ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДОВ НА ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКУЮ ОБСТАНОВКУ ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ СНЕГОВОГО ПОКРОВА

ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ПРЕДПРИЯТИЯМИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЦЕМЕНТА 13
1.1 Общая характеристика цементной промышленности 13
1.2 Влияние предприятий по производству цемента на компоненты окружающей
среды 14
1.3 Влияние выбросов цементных заводов на здоровье населения 20
2. ПРИРОДНАЯ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ
РАСПОЛОЖЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДОВ Г.ТОПКИ И Г.ИСКИТИМ 24
2.1 Административно-географическая и природная характеристика 24
2.2 Геоэкологическая характеристика 32
2.3 Характеристика сырьевых материалов, используемых в производстве на
цементных заводах 37
2.4 Технологическая схема производства цемента по «мокрому» способу 39
3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
3.1 Методика отбора и подготовки проб снегового покрова 42
3.2 Аналитические методы исследования состава проб 46
3.3 Методы обработки материалов исследований 52
4. ПЫЛЕВАЯ НАГРУЗКА И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ
НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДОВ 60
5. ВЛИЯНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ ЗАВОДОВ НА ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
СНЕГОВОГО ПОКРОВА 71
5.1 Геохимическая характеристика нерастворимого осадка 71
5.2 Особенности элементного состава гранулометрических фракций нерастворимого
осадка 92
5.3 Геохимические связи между составом нерастворимого осадка снегового покрова
и сырьевыми материалами, используемыми при производстве цемента 96
5.4 Поведение химических элементов в системе «нерастворимый осадок снегового
покрова - снеготалая вода» 106
6. МИНЕРАЛЬНО-ВЕЩЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕРАСТВОРИМОГО
ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ
ЗАВОДОВ 113
6.1 Обзор исследований минерально-фазового состава портландцемента 113
6.2 Количественная оценка минерального состава нерастворимого осадка снегового
покрова 116
6.3 Характеристика микрочастиц в нерастворимом осадке снегового покрова 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
Купить

Актуальность исследования. Ежегодно от предприятий по производству цемента в атмосферный воздух поступает до 27 млн. тонн выбросов, из которых около 2/3 приходится на твердые вещества (Чомаева, 2019; Казакова, 2020). Твердые частицы способны рассеиваться вблизи источников и переноситься на значительные расстояния от цементных заводов, образуя техногенные геохимические поля в компонентах природной среды (Соромотин, 2008; Холодова, 2016; Koz£owski et al., 2018). В районах расположения производства цемента, при этом, установлена зависимость от пылевого загрязнения атмосферного воздуха заболеваемостью органов дыхания, силикозом, конъюнктивитом и дерматитом (Сает и др., 1990; Семиненко и др., 2012; Bertoldi et al., 2012; Donato et al., 2016; Nkhama et al., 2017). В этой связи, изучение эколого-геохимического состояния территорий с размещением цементных заводов является актуальной задачей геоэкологии.
Вопросам оценки влияния выбросов предприятий по производству цемента на трансформацию химического состава компонентов природной среды посвящены работы российских (Соромотин, 2008; Рапута и др., 2011; 2014; 2017; 2019; Казакова, 2014; Исабекова, 2014; Пашкевич и Алексеенко, 2015; Турбина, 2016; Королев, 2017; Kholodov et al., 2018) и зарубежных исследователей (Baby et al., 2008; Huhu et al., 2019; Koz£owski et al., 2018; Olatunde, 2020; Blois, 2021). Существует при этом недостаточно знаний об эколого-геохимической обстановке в районах размещения цементных заводов на основе изучения экогеохимии и минералогии аэрозолей твердых частиц.
Снеговой покров является идеальным планшетом-накопителем твердых частиц из атмосферного воздуха, позволяющим получить данные о их составе и выполнить эколого-геохимические исследования на промышленно-урбанизированных и фоновых территориях (Сает и др., 1990; Шатилов, 2001; Язиков, 2006; Рихванов и др., 2006; Девятова, 2006; Шевченко, 2006; Таловская, 2008; 2022; Бортникова и др., 2009; Касимов и др., 2012; 2016; Котова, 2013; Удачин, 2014; Янченко и др., 2014; Власов и др., 2015; Филимоненко, 2015; Шахова, 2018; Gustaytis et al., 2018; Артамонова, 2020; Московченко и др., 2022).
На юге Западной Сибири функционируют два крупных цементных завода, в г. Топки (Кемеровская область) и г. Искитим (Новосибирская область), использующие «мокрый» способ выпуска продукции с производственными мощностями в 3700 и 2100 тыс. тонн цемента в год, соответственно. Основными сырьевыми материалами являются известняки девонского возраста (Котельников и др., 2008), добыча которых осуществляется на карьерах, расположенных вблизи заводов. Для производства цемента на двух заводах используются как схожие (глина, шлак, гипс, флюоритовая руда), так и специфичные (пиритные огарки, углеотходы, гематит, трифолин, кварцит, шлак медеплавильный, электродный бой) виды корректирующих природных и техногенных добавок. Заводы, при этом, являются объектами I категории, оказывающими значительное негативное воздействие на окружающую среду в районах их размещения. Таким образом, важной задачей является оценка эколого-геохимических условий в зонах влияния цементных заводов посредством использования снегового покрова в качестве планшета-накопителя загрязняющих веществ.
Объект исследования - нерастворимый осадок снегового покрова, сформированный атмосферными выпадениями на снеговой покров в зонах влияния цементных заводов г. Топки и г. Искитим. Предмет исследования - пылевая нагрузка, гранулометрический, химический и минерально-вещественный состав нерастворимого осадка снегового покрова.
Цель исследования заключается в оценке влияния выбросов цементных заводов г. Топки (Кемеровская обл.) и г. Искитим (Новосибирская обл.) на экологогеохимическое состояние прилегающих территорий на основе изучения состава нерастворимого осадка снегового покрова.
Задачи исследований:
1. Определить сходства и различия в изменчивости уровней пылевой нагрузки и гранулометрических фракций нерастворимого осадка снегового покрова при удалении от источников выбросов цементных заводов г. Топки и г. Искитим.
2. Выявить особенности формирования элементного состава нерастворимого осадка снегового покрова в зависимости от применяемых сырьевых компонентов на цементных заводах и в распределении химических элементов по гранулометрическим фракциям (40-100, 20-40, <20 мкм).
3. Выполнить количественные оценки содержания природных и техногенных минеральных образований, состава микрочастиц в нерастворимом осадке снега, отражающие воздействие изучаемых заводов на окружающую среду.
Фактический материал и методы исследования. В основу диссертационной работы положены материалы исследований, проводившихся лично автором во время обучения с 2014 г. по 2023 г. в отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета.
Научно-исследовательская работа выполнялась при финансовой поддержке грантов компании British Petroleum (2017, 2019 гг.) и стипендии
Неправительственного Фонда имени В.И. Вернадского (2018, 2021 гг.).
В основу научной работы положены результаты исследований 55 проб нерастворимого осадка снегового покрова, сырьевых материалов, применяемых для производства цемента, и пыли с электрофильтров заводов.
При личном участии автора производился отбор проб снегового покрова в зонах влияния цементных заводов в г. Топки и г. Искитим. Отбор проб снегового покрова осуществлялся по векторной системе наблюдения, на расстоянии от 0,5 до 3 км от границ заводов. Пробы снегового покрова были отобраны и подготовлены автором в соответствии с нормативно-методическими документами (РД 52.04.18689; Методические рекомендации ИМГРЭ ..., 1982) и опубликованными работами (Сает и др., 1990; Шатилов, 2001; Язиков, 2006; Таловская, 2008; 2022; Бортникова и др., 2009; Янченко и др., 2014; Касимов и др., 2012; 2016; Филимоненко, 2015; Рапута и др., 2017).
В лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ осуществлялось аналитическое изучение химического и минерально-вещественного состава проб при личном участии автора. Количественное содержание 28 химических элементов в нерастворимом осадке, компонентах для производства цемента и пыли с электрофильтров (84 пробы) выполнено методом инструментального нейтронноактивационного анализа (ИНАА) в ядерно-геохимической лаборатории на базе исследовательского ядерного реактора ТПУ. Содержания ртути и изучение ее термоформ в 46 пробах определялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААСМ, анализатор РА-915+ с приставкой ПИРО-915). Минеральнофазовый состав изучен методом порошковой рентгеновской дифрактометрии (15 проб, дифрактометр Bruker D2 PHASER). Исследование микрочастиц в пробах осуществлялось методом растровой электронной сканирующей микроскопии (154 частицы в 8 пробах, микроскоп Hitachi S-3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010). Разделение нерастворимого осадка снегового покрова на гранулометрические фракции выполнялось ситовым методом (10 проб, набор стандартных сит).
Нерастворимый осадок (21 проба) и жидкая фаза снегового покрова (17 проб) исследованы на содержание 58 химических элементов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС), определен ионный состав жидкой фазы снегового покрова (9 проб) в химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск).
По полученным результатам производился расчет эколого-геохимических показателей: пылевая нагрузка (Pn), коэффициент концентрации (Kc), суммарный показатель загрязнения (Zc) согласно опубликованным работам (Сает и др., 1990; Касимов и др., 2012). В соответствии с учебным пособием (Михальчук, Язиков, 2015) производилась статистическая обработка результатов в ПО «Statistica». Построение графических материалов по распределению пылевой нагрузки осуществлялось в ПО «Surfer» (метод Natural Neighbor) и ПО «Corel Draw».
Величины пылевой нагрузки оценивались по градациям, опубликованные в научных работах (Сает и др., 1990; Касимов и др., 2012; Таловская, 2022). Фоновые уровни пылевой нагрузки и содержаний химических элементов в пробах приняты по данным сотрудников отделения геологии ТПУ (Шатилов, 2001; Язиков, 2006; Филимоненко, 2015; Таловская, 2022).
Защищаемые положения:
1. В радиусе до 1 км от цементных заводов г. Искитим и г. Топки средние уровни пылевой нагрузки составляют 380 и 1905 мг/(м2-сут.), а при удалении на расстояние от 1 до 3 км уровни нагрузки снижаются и достигают в среднем 120 и 335 мг/(м2-сут.), соответственно. Общей спецификой гранулометрического состава нерастворимого осадка снегового покрова является преобладание фракции 40-100 мкм (> 75 %) на разных расстояниях от источников выбросов.
2. Геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова в зоне влияния цементных заводов определяется преимущественно элементным составом техногенных добавок, а в отдельных случаях природных компонентов, применяемых при производстве цемента. В зоне влияния цементных заводов г. Топки и г. Искитим характерный спектр химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова на 35-40 % связан с фракциями 20-40 и <20 мкм, и 4045% - с фракцией 40-100 мкм, соответственно.
3. По данным количественной оценки минерально-вещественного состава
нерастворимого осадка снегового покрова в зоне влияния цементных заводов установлены соотношения кальцита (59-94 %) и техногенных образований
цементного клинкера (2-29 %). Характерной особенностью при этом является наличие микрочастиц, в которых отношения содержаний макроэлементов Ca/Si и Ca/Al более 4, при фоне 0,1-0,2 ед.
Научная новизна работы:
1. Выявлены закономерности распределения уровней пылевой нагрузки по мере удаления от цементных заводов г. Топки и г. Искитим с учетом господствующего направления ветра. Определено, что основная масса нерастворимого осадка снегового покрова преимущественно состоит из фракции 40100 мкм, отражающая общую специфику его гранулометрического состава.
2. Установлены зависимости накопления элементов, отражающие
геохимические особенности воздействия цементного производства, в нерастворимом осадке снегового покрова и природно-техногенных материалах, используемых на цементных заводах г. Топки и г. Искитим. Изучены особенности фракционного состава (40-100, 20-40, <20 мкм) индикаторных химических элементов в
нерастворимом осадке снегового покрова.
3. Даны количественные оценки содержаний минералов и техногенных образований, характеризующие особенности минерально-вещественного состава нерастворимого осадка снегового покрова из зоны влияния цементных заводов г. Топки и г. Искитим. Предложены индикаторные показатели отношений макроэлементов (Ca/Si и Ca/Al), содержащихся в микрочастицах нерастворимого осадка снегового покрова, для определения специфики воздействия цементного производства на среду обитания.
Практическая значимость работы заключается в установлении специфики антропогенного воздействия цементных заводов на эколого-геохимическую обстановку прилегающих территорий на основе выявленных пространственных изменений пылевой нагрузки, геохимических взаимосвязей между нерастворимым осадком снегового покрова и сырьевыми материалами, количественных показателей его минерально-вещественного состава.
Результаты научных исследований могут быть применены природоохранными органами Кемеровской и Новосибирской областей, отделами охраны окружающей среды цементных заводов в качестве основы для планирования и проведения экологического мониторинга, разработки и принятия мер для снижения негативного влияния на атмосферный воздух.
Материалы диссертационной работы использованы при проведении лекционных занятий по курсу «Экологический мониторинг» для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ.
Достоверность защищаемых положений обеспечена достаточным объемом фактического материала, представленного статистически значимым количеством проб, отобранных, подготовленных по единым апробированным методикам, проанализированных современными высокочувствительными методами анализа в аккредитованных лабораториях, обработкой данных статистико-математическими методами, анализом литературы по теме исследования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, представлены на 27 Международных и Всероссийских научных конференциях, симпозиумах, совещаниях студентов и молодых ученых, в том числе Международный научный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2016 - 2023 гг.); Международный научный форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2018» (г. Москва, 2018 г.), Международная научная студенческая
конференция «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 20162018 гг.), Международная молодежная экологическая научная конференция «Экогеология-2019» (г. Санкт-Петербург, 2019 г.), XVIII Всероссийская конференция-конкурс студентов и аспирантов «Актуальные проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2020 г.), III Байкальская международная научная конференция «Снежный покров, атмосферные осадки, аэрозоли: химия и климат» (г. Иркутск, 2021 г.), VI Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2021 г.),
Всероссийская конференция с международным участием «Геохимия окружающей среды» (г. Москва, 2022 г.); Конференция «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2019-2021 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 4 статьи в изданиях, индексируемых международными базами данных Web of Science и Scopus, и рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора заключается в планировании, организации и выполнении всех работ по отбору, подготовке и аналитическом изучении проб снегового покрова в лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» (ТПУ); интерпретации полученных результатов на основе определения эко лого -
геохимических показателей, статистической обработке полученного массива
данных, построении карта-схем. Личный вклад автора также включает формулировку цели, задач, основных положений и написание текста диссертации по плану, согласованному с научным руководителем.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Рукопись изложена на 150 страницах машинописного текста, включающего 44 рисунка и 37 таблиц. Список литературы включает 135 источников, из которых 37 на иностранном языке.
Глава 1 посвящена современным научным исследованиям загрязнения компонентов природной среды на территориях с размещением цементных заводов и влияния их выбросов на здоровье населения.
В главе 2 описаны природно-климатические и геоэкологические условия районов расположения цементных заводов г. Топки и г. Искитим.
Глава 3 отражает методическую часть исследований, в которой описаны полевые и камеральные этапы работы, включая лабораторно-аналитические методы и методику обработки полученных данных.
В главе 4 изложены результаты по пылевой нагрузке, характере ее распределения в зонах влияния цементных заводов.
Глава 5 содержит данные об общих и специфичных геохимических характеристиках состава нерастворимого осадка снегового покрова в зонах влияния цементных заводов и об их взаимосвязи с сырьевыми компонентами и добавками, применяемыми для производства цемента.
В главе 6 приводятся результаты изучения минерально-вещественных характеристик состава нерастворимого осадка снегового покрова для определения аэротехногенного влияния цементных заводов.
В заключении представлены основные выводы и рекомендации.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю профессору, д.г.-м.н. А.В. Таловской за поддержку и всестороннюю помощь в подготовке диссертационной работы. Признательность автор выражает профессору, д.г.-м.н. Е.Г. Язикову, профессору, д.б.н. Н.В. Барановской, профессору, д.г.-м.н. С.И. Арбузову, профессору, д.г-м.н. Рихванову Л.П., профессору д.г.-м.н. О.Г. Савичеву, профессору, д.г.-м.н. Н.В. Гусевой за ценные советы при обсуждении работы. Отдельную признательность автор выражает сотрудникам Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН к.г.-м.н. А.Ю. Девятовой, к.г.-м.н. А.В. Еделеву, Тюменского государственного университета к.г.-м.н. Е.А. Филимоненко за помощь в отборе и подготовке проб снегового покрова. Автор благодарен за содействие в проведении лабораторных исследований в МИНОЦ «Урановая геология» преподавательскому составу отделения геологии ТПУ: старшему преподавателю, к.г.-м.н. С.С. Ильенку при работе на электронном сканирующем микроскопе, доценту, к.г.-м.н., Б.Р. Соктоеву - на порошковом дифрактометре, доценту, к.х.н. Н.А. Осиповой и к.г.-м.н. Е.А. Филимоненко - на атомноабсорбционном спектрометре. Автор выражает глубокую благодарность за проведение исследований химического состава проб аналитикам ядерно - геохимической лаборатории ТПУ А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, аналитикам и директору ХАЦ «Плазма» Н.В. Федюниной. Благодарность автор также выражает к.г.-м.н., начальнику сектора литологии и лаборатории седименталогии Управления лабораторных исследований керна АО «ТомскНИПИнефть» М.В. Шалдыбину за внешний контроль результатов рентгеновской дифрактом

Купить