Важнейшим звеном обеспечения качества атмосферного воздуха является система контроля его состояния, которая включает: наблюдение за состоянием воздуха и прогнозирование его изменений; установление и оценка источников загрязнения; предупреждение повышенного уровня загрязнений.

Контроль качества воздуха населенных пунктов предусматривает организацию и функционирование стационарных, маршрутных и передвижных постов наблюдения за загрязнением атмосферы.

Стационарный пост наблюдений предназначен для обеспечения непрерывной регистрации загрязняющих веществ (СО,SO 2 ,NO 2 , аммиак, формальдегид, пыль и др.) и регулярных проб атмосферы для дальнейшего анализа. Отбор проб чаще всего осуществляется 4 раза в сутки в течение всего года. Полученные данные используются для расчета среднесуточной концентрации загрязняющих веществ за год

Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха в нескольких точках местности согласно временному графику.

Передвижной пост предназначен для отбора проб под газовым факелом. При этом пробы должны отбираться по направлению ветра в точках пересечения оси факела и концентрических окружностей с радиусами: от 0,2 до 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 15 и 20км.

Размещение стационарных и маршрутных постов должно способствовать установлению максимальных концентраций загрязняющих веществ. Обычно посты размещают концентрическими кругами в точках пересечения с радиальными линиями, показывающими стороны света. В центре круга должен находиться источник загрязнения.

Минимальное количество постов зависит от численности населения города:

Численность, млн чел. 0,5…1,0 1…2 >2

Количество постов, шт. 5…10 10…15 15…20

При определении приземных концентраций отбор проб осуществляется на высоте 0,5…3,5м от уровня земли.

Наблюдения по полной программе проводят ежесуточно в 1, 7, 13 и 19 часов по местному времени. При неблагоприятных метеорологических условиях наблюдения выполняют каждые 3 часа. Продолжительность отбора проб при определении разовых концентраций – 20 мин.

В крупных городах Украины контроль состояния атмосферного воздуха осуществляют с помощью автоматизированных систем качества воздуха. Наличие непрерывной информации о состоянии атмосферного воздуха в таких городах позволяет оперативно принимать необходимые меры для устранения чрезмерных загрязнений путем снижения выбросов загрязнителей промышленных предприятий и потоков автотранспорта.

4.3. Эффект суммации и его учет

В реальных условиях производства в выбросах и сбросах предприятий (а, следовательно, в атмосферном воздухе и водных объектах) присутствует не одно, а смесь различных загрязняющих веществ.

В воздухе населенного пункта, например, могут содержаться вещества от разных предприятий, ТЭС, транспорта. Многие из этих веществ обладают сходным токсическим действием на организм человека, а значит, в подобных случаях суммарная концентрация таких веществ может превышать предельно допустимую для каждого в отдельности . Кроме того, ряд соединений обладают синергетическим эффектом, т.е. токсичность одного в присутствии другого усиливается. Эффект синергизма хорошо виден на следующем примере: диоксид серы ослабляет защитные механизмы дыхательной системы и тем самым делает организм более восприимчивым к канцерогенам, и неблагоприятное воздействие от их совместного присутствия возрастает примерно в два раза.

Это явление называют эффектом суммации вредного воздействия, и его необходимо учитывать при нормировании как содержания, так и поступления загрязняющих веществ в окружающую среду.

Эффектом суммации при совместном присутствии обладают, в частности: ацетон и фенол; диоксид азота, озон и формальдегид; оксид углерода, диоксид азота и формальдегид; диоксид серы, оксид углерода, фенол и пыль; диоксид азота, диоксид серы и аммиак; диоксид серы и фенол; диоксид азота и диоксид серы. Перечень наиболее распространенных загрязнителей атмосферного воздуха, обладающих эффектом суммации, приведен в табл. 4.1.

Таблица 4.1 – Перечень некоторых веществ, для которых необходим

учет эффекта суммации (+) в атмосферном воздухе

Рассмотрим следующий пример. Допустим, что в воздухе населенного пункта одновременно присутствуют диоксид азота и диоксид серы в концентрациях 0,06 и 0,04мг/м 3 соответственно. Установленные для них ПДК составляют 0,085 и 0,05мг/м 3 соответственно. Следовательно, концентрация каждого вещества отвечает нормативу ПДК. Но ихсуммарная концентрация составляет 0,06+0,04=0,1 мг/м 3 , т.е. превышает ПДК для каждого из них в отдельности, а, следовательно, и уровень загрязнения воздуха превышает допустимую норму.

Поэтому известное условие: СПДК следует записать в иной форме, которая учитывает эффект суммации: С/ПДК1. Совершенно очевидно, что, сколько бы вредных веществ ни присутствовало в воздухе одновременно, последнее условие должно строго соблюдаться.

Таким образом, качество воздуха будет отвечать установленным нормативам, если

где С 1 , С 2 ,….С n – концентрация вредных веществ, обладающих эффектом суммации; ПДК 1 , ПДК 2 ,…ПДК n – соответствующие им предельно допустимые концентрации.

Уравнение (4.1) показывает, что сумма отношений концентраций вредных веществ, обладающих эффектом суммации, к соответствующим им ПДК не должна превышать единицы.

Поэтому в приведенном выше примере в соответствии с уравнением (4.1) концентрация NO 2 не должна превышать 0,045 мг/м 3 , SO 2 – 0,023 мг/м 3 . Только в этом случае сумма отношений С/ПДК для этих соединений окажется меньше единицы:

и качество воздуха будет соответствовать установленным нормативам.

Аналогичным образом эффекты суммации учитывают и для водных объектов.

Вместе с тем, следует заметить, что суммарные ПДК не отражают реальную норму эффекта, вызываемого воздействием тех же токсичных веществ на организм человека, поскольку они вычисляются расчетным путем, исходя из соотношения наблюдаемой концентрации загрязнителей и принятыми для них ПДК.

Для исправления этого недостатка предлагают использовать другие показатели. Так, для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяют индекс суммарного загрязнения атмосферы:

(4.2)

где q i – средняя за год концентрация і-го вещества в воздухе;

А і – коэффициент опасности і-го вещества, обратный ПДК этого вещества: А і =1/ПДК і ;

С і – коэффициент, зависящий от класса опасности вещества: С і =1,5; 1,3; 1,0 и 0,85 соответственно для 1, 2, 3 и 4 классов опасности (сведения о классах опасности веществ приведены в разделе 7).

Индекс І m является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для m=5 – т.е. наиболее значимых концентраций веществ, определяющих суммарное загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других входят такие веществ, как диоксиды азота и серы, аммиак, формальдегид, 3,4-бензпирен, пыль. Значение индекса І m изменяется от долей единицы до 15…20 – чрезвычайно опасных уровней загрязнения. Высокий индекс загрязнения имеют такие города Украины, как Кривой Рог, Мариуполь, Запорожье, Днепродзержинск, Алчевск.

Кроме того, чтобы определить состояние загрязнения воздуха несколькими веществами, которые действуют одновременно, очень часто используют комплексный показатель – индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Для его расчета, нормированные на соответствующие значения ПДК, средние концентрации примесей с помощью расчетов приводят к концентрации SO 2

а полученные значения К і складывают. Полученный таким образом показатель ИЗА указывает, в сколько раз суммарный уровень загрязненности атмосферы несколькими веществами превышает ПДК двуокиси серы.

Для каждого населенного пункта определен конкретный перечень пяти приоритетных примесей, по которым рассчитывается индекс загрязнения атмосферы ИЗА 5 .

1.4 Методы контроля за состоянием атмосферы

Мониторинг - в точном смысле слова - означает наблюдение (слежение) за состоянием среды с целью обнаружения изменения этого состояния, их динамики, быстроты и направления. Получаемые в результате длительных наблюдений и многочисленных анализов сводные данные позволяют прогнозировать экологическую обстановку на ряд лет вперед и принимать меры для устранения неблагоприятных воздействий и явлений. Этой работой профессионально занимаются специальные организации - биосферные заповедники, санэпидемстанции, экологические стационары и другие.

В системе мониторинга различают три уровня: санитарно-токсикологический, экологический и биосферный. В настоящее время более или менее развита система санитарно-токсикологического мониторинга. Она включает в себя наблюдение за состоянием окружающей среды, степенью загрязнения природных объектов вредными веществами, за влиянием этих загрязнителей на человека, животный и растительный мир.

В качестве наиболее распространенных и опасных были выявлены восемь категорий загрязнителей: 1 - взвешенные вещества, они могут переносить другие загрязнители, растворенные в них или адсорбированные на поверхности частиц; 2 - углеводороды и другие летучие органические соединения; 3 - угарный газ (СО); 4 - оксиды азота (NOX); 5 - оксиды серы, в основном диоксид (SO2); 6 - свинец и другие тяжелые металлы; 7 - озон и другие фотохимические окислители; 8 - кислоты, в основном серная и азотная.

Контроль за состоянием атмосферного воздуха включает в себя изучение источников загрязнения, исследование химических и фотохимических превращений загрязняющих веществ, выявление наиболее токсичных веществ, изучение распространения загрязнителей с воздушными потоками, отбор и анализ загрязнителей.

Основным способом отбора воздуха является аспирационный способ, при котором воздух прогоняется через сорбционное устройство (поглотительный сосуд, концентрационная трубка, фильтр) с учетом расхода воздуха с определенной скоростью.

При исследовании атмосферных загрязнений определяют как максимально разовые, так и среднесуточные концентрации. Метод измерения концентрации вредных веществ должен обеспечивать определение их на уровне 0,8 ПДК с суммарной погрешностью ±25% и отбором пробы воздуха от 20 до 30 мин при определении максимально разовой концентрации, а также круглосуточный отбор пробы при определении среднесуточной концентрации.

Наблюдение за загрязнением атмосферы проводится на стационарных, маршрутных и передвижных постах. (А.И. Федорова, 2003.)

Комитет экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) разработал сводку допустимых уровней загрязнения, то есть осредненного предельного содержания в воздухе тех или иных примесей - среднегодовых, среднесуточных, среднепериодических. В соответствии с ними в виде установленных нормативов качества воздуха применяются:

Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ);

Ориентировочные допустимые концентрации (ОДК). Так, среднегодовые ОБУВ для диоксида серы составляют 0,06 мг/м3.

В то же время основным показателем контроля качества атмосферного воздуха являются предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК).На практике обычно используют три типа ПДК: в воздухе рабочей зоны, в атмосферном воздухе населенного пункта и максимально разовую.

ПДКр з - это такая максимальная концентрация вредного вещества, которая при ежедневной работе в течение 8 часов (но не более 41 часа в неделю) всего рабочего стажа не может вызвать заболевания или отклонения в состоянии здоровья в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Под рабочей зоной понимают пространство высотой до 2 метров над уровнем пола или площадки, на которой находятся рабочие места.

ПДКс с - это средне суточная концентрация загрязняющего вещества в атмосфере.

ПДКм р - это максимальное количество вредных выбросов в атмосферу в течение 30 минут, которое не приводит к превышению их концентрации в населенном пункте среднесуточной предельно допустимой концентрации.

Минимальное значение ПДКсс объясняется тем, что в населенном пункте проживают и малолетние дети, и старики, и больные, которые могут пострадать даже от незначительных концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе. (Успенский С.В. 1992 г.)

1.5 Современные методы очистки выбросов

Промышленные абсорбционные установки. При очистке газовых потоков от вредных веществ абсорбционные процессы применяются в тех случаях, когда концентрация абсорбируемого вещества в газовом потоке довольно высокая и когда газовый поток обладает большим объемом.

Примерами абсорбционной очистки газовых потоков от вредных примесей являются очистка отходящих газов металлургических предприятий от диоксида серы, хвостовых газов заводов по производству азотной кислоты от оксидов азота, дымовых газов тепловых электростанций от диоксида серы и оксидов азота, природного газа от сероводорода.

Процессы абсорбции наиболее эффективно происходят при низких температурах. При этом вредные примеси газового потока поглощаются абсорбентом и взаимодействуют с его активным компонентом, образуя химические соединения, легко разлагающиеся при нагревании. Следовательно, нагревание приводит к противоположному процессу - выделению поглощенного газа из абсорбента.

Выделение примеси из насыщенного абсорбента путем его нагрева или каким-то другим способом (например уменьшением давления) называется десорбцией.

Возможность выделения поглощенного газа из абсорбента путем повышения температуры позволяет использовать один и тот же абсорбент многократно в замкнутом цикле. При этом абсорбент после выделения из него поглощенного газа называется регенерированным абсорбентом. В нем остается очень малое количество поглощенного газа, поэтому регенерированный абсорбент обладает практически такой же поглотительной способностью, как и свежий абсорбент.

Абсорбция представляет собой наиболее распространенный способ очистки газовых потоков. Процесс абсорбции проводится в вертикальных аппаратах - абсорберах, которые наполняются так называемыми насадками, позволяющими создавать развитую поверхность контакта абсорбента с газовым потоком, движущимся в противоположном направлении.

Адсорбционные установки, применяемые в промышленности. Адсорбционные процессы осуществляются в горизонтальных или вертикальных аппаратах-адсорберах, в которых располагается слой адсорбента толщиной не более 0,8 м. Такие адсорберы находят широкое применение при рекуперации летучих растворителей и паров других легколетучих органических веществ.

Цеолиты используются при осушке газовых потоков и для улавливания химически активных газов, таких как диоксид азота. Молекулы вредных газов и паров в порах адсорбента под действием адсорбционных сил конденсируются и переходят в жидкое состояние подобно конденсации паров воды на холодной поверхности. Это приводит к заполнению микропор и насыщению адсорбента. В момент насыщения адсорбент имеет максимальную адсорбционную емкость.

Для активированных углей адсорбционная емкость составляет 12 - 14% от массы адсорбента, для остальных адсорбентов - от 6 до 8%. Это означает, что 100 кг активированного угля способно поглотить 12 - 14 кг вредных паров или газов, тогда как такое же количество других адсорбентов, например, силикагелей, алюмогелей и цеолитов, - не более 6 - 8 кг. После насыщения адсорбента - заполнения пор поглощаемым веществом - его продувают насыщенным водяным паром или горячим воздухом. При этом конденсированное на поверхности пор вещество снова переходит в газообразное состояние и вместе с продувочным паром или воздухом удаляется из адсорбера. Такой процесс называется десорбцией.

Выделение десорбированного газа из смеси с водяным паром происходит в специальных аппаратах-холодильниках, где водяной пар превращается в конденсат. Если при этом происходит также конденсация десорбированного газа или пара органического вещества, не смешивающегося с водой, то их разделяют в сепараторах путем расслаивания.

Мембранные процессы очистки газовых потоков

В последние годы для очистки газовых потоков от примесей начали использовать мембранные процессы.

Мембраны представляют собой тонкие полимерные пленки (толщина несколько десятков мкм), полученные на основе поливинилхлорида, полиэтилена, полиамида и других полимеров. Мембранные процессы основаны на селективном (выборочном) разделении газов, различающихся по величине объема молекул. Такие мембраны имеют поры, соизмеримые с размерами молекул газов, проходящих через мембрану. Газ, который проходит через мембрану, называется фильтратом, а смесь газов, остающаяся над мембраной, называется концентратом.

В отличие от механического фильтрования мембранные процессы зависят от многих физико-химических факторов, таких как интенсивность межмолекулярных взаимодействий между мембраной и молекулами фильтрата, скорость удаления концентрата над мембраной, разность концентраций примесей в концентрате и фильтрате.

В промышленности мембранное разделение газов применяется для очистки газообразного водорода от примесей в производстве аммиака, при очистке газовых потоков от диоксида углерода, сероводорода и диоксида серы.

Перспективы применения мембранного разделения газовых потоков в народном хозяйстве определяются прежде всего простотой аппаратурного оформления процесса, отсутствием реагентов, длительной работой газоразделительных мембран (5-10 лет), экономичностью и возможностью полной автоматизации мембранных установок. (Мухутдинова А.А. , 1998.)

Методы контроля за состоянием загрязнения атмосферы

Для анализа примесей, содержащихся в атмосфере, применяют приборы, называемые газоанализаторами. Газоанализаторы позволяют получать непрерывные по времени характеристики загрязнения воздуха и выявлять максимальные концентрации примесей, которые могут быть не зафиксированы при методическом отборе проб воздуха по нескольку раз в сутки.

Газоанализаторы различают по типам определяемых примесей (CО 2 ,NО 2), принципам действия, диапазону измеряемых концентрации. В этих приборах примеси, содержащиеся в воздухе, взаимодействуют со специальными реагентами. Концентрацию примесей определяют по характеру или показателям интенсивности реакции.

Региональные инструментальные методы анализа основаны на автоматизированной системе контроля за загрязнением воздуха в промышленном регионе или на нескольких предприятиях. Такая автоматизированная система контроля позволяет получать по каналам связи (телефонным линиям) непрерывную информацию о концентрации примесей. Информация поступает от автоматических газоанализаторов, установленных в различных местах региона или вокруг крупных промышленных объектов, а иногда на конкретных технологических установках.

Информация, полученная по каналам автоматической телефонной сети, в центре сбора выводится на индикационное табло, а затем обрабатывается по специальной программе. Если в отдельных пунктах отмечается повышение концентраций примесей, то по данным о метеорологических параметрах (в частности о силе ветра) можно судить, чем это вызвано, и от какого источника поступают примеси и передать указания о необходимости сокращения выбросов данному источнику.

Особое значение такие системы имеют для территориально-производственных комплексов, включающих многие предприятия различных типов, связанных единым технологическим циклом, сырьевыми, энергетическими и другими транспортными потоками.

Глобальный мониторинг осуществляется в основном зондированием атмосферы. Для этого используют оптическую ирадиолокационную аппаратуру, которая позволяет определить на разных высотах атмосферы такие загрязнения, как СО, CО 2 , СН 4 , NО 3 .

В настоящее время во всём мире повышенное внимание уделяется использованию и разработке лазеров для дистанционного анализа загрязнений атмосферы. Автоматизированные приборы на основе лазеров, выпускаемые серийно, получают всебольшее распространение.

Приборы, представляющие собой сочетание лазера и локатора, называются лидарами.С их помощью изучают пространственное распределение примесей в воздухе. Лазерные аэрозольные спектрометры предназначены дляисследования в автоматизированном режиме содержания аэрозолей в воздухе (как в городах, так и за их пределами).

Лазерные устройства дифференциального сканирования успешно используются для измерения на уровне десяти тысячных долей процента SО 2 в движущихся за ветром потоках (хвостах) из труб промышленных предприятий и электростанций.

Все перечисленные системы и методы мониторинга окружающей среды служат для накопления и анализа информации о состоянии природной среды. Данные, полученные этими методами, используются для моделирования процессов в окружающей среде, составления научных прогнозов. На основе научных прогнозов вырабатываются практические рекомендации по совершенствованию охраны природы.

Контрольные вопросы:

1. Как проявляется влияние антропогенного фактора на экологическое состояние окружающей природной среды?