Эколого–гигиеническая оценка окружающей среды и утилизация отходов теплоэлектростанций
И.Б. Пономарёва, А.Б. Ермаченко, Т.П. Ермаченко, В.С. Котов
(Донецкий государственный медицинский университет им. М. Горького )
(Донецкий государственный медицинский университет им. М. Горького )
Источник: http://www.eco-mir.net
Среди основных направлений природо– и ресурсоохранной деятельности в первую очередь выделяют обезвреживание и ликвидацию опасных неиспользуемых отходов, создание и развитие малоотходных технологий.
Особенно острой остаётся проблема загрязнения атмосферы продуктами сгорания различных видов топлива. Удельный вес основных компонентов продуктов сгорания топлива (SO2, СО, СО2, NО2, зола) достигает 90 % общего объёма выбросов в атмосферу населённых мест. В выбросах мазутных ТЭС могут присутствовать бенз(а)пирен и другие полициклические углеводороды. Выбросы теплоэнергетики характеризуются сложностью состава, что существенно затрудняет решение проблемы охраны атмосферного воздуха от загрязнений.
При сжигании топлива в атмосферный воздух поступают: сернистый и серный ангидриды, окислы азота, газообразные и твердые соединения неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо является более «гигиеничным». При этом полностью отпадет проблема золоотвалов, которые занимают значительные территории и не только исключает их из полезного использования, но и являются источником постоянных загрязнений атмосферы в районе станции из–за уносов части золы ветрами. Кроме того, в продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола. Однако использование жидкого топлива в энергетике за последние годы существенно снижается.
В среднем, для сооружения крупных ТЭС необходима площадь около 2–3 км2, не считая золоотвалов и водохранилищndash;охладителей. С учётом шлакоотвалов, карьеров, подъездных дорог и вспомогательных построек занимаемая электростанцией площадь возрастает до 3–4 км2
На этой территории изменяются рельеф местности, нарушаются характеристики поверхностного стока, структура почвенного слоя и экологическое равновесие.
Крупные градирни в системе охлаждения конденсаторов ТЭС существенно увлажняют микроклимат в районе электростанции, способствуют образованию низкой облачности, туманов, снижению солнечной освещенности, вызывают моросящие дожди. С охлаждающей водой ТЭС выбрасывает в ближайшие водоемы большое количество тепла, повышающее температуру воды. Влияние подогрева на флору и фауну водоемов различно в зависимости от степени подогрева.
Выбросы в атмосферу — один из основных факторов воздействия энергоустановок на природную среду. Наибольшее количество вредных веществ присутствует в продуктах сгорания при работе ТЭС на твердом топливе, особенно с высоким содержанием в нем минеральной, несгорающей части.
Основными компонентами, выделяющимися в процессе сгорания топлива, являются микроэлементы, неорганические оксиды и полициклические углеводороды. Атмосферные выпадения микроэлементов участвуют в загрязнении всех других компонентов биосферы — воды, почвы и растительности.
Надземные части растений — коллекторы всех видов атмосферных загрязнений, и их химический состав может быть хорошим индикатором для выделения загрязненных областей, если сравнивать его с фоновыми величинами, полученными для растительности, не подвергшейся загрязнению.
По наблюдениям ряда авторов жидкое топливо содержит высокие концентрации ванадия благодаря склонности ванадия ассоциироваться с органическими веществами, а также сорбцией трехвалентного ванадия V3+ липидами и холинами — основные соединениями, участвующими в образовании порфиринов. Принято считать, что зола мазута содержит пятиокись ванадия V2O5, однако в почвах ванадий чаще при восстановлении метаванадатndash;иона VO3—образующего ванадил–катион VO2+. По данным ряда авторов, большая часть почвенного ванадия, главным образом, ванадил–катион, может образовывать комплексы с гумминовыми кислотами. Известно, что анионные формы ванадия отличаются мобильностью в почвах и относительно высокой токсичностью для микробиоты почвы.
Никель, марганец и железо, выделяющиеся в атмосферу при сгорании всех видов топлива, используемых электростанциями, относительно стабильны в водных растворах и могут мигрировать на значительные расстояния. В осадках сточных вод никель присутствует главным образом в форме легко доступных органических хелатов, т. е. может быть фитотоксичен.
Расчет показал, что в настоящее время при сжигании углеродсодержащего топлива в атмосферу ежегодно поступает около 154000 тонн никеля, т.е. выше, чем с выбросами предприятий никелевой промышленности.
Выбросы теплоэнергетики не только велики по объему, но и сложны по составу, что существенно затрудняет решение проблемы охраны атмосферного воздуха от загрязнения.
Сложность выбросов теплоэнергетики обуславливается также составом золы. В золе содержится: ванадий, никель, свинец, хром и ряд других высокотоксичных компонентов. Поэтому некоторые исследователи полагают, что в основе влияния золы на организм может лежать не фиброгенный эффект, а токсичное действие содержащихся в ней тяжелых металлов. Как было показано, зола с повышенным содержанием оксида кальция оказывает, прежде всего, токсическое действие.
Для выяснения количественного и качественного состава металлов, поступающих в атмосферу при сжигании топлива на ТЭС, нашей лабораторией определялись содержания V2O5, Al2O3, Fe2O3, N2O3, Cr2O3, MnO2 в отходящих дымовых газах с учетом типа котлоагрегата и режима сжигания топлива на расстоянии 500–3000 м от ТЭС.
Разнообразие компонентного состава золы существенно затрудняет ее гигиеническую оценку, так как такие химические вещества, как V, Mn, N, Cr и др. имеют различные токсикометрические параметры и регламенты в атмосфере.
Результаты анализа структуры выбросов свидетельствуют, что наибольший удельный вес приходится на сернистый ангидрид (87,1–92,3 %), оксид азота (4,4–11,6 %), диоксид азота (0,7 – 2,0 %), мазутную смолу (0,4 – 0,1 %), пятиокись ванадия (0,3 – 0,4 %).
Максимальноразовые, среднесуточные и среднегодовые концентрации химических веществ в воздухе варьировали в широких пределах от “допустимых” до превышающих уровни соответствующих ПДК в десятки раз в тысячеметровой зоне Кураховской и Углегорской ТЭС. При этом среднегодовые концентрации SO2 колебались от 0,133 до 0,490мг/м3. Содержание NO и NO2 определялось в пределах 0,058 ndash; 0,430мг/м3.
Среди канцерогенных выбросов мазутных электростанций особое место занимает бенз(а)пирен. Одна из характеристик, определяющих поступление этого вещества в организм, состоит в суммации всех его доз.
Таким образом, главными характеристиками загрязнений атмосферы являются:
– рассеивание на больших площадях и перенос на значительные расстояния;
– биоаккумуляция, чаще всего влияющая на химический состав растений;
– образование метаболитов химических веществ в процессе их циркуляции в окружающей среде.
– образование метаболитов химических веществ в процессе их циркуляции в окружающей среде.
Химические вещества, попадающие в атмосферу, в зависимости от свойств и строения, претерпевают ряд изменений. Попадание в окружающую среду одного индивидуального вещества может привести к тому, что анализ показывает наличие до 12–15 его форм mdash; метаболитов. Миграция химических загрязнителей в элементах биосферы перестраивает саму геосистему.
Теплоэлектростанциями, по данным инвентаризации, выбрасывается в атмосферу свыше 75 различных ингредиентов. Анализ воздуха промышленных территорий показал, что отмечается тенденция к некоторому снижению валовых выбросов аэрозолей и их стабилизация в выбросах, в то время как в газовом составе валовых выбросов подобной закономерности не наблюдается.
Концентрация сажи в воздухе промплощадки теплоэлектростанций определялись нашей лабораторией в 1999–2000 гг. и составляли 0,145–0,158 мг/м3; концентрации пыли за этот же период — 0,840–1,528 мг/м3. Таким образом, концентрация пыли в промышленной золе превышала предельно допустимую концентрацию в 1,6–3,0 раза.
Ввиду недостаточной эффективности улавливания газообразных выбросов, в окружающую среду поступает большое количество микроэлементов, которые с атмосферными осадками мигрируют в воду, почву и растения, создавая устойчивое смещение природного равновесия биосферы. Только развитие малоотходных и безотходных технологических производств в современных условиях Донбасса определяет не только возможность роста эффективности производства, но и качество жизни в регионе.
Нами проведена гигиеническая оценка продуктов и материалов, полученных с использованием промышленных отходов, которая основывалась на методах санитарно–химического, токсикологического и физикоndash;химического анализов, проведенных в лабораторных и натурных условиях. С целью изучения степени миграции веществ в воздушную и водную среды проведен анализ загрязняющих веществ объектов окружающей среды в модельных условиях при различных температурах.
Анализ твёрдых отходов ТЭС Донбасса показал, что высокое содержание оксидов кремния, алюминия и железа делает этот материал особенно пригодным для строительства. Утилизация низкокальциевых зол представляет серьёзную проблему, вместе с тем, по своим минеральным, химическим, токсикологическим и структурным характеристикам они представляют несомненный интерес для создания почвогрунтов, богатых микроэлементами.
Качество строительных материалов, изготовленных из твёрдых отходов (шлаки золоотвалов) значительно превосходит по структурно–механическим и реологическим свойствам аналогичные материалы на основе песка и цемента. При продолжительном водонасыщении меньше всего изменяется смесь с золой, что положительно сказывается на коэффициенте устойчивости. Пористость зол колеблется между 39 и 45 %, что отвечает требованиям компонентов асфальтовых смесей. Вспучивание зол минимальное, что благоприятно отражается на свойствах асфальтовых смесей. Вода не влияет на прочностные показатели покрытий. Химический состав твёрдых отходов ТЭС колеблется в довольно узких пределах и отвечает требованиям по всем показателям для изготовления плотного асфальтобетона.
Исследования и производственный опыт показали, что золы электрофильтров также могут использоваться для приготовления асфальтобетонной смеси вместо каменной муки. Так, по гранулометрическому составу они отвечают техническим требованиям, предъявляемым к битумо–минеральным смесям и могут использоваться для этой цели без дополнительной обработки.
Таким образом, экологический и экономический эффект использования твёрдых отходов ТЭС в различных отраслях промышленности слагается из нескольких факторов: оздоровление окружающей и производственной среды, сокращение земельных угодий отведенных под золоотвалы, понижение стоимости строительных материалов, сокращение расходов на добычу инертных материалов (песок, гравий, щебень).