Экологическое нормирование атмосферных выбросов промышленных предприятий


УДК 504.3.05 С79



Рецензент
канд. техн. наук, проф. В.А. Муравьева





     Степанов А.М., Барышева И.В.
С79 Экологическое нормирование атмосферных выбросов промышленных предприятий: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2005. - 35 с.




          В пособии рассмотрена оригинальная методика экологического нормирования атмосферных выбросов металлургических комбинатов, разработанная на кафедре ТЭМП в предшествующие годы. Методика основана на сборе экспериментальных данных в окрестностях металлургических комбинатов с использованием квазистационарной модели взаимодействия выбросов отходящих газов и лесных экосистем.
          Приведены результаты ряда комбинатов черной и цветной металлургии.
          Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Экология металлургического производства и региона».
          Предназначено для студентов специальностей 150103 (1103) «Теплофизика автоматизация и экология промышленных печей», 280101 (3301) «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», 280202 (3302) «Инженерная защита окружающей среды».

















                                    © Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) (МИСиС), 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................... 4
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ............................6
2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ................ 10
  2.1. Основные допущения модели ........................ 10
  2.2. Этапы исследования................................ 15
    2.2.1. Рекогносцировочный этап исследований.......... 15
    2.2.2. Исследование загрязненности снежного покрова . 15
    2.2.3. Измерения параметров эффекта.................. 18
    2.2.4. Построение зависимостей доза - эффект..........20
    2.2.5. Расчет норматива.............................. 25
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИЦИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ.................................28
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................34

3

ВВЕДЕНИЕ

   Действующие в настоящее время санитарно-гигиенические нормативы в виде системы предельно допустимых концентраций токсических веществ (ПДК) призваны защитить человека от воздействия загрязнений окружающей среды. Но одной этой системы для защиты человека недостаточно, так как окружающая среда воздействует на человека не только непосредственно, но и опосредованно. Непосредственно - через потребляемые им компоненты окружающей среды: воздух, воду, пищу и т.д. Опосредованно - через доброкачественное, продуктивное состояние самой среды, т.е. природных систем океана и суши, ее слагающих, во всем их комплексе, на всех широтах Земли, вне зависимости от того, живут там люди или нет. Даже там, где люди не живут и не ведется никакой хозяйственной деятельности, в отдаленных районах, биосфера выполняет важные для человека функции: продуцирует кислород, очищает воду и воздух, производит биомассу растений и животных, поддерживает циклы энерго- и мас-сообмена, хранит генофонд дикой природы. Все эти компоненты окружающей среды, как и многие другие, здесь не названные, не менее важны для человека, чем непосредственно им потребляемые, и также должны быть охвачены исследованиями, мониторингом, нормированием. В загрязненных зонах городов и промышленных агломераций люди могут существовать и работать только при благополучном и продуктивном состоянии биофона планеты.
   Поэтому параллельно с системой санитарно-гигиенических ПДК должна быть разработана система экологических предельно допустимых концентрации (ЭПДК), призванная защитить от антропогенных воздействий природные сообщества, а на ее основе должны быть рассчитаны экологические предельно допустимые атмосферные выбросы промышленных предприятий (ЭПДВ).
   В этом направлении работают ряд ученых и научных коллективов Москвы, Санкт-Петербурга и других городов; Уральского и Кольского центров РАН. За рубежом подобные работы также ведутся достаточно широко. Особенно много исследований осуществлено при изучении воздействия на лесные сообщества дымо-газовых выбросов двух металлургических комбинатов: Гузумского (Швеция) и комбината в Садбери (Канада).
   Изучение этих работ показало, что полученные в них результаты содержат ценную информацию по отклику различных структурно

4

функциональных блоков лесных экосистем на антропогенную, в том числе на токсическую нагрузку. Однако наряду с развитием этих работ возникает необходимость их объединения с тем, чтобы выйти на уровень реакции экосистем как целого на антропогенные воздействия.
   Однако обобщить результаты этих работ не представляется возможным, так как они получены на разных объектах, в разных экологических условиях, с использованием различных методов.
   Таким образом, нормативы ЭПДК - ЭПДВ в настоящее время находятся в стадии становления, в связи с чем актуальным остается разработка критериев допустимого антропогенного воздействия на природные комплексы.

5

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
   Для разработки критериев для оценки допустимого антропогенного воздействия выбросов промышленных предприятий на компоненты окружающей среды необходимо понять: что, где, когда и как надо изучить в природных экосистемах, чтобы обосновать нормы воздействия на них со стороны промышленных предприятий, а затем пересчитать эти нормативы на выбросы из труб. При этом необходима организация комплексных работ, когда все нужные данные получаются на одних и тех же пробных площадях, по единой методологии, в сжатые фенологические сроки.
   В ходе работы необходимо установить однозначное соответствие между четырьмя блоками данных с помощью трех процедур (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Схема процедуры экологического нормирования

   В основу технико-экономических расчетов заложено уравнение материального баланса технологического процесса предприятия. С помощью этого соотношения устанавливается связь продукции промышленного предприятия с максимально возможным сбросом в окружающую среду вредных токсических отходов, а также взаимозависимость экономических показателей производства с условием выполнения природоохранных нормативов.
   Уравнение материального баланса любого технологического процесса имеет вид:
М1 + М2 = М3 + М4 ,
где М1 - основные материалы (сырье);
   М2 - вспомогательные материалы (сырье);


6

    М3 - продукция предприятия;
    М4 = М4'+ М4" - общие отходы производства.
   Часть отходов М4' улавливается и перерабатывается. Другая часть М4" сбрасывается в окружающую среду. Величина М4" характеризует технологический процесс производства и степень утилизации отходов и представляет собой максимально возможный (с точки зрения технологии) выброс в окружающую среду. Таким образом, главный природоохранный результат достигается при условии М₄" < ЭПДВ, определение которого и является целью настоящей работы.
   Заметим, что все величины в приведенных соотношениях могут быть заданы человеком, проектирующим предприятие. Все, кроме ЭПДВ, которые определяются уже не технологией или экономическими показателями производственного процесса, а исключительно свойствами самой окружающей среды, природных систем, ее составляющих, и могут быть определены только при всестороннем изучении реакции природных комплексов на токсическое воздействие.
   Известно, что воздействие токсических веществ на организмы характеризуется свойством пороговости. Классическая токсикология, имеющая уже более чем столетнюю историю развития, оперирует соотношениями типа кривой, показанной на рис. 1.2.




Эффект

Рис. 1.2. Типичный характер токсикологических зависимостей

7

   Здесь наблюдаются три области действия токсиканта. При малых концентрациях происходит стимулирование жизнедеятельности организма; при высоких концентрациях - подавление этой деятельности, а в средней части кривых наблюдается диапазон токсических доз, в котором живые системы обладают способностью поддерживать норму своего состояния при увеличивающейся токсической дозе воздействия. Это осуществляется, в частности, за счет деятельности плазматических и ядерных мембран, роль которых в процессах обмена веществ изучена достаточно хорошо, а также рядом других процессов в клетках.
   На базе исследования таких закономерностей развита система санитарно-гигиенического нормирования в виде набора значений ПДК, которая непрерывно пополняется и совершенствуется, имеет свою историю, свои недостатки и свои перспективы развития и призвана непосредственно защищать человека. Задача этой работы - обосновать, по аналогии с санитарно-гигиеническим, экологическое нормирование токсического воздействия со стороны промышленных предприятий на природные сообщества.
   При изучении токсического воздействия на реальную окружающую среду мы всегда имеем дело с тремя множествами: воздействующих факторов, объектов исследований и реакций на токсическое воздействие, что условно может быть обозначено, как (m - m - m). Классическая токсикология имеет дело с одним фактором, одним объектом и множеством реакций (1 - 1 - m). Между этими крайними случаями помещается экотоксикология, которая исследует последствия дозированного воздействия известного токсиканта (или известного сочетания токсикантов), вносимого в реальные природные сообщества в опыте (1 - 1 - m) или исследование процессов и последствий воздействия множества факторов реальной окружающей среды на тест-объект (1 - 1 - m).
   При поисках порога токсического воздействия на окружающую среду необходимо построить зависимость доза - эффект на уровне экосистемы.
   Задача эта принципиально более сложная, чем аналогичная в классической токсикологии. В реальной окружающей среде мы не имеем возможности ни разделять компоненты, ни дозировать воздействие, ни экспериментировать в заданных ситуациях. Объективно мы поставлены в условия, когда должны изучать большую систему, не расчленяя ее. Именно в таком подходе и состоит главный принцип системных исследований. Однако исследовать все компоненты трех 8

множеств заведомо невозможно; следовательно необходимо создать модель, адекватную поставленной задаче и более простую, неизбежно более грубую, но не настолько, чтобы пропал сам эффект (порог токсического воздействия), который мы ищем.
   То, что природные сообщества относятся к классу больших систем и должны исследоваться методами системного анализа, ни у кого возражений, по-видимому, не вызывает. Некоторая методическая трудность состоит в отсутствии общепринятого понятия большой системы, при том, что в течение ряда лет разными исследователями предложено несколько десятков определений. Поэтому мы считаем себя вправе предложить еще одно.
   Множество взаимосвязанных элементов можно считать системой в том случае, когда взаимосвязи между элементами более существенны, чем свойства и проявления самих элементов в отдельности.
   В этом определении присутствует субъективный момент. "Более существенны" для кого? Или - при какой постановке проблемы, в каком аспекте рассмотрения? Несомненно, что одно и то же лесное сообщество в одном случае может рассматриваться как большая система (например, для нашей цели выявления порога токсического воздействия). В другом случае - как множество деревьев, являющееся лишь источником древесины. В таком аспекте рассмотрения взаимосвязи деревьев с остальными элементами сообщества неизбежно менее существенны, что и приводит к пренебрежению ими со стороны лесозаготовителей.

9

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ И ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ



2.1. Основные допущения модели
   Первое допущение. Каждый природный комплекс подвергается всей сумме антропогенных воздействий: химическому и радиоактивному загрязнению, воздействию электромагнитных полей, шума и вибраций, рекреационной нагрузке, вытаптыванию при выпасе скота, рубкам, пожарам; осушению и переувлажнению в результате мелиоративных работ; истощению гумусового горизонта в результате вспашки; всем видам антропогенного выветривания почв, искажениям климата в результате антропогенных воздействий глобального масштаба и т.д. вплоть до изменения характеристик околоземного космического пространства, так или иначе воздействующего на каждую природную систему.
   Поэтому в качестве объекта исследования необходимо выбрать такой, в окрестностях которого заведомо преобладает какой-то один вид антропогенного воздействия. Например, в зоне влияния металлургических комбинатов преобладают выбросы в атмосферу тяжелых металлов и сернистых соединений; остальные факторы антропогенного воздействия, несомненно, присутствуют также, но менее существенны. Это первое упрощение задачи.
   Второе допущение. Примем модель черного ящика, т.е. будем рассматривать только параметры на входе и выходе системы. На входе - токсические выпадения из атмосферы, на выходе - изменение основных параметров: биомассы, численности, видового разнообразия структурных блоков экосистемы, учитываемых с возможной полнотой. В данном подходе нет необходимости распутывать сложные пути миграции токсикантов внутри экосистемы, т.е. внутри ее пространственной структуры (допустим, распределение по ярусам) или функционально - по трофическим уровням. Именно по этой причине в данном подходе нет необходимости измерять содержание токсикантов в растениях, почвах, поверхностных водах, животных. Это не значит, что такие измерения совсем не нужны; они не нужны только в данной проблеме. Нас здесь интересует не само содержание токсикантов, а биологические последствия этого для всего природно

10

го комплекса, а они могут иметь существенное различие в зависимости от того, в какой части П-образных кривых (см. рис. 1.2) окажутся измеренные содержания токсикантов: в зоне стимулирования жизнедеятельности, в зоне подавления или в зоне регулирования.
   Третье допущение. В качестве дозы в общем плане необходимо рассматривать всю сумму антропогенных токсикантов, т.е. воздействие тяжелых металлов, радионуклидов, макроэлементов и хлорорга-нических соединений на воздух, воды, почву, биологические объекты, что может быть представлено в виде матрицы из 16 ячеек, показанной на рис. 2.1. В данном случае мы ограничиваемся одной ячейкой и в качестве воздействующей дозы измеряем содержание тяжелых металлов, накопленных в течении зимнего периода в снеге.
   Четвертое допущение. Оно состоит в экстраполяции такого уровня атмосферных выпадений на весь год. Известно, что содержания токсикантов в атмосферных выпадениях сильно варьируют, в зависимости от комплекса климатических факторов: температуры, влажности, сорбционной способности аэрозолей, туманов, пыли и т.д., следствием чего является их большая вариабельность в зависимости от времени суток, сезона года, других более долгопериодических процессов. В снеге содержания токсикантов не только консервируются до начала снеготаяния; они автоматически усредняются за весь зимний период (при условии, что на анализ берется полная колонка снега). Именно поэтому исследование содержаний токсикантов в снеге и более информативно, и методически проще.
   Почему именно тяжелые металлы взяты в данном случае в качестве трассеров всей суммы воздействующих факторов? Не только потому, что исследуются атмосферные выбросы металлургических производств. Несомненно, что в зоне влияния любого промышленного предприятия всегда присутствуют и сернистые соединения, и оксиды азота, и кислотные выпадения. Для выявления наиболее значимого фактора в зоне влияния комбината "Североникель" вычисляли коэффициенты корреляции между фитомассой травянокустарничкового яруса и названными видами загрязнений. Эти коэффициенты составили: по отношению к сумме тяжелых металлов в снеге (- 0,92); по отношения к содержанию сульфат-иона (- 0,86); по отношению к рН (+0,83); остальные факторы оказались менее значимыми.
   Есть еще несколько соображений, позволяющих в данном конкретном примере ограничиться рассмотрением в качестве дозы только суммы тяжелых металлов.

11

В реальной окружающей среде

Доза

Эффект

Тяжелые металлы Макроэлементы

Радиоактивные элементы Хлорорганичес-кие соединения

   Древесный ярус
Объем древесины,     м³/га
Масса листвы,        ц/га
Жизненное состояние древостоя,            баллы

Травяно-кустарничковый ярус

Фитомасса,           ц/га
Общее проективное покрытие,            %
Число видов,         шт

      Подстилка
Масса,               т/га
Мощность,            см
Условное время разложения,          годы

Fe, Co, Zn, Pb, Cd, Hg, As, Se, Mn, Cu, Cr, (SO4)⁻²

Почвенная мезофауна
Биомасса,            г/м²
Число экземпляров,   шт
Число видов,         шт

Генерализация

Генерализация

       1ⁿC
Доза = -у C^- 100% n i=1Cmax

___       1
Эффект = —У ——100% ni=1 Aimax

             Рис . 2.1. Структура зависимости доза - эффект: Ai. - i-й ij
биологический параметр наj-й пробной площадке; Aⱼₘₐₓ -максимальное значение i-го параметра в выборе; Сi - концентрация i-го токсиканта в снеге; Cₘₐₓ - максимальное значение концентрации токсиканта в данной выборке

12