Факультет: экологии и химической технологии
Email: eremeeva-86@mail.ru
Актуальность темы: бенз(а)пирен является химическим канцерогеном окружающей среды, опасным для здоровья человека. На протяжении длительного периода в г. Донецке наблюдаются значительные превышения концентрации этого вещества в атмосферном воздухе. Это составляет необходимость исследования и ананализа атмосферного воздуха г. Донецка при загрязнении его бенз(а)пиреном и разработке рекомендаций по ее совершенствованию, а также прогнозированию будущих уровней загрязнения.
Цель: разработка рекомендаций по совершенствованию системы мониторинга бенз(а)пирена в г. Донецке.
Объект исследования: атмосферный воздух г. Донецка.
Предмет исследования: загрязнение атмосферного воздуха г. Донецка бенз(а)пиреном.
Задачи:
Новизна работы:
Мониторинг атмосферного воздуха в г. Донецке осуществляют:
Ситуация с интенсивным загрязнением воздушного бассейна нашей области формировалась в процессе становления и развития промышленности на протяжении прошлых десятилетий. При строительстве и эксплуатации промышленных объектов экологическому аспекту отводилось очень незначительное внимание, несмотря на то, что концентрация промышленности в Донецкой области является наиболее высокой на территории Украины.
Донецкая область занимает главное место в экономическом потенциале Украины. На ее территории созданна мощная техносфера, что включает в себя 882 значительных промышленных предприятий горнодобывающей, металлургической, химической промышленности, энергетики, тяжелого машиностроения и строительных материалов, эксплуатируется около 300 месторождений полезных ископаемых. Высокая концентрация промышленного, сельскохозяйственного производства, транспортной инфраструктуры в объединении со значительной плотностью населения создали огромную нагрузку на биосферу – наибольшую в Украине и Европе.
Состояние воздушного бассейна является одной из наиболее острых проблем области. Всего на протяжении 2005 г. от стационарных источников загрязнения в воздух поступило 1638,1 тыс.т вредных веществ, что на 2,5 % больше, чем было в предыдущем году. Повышение уровня загрязнения наблюдается в 20 районах и городах области.[1]
Анализ уровней загрязнения атмосферного воздуха г. Донецка самыми распространенными вредными веществами (рис. 1) показал, что бенз(а)пирен занимает шестое место по опасности и распространенности, что делает исследование и контроль загрязнения атмосферног воздуха этим загрязнителем необходимым.
Бенз(а)пирен (БП) является наиболее типичным химическим канцерогеном окружающей среды. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендовала среднегодовое значение (1x10-6 мг/м3) как величину, выше которой могут наблюдаться неблагоприятные последствия для здоровья человека, а именно возникновение онкологических заболеваний. Бенз(а)пирен принадлежит к классу полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и является канцерогеном, который широко распространен во всех сферах окружающей среды (С20Н22 – продукт гидролиза угля и углеводородних газов) :
Он присутствует в атмосферном воздухе населенных пунктов, в воздухе производственных помещений, в воде открытых водоемов, в растениях, в грунте, содержится в некоторых каменных и бурых углях, в нефти и т.п.
Бенз(а)пирен является местным канцерогеном. Он может поступать в организм человека через кожу, органы дыхания, пищеварительный тракт и трансплацентарным путем.
Бенз(а)пирен образовывается главным образом в процессе горения всяческих горючих материалов (уголь, дерево, сланцы, нефтепродукты) при температурах от 80°С до 500°С. На количество бенз(а)пирена влияет режим работы топки, особенно величина температуры в ядре факела и количество имеющегося там кислорода. Его образование происходит при высокой температуре в случае нехватки кислорода для полного сгорання топлива. Частицы твердого углерода сгорают медленнее всего. При догорании они накаляются, поглощают другие вещества и придают пламени характерную желтую окраску. Наличие желтой окраски пламени свидетельствует о том, что в продуктах сгорания есть канцерогенные вещества.
В реакции присоединения БП практически не вступает, но для него характерны реакции електрофильного замещения: нитрирование, сульфование, галогенирование, алкилирование, с образованием соответственно нитро-, сульфо-, галогено-производных, алкилзамещених производных. Под действием сильных концентрированных кислот, токов высокой частоты и, что очень важно, ультрафиолетового излучения возможны деструкция и фотоокисление .[2]
В молекулярно-дисперсном состоянии бенз(а)пирен может находиться лишь в ничтожно малых количествах. В воздухе он преимущественно связан с твердыми частицами атмосферной пыли. Твердые частицы, которые содержат бенз(а)пирен, довольно быстро выпадают из воздуха вследствие седиментации (разрушение коллоида и выпадение осадка), а также с атмосферными осадками и переходят в грунт, растения, грунтовые воды и водоемы. Это служит причиной значительной изменчивости концентрации бенз(а)пирена в атмосферном воздухе, которая зависит не только от интенсивности выброса его из источника загрязнения, но и от метеорологических условий. Будучи химически сравнительно стойким, бенз(а)пирен может долго мигрировать из одних объектов в другие. В результате много объектов и процессов окружающей среды, которые не владеют способностью синтезировать бенз(а)пирен, сами становятся его вторичными источниками.
В окружающей среде накапливается преимущественно в грунте, меньше в воде. Из грунта поступает в ткани растений и продолжает свое движение дальше в трофической цепи, при этом на каждой ее ступени содержимое БП в естественных объектах возрастает на порядок. Контроль содержимого бенз(а)пирена в естественных продуктах осуществляется методом жидкостной хроматографии.
Основные антропогенные источники ПАУ:
Мощным источником поступления ПАУ в атмосферу являються выбросы коксохимического производства. В атмосферу БП попадается с газовыми выбросами от коксовых батарей, главным образом, в момент выдачи кокса. Более всего БП выделяется с пекококсового (пек содержит бенз(а)пирена 3 – 4 %) и коксового цехов. Поэтому концентрация бенз(а)пирена в воздухе на разных участках промышленной площадки коксовых батарей может изменяться в широких границах от 2.8 до 51.1 мкг/м3 .
Количество ПАУ в выбросах автотранспорта зависит от типа двигателя, режима его работы и технического состояния, а также качества топлива и смазочных масел. В выхлопных газах грузовых автомобилей с карбюраторным двигателем концентрация бенз(а)пирена достигает 20 мкг/м3 и 0.2 мкг/м3, у автомобилей с дизельным двигателем – 10 мкг/м3.
При разных неисправностях двигателя эмиссия бенз(а)пирена может возрастать на 1 – 2 порядка: при нарушении холостого хода двигателя – с 0,2 до 5 мкг/км, неисправности системы питания – с 1 до 12 мкг/км, системы зажигания – с 1,5 до 60 мкг/км пробега. Холодные бензиновые и дизельные двигатели имеют эмиссию ПАУ в 6 раз высшую, чем горячие.[4]
В г. Донецке концентрация БП измеряется на 5 стационарных постах контроля за состоянием атмосферного воздуха Донецкого областного центра по гидрометеорологии. На протяжении последних пяти лет среднемесячные концентрации вещества изменялись от 1,2 ПДК до 3,3 ПДК. Однако, в отдельные месяцы на целом ряде контрольных постов концентрация БП достигала 5 – 9 ПДК. Кроме того, для изменения концентрации БП, который находится в атмосферном воздухе характерна сезонность. В зимнее время концентрации БП в несколько раз увеличиваются в сравнении с летним периодом. Это свидетельствует о большом вкладе выбросов от отопительных систем. Колебание среднемесячных концентраций за отдельные годы можно проследить на рисунке 2.
На рисунке 3 приведенны данные статистической отчетности 2-ТП (воздух). С 2003 года началось снижение объемов выбросов БП. Тем не менее, следует учесть тот факт, что выбросы БП учитываются только на коксохимических предприятиях. Согласно вышеприведенному, необходимо учитывать выбросы БП при всех процессах сжигания топлива.
Поэтому, основной целью работы был расчет мощности выбросов БП по г. Донецку от предприятий металлургического и энергетического комплексов, а также автотранспорта. Расчет проводился по валовым выбросам БП на единицу сожженного топлива.[5 – 8] Данные расчетов приведены в таблице 1.
|
Производство: предприятие |
Валовые выбросы, т/год |
Вклад, % |
|
Коксохимическое: ОАО «Донецккокс» |
0,008 |
37 |
|
Металлургия: ЗАО «Донецксталь»-МЗ» |
0,00044 |
2,1 |
|
Отопление: КП «Теплосеть» |
0,0128 |
59 |
|
Автотранспорт |
0,00029 |
1,9 |
|
Всего: |
0,0215 |
100 |
Можно сделать вывод, что наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха г. Донецка БП делает КП «Теплосеть», котельные которого распространены по территории всего города. Это можно объяснить тем, что ни одна котельная города не имеет пылеочистительного оборудования, за счет которого можно было бы снизить концентрацию БП, сорбирующегося на частицах пыли. В целом, на степень загрязнения атмосферного воздуха БП больше влияют предприятия, чем автотранспорт, вклад которого составляет 1,9 %.
Наглядно степень влияния отдельных предприятий г. Донецка можно увидеть на рисунке 4.
Для выявления причин колебания концентраций БП (рис.5) проведен регрессионный анализ зависимости индекса концентрации БП (ІС) от индекса производства промышленной продукции (ІВ) (рис.6). В результате было получено регрессионное уравнение:
Обратная связь между ІС и ІВ объясняется постепенным усовершенствованием очистки выбросов предприятий от пыли. Коэффициент корреляции r не очень высокий. Это значит, что существенный вклад вносят метеоусловия. Вследствие этого, возникает потребность разработки математических моделей зависимости концентрации БП от метеопараметров для прогнозирования будущего загрязнения атмосферного воздуха БП, особенно в дни с неблагоприятными метеоусловиями.
Также в работе рассмотрены предприятия окрестностей г. Донецка, которые выбрасывают бенз(а)пирен и могут вносить вклад в загрязнение атмосферного воздуха г. Донецка исследуемым веществом. Такими предприятиями являются: предприятия теплоэнергетики Кураховская и Старобешевская ТЭС и предприятия коксохимиии ОАО «Авдеевский КХЗ», ОАО «Макеевский КХЗ», ОАО «Ясиновский КХЗ» и ОАО «Донецккокс»
На предприятиях теплоэнергетики БП, главным образом, образовывается в котлотурбинных цехах, которые работают на угольном шламе и мазуте, вследствие сжигания топлива. Источники выбросов относятся к высоким и горячим. Выбросы БП на ТЭС не учитывают и не контролируют. Валовые выбросы рассчитаны по методикам [5,6].
Для анализа зоны влияния предприятий были построены карты-схемы рассеивания БП в приземном слое атмосферного воздуха с нанесенными на них СЗЗ. Сделаны выводы, что г. Донецк не входит в зону влияния этих предприятий, но вклад в загрязнение атмосферы БП и зона влияния больше у Старобешевской ТЭС. Это можно объяснить тем, что на Старобешевской ТЭС источники выбросов ниже и выбросы имеют меньшую температуру. Результаты расчетов показали, что превышение нормативно-допустимой концентрации БП на границе СЗЗ не наблюдается на обоих предприятиях. Наибольшие концентрации БП наблюдаются за пределами СЗЗ на расстоянии 4,5 км. От Кураховской ТЭС – 0,00045 ПДК, от Старобешевской ТЭС – 0,0014 ПДК. Но даже эти наибольшие концентрации не превышают нормативы.
Мощнейшим источником выбросов БП на коксохимических заводах является пекококсовий цех (выдача пекового кокса, двери и стояки, тушильные башни). Кроме того, выбросы также приходятся на коксовый цех (коксовые печи, люки загрузки угля, стояки и люки коксовых печей, двери коксовых батарей, тушильные башни).Выбросы бенз(а)прена расчитываются, но не контролируются.
Для анализа зоны влияния предприятий были построены карты-схемы рассеивания БП в приземном слое атмосферного воздуха с нанесенными на них СЗЗ. Сделаны выводы, что на г. Донецк коксохимические предприятия окраин имеют не значительное влияние, которое не превышает нормативы. Основным источником поступления БП есть ОАО «Донецккокс». На ОАО «Донецккокс» концентрация 0,05 ПДК наблюдается на расстоянии 72 км, т.е. превышение нормативов распространяется на весь город. На границе СЗЗ превышение составляет 0,61 ПДК.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что г. Донецк не входит в зону влияния этих предприятий. Однако, известно, что практически весь образовавшийся бенз(а)пирен сорбируется на частицах пыли, а пыль имеет свойство рассеиваться на большие расстояния. Следовательно, в дальнейшем необходимо проводить расчеты рассеивания по пыли, что позволит более точно определить зоны влияния предприятий.[7,8]
Список литературы: