Медико-экологическое обоснование мониторинга здоровья населения на территориях размещения твердотопливных теплоэлектроцентралей

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) являются энергетическими предприятиями, вырабатывающими электрическую и тепловую энергию на базе использования твердого, жидкого и газообразного органического топлива.

Рассмотрим принцип работы ТЭЦ, где в качестве основного топливного материала используется каменный уголь (рис. 2).

Топливо в специальных железнодорожных вагонах - думпкарах (1) через разгрузочные устройства (2) с помощью ленточных транспортёров подаётся на дробильную установку (3), затем через питатели поступает в пылеугольные мельницы (4). Полученная угольная пыль пневмотранспортом через сепаратор и циклон (5) направляется в бункер угольной пыли (6). Из бункера угольная пыль специальными питателями подается к горелкам топочных камер котла (7). Газы, образующиеся при горении в топочной камере, после выхода из неё проходят последовательно газоходы котельной установки, где в пароперегревателе и водяном экономайзере отдают теплоту рабочему телу, а в воздухоподогревателе – подаваемому в паровой котёл воздуху. Затем газы направляются на пылегазоочистные установки (8, 9) и через трубу дымососами выбрасываются в атмосферу.

Образовавшийся в паровом котле насыщенный пар поступает по паропроводу в паровую турбину (10) вращающую ротор электрического генератора (11). Выработанная электрическая энергия через повышающие трансформаторы поступает к внешним потребителям. Пар от турбины поступает к сетевым подогревателям воды (12), которая затем отводится по трубопроводам потребителям.

Рис. 2: Технологическая схема пылеугольной ТЭЦ: 1. железнодорожные вагоны; 2. разгрузочные устройства; 3. дробильная установка; 4. пылеугольные мельницы; 5. циклон; 6. бункер угольной пыли; 7. топочная камера котла; 8. циклон; 9. пылегазоочистные установки; 10. турбина; 11. генератор; 12. сетевые подогреватели.

3.2. Гигиеническая оценка состояния атмосферного воздуха в районах размещения городских теплоэлектроцентралей.

Исследование проведено в городе Кирове, на территории которого размещены два крупных предприятия теплоэнергетики, специализирующиеся на снабжении электрической и тепловой энергией городских и районных потребителей – ТЭЦ-4, ТЭЦ-5.

Общая мощность городских ТЭЦ: электрическая 1000 МВт/час, тепловая 2500 Гкал/час. Состав парка технологического оборудования: паровые котлы энергетические (БКЗ-210-140Ф, ТПЕ-430), водогрейные котлы (ПТВМ - 180), турбины (ПТ-60, ПТ-80). Все котлоагрегаты оборудованы золоуловителями типа МС-ВТИ.

В качестве основного топ­ливного материала на городских ТЭЦ используется каменный уголь Челябинского, Богословского и Кузнецкого месторождений. Содержание золы в перечисленных сортах углей составляет от 12,0 до 19,5 %, серы от 0,25 до 0,4 %. Резервным топливом являются торф, мазут, природный газ.

Выброс в атмосферу дымовых газов, образующихся при сжигании в котлах минерального топлива, на ТЭЦ-4 осуществляется через три трубы высотой 150 метров, на ТЭЦ-5 через трубу высотой 180 метров.

Для ТЭЦ-4 установлена санитарно-защитная зона радиусом 500 метров от источников выброса, с ограничением зоны нового строительства в радиусе 1200 метров, для ТЭЦ-5 радиусом 1000 метров.

Ежегодно предприятиями ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 в атмосферный воздух выбрасывается до 3,8 тыс. тонн твердых и до 8,7 тыс. тонн газообразных веществ. Состав выбрасываемых в атмосферный воздух вредных веществ: оксид углерода (3,3 %), твердые частицы (30,7 %), диоксид серы (32,2 %), оксиды азота (в пересчете на NO₂) – 33,8 %.

В таблицах 1, 2 приведены результаты санитарно-химических анализов проб атмосферного воздуха, отобранных под факелом на различных расстояниях от предприятий теплоэнергетики.
Таблица 1

Среднегодовые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе районов размещения предприятий

теплоэнергетики (M  m, мг/м³)

Расстояние от ТЭЦ (км)	Район размещения ТЭЦ – 4
	CO	SO2	NO	NO2
0,5	1,54±0,17	0,04±0,00026	0,024±0,004	0,032±0,001
1,0	1,48±0,13	0,037±0,0036	0,019±0,001	0,030±0,0067
3,0	0,60±0,05	0,025±0,0017	0,015±0,001	0,028±0,0018
5,0	0,54±0,03	0,020±0,0014	0,012±0,001	0,020±0,0015

Таблица 2

Среднегодовые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе районов размещения предприятий

теплоэнергетики (M  m, мг/м³)

Как видно из данных таблиц, среднегодовые концентрации оксида углерода (ПДК_с.с. = 3,0 мг/м³), диоксида серы (ПДК_с.с. = 0,05 мг/м³), оксида азота (ПДК_с.с. = 0,06 мг/м³) и диоксида азота (ПДК_с.с. = 0,04 мг/м³) не превышали установленных величин среднесуточных предельно-допустимых концентраций на расстоянии 0,5 - 5,0 км от предприятий теплоэнергетики.

Вместе с тем, при суммарной количественной оценке опасности загрязнения при одновременном присутствии оксида углерода, диоксида серы, оксида азота и диоксида азота, индекс опасности (HI) превышал 1,0 даже в 5-ти километровой зоне (табл. 3).

Таблица 3

Величины индекса опасности (HI) в районах размещения городских ТЭЦ

Расстояние от ТЭЦ (км)	Район размещения ТЭЦ - 4	Район размещения ТЭЦ - 5
0,5 1,0 3,0 5,0	2,51 2,34 1,65 1,28	3,47 2,16 1,63 1,34

При сжигании каменного угля при температуре выше 1200^OC образуется летучая зола, величина выброса которой в атмосферный воздух зависит от количества сжигаемого топлива, его зольности, технологии сжигания и эффективности золоулавливания.

Выбрасываемая в атмосферный воздух летучая зола содержит SiO₂ 46,7-57,0 %, Al₂O₃ 39,0 - 40,5 %, Fe₂0₃ 9,82 - 12,1 %, CaO 3,9-4,4 %, MgO 1,4-2,3 %, K₂O 1,3 - 1,7 %. Кроме перечисленных соединений химический состав летучей золы характеризуется присутствием целого ряда химических элементов (мышьяк, фтор, тяжелые металлы, гафний, литий, стронций и др.), однако в количестве весьма незначительном, составляющем от сотых до тысячных и более процентов (табл. 4).

Таблица 4

Химический состав пылевыбросов предприятий теплоэнергетики

Аэрозоли летучей золы имеют следующий фазово-минералогический состав: Al₂SiO₄ - 63,5 %, Fe₂SiO₄ - 21,5%, Ca₃SiO₄ - 7,3 %, нераспознанные фазы - 5,7 %. Таким образом, аэрозоли летучей золы предприятий теплоэнергетики представляют собой сложные силикатные системы, в которых основное значение имеют силикаты алюминия, железа и кальция.

В таблице 5 представлены результаты анализа проб атмосферного воздуха на содержание взвешенных веществ, отобранных на различных расстояниях от предприятий теплоэнергетики.

Таблица 5

Среднегодовые концентрации взвешенных частиц в атмосферном воздухе районов размещения предприятий теплоэнергетики (TSP, M  m, мг/м³)

Как видно из данной таблицы среднегодовые концентрации взвешенных веществ превышали установленную величину предельно-допустимой концентрации (ПДК_с.с. = 0,15 мг/м³) на расстоянии 0,5 - 5,0 км от ТЭЦ - 4 соответственно в 2,6 и 1,6 раза, от ТЭЦ – 5 соответственно в 2,2 и 1,3 раза; величину референтной концентрации (RfC = 0,075 мг/м³) на расстоянии 0,5 - 5,0 км от ТЭЦ - 4 соответственно в 5,3 и 3,3 раза, от ТЭЦ – 5 соответственно в 4,4 и 2,6 раза. На исследуемой территории наблюдается сезонная динамика изменения величин концентраций взвешенных веществ в атмосферном воздухе (рис. 3). Так, пиковые значения среднемесячных концентраций взвешенных веществ определялись в холодный период года, когда городские ПТЭ работают с максимальной производственной нагрузкой.

Рис. 3: Среднемесячные концентрации взвешенных веществ в атмосферном воздухе на расстоянии 1 км от ТЭЦ.

Наблюдаемая сезонность изменения концентраций дополнительно свидетельствует о том, что размещенные на территории г. Кирова предприятия теплоэнергетики являются основными источниками поступления взвешенных частиц в атмосферный воздух данного населенного пункта.

Наряду с химическим составом пыли и ее концентрацией в атмосферном воздухе, важное эколого-гигиеническое значение имеет распределение частиц по размерам. Дисперсность пылевых частиц оказывает влияние на характер биологического действия пыли, в частности, определяет в той или иной степени преимущественный уровень первичного отложения пыли в дыхательных путях, способность пыли к элиминации. Дисперсностью пылевых частиц во многом определяется интенсивность генерации фагоцитами активных форм кислорода [27].

Характеристика дисперсного состава пылевых частиц, витающих в приземном слое атмосферы на различных расстояниях от ТЭЦ, представлена на рисунке 4.

Как видно из представленных на рисунке 16 диаграмм, процентное распределение взвешенных частиц по величине аэродинамического размера на различных расстояниях от городских предприятий теплоэнергетики неодинаковое. Так, на расстоянии 1,0 км от ПТЭ дисперсный состав характеризуется преобладанием частиц размером от 1,0 до 2,5 мкм (37,6%). Начиная с 3 -х километровой зоны дисперсный состав сдвигается в сторону преобладания частиц более мелкодисперсных фракций (до 1,0 мкм – 38,2%, от 1,0 мкм до 2,5 мкм – 32,3%). В 5-ти километровой зоне 52,6% взвешенных частиц имеют размеры до 1,0 мкм, 43,1% от 1,0 до 2,5 мкм.

Анализируя данные кониометрического исследования можно сделать вывод, что для частиц выбрасываемой в атмосферный воздух летучей золы ПТЭ характерно значительное преобладание мелкодисперсных фракций.

Рис. 4: Дисперсный состав взвешенных частиц, витающих в атмосферного воздухе районов размещения ТЭЦ.

Такое преобладание связано с преимущественным конденсационным механизмом образования выбрасываемых из горловин высотных труб аэрозолей и применением пылеочистных установок улавливающих пыль более грубых фракций.

Морфологический состав, витающих в приземном слое атмосферного воздуха пылевых частиц, представлен в виде агломератов небольших полупрозрачных сфер или в виде пористых частиц, вероятно не полностью сгоревшего углеродистого вещества (рис. 5).

1 мкм

Рис. 5: Микрофотография пылевых частиц.

Таблица 6

Содержание химических элементов в почве на территории г. Кирова

(г/т, M±m)

** - разница статистически достоверная с южным сектором (p< 0,05)

Таблица 7

Суммарный показатель загрязнения почвы на территории

городских районов (Z_c)

* - различия с южным сектором статистически значимы (p< 0,05).

Протяженность полей повышенных концентраций Mn, Pb, Cu, Zn, Sn, Ni, V, Cr, S, F составляет примерно, в соответствии с розой ветров, до 1,5 – 2,0 км от предприятий теплоэнергетики.
По данным анализа уровней загрязненности атмосферного воздуха вредными химическими веществами по рецепторным точкам и расчета коэффициента комплексного загрязнения атмосферного воздуха (K^’) на городской территории были выделены 5 районов, которые отличались по степени загрязненности атмосферного воздуха (рис. 6, табл. 8, таб. 9).

Наиболее интенсивные уровни загрязнения атмосферного воздуха установлены в северо-западном (K^’ = 96,45) и юго-западном (K^’ = 92,6) секторах городской территории, где размещаются энергетические объекты – ТЭЦ -4, ТЭЦ -5 (Районы №№ 1, 2). Относительно высокий уровень загрязненности атмосферного воздуха определен в центральном (K^’ = 86,85) и юго-восточном (K^’ = 70,58) секторах городской территории, входящих в зоны влияния атмосферных выбросов ПТЭ (Районы №№ 3, 4). Наименьший показатель загрязнения атмосферного воздуха (K^’ = 48,19) установлен в южном секторе, который был выбран в качестве контрольной территории (Район № 5; различие с показателями районов №№ 1, 2, 3, 4 статистически значимое – p<0,05).

В таблице 10 приведены данные расчета коэффициентов концентраций взвешенных веществ по суммарной запыленности (TSP) Кс_В.В. и фракционным концентрациям Кс _{РМ 10} и Кс _{РМ 2,5}

Как видно из данной таблицы наиболее интенсивные уровни загрязнения атмосферного воздуха взвешенными веществами установлены в северо-западном (Кс_В.В. = 3,55±0,26) и юго-западном (Кс_В.В. = 3,20±0,23) секторах городской территории, где размещаются энергетические объекты (Районы №№ 1, 2). Относительно высокий уровень загрязненности атмосферного воздуха взвешенными веществами определен в центральном (Кс_В.В. = 2,94±0,21) и юго-восточном (Кс_В.В. = 2,88±0,20) секторах городской территории, входящих в зоны влияния атмосферных выбросов предприятий теплоэнергетики (Районы №№ 3, 4).

Рис. 6. Карта- схема гигиенического районирования территории г. Кирова.

1. 
   Район размещения ТЭЦ - 4.
   
2. 
   Район размещения ТЭЦ - 5.
   
3. 
   Зона влияния атмосферных выбросов ТЭЦ - 4.
   
4. 
   Зона влияния атмосферных выбросов ТЭЦ - 5.
   
5. 
   Контрольный район.
   

Таблица 8

Таблица 10

Расчетные коэффициенты концентраций взвешенных веществ в атмосферном воздухе исследуемых городских районов

Показатели	Районы исследования
	Р-н размещения ТЭЦ - 4 (№ 1)	Р-н размещения ТЭЦ – 5 (№ 2)	Зона влияния атмосферных выбросов ТЭЦ – 4 (№ 3)	Зона влияния атмосферных выбросов ТЭЦ – 5 (№ 4)	Контрольный район (№ 5)
Взвешенные в-ва КсВ.В. РМ10 Кс РМ 10 РМ2,5 Кс РМ 2,5	0,266 3,55 0,146 2,92 0,069 4,60	0,240 3,20 0,132 2,64 0,062 4,13	0,220 2,94 0,121 2,42 0,0571 3,81	0,216 2,88 0,119 2,38 0,056 3,74	0,156 2,08 0,085 1,716 0,04 2,60

Наименьший показатель загрязнения атмосферного воздуха взвешенными веществами (Кс _В.В. = 2,08±0,20) установлен в южном секторе городской территории (район № 5); различие с показателями районов №№ 1, 2, 3, 4 статистически значимое – p<0,05).

При характеристике многокомпонентного аэротехногенного загрязнения исследуемой городской территории методом выделения главных компонент определены 3 фактора, объясняющие 81% полной дисперсии переменных - 55 %, 17 % и 9 % соответственно (табл. 11).

Из представленных в таблице 11 величин факторной нагрузки переменных на выделенные компоненты (выраженных в виде коэффициентов корреляции Пирсона) видно, что с фактором № 1 наибольшую корреляцию имеют концентрации в атмосферном воздухе взвешенных веществ, оксидов серы и азота. Следует отметить, что концентрации перечисленных веществ коррелируют только с данным фактором. Несколько меньшее значение коэффициента корреляции наблюдается у этилбензола и формальдегида, однако, и здесь связь сильная и прямая. В меньшей степени нагрузка на фактор № 1 выражена у атмосферных концентраций ксилола, оксида углерода и бензпирена (прямая средней силы связь).

Наибольшую нагрузку на фактор № 2 оказывают концентрации в атмосферном воздухе ароматических углеводородов – бензола и толуола, оксида углерода (сильная прямая корреляционная зависимость). Атмосферная концентрация бензола коррелирует только с данным фактором и имеет здесь максимальное значение. В меньшей степени с фактором № 2 коррелируют другие ароматические углеводороды – ксилол и этилбензол, формальдегид (прямая средней силы связь). Фактор № 3 имеет сильную прямую корреляционную связь с атмосферной концентрацией фенола, и связь средней силы – с концентрацией толуола.

Таким образом, выделенные компоненты отличаются по составу веществ, оказывающих нагрузку на каждый фактор.

Таблица 11

Факторные нагрузки на выделенные компоненты

Таблица 12

Связь выявленных факторов с показателями качества атмосферного

воздуха городской территории

* - уровень значимости коэффициента корреляции p<0,05

Исходя из анализа связей между выявленными факторами и показателями, отражающими качество атмосферного воздуха, можно сделать вывод, что фактор № 1 является более универсальным, характерным для комплексного загрязнения атмосферного воздуха, основными источниками которого в городской среде являются предприятия теплоэнергетики и автотранспорт. Состав загрязнителей, ассоциированных с данным фактором, подтверждает это предположение – взвешенные вещества, оксиды азота и серы являются основными компонентами выбросов, образующихся при сгорании твердого и жидкого органического топлива – угля, торфа, мазута.

Фактор № 2 более специфичен для загрязнения атмосферного воздуха за счет автотранспорта – действительно, основным источником бензола и оксида углерода в городской среде принято считать сгорание бензина. Кроме того, по данным ряда авторов, повышенная концентрация бензола нередко регистрируется рядом с автозаправочными станциями, которые, как правило, располагаются в районах прохождения крупных транспортных потоков [158, 162, 194].

Фактор № 3, отражающий выбросы фенола в атмосферный воздух, вносит незначительный вклад в уровень загрязнения атмосферного воздуха, что можно объяснить отсутствием на исследуемой территории крупных источников поступления данного химического вещества в окружающую среду (химическое производство и предприятия, производящие полимеры и др.).

3.3. Гигиеническая характеристика качества водопроводной питьевой воды и акустического режима на исследуемой городской территории.

Учитывая, что для городских условий характерны режимы сочетания многосредовых воздействий на организм человека химических веществ, физических и биологических факторов, нами с целью определение структуры детерминирующих факторов была дана гигиеническая оценка качества водопроводной питьевой воды и акустического режима на территории г. Кирова.

Снабжение питьевой водой населения г. Кирова осуществляется через коммунальный водопровод, обеспечивающий водой около 90 % населения города. Основным источником водоснабжения центральных районов города (Ленинский, Первомайский, Октябрьский) является река Вятка, испытывающая достаточно интенсивную антропотехногенную нагрузку. По данным санитарно-эпидемиологической службы 94 % проб воды из реки не соответствует санитарным требованиям СанПиН 2.1.5.980 - 00 по санитарно-химическим показателям. В воде реки Вятка периодически обнаруживаются превышения ПДК по железу (2,5 раза), марганцу (2,0 раза), фенолу и нефтепродуктам (1,5 раза), поверхностно-активным веществам (1,2 раза), БПК (1,2 раза), ХПК (2,0 раза). Опасность реки Вятки в эпидемиологическом отношении требует постоянного обеззараживания питьевой воды повышенными дозами хлора. По данным территориального Центра гигиены и эпидемиологии в более 50 % исследованных проб воды коммунального водопровода концентрации остаточного хлора превышают нормируемую величину и составляют 1,1 – 1,5 ПДК. Аварийное состояние водопроводных сетей центральных районов города приводит к ухудшению органолептических показателей качества воды и повышению содержания в распределительной сети железа (в среднем 2,5 мг/л).

В южном секторе городской территории (Нововятский район) водоснабжение осуществляется из скважин. По данным территориального Центра гигиены и эпидемиологии качество питьевой воды, подаваемой в распределительные сети из скважин, в 95 % отобранных проб соответствует санитарно - гигиеническим нормативам.

Как видно из приведенных в таблице 13 данных, наиболее высокие величины показателя суммарного химического загрязнения питьевой воды (К_вода) отмечались в разводящей сети коммунального водопровода центральных городских районов.

Таблица 13

Суммарное химическое загрязнение воды в разводящей сети коммунального

водопровода на административных территориях г. Кирова (M±m)

* - различия c показателями IV района статистически значимы (p < 0,05).

Как видно из приведенных в таблице 14 данных, в период с 7 до 23 часов, средние значения эквивалентного уровня шума в городских жилых застройках не превышали нормативный уровень (L_Aэкв) для территорий жилой застройки (55 дБ А) [Табл.3 СН 2.2.4/2.1.8.562-96].

Во временной период с 23 до 7 часов эквивалентные уровни шума превышали нормативный уровень (45 дБ А) от 1,6 до 6,5 дБ в жилых районах расположенных вблизи автомагистралей для транзитного транспорта, автомагистралей общегородского значения, полотна железной дороги.

Таблица 14

Результаты исследования шумовой нагрузки на территории г. Кирова

Районы наблюдения	Эквивалентный уровень шума, дБ А (М±m)
	Время суток
	с 7 до 23 ч	с 23 до 7 ч
Жилые застройки вблизи автомагистралей для транзитного транспорта	53,8 ± 1,57	51,5 ± 1,40
	54,2 ± 1,28	50,7 ± 1,32
	52,6 ± 1,50	50,2 ± 1,25
Жилые застройки вблизи автомагистралей общегородского значения	52,7 ± 1,65	46,8 ± 1,48
	51,5 ± 1,30	47,3 ± 1,35
	52,8 ± 1,42	46,6 ± 1,53
Жилые застройки вблизи полотна железной дороги	50,7 ± 1,42	47,0 ± 1,60
	51,3 ± 1,27	49,2 ± 1,34
Жилые застройки вблизи энергетических и промышленных объектов	45,3 ± 1,52	35,8 ± 1,28
	47,4 ± 1,40	38,2 ± 1,12
	47,6 ± 1,22	37,4 ± 1,32
Жилые застройки в районах отсутствия внешних источников шума	37,8 ± 1,15	35,3 ± 1,17