Гранулометрический и химический анализ атмосферных взвесей в городе Спасск-Дальний (Приморский край)

РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 502.3

И.А. Вахнюк, К.Ю. Кириченко, В.А. Дрозд, А.А. Вахнюк, А.В. Кириченко,

А.С. Холодов, К.С. Голохваст

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АТМОСФЕРНЫХ ВЗВЕСЕЙ В ГОРОДЕ СПАССК-ДАЛЬНИЙ

Статья посвящена исследованию атмосферных взвесей города Спасск-Дальний с помощью методов лазерной гранулометрии и химического анализа. Показано, что атмосфера данного города загрязнена частицами размерностью менее 10 мкм (PM10). В трех точках были обнаружили опасные для здоровья микрочастицы в значимых долях - от 18 до 37,7%. Максимальное количество частиц мельчайшей фракции выявлено у градообразующего предприятия города - цементного завода. Выявлено содержание в воздухе частиц тяжелых металлов I и II классов опасности (высоко опасные и умеренно опасные).

Ключевые слова: атмосферная взвесь, экология, цементная пыль, микрочастицы, Спасск-Дальний.

I.A. Vakhniuk, K.Yu. Kirichenko, V.A. Drozd, A.A. Vakhniuk, A.V. Kirichenko,

A.S. Kholodov, K.S. Golokhvast

GRANULOMETRIC AND CHEMICAL ANALYSIS OF ATMOSPHERIC SUSPENSIONS IN SPASSK-DALNIY CITY

The article is devoted to the study of atmospheric suspensions of Spassk-Dalniy city by means of laser granulometry and chemical analysis methods. It is shown that the atmosphere of this city is polluted with the particles of dimension less than 10 microns (PMi0). The dangerous to health micro particles in significant proportions -from 18 to 37,7% were detected at 3 different places. The maximum number of particles with the smallest fraction was revealed at the city-forming enterprise - the cement plant. The airborne content of I and II hazard classes (highly hazardous and moderately hazardous) heavy metal particles was revealed.

Key words: atmospheric suspension, ecology, cement dust, micro particles, Spassk-Dalniy.

DOI: 10.17217/2079-0333-2019-49-6-11

Введение

В медицинских исследованиях описаны заболевания легких, которые связаны с вдыханием цементной пыли [1, 2]. Пыль провоцирует у людей ощущение сухости, раздражения слизистых дыхательных путей, болевые симптомы, кашель, фиброз в легких, вследствие описанного легкие теряют эластичность, нарушается газообмен [3, 4]. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) 43% всех случаев смерти, болезней легких и рака легких вызваны загрязнением воздуха. Зарубежные исследователи установили значительную связь между воздействием высокой концентрации цементной пыли и острыми респираторными симптомами [5, 6]. Следует отметить, что население г. Спасск-Дальний с 2015 по 2018 гг. уменьшилось на 1 820 чел. и составляет 40 200 чел. согласно данным Федеральной службы государственной статистики по Приморскому краю на 2019 г. Производственные мощности завода за это время, согласно данным ООО «Востокцемент» (http://vostokcement.ru/), увеличились на 1 173 тыс. т цемента в год и составляют ныне 4,3 млн т цемента и 3,7 млн т щебня в год.

Работ по исследованию влияния цементного производства на состояние атмосферы населенных пунктов относительно мало. В продолжение опубликованной нами ранее работы [7] в конце 2017 г. в трех районах г. Спасск-Дальний, который по результатам предшествующего исследования был отнесен к числу неблагополучных с точки зрения загрязнения атмосферы частицами размерностью менее 10 мкм (PM10), были отобраны повторные пробы и произведен грануломет-

рический и химический анализ атмосферных взвесей апробированными ранее методами [8]. Выбор точек отбора проб был сделан с учетом рельефа местности, розы ветров и местоположения источника загрязнения - цементного завода. Полученные нами при обработке проб данные существенно дополняют ранее полученные нами и позволяют полнее охарактеризовать уровень загрязнения атмосферы г. Спасск-Дальний. Исходя из данных наших исследований, необходимо признать, что, несмотря на значимую социально-экономическую и хозяйственную роль цементного завода, он является источником загрязнения воздуха г. Спасск-Дальний атмосферной взвесью. Высокое содержание в ней микрочастиц ухудшает экологическую ситуацию в этом небольшом городе Приморского края и является фактором, способствующим росту легочных заболеваний его жителей.

Материалы и методы

Город Спасск-Дальний является административным центром Спасского района Приморского края. Его население на начало 2019 г. составляло 40 200 человек. Основными градообразующими предприятиями города являются железнодорожная станция (ул. Андреевская) и ООО «Востокцемент» (ул. Цементная). Местами сбора изученных проб были густонаселенная центральная часть города, участок, расположенный в лесопарковой зоне, и район города, находящийся в непосредственной близости к цементному заводу (рис. 1).

• / \ ч о у/ г

Рис. 1. Район отбора проб в городе Спасск-Дальний: 1 - ул. Борисова, 23 (центр города);

2 - ул. Хабаровская, 23

Стоит отметить, что роза ветров (рис. 2) в жилых районах г. Спасск-Дальний препятствует загрязнению его воздуха в силу преобладания здесь ветров западного и северо-западного направлений, препятствующих поступлению в густозаселенные районы города воздушных масс со стороны цементного завода, но способствующих очищению атмосферы в период активного проявления. Неблагоприятными с точки зрения поступления в центр города атмосферной взвеси от цементного завода являются северо-восточные и восточные ветра. Однако частота их повторения составляет всего 6,8 и 3,1% соответственно.

Для сбора атмосферной взвеси использовали пробы снега, собранного в декабре 2017 г. во время снегопадов, при этом из всей толщи снега брали только самый верхний 5-10-сантиметровый слой. Это гарантировало отсутствие его вторичного загрязнения антропогенными аэрозолями. Собранный снег помещали в стерильные контейнеры объемом 2,7 л. Через два часа жидкость, полученную после таяния снега, хорошо взбалтывали, и из каждой пробы для последующего изучения отбирали по 60 мл жидкости. Количество и размерность содержащихся в ней частиц определяли на лазерном анализаторе частиц Fritsch Analysette 22 NanoTech (Германия).

С * Северный С-В* Северо-Восто... В-« Восточный Ю-BV Юго-Восточный ю * Южный Ю-3* Южный-Запад... з»- Западный С-3 * Северо-Запад...

15.2% 6.8% 3.1% 4% 6.4% 12.8% 28.7% 23.1%

Рис. 2. Роза ветров в городе Спасск-Дальний

Для определения элементарного состава атмосферных взвесей использовали атомно-эмиссионный спектрометр с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 фирмы Shimadzu. Количественное содержание элементов определяли методом построения градуировочного графика, для чего использовали мультиэлементный стандарт MES-IV фирмы MERCK.

Результаты и обсуждение

Гранулометрический анализ атмосферной взвеси показал, что фракция частиц с поперечником, превышающим 100 мкм, в отобранных пробах отсутствует. Абсолютно преобладают в них частицы, размеры которых достигают 10-50 мкм. Их доля в изученных пробах колеблется от 51 до 64,2%. Частицы гигиенически значимой фракции PMi0 составляют от 18 до 37,7%. Долю других размерных фракций в составе атмосферной взвеси можно видеть на представленном ниже рис. 3.

% ..V, -

60

50

40

30

20

10

Менее 1

1,0-10

10,0-50

50- 100 100 - 400 400-700 Более 700

Рис. 3. Доля разноразмерных фракций в составе атмосферных взвесей. 1-3 - районы отбора проб в соответствии с рис. 1

Рис. 3 показывает, что отобранные пробы демонстрируют большое сходство гранулометрического состава. Они имеют близкие точки максимумов и очень близкие кривые распределения частиц разных размеров. Поскольку во всех изученных пробах преобладают мелкоразмерные

частицы, - самыми крупными являются частицы не более 400 мкм, и в пробе, отобранной рядом с цементным заводом, отсутствуют частицы крупнее 100 мкм, - можно говорить о нано- и микроразмерном характере загрязнения воздушной среды г. Спасск-Дальний.

Так, доля взвешенных частиц фракции РМ10 в пробе снеговой воды, собранной в районе ул. Борисова, 23 (район 1), составляет 18%, в пробе, собранной на ул. Хабаровская, 23 (район 2), - 25,3% и в пробе, собранной на ул. Цементная, 2 (район 3), - 37,7%. Обращает на себя внимание значительная концентрация мельчайших частиц размерностью РМ10 в рекреационной зоне города. Она здесь выше, чем в центральной его части. Объяснить это можно тем, что помимо промышленного предприятия ООО «Востокцемент» на микроразмерное загрязнение атмосферы города, как это было установлено ранее [9, 10], влияет также работа автомобильного и железнодорожного транспорта.

Цементная пыль, как известно, является минеральной по своему химическому составу [11]. Количественное содержание химических элементов, обнаруженных в собранных нами пробах атмосферной взвеси, приведено в таблице.

Количественное содержание химических элементов в изученных пробах атмосферной взвеси,

мкг/л растаявшего снега

Проба А1 Ва Са Сd Со Си Ее К Ы Мд Мп Ыа N1 РЬ Бг 7п

Центр города (1) 862 70,4 23700 <5 <5 244 1960 657 <5 771 51,9 1960 <5 <10 84,9 43,9

Лесопарковая зона (2) 800 40,9 10400 <5 <5 237 794 636 <5 504 61,9 4450 <5 <10 39,2 23,9

Завод ООО «Восток-цемент» (3) 3470 174 492000 <5 27,4 366 5150 3170 7,6 4490 230 2250 96 71,0 594 174

Класс опасности - III I II II - - - - III - II I III I

По результатам химического анализа в составе атмосферной взвеси выявлено преобладание таких элементов, как Са, Ыа, Fe и А1. В изученных пробах обнаружены тяжелые металлы I класса опасности, классифицируемые как высоко опасные. Это цинк и свинец. При этом наибольшее содержание того и другого отмечено у цементного завода. Максимальное содержание металлов II (Со, №, Си) и III (Ва, Мп, Бг) классов опасности, классифицируемых как умеренно и малоопасные, наблюдается также в пробе, взятой рядом с цементным заводом. Полученные нами данные, таким образом, позволяют говорить о том, что это промышленное предприятие является источником загрязнения атмосферного воздуха нано- и микрочастицами тяжелых металлов разного уровня опасности.

Заключение

На основе полученных нами данных определенно можно говорить о том, что цементный завод, работающий в г. Спасск-Дальний, будучи поставщиком в воздушный бассейн города фракции РМ10, является фактором, ухудшающим качество жизни его жителей. В связи с ростом производства и планами развития этого предприятия количество выбрасываемой в атмосферу мелкодисперсной пыли будет только увеличиваться, и экологическая ситуация в этом населенном пункте, соответственно, может только ухудшаться [12, 13]. В настоящее время с точки зрения загрязнения атмосферы взвешенными частицами размерностью менее 10 мкм (РМ10) следует признать принадлежность г. Спасск-Дальний к числу неблагополучных малых городов РФ.

Цементная пыль является фактором повышенного риска, провоцирующего рост заболеваемости и смертности [14], поэтому медицинская служба города должна сосредоточить свои усилия на профилактике легочных заболеваний и ранней их диагностике. Опасность содержания в атмосфере города достаточно высоких концентраций гигиенически значимой фракции РМ10 усиливает наличие в атмосферных взвесях частиц тяжелых металлов I и II классов опасности, а также превышение концентрации Мп, Сг, РЬ значений ПДК и ОДК в 1,5-4 раза [15].

Работа выполнена при поддержке Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-2461.2019.5).

Литература

1. Elsewefy A.Z., Metwalli O.M. Clinical, electron microscope and biochemical studies on a case of cementosis in Egypt // Journal of the Egyptian Medical Association. - 1970. - Vol. 53, iss. 7. -P.558-562.

2. Стефаненко И.В. О воздействии пыли цементного производства на организм работающих // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства: материалы IV Международной научно-технической конференции. - 2013. -С.232-234.

3. Prevalence of lung function impairment among Greek cement production workers: a cross-sectional study / G. Rachiotis, K. Kostikas, D. Pinotsi, C. Hadjichristodoulou, S. Drivas // Ind Health. -2018. - 56 (1). - P. 49-52.

4. A study on respiratory problems and pulmonary function indexes among cement industry workers in Mashhad, Iran / E. Rafeemanesh, A. Alizadeh, L.A. Saleh, H. Zakeri // Medycyna Pracy. -2015. - 66 (4) - P. 471-477.

5. Cross-shift study of acute respiratory effects in cement production workers / O. Aminian, M. Aslani, K.S. Haghighi // Acta Medica Iranica. - 2014. - Vol. 52, iss. 2. - P. 146-152.

6. FellA.K.M., NordbyK.C. Association between exposure in the cement production industry and non-malignant respiratory effects: A systematic review // BMJ Open. - 2017. - Vol. 7, iss. 4. -e012381.

7. The Influence of Cement Plant on the Atmospheric Pollution with Microscale Particulate Matter in Spassk-Dalny Town (Primorsky Region, Russia) - Particle Size Analysis / A. Kholodov, S. Ugay, V. Drozd, S. Gulkova, K. Golokhvast // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT 2017. Advances in Intelligent Systems and Computing / Murgul V., Popovic Z. (eds.). - 2018. - Vol. 692. - Springer, Cham. - P. 1017-1023.

8. Исследование загрязнения атмосферы населенных пунктов Камчатского края с помощью лазерной гранулометрии / К.Ю. Кириченко, И.А. Вахнюк, В.А. Дрозд, К.С. Голохваст // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2018. - Вып. № 46. -C.86-94.

9. Morphological and chemical composition of particulate matter in buses exhaust / V.V. Chernyshev, A.M. Zakharenko, S.M. Ugay, T.T. Hien, L.H. Hai, S.M. Olesik, A.S. Kholodov,

E. Zubko, M. Kokkinakis, T.I. Burykina, A.K. Stratidakis, Y.O. Mezhuev, D.A. Sarigiannis, A. Tsatsakis, K.S. Golokhvast // Toxicology Reports. - 2019. - Vol. 6. - P. 120-125.

10. Голохваст К.С. Атмосферные взвеси городов Дальнего Востока. - Владивосток: Изд-во ДВФУ, 2013. - C. 178.

11. Bazas T. Effects of Occupational Exposure to Dust on the Respiratory System of Cement Workers. // J. Soc. Occupational Medicine. - 1980. - № 30. - P. 31-36.

12. Фалалеева Н.А., Фалалеев А.Г. Экология шлаковых цементов и бетонов. - Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2010.

13. Дзюба О.В., Парамонова О.Н. Анализ воздействия предприятий по производству цемента на качество воздушной среды Российской Федерации // Международный научно-исследовательский журнал. - 2015. - № 5-2 (36). - С. 48-49.

14. Mortality and cancer morbidity among cement production workers: a meta-analysis /

F. Donato, G. Garzaro, E. Pira, P. Boffetta // International Archives of Occupational and Environmental Health. - 2016. - Vol. 89, iss. 8. - P. 1155-1168.

15. Коломейцева О.Л., Христофорова Н.К. Сравнительная оценка загрязнения атмосферного воздуха двух промышленных городов Приморского края - Уссурийска и Спасска-Дальнего // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. - 2012. - № 4. - С. 76-81.

Информация об авторах Information about the authors

Вахнюк Игорь Анатольевич - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; аспирант Школы естественных наук ДВФУ; vahnuk86@mail.ru

Vakhniuk Igor Anatiolievich - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Postgraduate, School of Natural Sciences, FEFU; vahnuk86@mail.ru

Кириченко Константин Юрьевич - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; кандидат биологических наук; научный сотрудник НОЦ нанотехнологии Инженерной школы ДВФУ; kirichenko2012@gmail.com

Kirichenko Konstantin Yurievich - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Candidate of Biological Sciences, Researcher of the SEC of Nanotechnology, Engineering School, FEFU; kirichenko2012@gmail.com

Дрозд Владимир Александрович - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; инженер по радиационной безопасности Школы естественных наук ДВФУ; v_drozd@mail.ru

Drozd Vladimir Alexandrovich - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Engineer of Radiation Safety, School of Natural Sciences, FEFU; v_drozd@mail.ru

Вахнюк Анна Александровна - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; аспирант Школы естественных наук ДВФУ; vakhniuk.aa@dvfu.ru

Vakhniuk Anna Alexandrovna - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Postgraduate, School of Natural Sciences, FEFU; vakhniuk.aa@dvfu.ru

Кириченко Анна Владимировна - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; инженер-исследователь ЦТОМС Инженерной школы ДВФУ; kirichenko.avl@dvfu.ru

Kirichenko Anna Vladimirovna - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Research Engineer of Mineral Resources and Resources Enrichment Center, Engineering School, FEFU; kirichenko.avl@dvfu.ru

Холодов Алексей Сергеевич - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; кандидат географических наук, ведущий специалист НОУ Инженерной школы ДВФУ; kholodov.as@dvfu.ru

Kholodov Alexey Sergeevich - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Candidate of Geographical Sciences, Leading Specialist of Scientific Educational Management, Engineering School, FEFU; kholodov.as@dvfu.ru

Голохваст Кирилл Сергеевич - Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ); 690000, Россия, Владивосток; доктор биологических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности в техносфере Инженерной школы ДВФУ; droopy@mail.ru

Golokhvast Kirill Sergeevich - Far Eastern Federal University; Russia, 690000, Vladivostok; Doctor of Biological Sciences, Professor of Life Safety in the Technosphere Chair, Engineering School, FEFU; droopy@mail.ru