Сравнительная гигиеническая оценка состава золы и пылевых фракций атмосферного воздуха в зоне влияния теплоэлектростанции для повышения точности оценки риска здоровью населения

Введение. Основными стратегическими направлениями государственной политики РФ в сфере энергетики являются обеспечение надежной и доступной электроэнергией всех граждан страны, развитие и использование экологически чистых и эффективных источников энергии и обеспечение социально-экономического развития государства. Однако в свете увеличения потребления энергии загрязнение среды обитания становится серьезной гигиенической и экологической проблемой: энергетические источники наносят значительный ущерб окружающей среде, а также представляют угрозу для здоровья человека и всех живых организмов [1][2].

Теплоэнергетика как одна из основных составляющих энергетической отрасли включает в себя производство и транспортировку тепловой энергии. Научные исследования в данной области демонстрируют, что деятельность теплоэнергетических предприятий может оказывать отрицательное влияние на здоровье населения и окружающую среду по сравнению с другими отраслями промышленности и в значительной степени зависит от вида используемого топлива [1, 3–5]. Основными источниками энергии являются ископаемое топливо (уголь, горючие сланцы, нефть и природный газ), а также ядерный и термоядерный синтез, альтернативные источники энергии (солнечная, ветровая и гидроэнергия). Разнообразие и доступность различных видов топлива позволяет России полностью покрывать свои энергетические потребности и экспортировать топливные ресурсы в другие страны. В настоящее время примерно 40 % производимой электроэнергии в России генерируется на тепловых электростанциях. Доля угля в электробалансе страны составляет более 13 % [2][6].

По данным официальной статистики^{1 2}, объекты топливно-энергетического комплекса являются источниками выбросов различных химических примесей. Основными из них являются сажа, углерода оксид, взвешенные твердые частицы (PM₁₀ и PM_2.5), диоксид серы, оксиды азота, неорганическая пыль, бенз(а)пирен, метан, фториды, сероводород, предельные и непредельные углеводороды. Кроме того, выбросы от объектов теплоэнергетики могут содержать различные соединения металлов: алюминия, ванадия, кальция, железа, магния, никеля, марганца и другие [7–9].

В суммарном объеме выбросов от объектов теплоэнергетики в зависимости от технологии сжигания топлива твердые частицы (взвешенные вещества, пыль, сажа) могут составлять от 15 до 70 %. Взвешенные частицы, которые обычно используют для характеристики пылевой смеси и которые доказанно способны оказывать негативное влияние на здоровье населения, могут содержать от 10 до 90 % фракций микроразмерного диапазона (PM10, PM2,5). Взвешенные частицы PM2,5 представляют собой наиболее опасную категорию пылевых частиц – они имеют способность проникать в дыхательную систему, мигрировать в более глубокие отделы легких и попадать в кровоток, вызывая различные системные нарушения [10–12].

По данным релевантной научной литературы, повышенные концентрации мелкодисперсных пылей в атмосферном воздухе оказывают влияние на повышение заболеваемости, смертности, сокращение продолжительности жизни. Так, в промышленных районах с высокой степенью атмосферного загрязнения заболеваемость населения на 15 % превышает аналогичный показатель зон, где качество атмосферного воздуха соответствует нормативным требованиям [4–7][13]. В крупных промышленных центрах инцидентность респираторных и дерматологических заболеваний, а также аллергических состояний у детей встречается в 2 раза чаще и в 2,5 раза длится дольше по сравнению с районами, где качество атмосферного воздуха соответствует санитарно-гигиеническим критериям [13][14].

Цель исследования – сопоставительная гигиеническая оценка компонентного, дисперсного и морфологического состава золы и пылевых частиц атмосферного воздуха в зоне влияния объекта теплоэнергетики, работающей на твердом топливе (уголь), для задач повышения точности оценки риска здоровью населения.

Материалы и методы. Исследование выполнено в 2022–2023 гг. На территории исследования основным топливом, используемым на крупной теплоэлектростанции (ТЭС), является твердое топливо – бурый уголь Канско-Ачинского угольного месторождения, неорганическая часть которого состоит из силикатов, сульфидов, сульфатов, карбонатов, оксидов железа, кремния (45–60 %), алюминия (10–30 %), магния, кальция [15–16]. Для исследования отбиралась зола, оставшаяся в результате технологического процесса сжигания угля, летучая часть которой выбрасывается с газообразными примесями в атмосферный воздух.

Для установления дисперсного и морфологического состава частиц золы использовали метод электронной микроскопии (микроскоп марки JSM63090LV). Порошковая проба наносилась на углеродную подложку. Химический состав золы определялся методом микрозондового рентгеноспектрального анализа. Для анализа изображений с получением количественных характеристик дисперсности и морфологии частиц использовалась программа Image J – Fiji (модуль “Analyze Particles”).

В рамках данного исследования проводилась сравнительная оценка компонентного, дисперсного и морфологического состава пылевых частиц, выбрасываемых исследуемой ТЭС в виде золы, с твердыми примесями, содержащимися в атмосферном воздухе в зоне максимальных концентраций, формируемых выбросами данной ТЭС.

Исследование состава атмосферных пылевых частиц выполнялось с использованием электронной микроскопии. Определение концентраций взвешенных веществ в атмосферном воздухе осуществлялось согласно требованиям стандарта РД 52.04.893–2020³ с использованием гравиметрического метода. Содержание частиц микроразмерного диапазона PM_2,5 и PM₁₀ – с использованием прибора DUSTTRAK 8533 согласно требованиям стандарта ГОСТ 17.2.3.01–86⁴.

Для установления уровня формируемой пылевой экспозиции и вклада исследуемой ТЭС в загрязнение атмосферного воздуха территории проведена серия расчетов рассеивания загрязняющих веществ с применением стандартных процедур⁵. Исходной информацией являлась электронная база источников выбросов загрязняющих веществ от исследуемой ТЭС и в целом по городу от стационарных и передвижных источников (2020 г.). Расчеты рассеивания проводились в точках расположения жилых домов на всей исследуемой территории. В каждой расчетной точке определялись максимальные разовые, среднесуточные и среднегодовые концентрации загрязняющих веществ.

Для получения более реальной картины загрязнения атмосферы выполнялась процедура верификации⁶ расчетных концентраций данными натурных замеров атмосферного воздуха (за 2019–2021 гг. по 18 веществам) со стационарных постов наблюдения на территории города. Гигиеническая оценка концентраций атмосферного воздуха проводилась на соответствие требованиям СанПиН 1.2.3685–21⁷.

Зоны с установленной экспозицией пересекались с векторным слоем данных о плотности населения территории.

Проведен сравнительный анализ данных инвентаризации с результатами натурных исследований атмосферного воздуха на ближайшем посту мониторинга и результатами идентификации пылевых частиц золы и проб атмосферного воздуха в исследуемой зоне.

Оценка риска здоровью населения в исследуемой зоне жилой застройки и идентификация опасности расшифрованных пылевых частиц проводилась в соответствии с Р 2.1.10.1920–04⁸, классификация уровней риска осуществлялась в соответствии с МР 2.1.6.0157–19⁹.

Результаты. В соответствии с ведомостью инвентаризации источников выбросов исследуемая ТЭС, работающая на угле, со вспомогательными объектами, которые являются неотъемлемой частью технологического процесса, выбрасывает в атмосферный воздух 36 загрязняющих веществ, в т. ч. 11 твердых: окись железа, соединения марганца, оксид никеля, хром, сажа, плохо растворимые фториды, бенз(а)пирен, взвешенные вещества, абразивная пыль, неорганическая пыль, содержащая до 20 % SiO2, 70–20 % SiO2. Доля твердых фракций в выбросах составляет 30,5 %. Анализ элементного состава золы, образующейся в результате сжигания угля на ТЭС и выбрасываемой в атмосферу, показал присутствие десяти компонентов: железо, кремний, кальций, натрий, алюминий, магний, калий, сера, фосфор и кислород. Фотоизображения твердых частиц золы, полученные в результате микроскопического исследования, представлены на рис. 1.

Путем проведения рентгеноспектрального анализа установлено, что преобладающую долю частиц, содержащихся в золе, составляют: кальций, магний, железо, кремний, алюминий, натрий, калий, сера и фосфор (суммарно более 59 %) (см. рис. 2). Необходимо подчеркнуть, что кальций, магний, алюминий, натрий, калий и фосфор не учтены в инвентаризации выбросов загрязняющих веществ соответствующей ТЭС.

Анализ гранулометрического состава твердых частиц золы выявил, что более 60 % частиц имеют размер до 10 мкм (см. рис. 3а) и содержат железо, магний, кальций и кремний и пр. Суммарно наибольшую долю (до 52,2 %) содержания твердых частиц в золе составили частицы размером до 5,5 мкм (см. рис. 3b).

Анализ морфологического состава твердых частиц золы размером до 10 мкм показал, что 57 % частиц обладают сферичностью 0,4–0,7. Частицы преимущественно округлой формы (коэффициент сферичности 0,7–1,0), способные проникать в более глубокие отделы дыхательной системы, составляют около 32 % (см. табл. 1).

Сравнительный анализ морфологического состава золы и проб атмосферного воздуха в зоне наибольшего (по долевому вкладу – до 40 %) влияния выбросов исследуемой ТЭС показал, что частицы аналогичного размера (до 10 мкм) в атмосферном воздухе составляют более 41 %. Порядка 50 % частиц в атмосферном воздухе имеют также более округлую форму (сферичность 0,7–1,0) (см. табл. 1).

Компонентный состав твердых частиц атмосферного воздуха и золы также сопоставим. Основная доля твердых частиц атмосферного воздуха состоит из алюминия, кремния, калия, железа, натрия, кальция, серы и фосфора – суммарно более 90 % (см. рис. 4). Дисперсный состав взвешенных частиц в атмосферном воздухе в зоне максимальных концентраций, формируемых выбросами исследуемой ТЭС, по сравнению с составом золы по доле содержания частиц микроразмерного диапазона отличался незначительно. Частицы в атмосферном воздухе имеют различную величину, при этом в исследуемых образцах преобладают частицы, не превышающие в размере 4,0 мкм и суммарно составляющие 65 %. Среди них частицы размером менее 1,5 мкм составляют 20,9 %. (см. рис. 3, 5).

Гигиенический анализ результатов расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере выявил, что в зоне максимальных концентраций, формируемых выбросами анализируемой ТЭС, регистрируются превышения гигиенических нормативов (ПДКмр) по 4 компонентам твердых фракций: углерод, взвешенные вещества и неорганическая пыль с содержанием SiO2 от 70 до 20 %, и до 20 % (до 1,1–5,1 раза).

На ближайшем посту мониторинга качества атмосферного воздуха, расположенном на расстоянии 3,8 км от зоны исследования, инструментальный мониторинг проводится только для 14 из 36 примесей, выбрасываемых ТЭС, из них твердого агрегатного состояния 6: бенз(а)пирен, углерод, неорганические плохо растворимые фториды, взвешенные вещества, в т. ч. взвешенные частицы PM₁₀, взвешенные частицы PM_2.5.

Расчетные данные, уточненные исследованиями на постах мониторинга, показали, что в исследуемой зоне превышены гигиенические нормативы по пяти веществам твердого агрегатного состояния:

• ПДКмр: взвешенные вещества, пыль неорганическая SiO2 20–70 % (до 1,5–3,3 ПДКмр);
• ПДКсг: взвешенные вещества, марганец и его соединения, хром, фториды неорганические плохо растворимые (до 1,2–1,5 ПДКсг).

При отборе проб в исследуемой зоне зарегистрированы превышения гигиенических нормативов по взвешенные веществам, взвешенным частицам PM_2,5 и PM₁₀ (до 1,2–1,4 ПДКсс).

Оценка риска здоровью населения в исследуемой зоне показала, что установленные уровни экспозиции при остром ингаляционном неканцерогенном воздействии анализируемых твердых частиц формируют повышенные уровни коэффициентов опасности, классифицируемые как «высокие» (до 5,5 HQас для взвешенных веществ).

Хроническое воздействие исследуемых химических примесей твердых фракций создает настораживающие и высокие уровни риска для здоровья, выраженные коэффициентами опасности, по 4 веществам: марганец (до 1,2 HQch), никель оксид (до 2,3 HQch), плохо растворимые неорганические фториды (до 2,4 HQch) и взвешенные вещества (до 1,5 HQch), которые присутствуют в ведомостях инвентаризации анализируемой ТЭС. Повышенные значения индексов опасности (более 3,0 HIch) формируются в отношении возникновения заболеваний дыхательной, нервной, кроветворной и костно-мышечной систем (до 6,9 HIch). В условиях повышенной опасности проживает более 25 тыс. человек.

Суммарный уровень канцерогенного риска (CRT) в исследуемой зоне регистрировался на уровне 5,8 × 10^–5 (допустимый уровень).

Детальная идентификация компонентного состава проб атмосферного воздуха была дополнена процедурой идентификации опасности установленных химических примесей (см. табл. 2). Выявленные в результате электронной микроскопии примеси, такие как натрий, магний, кальций, калий и др., не учитываются в ведомостях инвентаризации ТЭС, но идентифицированы в компонентном составе золы и атмосферного воздуха в зоне максимальных концентраций твердых примесей, формируемых выбросами анализируемого хозяйствующего субъекта. Данные примеси проявляют более выраженную токсичность и широкий спектр негативных эффектов на здоровье, чем учтенные в ведомости инвентаризации взвешенные вещества, неорганическая пыль, содержащая 70–20 % SiO2 и до 20 % SiO2, что указывает на недооценку степени опасности для здоровья населения (см. табл. 2). Важно отметить, что соединения алюминия, железа, калия, кремния, кальция, натрия и магния не исследуются на ближайшем посту мониторинга.

Исследование воздействия твердых фракций выбросов ТЭС на здоровье показало, что идентифицированные вещества обладают более широким спектром неканцерогенных эффектов при ингаляционном воздействии, чем не идентифицированные по составу взвешенные вещества и неорганическая пыль, содержащая 70–20 % SiO2 и до 20 % SiO2 (табл. 2): при остром воздействии дополнительно формируют опасность нарушения органов зрения (соединения натрия), при хроническом – изменение массы тела (соединения алюминия), нарушения сердечно-сосудистой системы, развития (частицы PM10).

Кроме этого, референтные уровни идентифицированных в атмосферном воздухе твердых химических примесей жестче, чем установленные нормативы для взвешенных веществ и пыли неорганической: 70–20 % SiO2 в 1,5–50 раз (см. табл. 2).

Как уже было показано, более 60 % твердых частиц в атмосферном воздухе имеют размеры меньше 10 мкм, из них 36,3 % – частицы до 2,5 мкм (см. рис. 5). Спектр негативных воздействий от идентифицированных мелкодисперсных частиц шире, чем от неидентифицированных взвешенных веществ; референтные уровни более жесткие: при хроническом воздействии различаются в 1,5–5 раз, а при остром – в 2,0–4,6 раза (см. табл. 2).

Обсуждение. По результатам релевантных научных исследований [17–18] летучие золы составляют основную часть отходов, производимых в результате сжигания угля на объектах теплоэнергетики, и их доля может варьироваться от 60 до 95 %. Характеризуясь сложной поликомпонентной структурой, зола обладает разнообразным гранулометрическим и минерально-фазовым составом, что представляет определенные трудности при проведении исследований. Размеры частиц летучих зол варьируются от субмикрона до сотен микрон. В зависимости от характеристик угля и условий сжигания, доля зольных частиц размером менее 10 мкм может колебаться от 6 до 42 %, частиц размером от 10 до 90 мкм – от 40 до 92 % [17–18].

В ходе проведенных исследований [19–21] компонентного, дисперсного и морфологического состава частиц атмосферного воздуха, присутствующих в зонах воздействия объектов теплоэнергетики, обнаружено, что частицы малого размера (до 2,5 мкм) подвергаются неравномерному осаждению в различных сегментах дыхательной системы человека. Современные научные исследования подтверждают наличие связи между загрязнением воздуха частицами малого размера (до 2,5 мкм) и появлением ряда заболеваний, таких как астма, бронхит, острые и хронические респираторные расстройства, одышка, затруднение дыхания и преждевременная смерть [22–25].

Полученные в настоящем исследовании результаты анализа качества атмосферного воздуха указывают, что рассчитанные уровни экспозиции и риска для здоровья, формируемые в результате хозяйственной деятельности ТЭС, могут быть недооценены. Для более точной оценки воздействия ТЭС на здоровье населения целесообразным является уточнение данных инвентаризации на источниках с учетом полной классификации пылевых фракций и их дисперсного состава.

В настоящее время отсутствует система мониторинга частиц ультрамикроразмерного диапазона (до 1,0 мкм) в атмосферном воздухе, в этой связи отсутствует возможность объективной оценки степени воздействия данных частиц на здоровье населения.

Полученные результаты настоящего исследования согласуются с выводами других релевантных научных исследований, а описанные негативные эффекты со стороны здоровья в результате воздействия различных соединений твердых пылевых фракций подтверждают их токсическое действие. Научные исследования показали, что соединения железа, кремния, кальция, алюминия, калия, марганца, фториды, взвешенные частицы PM10, PM2,5 могут вызывать разнообразные специфические негативные реакции со стороны здоровья, в т. ч. заболевания дыхательной, сердечно-сосудистой, иммунной, кроветворной, костно-мышечной систем, новообразования [26–31].

Эффективное снижение выбросов твердых частиц в атмосферный воздух от тепловых электростанций может быть достигнуто рядом технических, технологических и управленческих решений, проведением систематического мониторинга качества атмосферного воздуха в зонах влияния ТЭС. Данные решения могут потребовать значительных инвестиционных вложений и изменений в производственных процессах. При этом реализация мер должна осуществляться не только с учетом экономической и технической целесообразности, но и с учетом формируемой потенциальной опасности и фактически причиняемого вреда здоровью населения [8][32–35].

Выводы

1. В результате анализа дисперсного, компонентного и морфологического состава золы методом электронной микроскопии установлено, что основную долю частиц составляли кальций, магний, железо, кремний, алюминий, натрий, калий, сера, фосфор (более 59 %); более 50 % частиц имеют размер до 5,5 мкм; порядка 32 % частиц имеют более округлую форму (сферичность 0,7–1,0).

2. Компонентный, дисперсный и морфологический состав пылевых частиц атмосферного воздуха в зоне максимальных концентраций, формируемых выбросами исследуемой ТЭС, сопоставим с составом золы. Более 90 % твердых частиц воздуха составляют кальций, алюминий, калий, кремний, натрий, магний, железо, сера и фосфор. Порядка 50 % частиц атмосферного воздуха имеют сферичность 0,7–1,0.

3. В зоне максимальных концентраций, формируемых выбросами крупной ТЭС, по верифицированным и инструментальным данным регистрируются превышения гигиенических нормативов по 7 веществам твердого агрегатного состояния до 1,5–3,3 ПДКмр, до 1,2–1,4 ПДКсс, до 1,2–1,5 ПДКсг.

4. Установленные уровни экспозиции идентифицированных веществ в твердой фракции формируют острый и хронический неканцерогенный риск, выраженный коэффициентами опасности и классифицируемый как «высокий» и «настораживающий» – до 5,5 HQас и до 2,4 HQch соответственно. Повышенные индексы опасности формируются в отношении возникновения заболеваний органов дыхания, нервной, кроветворной, костно-мышечной систем (до 6,9 HIch – высокий уровень). Суммарный уровень канцерогенного риска (CRT) формировался на уровне до 5,8 × 10^-5. В условиях повышенных уровней острого и/или хронического риска проживает более 25 тыс. человек.

5. Почти половина идентифицированных твердых примесей (натрий, магний, алюминий, кальций, калий и др.) отсутствует в инвентаризационных ведомостях исследуемой ТЭС и не определяется на ближайшем посту мониторинга. Данные компоненты обладают более широким спектром неканцерогенных эффектов на здоровье при ингаляционном поступлении в сравнении с не идентифицированными по составу пылями, дополнительно формируя нарушения органов зрения, сердечно-сосудистой системы, процессов развития, массы тела.

6. Результаты анализа качества атмосферного воздуха, основанные на информации из ведомостей инвентаризации и данных мониторинга, указывают на возможную недооценку уровней экспозиции и риска для здоровья, формируемых хозяйственной деятельностью объектов теплоэнергетики. Целесообразным является уточнение ведомостей инвентаризации, сосредоточение внимания на полном учете компонентов пылевых фракций, осуществление мониторинга приоритетных факторов риска и состояния здоровья населения в зонах воздействия данных хозяйствующих субъектов.