Оценка воздействия алюминиевых производств на окружающую среду с помощью геоинформационной системы и физико-химического моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

*Исследование проведено в рамках выполнения государственного задания по Проекту IX.130.3.2. (0350- 2016-0033) «Геохимическое моделирование месторождений благородно-метальных рудообразующих систем различных рудных провинций»

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ С ПОМОЩЬЮ ГИС И ФХМ

С.Н. Просекин

Л.М. Филимонова

В.А. Бычинский^3

В связи с тем, что в настоящее время в технологиях производства происходят существенные изменения, проблема достоверной оценки состояния окружающей среды является актуальной. Главным источником экологического загрязнения являются металлургические производства, топливно-энергетические комплексы и автотранспорт. В производстве алюминия меняются системы газоочистки, внедряются самообжигающиеся аноды, в производство поступает сырье с других месторождений [1, 3, 4]. Все это обуславливает существенные изменения состава газопылевых выбросов.

До настоящего времени во внимание не принимались формы существования элементов в газах, снеговых водах и минеральный состав твердых аэрозолей. Однако известно [3, 4, 7], что именно физико-химические параметры газопылевых выбросов предопределяют их экологическую опасность, и то, какие элементы будут накапливаться в почвах, а какие - выноситься из зоны воздействия водными растворами. Следовательно, существует реальная необходимость разработать научные методы, позволяющие надежно определять не только масштабы (зоны) геохимических аномалий, точно идентифицирующих источники загрязнения, но и определить формы существования токсикантов, оценив характер изменения этих аномалий даже после завершения действия источника.

1. Объект исследования

Основной вклад в выбросы в районе г. Шелехов от стационарных источников вносят предприятия цветной металлургии: ПАО «РУСАЛ Братск» (?67.5 %); Ново-Иркутской ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» (?15.6 %); ЗАО «Кремний» (?15 %) [2]. Кроме того, немалый вклад в выбросы вносят ОАО «Иркутсккабель», ОАО «Иркутскагроремонт», завод Железобетонных изделий и др. Промышленные предприятия расположены достаточно близко к жилым зонам. Также к производственным выбросам добавляются загрязняющие вещества печного отопления частного сектора и выбросы автотранспорта.

2. Обработка данных

После того как получены первоначальные результаты химического анализа проб, данные снова обрабатываются, с помощью программного средства имитации и моделирования физико-химических процессов в природных и технологических системах «Селектор». Принципы физико-химического моделирования и этапы формирования моделей подробно описаны в работах [5, 8]. Изучение эволюции природных систем с учетом потоков подвижных групп фаз и локально временных равновесий в резервуарах позволяет построить модель, адекватно отображающую природные объекты, несмотря на то, что в реальных процессах, и в первую очередь в гидрогеохимических системах, полное равновесие, как правило, не достигается.

Вследствие того, что щелочность (pH) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) обычно измеряются на месте, а содержание HCO3-, CO3-, HNO30 и NO3- зависит от особенностей подготовки и времени хранения проб была предпринята попытка оценить реальное содержание HCO3- которое было на момент измерения pH и Eh. На примере данных района, находящегося под воздействием Иркутского алюминиевого завода, покажем зависимость присутствия форм существования элементов и pH от HCO3.

Рассмотрим результаты физико-химического моделирования, в которых использованы различные значения HCO3- (табл.1):

1. Расчет равновесного состава снеговой воды без ограничений на содержания иона HCO3-, т.е. без учета особенностей пробоподготовки и времени хранения проб;

2. Расчет метастабильного состава снеговой воды с ограничением на содержание иона HCO3- соответствующим измеренному значению;

3. Расчет метастабильного состава снеговой воды с подобранным содержанием компонента HCO3-, позволяющим получить значение pH, соответствующее начальному составу.

Расчет, описанный в 3 пункте, приводит к незначительным отличиям величин минерализации модельного состава снеговой воды от аналитического, поскольку при гидрохимическом анализе минерализация - это сумма компонентов определенных аналитически. Если какой-то из них не определялся, соответственно и минерализация не будет соответствовать реальному составу пробы. В физико-химической модели определяется содержание всех форм существования, которые были включены в модель, и только после этого по их концентрациям определяется минерализация.

Из массива данных взята проба, отобранная вблизи завода, состав которой отличается высоким содержанием фтора и алюминия (0.8, 14.66 мг/л. соответственно), минерализацией достигает 110.4 мг/л. Результаты физико-химического моделирования позволили установить, что без строгих ограничений на содержание метастабильных компонентов, каковым является гидрокарбонат ион, не всегда удается получить решение с удовлетворительной точностью. Существуют пробы, в которых время определения pH, Eh и содержания иона HCO3- намного разнится. В этом случае необходимо искусственно подбирать содержание HCO3-, с целью получения величины pH, соответствующей начальному составу пробы. Высокая степень внутренней согласованности термодинамических параметров индивидуальных компонентов позволяет рассматривать предложенную модель как высокоточный способ определения форм существования элементов в растворе и твердых фазах. Таким образом, удалось определить формы существования потенциально токсичных элементов присутствующих в газопылевых выбросах алюминиевых производств (табл. 1). снеговой газопылевой выброс атмосферный

Таблица 1 Зависимость форм существования элементов от значения HCO3

Заметим, что обычно расчетное содержание в растворе таких элементов как Al, Mn, Fe меньше, чем аналитически определенное, поскольку в термодинамической модели рассматривается полное равновесие, которое в короткоживущих системах, таких как талая вода, не достигается.

Исследования минерального состава твердого осадка снега показали, что это сиюминутная характеристика, как твердых аэрозолей, так и раствора. Длительность существования этих минеральных фаз не определенна, а пути преобразования не известны. Поэтому была построена физико-химическая модель, позволяющая ответить на вопросы: «Что произойдет с твердым осадком и раствором в будущем?», «Что будет в дальнейшем с растворенными формами?». Достоинство нашего подхода в том, что можем априори предсказать последствия, если весь осадок вступит во взаимодействие с раствором. Таким образом, с помощью физико-химической модели определены формы существования элементов, которые накапливаются в твердых веществах и в водном растворе, что позволило определить максимально возможную техногенную нагрузку (табл. 2).

Таблица 2 Соединения, преобладающие в водном растворе и твердом осадке согласно результатам моделирования

Пространственное распределение форм существования элементов позволяет более точно отражать существующую геоэкологическую обстановку. Валовое содержание элемента, как в снеговой воде, так и в твердом осадке снега, дает экспрессную оценку аддитивной пылеаэрозольной нагрузки. Однако реальная опасность может быть недооценена, в том случае, когда основной формой существования конкретного элемента является не простой ион, а хлорид, фосфат, сульфат или любое другое соединение. Во-первых, за счет сложных комплексов минерализация становится выше, и во-вторых, их токсичность может превышать токсичность простых ионов.

На примере кадмия сравним особенности пространственного распределения содержаний валового элемента и вероятных форм его существования в снеговых водах (рис. 1). Если карты техногенной нагрузки, построенные по валовым содержаниям, выявляют два ореола с высокой концентрацией, то высокие концентрации CdOH+ обнаружены только на северо-востоке исследуемого района, в зоне воздействия агропромышленного комплекса (с. Мамоны). Ион CdCl+ так же, как элемент Cd+2 имеет два ореола, причем более высокая концентрация этого соединения приурочена к алюминиевому заводу. Следовательно, формы существования элементов позволяют оценить возможность увеличения или снижения содержания этого элемента в снеговой воде. Действительно, для большинства токсичных элементов, такие элементы как сера, хлор, фтор способны существенно повышать из растворимость, а от содержания СО2, кальция и т.д. зависит возможность образования твердых фаз. Термодинамические расчеты позволяют более правильно и качественно провести геоэкологическую экспертизу территории. Преобладание иона CdCl+ свидетельство того, что в данном случае это газопылевые выбросы алюминиевого завода. Следовательно, валовое содержание элемента не только не выявляет основного источника загрязнения, но и не позволяет оценить потенциальную опасность техногенной нагрузки в целом.

Сопоставляя распределение содержаний элементов по формам, следует принять во внимание то обстоятельство, что, если преобладающей формой какого-либо элемента является простой ион, то его ореолы будут совпадать с валовым содержанием, как это произошло в случае с Cd (элемент) и Cd+2 (ион). Однако, только в том случае если известны формы, можно адекватно оценить токсичность этого элемента и дальнейшее его поведение.

Наиболее явно это особенность обнаруживаться при построении карт распределения содержаний бериллия (рис. 2). В целом его валовое содержание меньше, чем общее количество образовавшихся форм. Это объясняется тем, что в сложившихся физико-химических условиях в снеговой воде преобладающими формами становятся BeO0, Be(OH)+. Твердый осадок растворяется более интенсивно, увеличивая тем самым содержание растворимых форм бериллия. Отличающиеся пространственно и концентрациями ореолы распространения форм бериллия, указывают на существование различных источников их поступления в окружающую среду. Поскольку бериллий и его соединения высокотоксичны, а учитывая, что его соединения в растворе имеют более высокие содержание (главным образом за счет образование комплексных соединений), чем валовое, можно сказать, что и степень опасности возрастает. Т.е. оценивая валовое содержание элемента, мы не можем быть уверены в том, что это его определили реальное содержание в окружающей среде. Возможность оценить масштабы этих процессов имеют огромное значение при оценке загрязнения, т.к. не исключено, что содержание его форм достигает опасных для окружающей среды количеств и может привести к необратимым последствиям, в то время как его валовое содержание может и не превышать ПДК [6].

Выводы

Анализ закономерностей распределения форм существования элементов позволил определить степень потенциальной опасности, поллютантов, поступающих в окружающую среду. Определены основные формы существования химических элементов присутствующих в газопылевых выбросах, установлено, к каким источникам эти формы принадлежат. Это дает возможность увидеть реальную картину техногенного загрязнения и выяснить некоторые аспекты, позволяющие более подробно изучить исследуемую территорию и как следствие сделать выводы, более реально отражающие геоэкологическое состояние природной среды в условиях техногенного загрязнения.

Использование геоинформационных технологий в геоэкологических исследованиях позволяет давать количественную оценку загрязнения окружающей среды, выявлять его действительный уровень, определив формы существования потенциально токсичных элементов. Применение геоинформационных систем совместно с физико-химическим моделированием дает возможность прогнозировать состояние окружающей среду через определенные промежутки времени и принимать необходимые меры задолго до возникновения угрозы окружающей среде.

Библиографический список

1. Бойко С.М. Геохимические особенности золы углей Ирша-Бородинского месторождения (Канско-Ачинский бассейн) / С.М. Бойко, А.Н. Сутурин, Л.Ф. Парадина, Н.Н. Куликова // География и природные ресурсы. - 2003. - № 1. - С. 82.

2. Филимонова Л.М. Оценка загрязнения атмосферы в районе алюминиевого производства методом геохимической съемки снежного покрова / Л.М. Филимонова, А.В. Паршин, В.А. Бычинский // Метеорология и гидрология. - 2015. - № 10. - С. 75-84.

3. Головных Н.В. Разработка компьютерной модели физико-химического процесса образования криолит глиноземных расплавов / Н.В. Головных, В.А, Бычинский, К.В. Чудненко, А.А. Тупицын // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2004. - № 1(17). - С. 117-123.

4. Головных Н.В. Разработка технологии производства фторсодержащих добавок и их применение в электрометаллургии алюминия / Н.В. Головных, В.А, Бычинский, К.В. Чудненко, А.А. Тупицын // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2004. - № 3(19). - С. 118-124.

5.Карпов И.К. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого програмирорвания / И.К. Карпов, К.В. Чудненко, Д.А. Кулик, О.В. Авченко, В.А. Бычинский // Геохимия. - 2001.

6. Просекин С.Н. Физико-химическая модель как способ геоэкологического прогноза и контроля состояния окружающей среды / С.Н. Просекин, Л.М. Филимонова // Успехи современной науки и образования. - 2017. - Т. 8, № 2. - С. 200-207

Аннотация

Исследование пространственного распределения выбросов промышленных производств позволяет количественно оценить техногенную нагрузку. Наиболее информативный объект в таких исследованиях - снеговой покров, аккумулирующий существенную часть газопылевых выбросов. Анализ многолетних рядов химико-аналитических данных с помощью ГИС делает наглядной пространственную структуру атмосферных выпадений, точно определяя роль ландшафтно-климатических условий и особенностей промышленных производств.

Ключевые слова: геоэкология, атмосферное загрязнение, газопылевые выбросы, геоинформационные системы, физико-химическое моделирование.

The research of a spatial distribution of emissions of the industrial productions allows to estimate technogenic loading quantitatively. The most informative object in such researches - the snow cover accumulating an essential part of gas-and-dust emissions. The analysis of long-term ranks of chemical analysis data with the help of GIS does visual spatial structure of atmospheric losses, specifying a role of landscape climatic conditions and features of the industrial productions.

Keywords: geoecology, atmospheric pollution, gas-and-dust emissions, geographic information systems, physical and chemical model operation.

Размещено на Allbest.ru