и сбросах от черной металлургии преобладает загрязнение веществами 2 класса опасности. К 1 наиболее опасному классу относятся: As, Cd, Hg, Se, Zn, F, бенз(а)пирен; ко 2 классу опасности относятся: B, Co, Ni, Cu, Mb, Sb, Cr; к 3 классу опасности относятся: Ba, V, Vr, Mn, Sr. Из 1 класса опасности в зоне влияния черной металлургии накапливается в экосистемах цинк. Сфера влияния металлургического производства на ОПС обычно имеет форму овала, вытянутого в направлении господствующих ветров. В сфере влияния выделяются зоны, характеризующие разную степень техногенной трансформации экосистем и ландшафтов (табл. 4). Выбрасываемая комбинатами черной металлургии пыль привела к образованию техногенных аномалий. Размер их зависит от объема техногенных выбросов и от длительности (лет) работы предприятий. Например, в выбрасываемой комбинатом «Северсталь» пыль преобладают соединения кальция, магния, железа, цинка, никеля (оксиды, сульфаты, карбонаты). Поэтому осаждение этой пыли формирует техногенную аномалию щелочного типа. Загрязнения аккумулируются в основном в верхнем горизонте почвы, и в некоторых случаях на поверхности почвы формируется техногенный горизонт.

Таблица 4.

Зоны техногенной трансформации экосистем в сфере влияния металлургического комбината в лесной зоне

Зона Техногенного воздействия	Расположение	Трансформация экосистем и их компонентов и причины этого
1.Сильного и довольно сильного загрязнения	На расстоянии 0,5-2-5 км от комбината	Высокий уровень загрязнения. Трансформация экосистем, уменьшение охвоения и олиственности, снижение годичных приростов и усыхание отдельных ветвей и деревьев. Обеднение видового состав трав.
2.Среднего загрязнения	На расстоянии 5…15 км от комбината	У хвойных пород наблюдается хлороз и некроз хвои, уменьшение охвоения, изреживание кроны. Смена видового состава напочвенного покрова и изменение рН почв, накопление в почве и растениях ТМ.
3. Слабого загрязнения	На расстоянии 15…55 км от комбината	Наблюдается периодическое повышение содержания в воздухе пыли и газов, содержащих оксиды азота и серы. Происходит медленная деградация экосистем.
4. Зона с фоновыми концентрациями веществ	Далее 55 км от комбината	Экосистемы находятся в экологическом равновесии.

Так, вблизи агломерационной фабрики Ново-Липецкого металлургического комбината сформировалась техногенная пустыня, так как черноземы имеют непромывной водный режим, что обусловило формирование на поверхности из пыли техногенного горизонта с высокими концентрациями ЗВ. В этом горизонте семена растений не прорастают, что подтверждено нами методами биотестирования токсичности техногенно загрязненных почв.

Планом основных мероприятий и мониторинга деятельности Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации 28 января 2005 года была проведена Международная конференция «Проблемы гармонизации российского законодательства с нормами международного права при разработке технических регламентов». Среди основных проблем на конференции была рассмотрена «концепция наилучшей существующей технологии», как доказательная база выполнения обязательных требований технических регламентов. Она согласуется с Федеральным законом «О техническом регулировании», ФЗ «Об охране окружающей среды» и экологической доктриной Российской Федерации. В них даются установки на внедрение технологий, снижающих негативное воздействие на ОС, что полностью корреспондируется с международным понятием ВАТ (Best Available Technique) - наилучшая существующая технология, впервые введенным в Директиве Совета Европейского Союза 96/61/ЕС от 24 сентября 1996 года. - «О комплексном предотвращении и контроле загрязнений», сокращенно называемой IPPC - директивой

Оценка ВАТ должна осуществляться с использованием как экономических, так и экологических критериев. Развитие производства и внедрение новых технологий отражено в статистических данных (Осн. Показатели…, 2004), по которым в общем количестве ЗВ на выбросы от черной металлургии приходится 13,7% при общей доли продукции 9,8 %. На предприятиях внедряются природоохранные мероприятия, но пока еще около 30 % выбросов поступает в ОС.

Для комбината «Северсталь» характерен полный цикл металлургического производства, за сутки выплавляется 19000 т чугуна, 24000 т стали, производится 20000 т проката. На производство черных металлов тратится 7 млн м? воды - для охлаждения оборудования и технологических нужд. В Череповце действует самая мощная доменная печь «Северянка», объемом 5500 м?.

В воздушную среду г. Череповца поступает значительное количество диоксида серы, оксидов азота, угарного газа (СО). Концентрация сероуглерода и формальдегида составляет 2 и 4 ПДК, пыли, фенолов, диоксида азота по 1 и 3 ПДК. В наибольшей степени загрязнена северо-западная часть города, где находится «Северсталь» и другие заводы. На данной территории концентрация оксидов азота достигает 6,3 ПДК, фенола 3 ПДК, сероводорода 4,6 ПДК, пыли - -4 ПДК, аммиака 3,1 ПДК, СО -2,2 ПДК.

В настоящее время продолжается загрязнение ОС, хотя его темпы в связи с внедрением природоохранных мероприятий снизились. Но все же уровень загрязнения воздушной среды остается очень высоким. На почвы наиболее неблагоприятное воздействие оказывает накопление карбонатов кальция и магния и ТМ, а для вегетирующих растений особенно вредны газообразные выбросы. Виды растений в разной степени накапливают в своих тканях ТМ, что связано с их наследственностью (Мишкевич, 1988), ТМ в тканях накапливаются в разных соотношениях, обращает внимание способность рудеральных растений накапливать цинк (табл.5).

Таблица 5.

Соотношение аккумуляции растениями ТМ (по: Мишкевич, 1988)

Вид растения	Соотношение: Cu-Zn-Cd-Pb
Брусника Хвощ полевой Бодяк полевой Мать-мачеха Лапчатка гусиная Щучка дернистая Мятлик обыкновенный	1065 - 205 - 1 - 9 57 - 217 - 1 - 0 1447 - 140 - 1 - 0 1021 - 73 - 1 - 0 38 - 133 - 1 - 0 28 - 142 - 1 - 12 45 - 105 - 1 - 0

К основным параметрическим изменениям у растений относятся: изменение размеров органов (чаще - уменьшение размера листьев и годичного прироста); появления различных деформаций стеблей, листьев, цветов и плодов: изменение направления роста; общее снижение продуктивности; изменение окраски листьев в результате хлороза, некроза и других причин; раннее пожелтение и опадение листьев; сдвиг в ту или иную сторону фаз развития. Наиболее заметно эти изменения проявляются в зонах сильного и довольно сильного влияния.

По проведенному обследованию выяснено, что наиболее неблагоприятно влияние техногенных выбросов сказывается на клене американском, яблонях и других плодовых деревьях. Их облиственность около 50% от нормальной, листья в 1,5…2 раза мельче. Так, вблизи Косогорского металлургического комбината (северная лесостепь, Тульская область) листья клена начали желтеть уже в середине августа. У яблони неправильно формируется крона (ветви перекручены), наблюдается вторичное цветение и аномалии в развитии плодов (фото 1). У местных пород общий облик удовлетворительный, но влияние техногенного загрязнения здесь проявляется в низких приростах деревьев и кустарников в высоту и по диаметру, ветви растут почти горизонтально, поэтому получаются очень компактные, низкие, с густой кроной и мелкими листьями деревца, листья мелкие и густо покрыты пылью, на них имеются участки некроза. К факторам, способствующим удержанию ТМ почвой, относятся ионный обмен и необменное поглощение ионов металлов глинистыми, железистыми минералами и гуминовыми веществами. Основной вклад в связывание почвой ТМ вносят тонкие гранулометрические фракции почвы.

Фото 1. Нарушения формирования кроны, аномальное развитие плодов и вторичное цветение яблони.

На легких почвах наибольший вклад в общее содержание ТМ приходится на крупнопылеватую фракцию. Крупная пыль (0,005…0,05 мм) обладает слабой способностью к агрегированию, легко может перемещаться под воздействием ветра. Так как ТМ, особенно кадмий и цинк, в составе крупных гранулометрических фракций представлены соединениями, непрочно связанными с почвенными частицами, то существует опасность их воздушной и водной миграции и биологического поглощения, особенно, на зандровых равнинах. Это, в частности, подтверждается высоким содержанием цинка в донных отложениях Шекснинского плеса Рыбинского водохранилища.

Техногенные выбросы «Северстали» формируют зону загрязнения щелочного типа (табл. 6).

Таблица 6.

Изменение почв в зоне влияния комбината «Северсталь»

рН	Валовое содержание железа в верхнем слое почвы, %
Фоновое значение	На расстоянии 2 км от комбината	Фоновое значение	На расстоянии 2 км от комбината
6,1…6,2	7,3…7,5 (1995 год) 7,5…7,7 (2006 год)	3…4	10…13 (1995) 13…15 (2006 год)

Из данных таблицы 6 можно видеть, что продолжается подщелачивание почвы и накопление железа. Вместе с магнетитом в почву из пыли поступает цинк, что доказывается высоким коэффициентом корреляции между содержанием железа и цинка в почве (r=0,93), а также уменьшением их содержания в почве по мере удаления от комбината. По коэффициентам корреляции относительно сильная и прямая связь отмечается относительно содержания кадмия, цинка и ртути в почвах и растениях. Установлено, что в нейтральных и щелочных почвах довольно подвижны хром и кобальт.

В водоохранной зоне Рыбинского водохранилища в связи с более быстрым осаждением более крупных взвесей наблюдается постепенное изменение состава загрязнителей. Более крупные взвеси содержат железо, кальций, магний, цинк, свинец. Поэтому в зоне сильного и среднего загрязнения (до 15-20 км от Череповца) наблюдается сильное подщелачивание почв (рН 7,5…7,7) и в почве особенно увеличилось содержание этих элементов и серы, поступающей из газовых выбросов.

Выпадающие из воздуха загрязнения накапливаются в основном в верхнем горизонте почвы (0-10 см). Со временем часть загрязнений проникает глубже (в основном на дерново-подзолистых почвах). Содержание свинца в городской почве и прилегающей зоне среднего загрязнения достигает 25-60 мг/кг, что в 1,5…2 раза выше ПДК. Высокое содержание серы обнаружено в доминантах растительных сообществ лугов. Вслед за увеличением содержания серы при движении по зонам загрязнения к Череповцу происходит изменение жизненного состояния и обилия луговика дернистого (щучки). Критический уровень содержания серы в атмосферном воздухе для растений составляет 0,015…0,020 мг /м?. Очень чувствительны к содержанию серы всходы деревьев, высокое содержание серы вызывает их гибель, поэтому на переставших использоваться лугах в водоохранной зоне не появляются всходы деревьев, в отличие от фоновых территорий, где уже имеется подрост деревьев и кустарников высотой 1…3 м.

Техногенное загрязнение неблагоприятно сказывается на качестве природных вод. Качество природных вод принято оценивать по индексу загрязненности вод (ИЗВ). При маршрутно-ключевых исследованиях для этой цели применяется биоиндикация. Виды прибрежно-водных макрофитов реагируют на поступление биогенов и ЗВ, в результате происходит изменение структуры и состава прибрежно-водных экосистем. В Шекснинском плесе Рыбинского водохранилища в результате многолетнего поступления ЗВ с промышленными и коммунальными стоками образовалась зона загрязнения шириной до 7…15 км. Многие ЗВ накопились в донных отложениях (ДО), поэтому они служат источником вторичного загрязнения вод. Для ДО характерно накопление ТМ, полихлорированных бифенилов (до 10 мг/кг, полиароматических углеводородов (до 220 мг/кг), нефтепродуктов, фенолов, соединений азота, серы и другие. В загрязненных ДО произошла смена состава микроорганизмов. Анаэробное бентосное (придонное) сообщество сменилось с метаногенного на сульфидогенное.

Накопление загрязнений в ДО и воде уже сказалось на жизненности промысловой рыбы - леща, у которого выявлено изменение в физиологических функциях. Стойкая зона хронического загрязнения зарегистрирована на протяжении всего периода наблюдений на станциях Шекснинского плеса, в зоне влияния промышленно-коммунальных стоков. В северо-восточной части Рыбинского водохранилища водоохранная зона расположена в основном на подтопленной, низменной, равнинной надпойменной террасе. Маршрутно-ключевые исследования нами проведены на северо-восточном побережье Шекснинского плеса Рыбинского водохранилища (рис. 1). В районе изучения (по длине - около 60 км до г. Череповца) наиболее распространенными растительными сообществами являются щучковые луга. Значительное количество лугов в годы перестройки перестало использоваться.

На фоновой территории (вблизи д. Гаютино) для лугов характерен более богатый видовой состав, чем в загрязненных зонах (более 20 видов), характерно сохранение при господстве щучки значительного количества бобовых (клевер луговой и гибридный, чина луговая и горошек мышиный). Раньше эти луга подвергались распашке и подсеву трав. В зоне слабого загрязнения (11 км к северо-западу от д.Гаютино) видовой состав лугов уже беднее, чем на фоновой территории (10…12 видов). Характерно, что доминирует щучка (80 %), но сохраняется в значительном количестве в прошлом посеянная овсяница луговая (около 20 %). Из бобовых сохранились только горошек мышиный и чина луговая. Выпадение клеверов из травяного покрова связано с их большой чувствительностью к загрязнению. На расстоянии 25 км от г. Череповца, вблизи села Мякса травостой лугов еще более обеднен (7…10 видов). В травостое доминирует щучка дернистая (85 %, высота 110 см), из бобовых сохранилась только чина луговая, но её обилие значительно уменьшилось и жизненность снизилась.

В 10 км от г. Череповца на заброшенных залежных лугах из злаков преобладают полевица белая (30 %) и тростник южный (15 %). Из бобовых встречается в малом количестве горошек мышиный. Характерна большая роль в травяном покрове лесоопушечных и сорных видов (бодяк, мать-и-мачеха). Почва здесь дерново-подзолистая с оторфованной дерниной. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в этой почве оказалось меньше, чем в других, что объясняется связыванием ТМ с органическим веществом почвы. По мере увеличения загрязнения на лугах закономерно снижается биоразнообразие и изменяется соотношение эколого-фитоценотических групп видов (рис. 2), а также изменяется содержание подвижных форм тяжелых металлов (табл. 7).

Таблица 7.

Содержание подвижных форм тяжелых металлов и рН в почвах некоторых ключевых участков на северо-востоке водоохранной зоны Рыбинского водохранилища

Показатели Испытаний	Ключевые участки (местоположение)
	Вблизи д.Починок	Через 10 км на на с-з от д.Починок	В 2 км до г.Черепо-вца	Начало г. Череповца,	Г. Череповец, 2 2 км от «Се- Верстали»	0,2 км от «Север- стали»
Тяжелые металлы: Zn Cu Ni Реакция почвенного раствора (рН KCl)	7,0 0,35 0,39 6,3	3,1 0,10 1,81 6,7	1,2 0,19 0,38 7,7	4,3 0,009 0,33 7,5	27,7 0,51 0,44 7,6	180,0 0,93 0,75 7,5

На основе анализа встречаемости видов растений и химического состава ЗВ нами составлена экологическая шкала устойчивости луговых видов к техногенному воздействию (табл.8). Исследование воздействия на ОПС электрометаллургии нами проведено в зоне влияния комбината «Электросталь», расположенного в г. Электросталь Московской области. При маршрутно-ключнвых исследованиях были заложены ключевые участки на разном расстоянии от комбината «Электросталь», преимущественно на лугах и залежах (табл. 11). Город Электросталь расположен к востоку от г. Москвы, поэтому на состояние его воздушной среды влияют не только собственные промышленные предприятия, но также и воздушные массы, приходящие довольно часто из г. Москвы и соседних промышленных центров. На основе анализа химического состава почв, применения методов биоиндикации и обобщения статистических данных нами выделены зоны техногенного воздействия предприятий черной металлургии (рис. 2, табл. 9). Состав и объем техногенных выбросов зависят от объема производства, структуры предприятия, способов производства черных металлов. В 2007 году (табл. 10) в атмосферный воздух г. Электосталь выброшено 2086 веществ, из них: твердых - 640, жидких и газообразных - 1446. На ОАО «Элетросталь» приходится 51% выбросов. Мониторинг состояния атмосферного воздуха осуществляют две станции.

Таблица 8.

Устойчивость видов луговых сообществ к техногенному загрязнению от черной металлургии

Название видов и хозяйственные группы видов	Эколого-фитоценотические группы видов	Балл устойчивости
Злаки Ежа сборная Луговик дернистый (щучка) Овсяница луговая Полевица побегообразующая Тимофеевка луговая Трясунка средняя Тростник южный	Луговые Лугово-болотные Луговые Луговые Луговые Луговые Прибрежно-водный	4 3 2 3 3 2 4
Бобовые Горошек мышиный Клевер луговой Клевер гибридный (розовый) Люцерна серповидная Чина луговая	Луговые Луговые Луговые Луговые Луговые	3 1 1 4 3
Разнотравье Бодяк полевой Будра плющевидная Бедренец-камнеломка Валериана лекарственная Василек луговой Вербейник монетчатый Вербейник обыкновенный Вероника дубровка Вьюнок полевой Герань луговая Дудник лесной Зверобой продырявленный Золотая розга канадская Золотая розга обыкновенная Камыш лесной Кипрей болотный Лапчатка гусиная Лопух Пастернак Подорожник большой Репешок обыкновенный Хвощ луговой Хвощ полевой	Сорные Сорные Луговые Лугово-болотные Сорно-луговые Луговые Лесоопушечные Луговые Сорные Сорно-луговые Лесоопушечные Луговые Рудеральные Лесные Лугово-болотные Лугово-болотные Сорно-луговые Рудеральные Сорно-луговые Сорные Лесоопушечные Луговые Сорные	4 3 3 3 3-4 2 3 1 4 4 3 2 4 4 3-4 3-4 3 4 3 4 3 3 2

Примечание: 1 балл - быстрая деградация; 2 балла - медленная деградация; 3 балла - обилие и проективное покрытие вида мало изменяются; 4 балла - наблюдается увеличение обилия и проективного покрытия.



Зоны техногенного загрязнения: I- зона сильного загрязнения; II - Зона довольно сильного загрязнения; IV - Зона слабого загрязнения; V - Фоновая территория.

Рис. 2. Воздействие техногенных выбросов ОАО «Северстали» на ландшафты. Зоны техногенного загрязнения.

Измеряются концентрации взвешенных веществ, SO₂, NO, NO₂, HCl, хлора, бенз(а)пирена, углеводородов, ацетона, бензола, толуола, ксилола и ТМ.

Выявлено, что среднегодовые и максимальные разовые концентрации SO₂ значительно ниже ПДК; NO, NO₂ - 1.6 ПДК, взвешенных веществ около 1 ПДК, СО - менее 1 ПДК, бенз(а)пирена 1,6 ПДК (максимальная среднемесячная зимой - до 3,6 ПДК), ТМ ниже ПДК. В целом, уровень загрязнения атмосферного воздуха высокий. Радиационного загрязнения не обнаружено. Отходы производства в основном малоопасные и неопасные, отходов 1 класса опасности образуется 3%.

Таблица 9.

Зоны техногенной трансформации ландшафтов и их компонентов на прилегающей к комбинату «Северсталь» территории

Зоны техноген- ного воздейст- вия и рассто- яние от источника загрязнения	Состав атмосфер- ного воздуха	Состояние и состав почв (виды загрязнений и ИЗПв и ИЗПп)	Трансформации экосистем и видов растений
1. Зона силь- ного загрязнения - 2 км	Содержание ЗВ дос-тигает ПДК: сероуглерод и форма- льдегид, пыль, фенолы, сероводород - по 1…4 ПДК, оксиды азота, серный ангид- рид, аммиак,СО - 3-4 ПДК ; Сум- ма ПДК более 20	В почве накапливаются . Ca, Mg, Fe, Cu, Pb, Ni, Cr, Mn, Cd и другие. ИЗПв >19: п ИЗПп 35. В почве произошла карбонитизация, рН возросла до 7,6…7,8.	Зеленые насаждения в среднем снижают приросты и размеры листьев в 1,5 раза. Неустойчивые виды имеют слабую облиственность и ранний листопад, усыхание отдельных ветвей и особей, трансформация напочвенного покрова, исчезновение неустойчивых видов и разрастание сорных и рудеральных растений. Появление участков без растительности.
2. Зона до- вольно силь-ного загрязнения - 5 км	Сумма ПДК загрязнения 19-10	ИЗПв - 12, ИЗПп - 19…20	Удовлетворительное состояние деревьев и кустарников, снижение приростов в 1,2 раза. , разрастание сорных и рудеральных растений.
3. Зона сред- него загрязнения 15-20 км	Сумма ПДК загрязнения- 5-10	Суммарный показатель ва- лового содержания - 5…7, подвижных форм - 10…18	Снижение годовых приростов деревьев, снижение класса бонитета. Деградация таежных видов и мхов. Разрастание осок и злаков
4.Зона слабо-го го загрязне- ния - 45-55 км	Сумма ПДК загрязнения 5-1	ИЗПв- 2…5, ИЗПп - 1…9	Медленная деградация лесных видов, но с годами эффект усиливается в силу аккумуляции ЗВ. Наибольший вред приносят залповые выбросы ЗВ. Исчезновение клеверов из состава лугов.
5. Фоновая территория - далее 55 км	Содержание ЗВ ме- нее 1 ПДК	ИЗПв - 1-2; ИЗПп - до 1.	Экосистемы находятся в экологическом равновесии

Примечание: ИЗПв - индекс загрязнения почв по содержанию (количество ПДК) нерастворимых форм ТМ; ИЗПп - индекс загрязнения почв подвижными формами ТМ.

Таблица 10.

Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу хозяйствующими субъектами в 2007 году (по данным комитета экологии)

Наименование хозяйствующего субъекта	Количество выбросов (т/год)
	Общий объём выбрсов	Выброс твердых веществ	Выброс жидких и газообразных веществ
ОАО «МЗ «Электросталь»	3536,14	1212,154	2324,76
МУП «ПТП ГХ»	1459,56	1,03	1458,53
ЗАО «ОСТ-ТАРА»	429,61	79,01	350,6
ОАО «ЭЗТМ»	387,92	175,944	211,975
ГТУ ТЭЦ	361,93	0,03	361,9
Прочие	255,195	57,0	197,415
ОАО «МСЗ»	252.498	36,032	216,466
ОАО «ЭХМЗ»	230,188	42,387	187,801

Таблица 11.

Содержание химических элементов и оксидов в верхнем слое (0-10 см) почв ключевых участков по данным рентгеноспектрального анализа (%)

Ключевой участок, №	SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	MnO	MgO	CaO	K2O	P2O5
1.	83,59	0,148	3,20	1,21	0.028	0,45	3,52	0,77	0,114
2.	76,89	0,378	5,11	1,43	0,064	1,12	1,12	1,08	0,317
3.	77,76	0,357	5,08	1,67	0,042	0,49	0,94	1,09	0,455
4.	80,62	0,357	5,42	1,99	0.088	0.47	0,77	1,17	0,538
5.	71,61	0,468	8,62	4,67	0,059	0,45	2,46	0,90	0,136
6.	81,83	0,381	5,47	2,56	0,085	0,29	0,38	1,01	0,113

Cr	S	V	Co	Ni	Cu	Zn	Sr	Y	Ba	As	Pb
0,03	0,09	0,0029	0,0008	0,0013	0,0016	0,0069	0,0081	0,0015	0,0326	0,0007	0,0023
0,002	0,08	0,0048	0,001	0,0008	0,0015	0,0058	0,007	0,0019	0,0415	0,0008	0,0021
0,003	0,08	0,0049	0,0009	0,0009	0,0005	0,0054	0,0071	0,0019	0,0353	0,0003	0,0025
0,005	0,08	0,005	0,0026	0,0021	0,0009	0,0062	0,0081	0,002	0,0393	0,0009	0,0027
0,027	0,12	0,0077	0,004	0,0582	0,0084	0,011	0,0124	0,0031	0,0376	0,0018	0,0036
0,005	0,04	00054	0,0009	0,0025	0,0025	0,0046	0,0054	0,0022	0,0384	0,0012	0,0039

Примечание: 1 - 0,1 км, тополи и сорняки; 2 - 0,8 км (донник желтый + полынь обыкновенная; 3 - 2,5 км - елово-осиново-березовый травяной лес; 4 - 4 км, луг (ежа + чертополох, цикорий); 5 - 7 км луг (овсяница луговая, борщевики Сосновского, ромашка непахучая); 6 - 10 км - луг (ежа + бодяк и пижма).

На комбинате «Электросталь» в процессе производства образуется электросталеплавильная пыль, которая, в отличие от пыли других сталеплавильных производств, характеризуется более высокой концентрацией тяжелых металлов (ТМ), поэтому многие страны относят эту пыль к особо опасным веществам. В связи с этим актуально внедрение новых способов улавливания и обезвреживания электросталеплавильной пыли. В частности, на некоторых заводах внедряется технология утилизации пыли электросталеплавильного производства в подовых вращающихся печах. Особенно много в электросталеплавильной пыли содержится оксидов железа, а также цветных металлов. Химический состав пыли зависит от марки выплавляемой стали. Количество цветных металлов (Zn, Pb, Ni, Cr) в пыли наибольшее при выплавке высоколегиро...