Разработка концепции экологического и медико-социального мониторинга промышленного региона

В качестве объекта исследования было выбрано крупнейшее предприятие Центрального региона РФ, ОАО «Северсталь», на долю которого, по предварительным итогам 2010 г., приходится порядка 40 % выплавляемой стали в регионе. Следует отметить, что в г. Череповце сосредоточено более 30 промышленных предприятий, в том числе, предприятия химической и деревообрабатывающей промышленности, судостроения, легкой и пищевой и др. отраслей.

Рисунок 1 – Структура выплавки стали в России (а) и в Центральном регионе РФ (б)

Несмотря на постоянное совершенствование технологий сокращения негативного влияния производственных агрегатов на окружающую природную среду, столь значительное количество производство стали не может не оказывать своего влияния на человека и его среду обитания.

В настоящей публикации авторами преследовалась цель разработки концепции комплексной системы Эколого - Медико - Социального мониторинга с применением элементов современных компьютерных и технических средств.

Актуальность разработки данной системы мониторинга подтверждается неблагоприятной экологической и медико-социальной обстановкой в крупнейших металлургических городах России - Липецк, Магнитогорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Челябинск, Череповец и других (рисунок 1). Например, согласно информации из открытых источников, в 1993 г. выбросы вредных веществ в атмосферный воздух Череповецким металлургическим комбинатом составили 414,6 тыс. т. (12,8 % общего выброса по отрасли), Магнитогорским - 388 тыс. т., Новолипецким - 365 тыс. т. [3]).

Рисунок 2 - Города России с наибольшими выбросами загрязняющих веществ [3]

В качестве примера для иллюстрации работы мониторинга произведем оценку промышленных выбросов ОАО «Северсталь», как одного из крупнейших предприятий региона.

Выбросы коксохимического производства. Основными источниками технологических выбросов в коксохимическом производстве являются [4-5]:

• аспирационные системы цеха углеподготовки;
• отопительная система коксовых печей;
• системы загрузки и выдачи кокса;
• системы тушения кокса, коксовые рампы;
• сортировки кокса.

В цехе углеподготовки пыль выделяется:

• при приемке угля на склад (перегрузки, пересыпке, транспортировки)
• во время процесса подготовки шихты для коксования;
• во время пребывания в дробильных и помольных установках.

Выбросы агломерационного производства. Выбросы пыли с агломерационными газами зависят от количества мелких фракций в шихте, ее влажности и степени подготовки и могут колебаться в пределах 5 - 20 кг/т агломерата. Запыленность газов обычно составляет 2 – 6 г/м3. Химический состав агломерационной пыли зависит от состава руды. Обычно пыль содержит 40 – 50 % железа и его оксидов, 9 – 15 % оксида кремния, 7 - 12 % оксида кальция, 5 – 6 % углерода, 2 – 8 % глинозема, 0,5 - 1,5 % оксида магния, а также некоторые другие компоненты. Плотность пыли составляет 3,8 - 4,0 г/см3.

Выбросы доменного производства в основном загрязняют воздушный бассейн пылью:

• при открытой разгрузке вагонов на бункерной эстакаде;
• выбросами от систем аспирации подбункерных помещений;
• из межконусных пространств доменных печей;
• от литейных дворов;
• при разгрузке пылеуловителей.

Выбросы сталеплавильного производства. Выход газов из электросталеплавильной печи и состав газовой фазы зависят от следующих факторов [4-5]:

• состава шихты;
• скорости интенсификации плавки;
• технологического режима плавки;
• температурного режимов плавки;
• режима кислородной продувки и т.п.

В процессе плавки состав отходящих печных газов находится в зависимости от скорости выгорания углерода. Примерный состав отходящих газов электросталеплавильного производства приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав газов электросталеплавильного производства, % (объем. доли).

Большое влияние на образование печного газа оказывает также подсос воздуха в печное пространство, который в свою очередь зависит от технологии ведения плавки, технических решений примененных при её строительстве, и которые тем самым влияют на величину внутри печного давления, качества уплотнения имеющихся зазоров и т.п.

Выходящие из печи газы в значительной степени засорены пылью. Мелкодисперсная пыль образуется в результате испарения металла в зоне действия электрических дуг и кислородной продувки и последующей конденсацией в печном пространстве. Особенно этот процесс развит при использовании неподготовленной легковесного металлолома. Средняя концентрация пыли в газе достигает 15 - 30 г/м3, что составляет порядка 6 - 9 кг/т стали. Основным компонентом пыли являются оксиды железа, суммарное количество составляет: в период расплавления 80 %, в период кипения 62 % и в период доводки 53 %. В период расплавления в пыли появляются оксиды марганца (11 %), в период доводки - оксиды кальция (6 %) и магния (9 %).

В небольших количествах в печных газах находятся следующие токсические микрокомпоненты:

• оксида азота, мг/м3 (г/т)......................................550 (2701);
• оксида серы, мг/м3 (г/т):......................................5 (l,6);
• цианиды, мг/м3 (г/т):...........................................60 (28,4);
• фториды, мг/м3 (г/т)...........................................1,2 (0,56);

Количество отходящих газов, образующихся при производстве стали в кислородных конверторах, имеет циклический характер и определяется скоростью выгорания углерода и условиями продувки металла. Химический состав конвертерных газов колеблется обычно в следующих пределах, % (объемн. доли):

• СО2...............................................................85 – 90;
• СО.................................................................8 - 14;
• О..................................................................1,5 - 3,5;
• N2................................................................0,5 - 2,5.

С газами из конвертера выносится, мелкодисперсная пыль, количество которой резко увеличивается с ростом интенсивности продувки.

Химический состав пыли, % (масс. доли):

• железа и его оксидов........................................60 - 70;
• извести.........................................................5 - 17;
• кремния и других компонентов...........................0,7 - 3.

Выбросы прокатного производства. В прокатных цехах, по сравнению с другими цехами металлургических предприятий, выделения пыли и газов значительно меньше. При горячей прокатке металла пыль образуется измельчения окалины валками и испарения металла вследствие мгновенного увеличения давления и повышения температуры. Количество выделяющейся пыли на 1 т. проката составляет при прокатке слябов и блюмов до 80 г, а при прокатке листа до 100 г. Пыль содержит в основном оксиды железа, количество которых достигает 75 - 90 %. В пыли присутствуют и мелкие фракции, которые приведены в таблице 2 [4-5].

Таблица 2 - Дисперсионный состав пыли прокатного производства

Структурная схема Эколого – Медико - Социального мониторинга приведена на рисунке 2, в которой можно выделить два основных направления – экологический мониторинг и медико-социальный мониторинг, последний в свою очередь подразделяется на медицинский и социальный мониторинги.

Рисунок 3 - Схема комплексного Эколого - Медико - Социального мониторинга

Рассмотрим принцип действия данной схемы. Действие участка схемы экологического мониторинга. Данные о состоянии окружающей природной среды на основе физических, химических и биологических наблюдений поступают:

1. Банк данных для составления оценки фактического состояния окружающей природной среды;
2. На обработку в модуль пространственного анализа, который на основе математических алгоритмов дает прогнозную оценку состояния окружающей природной среды на краткосрочную или долгосрочную перспективу;
3. При отсутствии модуля пространственного анализа, после составления фактической ситуации, человек может дать экспертную прогнозную оценку состояния окружающей природной среды исходя из личного опыта и известных закономерностей;
4. Результатом действий схемы экологического мониторинга является занесение информации в геоинформационную систему для дальнейшей обработки.

Действие схемы участка медико – социального мониторинга. Данные для медицинского мониторинга поступают в результате клинического и лабораторного обследования по месту проживания или работы пациентов, на основании которых формируется медицинская карта больного. На основании данной карты выявляются и оцениваются синдромы ухудшения здоровья пациентов [6-7].

Данные для социального мониторинга формируются на основе медико – социального обследования, результатом которого является медицинская анкета больного. На основании данной анкеты выявляются факторы ухудшения здоровья. В дополнение к существующей схеме медико – социального мониторинга, нами вносится предложения проводить «адресное» анкетирование населения в интересующем нас районе с целью дополнения и уточнения информации при помощи специально составленных вопросников. Система разработки и содержания вопросников в рамках данной работы не рассматривается.

Данные от медицинского и социального мониторинга служат для оценки статуса заболевания и медико - социальной характеристики обследуемого пациента. После чего пациенту в рамках медицинского мониторинга присваивается группа здоровья, а в рамках социального мониторинга описываются группы факторов влияющих на формирование данной патологии.

Данные полученные в результате всех схем мониторинга поступают для обработки в геоинформационную систему, которая обозначена на схеме ярко красным цветом.

Результатом обработки данных ГИС является, например, корреляционный анализ влияния промышленных выбросов на здоровье населения, или на его социальный статус. Качественная и количественная характеристика полученных данных зависит от конкретных поставленных целей и данных используемых для его проведения.

Управленческий блок, обозначенный розовым цветом, предназначен для выработки управляющих решений для проведения мероприятий по улучшению состояния экологической и медико – социальной обстановки в Череповецком промышленном регионе. После внедрения мероприятий направленных на улучшение обстановке в регионе следует новый цикл наблюдений для сбора данных в рамках Эколого - Медико - Социального мониторинга. Эта обратная связь обозначена на схема стрелками красного цвета.

Моделирование промышленных выбросов. Для проведения экологического мониторинга использовался блок пространственного анализа поведения промышленных выбросов «Vibros», разработанный в Центре компьютерной диагностики технологических процессов (кафедра ЭиРЧМ, НИТУ «МИСиС») под руководством проф. д.т.н. Доброскока В. А., для условий Череповецкого промышленного региона. Программный модуль реализован на основе математической нестационарной модели массопереноса и диффузии промышленных выбросов (разовые, периодические и др.) от источника в атмосфере (пыль, аэрозоли, газы) и на прилегающей поверхности земли (пыль, аэрозоли), позволяющая оценить экологическое состояние окружающей среды промышленного региона.

Для демонстрации работы программы «Vibros» было произведено тестовое моделирование трех видов выброса - импульсного, периодического, постоянного, суммарной мощностью 15 тыс. т. Результатом работы программы является визуализация на фоне топографической карты региона динамики пространственного распространения выброса (динамически изменяющаяся по времени изолинейная карта загрязнения окружающей среды).

При моделировании были использованы следующие исходные данные:

• Расчеты проводились при значениях входных параметров:Х= 80 [км], У= 70 [км],шаг по времени = 0,6 [ч], скорость ветра по оси Х = 0,45 [м/с],скорость ветра по оси Y = 0,45 [м/с].
• В программе используется цветовое кодирование распространения концентраций вредных выбросов. Белым цветом обозначена область с концентрацией вредных веществ 10 -1000 [г/м2], красного цвета - 0,1 -10 [г/м2], голубого цвета -0,001 - 0,1 [г/м2], светло-коричневого цвета - 0,00001-0,001 [г/м2]. На рисунках 3-5 приведены результаты моделирования программы, на которых визуализируются остаточные концентрации вредных веществ на почве.

На данном этапе разработки программного обеспечения, можно только оценить периодичность выбросов в воздушную среду от различных металлургических агрегатов, которая зависит от цикличности их работы. Для определения мощности выброса требуются дополнительные исследования, т. к. они связаны как с изменением конструктивных особенностей металлургических агрегатов, особенностями ведения технологического процесса, а также количеством и качеством используемой металлошихты и осуществленными затратами на её подготовку. В перспективе необходимо оценить структуру и качество поставляемого на предприятие лома черных металлов (или иных материалов, для которых будет необходимо провести мониторинг), особенности его сортировки, переработка, хранение и транспортировки к металлургическому агрегату.

Рисунок 4 - Визуализация остаточной концентрации вредных веществ на почве в результате импульсного выброса вредных веществ.

Рисунок 5 - Визуализация остаточной концентрации вредных веществ на почве в результате периодического выброса вредных веществ

Рисунок 6 - Визуализация остаточной концентрации вредных веществ на почве в результате постоянного выброса вредных веществ

С точки зрения эколого – медико - социального мониторинга нас интересуют последствия выбросов после оседания вредных веществ на почве и их попадания в организм человека.

На рисунке 6 концентрическими областями обозначены территории оседания вредных выбросов. От окружности № 1 до окружности № 2 концентрация вредных веществ составляет 0,00001-0,001 [г/м2], от № 2 до № 3 - 0,001 - 0,1 [г/м2], от № 3 до № 4 - 0,1 -10 [г/м2], внутри окружности № 4 концентрация вредных веществ составляет 10 -1000 [г/м2].

Из представленных результатов моделирования видно, что в зону загрязнения попадает большое количество населенных пунктов, социальных объектов и т. п. (например, база отдыха «Торово», турбазы, садовые участки).

Авторами не ставилась цель разработки математической модели развития болезней человека от количества вредных примесей. В настоящий момент мы можем лишь качественно оценить влияние тех или иных вредных примесей на обострение различных заболеваний, что в свою очередь, приведет к увеличению обращений населения в лечебные учреждения. Результаты данных ожидаемого медико – социального мониторинга будем обозначить ярко - зелёным цветом в виде концентрических областей. Размер данных областей должен быть пропорционален количеству осевших на почву вредных примесей, степени освоения этой местности человеком (постоянное проживание, регулярное местонахождение, периодическое посещение) и степени использования природных ресурсов из этой местности (прогулки, употребление пищевых продуктов, выращенных на данной местности). На основании этих предпосылок были нанесены несколько областей на карту местности (см. рис.6 «в») [1-3].

Выводы:

• На основе данных из открытых источников разработана концепция Эколого – Медико – Социального мониторинга промышленного региона, на примере одного из крупнейших металлургических предприятий центрального региона России.
• С использованием элементов геоинформационных технологий произведено моделирование распространения промышленных выбросов на территории промышленного региона и оценка возможного их влияния на ухудшение здоровья человека.

Рисунок 7 - Ситуационное моделирование влияния промышленных выбросов на здоровье человека