Экологическая безопасность воздушной среды: Учебно-методическое пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ Учебно-методическое пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2003

УДК 502 55К 26.23 Э40 Авторы: В. И. Козаченко, Т. В. Колобашкина, Т. А. Пожарова и др.

Э40 Экологическая безопасность воздушной среды: Учеб.-метод. пособие / В. И. Козаченко, Т. В. Колобашкина, Т. А. Пожарова, Б. И. Попов и др., СПбГУАП. СПб., 2003. 44 с.: ил. В учебно-методическом пособии рассмотрены основные виды и источники загрязнения атмосферы, способы уменьшения промышленных выбросов и концентраций вредных веществ; приводится методика оценки ущерба здоровью людей, наносимого сверхнормативным загрязнением атмосферы; приводятся формулы и справочные материалы, необходимые для выполнения расчетов и самостоятельного изучения материала, а также исходные данные для выполнения домашнего задания. Пособие предназначено для студентов всех специальностей, изучающих дисциплины «Экология» и «Общая экология».

Рецензент кандидат технических наук доцент В. В. Румянцев

Утверждено редакционно-издательским советом университетеа в качестве учебно-методического пособия

© Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2003

2

ПРЕДИСЛОВИЕ Безопасность жизнедеятельности человека во многом определяется состоянием окружающей среды и может быть обеспечена лишь при соблюдении определенных правил взаимодействия с ней. Одним из наиболее важных факторов, определяющих воздействие внешнего мира на живые объекты, является состояние воздушной среды. Научно-технический прогресс, развитие промышленности и транспорта вызывают все более интенсивное использование природных ресурсов Земли, что в сочетании с ростом населения и непрекращающейся урбанизацией приводит к усилению нагрузки на окружающую среду и, в первую очередь – загрязнению атмосферы. Атмосферу загрязняют аэрозоли, газы и пары химических веществ, которые могут отрицательно влиять на состояние здоровья людей, растительность, животный мир, здания, сооружения и даже изменять климатические условия местности. В настоящее время начинает отчетливо проявляться взаимодействие промышленных выбросов разных стран, которое угрожает существованию жизни на Земле. Поэтому борьба с загрязнением атмосферы становится одной из важнейших социальных проблем глобального характера и требует широкого внедрения различных организационных и технических мероприятий, улучшающих состояние атмосферного воздуха. В предлагаемом методическом пособии рассмотрены основные виды и источники загрязнения атмосферы, способы уменьшения промышленных выбросов и концентраций вредных веществ, приводится методика оценки ущерба здоровью людей, наносимого сверхнормативным загрязнением атмосферы. Домашнее задание выполняется студентами в виде расчетнопояснительной записки, в которой приводятся расчетные формулы и результаты расчетов с обоснованием принимаемых решений. Текст задания должен начинаться с таблицы исходных данных, соответствующих выполняемому варианту задания. Материалы пособия могут быть использованы при рассмотрении вопросов безопасности эксплуатации и производства разрабатываемых приборов и устройств в дипломном проекте. 3

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. Главные виды и источники загрязнения атмосферы

К числу наиболее распространенных веществ-загрязнителей атмосферы относятся соединения углерода в виде аэрозолей и газов (сажа, СО, СО2, углеводороды), соединения азота (NOx, NH3), соединения серы (SO2, SO3), фреоны (химически активные соединения галогенов), частицы пыли различного химического состава. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах являются автомобили, тепловые электростанции и промышленные предприятия. Ежегодно в атмосферный воздух поступает более 200 млн т оксида углерода, более 150 млн т сернистого газа, свыше 50 млн т оксидов азота, более 50 млн т различных углеводородов, более 250 млн т высокодисперсных аэрозолей. В деревнях и селах воздух содержит в 10–15 раз меньше загрязняющих примесей, чем в городах. В крупных городах загрязненный воздух простирается на высоту 1,5–2,0 км. Эта плотная шапка летом задерживает до 20 % солнечных лучей, а зимой поглощает половину света. Общее количество автомашин в мире составляет около 500 млн. Сжигая огромное количество нефтепродуктов, они наносят ощутимый вред окружающей среде и здоровью населения. Автомобильные выхлопные газы – смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды, доля которых резко возрастает (примерно в 10 раз) в момент трогания с места или если двигатель работает на малых оборотах, т. е. во время заторов или у красного сигнала светофора. Оксид углерода и большинство других газовых выделений двигателей тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у земли. Оксид углерода при вдыхании соединяется с гемоглобином крови и может вызвать удушье, препятствуя транспортировке кислорода к тканям организма. Из-за неполного сгорания топлива часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества, в том числе и особо опасный канцероген бенз(а)пирен. Весьма опасными являются соединения свинца, образующиеся при сгорании бензина, содержащего тетраэтилсвинец. Для повышения октанового числа в один литр бензина на нефтеперегонных заводах добавляют до одного грамма тетраэтилсвинца, который разрушается и выбрасывается в атмосферу в виде высокотоксичных соединений свинца. 4

При сжигании топлива на тепловых электростанциях в атмосферу поступают соединения серы, окислы азота, окись углерода СО, углекислый газ СО2, пыль. Газообразные окислы серы, взаимодействуя с содержащимися в воздухе парами воды, могут образовывать капельки серной кислоты, что при неблагоприятных метеорологических условиях вызывает кислотные дожди. Среди промышленных предприятий наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят металлургические, химические и нефтехимические заводы. Наиболее опасными загрязнителями являются пыль, СО, сернистые соединения, углеводороды, цианиды, синильная кислота, хлор, соединения цинка, свинца, мышьяка, ртути, сурьмы, бенз(а)пирен, ацетон, толуол, бензол. В зависимости от системы, из которой выбрасываются вредные вещества, промышленные источники загрязнений подразделяют на технологические и вентиляционные. К технологическим относятся выбросы из дымовых труб, выбросы при продувке оборудования, утечки через неплотности оборудования и сальники. Вентиляционные выбросы – это выбросы механической и естественной общеобменной вентиляции и местной вытяжной вентиляции. Выбросы общеобменной вентиляции характеризуются низким содержанием вредных веществ в большом объеме загрязненного воздуха. Выбросы от местных отсосов по своей характеристике приближаются к технологическим и должны очищаться. По расположению источники выбросов делятся на высокие и низкие. К высоким относятся точечные источники, высота которых более чем в 3,5 раза превышает высоту окружающих построек. При такой высоте источников можно пренебречь влиянием деформации потока ветра, вызванной строениями, на распространение примесей. Дымовые трубы, входящие в состав технологического оборудования теплоэлектростанций, ТЭЦ, крупных промышленных предприятий, относятся к высоким точечным источникам. Их выбросы, как правило, дают наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха в крупных городах. В технологических выбросах дымовых труб высокая концентрация вредных веществ, и их, как правило, нужно очищать. Для очистки выбросов от дисперсных загрязнителей (в виде твердых или жидких частиц) применяют осадительные камеры, циклоны, скрубберы, электрофильтры. Для удаления паро- и газообразных загрязнителей – 5

различные установки, основанные на адсорбции, абсорбции, дожигании, каталитическом превращении примесей. Подробная характеристика применяемых методов и устройств для очистки промышленных выбросов приведена в учебном пособии по основам безопасности жизнедеятельности [1]. Важнейшей характеристикой любого устройства, предназначенного для очистки выбросов, является его эффективность M1 − M 2 , M1 где M1 и M2 – содержание примеси до и после очистки. η=

(1)

1.2. Нормирование загрязнений атмосферы

Для каждого вещества, загрязняющего воздух, установлены два норматива: максимально разовая и среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК). Максимально разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз) при кратковременном воздействии (до 20 мин) атмосферных загрязнений. Среднесуточная ПДК устанавливается с целью предупреждения прямого или косвенного токсического (канцерогенного, мутагенного) влияния загрязнителей. Если в воздухе присутствуют вещества однонаправленного действия, то допустимая концентрация каждого из них определяется из соотношения (2) Σ ( Ci / ПДКi) ≤ 1, где Ci и ПДКi – соответственно концентрация и ПДК i-го вещества. По степени воздействия на организм человека все вредные вещества делятся на 4 класса опасности: 1 – чрезвычайно опасные; 2 – высокоопасные; 3 – умеренно опасные; 4 – малоопасные. Класс опасности устанавливается в зависимости от средней конТаблица 1 центрации СL50 вещества в воздухе, Классификация вредных веществ приводящей к смертельному исходу СL50, Класс опасности с вероятностью 0,5. В табл. 1 приве3 мг/м вещества дена классификация загрязняющих Менее 500 1 веществ по степени опасности. Значе500–5000 2 ния ПДК для некоторых загрязнителей 5001–50000 3 атмосферы приведены в табл. 2. Более 50000 4 6

Таблица 2 ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест Вещество

Азота двуокись Азота окись Аммиак Ангидрид сернистый Ацетон Белок пыли белкововитаминного концентрата Бенз(а)пирен Бензин нефтяной в пересчете на углерод Бензол Водород хлористый Дихлорэтан Железа окись Железа хлорид Кадмия окись Кислота азотная Кислота серная Магния окись Марганец и его соединения Меди окись Медь хлористая Никель металлический Озон Пыль неорганическая, содержащая двуокись кремния, %: выше 70 70–20 (шамот, цемент) ниже 20 Сажа Свинец и его соединения Сероводород Сероуглерод Спирт метиловый Углерода окись Фенол Флюс канифольный активированный Фтористые соединения Фтористый водород Хлор Цинка окись

ПДК, мг/м3 максимально среднеразовая суточная

Класс опасности

0,085 0,6 0,2 0,5 0,35

0,04 0,06 0,04 0,05 0,35

2 3 3 3 4

–

0,001

2

–

10–7

1

5

1,5

4

1,5 0,2 3 – – – 0,4 0,3 0,4 0,01 – – – 0,16

0,1 0,2 1 0,04 0,004 0,001 0,15 0,1 0,05 0,001 0,002 0,002 0,001 0,03

2 2 2 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 1

0,15 0,3 0,5 0,15 – 0,008 0,03 1,0 5 0,01

0,05 0,1 0,15 0,05 0,0003 – 0,005 0,5 3 0,003

3 3 3 3 1 2 2 3 4 2

0,3

0,3

4

0,035 0,02 0,1 –

0,003 0,005 0,03 0,05

2 2 2 3

7

1.3. Рассеяние промышленных выбросов через дымовые трубы

Не все виды производств работают по безотходной технологии, и не для всех загрязняющих веществ разработаны достаточно эффективные способы очистки. Поэтому часто загрязненные выбросы отводят на большую высоту. При этом выбрасываемые вредные вещества, достигая приземного пространства, рассеиваются, их концентрация снижается до предельно допустимого значения. Наиболее распространено отведение на большую высоту загрязняющих веществ с помощью дымовых труб, которые в отдельных случаях достигают высоты 350 м и более. Максимальная приземная концентрация Cmax вредных веществ для выброса нагретой газовоздушной смеси из одиночного точечного источника (трубы) с круглым устьем при неблагоприятных метеорологических условиях равна [2]

Cmax =

AMFmn 2

H (V ∆T ) а для холодных источников (∆T = 0 ) Cmax =

1

, мг / м3 , 3

AMFnk

(3)

, (4) 4 H 3 где A – коэффициент, определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе; M – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере; m и n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; H – высота источника выброса над уровнем земли, м; V – объем газовоздушной смеси, м3/с; ∆T – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси T и температурой окружающего атмосферного воздуха T, °С; k = D/(8V) – параметр, учитывающий скорость газовоздушной смеси в устье трубы, с/м2. Значение коэффициента A изменяется в зависимости от географического района: для Центральной части Европейской территории России – 120, для Севера и Северо-Запада – 160. Величины M и V определяются характером технологического процесса и при выполнении задания входят в исходные данные. Величина ∆T определяется характером технологического процесса и температурой окружающего атмосферного воздуха, при выполнении задания входит в исходные данные. 8

Величину безразмерного коэффициента F принимают: F = 1 – для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю; F = 2 – для пыли и золы, если эффективность очистки η ≥ 0,9; F = 2,5 – для пыли и золы, если 0,75 ≤ η < 0,9; F = 3 – для пыли и золы, если η < 0,75. Безразмерный коэффициент m находят по графику (рис. 1) в зависимости от параметра w2 D f = 103 ⋅ 2 , (5) H ∆T где w=V/(πD2/4) – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья трубы, м/с; D – диаметр устья трубы, м, или вычисляют по формулам 1 m= при f < 100; 0,67 + 0,1 f + 0,34 3 f 1,47 m= при f ≥ 100. 3 f m 1,3 1,1 0,9

m

0,5

1,5

f, м/с2°С

0,6

0,2 0

10

30

50

f, м/с2°С

70

Рис. 1. График для определения безразмерного коэффициента m

Безразмерный коэффициент n находят по графику (рис. 2) в зависимости от параметра vм, вычисляемого по формулам: – для нагретых выбросов  V ∆T  vм = 0,65    H 

1

3

,

(6) 9

– для холодных выбросов (∆T = 0 ) vм = 1,3

или определяют из соотношений

wD , H

(7)

n = 1 при vм ≥ 2; n = 0,532 v м 2 – 2,13 v м + 3,13 при 0,5 ≤ vм < 2; n = 4,4 vм при vм < 0,5. При f ≥ 100 или ∆T ≈ 0 коэффициент n вычисляется по формуле

n

1,5

1,47 при f ≥ 100. 3 f При vм < 0,5 расчет максимальной приземной концентрации Cmax вместо формулы (4) проводится по формуле n=

0,5 0

0,5

1,5

vм

Рис. 2. График для определения безразмерного коэффициента n

Cmax =

AMFm′ H

7

,

3

где m′ = 0,9. Максимальная приземная концентрация вредных веществ отмечается на оси факела выброса (по направлению ветра) на расстоянии xm от источника выброса, который в зависимости от значения безразмерного коэффициента F определяется по формулам (8) xm = dH при F < 2; xm = 1,25FdH при F ≥ 2, (9) где d – безразмерный коэффициент при f ≤ 100, определяемый по графику (рис. 3). При f > 100 или ∆T ≈ 0 значения d находятся по условиям d = 5,7 при vм ≤ 0,5; d = 11,4 vм при 0,5 2. Значение Cmax не должно превышать установленное значение ПДК. Если происходит одновременное загрязнение атмосферы несколькими веществами, то в любой точке территории жилой застройки должно выполняться условие (2). Так как в общем случае максимальные кон10

центрации разных веществ наблюдаются в разных точках, то для проверки выполнения этого условия необходимо знать не только Cmaxi, но и распределение концентраций по территории. При опасной скорости ветра, направленного от источника к жилой застройке, приземная концентрация вредного вещества в любой точке по оси выброса определяется по формуле (10) C = SCmax, где S – безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения x/xm. f = 100

d

50

f = 100

d

50

20 10 5 2 1,0

15

20

10

5 2 1,0 0,5 0,2 0,1 0

0,5 0,2 0,1 0 20

5

0

0,5

1,5

vm

10

2

4

6

vm

Рис. 3. График для определения значений коэффициента d

График зависимости S от соотношения x/xm приведен на рис. 4. Регламентация выбросов в атмосферу осуществляется на основе установления так называемых предельно допустимых выбросов (ПДВ). Согласно ГОСТ 17.2.1.04-77, ПДВ вредных веществ в атмосферу – это норматив, предусматривающий, что концентрация веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не превышает нормативную концентрацию этих веществ. В соответствии с «Указаниями по расчету рассеяния в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. СН 369-74» расчет ПДВ, г/с, проводится по формулам: – для нагретых выбросов 1

ПДК⋅ H 2 (V ∆T ) 3 ПДВ = ; AFmn

(11) 11

S

S 0,6

0,6 0,2 0

0,2

0,6

x/x m

0,2 2

6

10

14

x/x m

Рис. 4. Значения безразмерного коэффициента S по оси выброса

– для холодных выбросов 4

8 ПДК⋅ H 3V (12) ПДВ = . AFnD Должно быть использовано дополнительное оборудование для очистки выбросов, эффективность которого должна быть не меньше M − ПДВ , (13) M если количество загрязняющего вещества М, выбрасываемое через устье трубы в единицу времени, превышает ПДВ. η=

1.4. Загрязнение атмосферы выхлопными газами автомобилей

Автомагистрали с интенсивным движением являются наиболее значительным источником загрязнения атмосферы. Количество вредных веществ M, образующихся при сгорании единицы топлива, может быть рассчитано по формуле [3] M = k G, (14) где M – количество выделяющихся вредных веществ, г/с; k– коэффициент, значения которого приведены в табл. 3; G – количество расходуемого топлива, г/с. Из данных табл. 3 следует, что на единицу сжигаемого топлива дизельные двигатели выбрасывают меньше вредных веществ, чем бензиновые, но следует учитывать, что дизельные двигатели, как правило, устанавливают на грузовых автомобилях, которые имеют большую мощ12

ность и затрачивают на единиТаблица 3 цу пути больше топлива. КроЗначения коэффициента k для некоторых веществ ме того, в выхлопных газах дизельных двигателей в больших k для типа двигателя Загрязняющее вещество бензинового дизельного количествах присутствует бенОксид углерода СО 0,6 0,1 з(а)пирен. Поэтому в некотоДиоксид азота NO2 0,04 0,04 рых районах крупных городов Соединения свинца 0,001 – эксплуатация дизельного транспорта запрещена. Автомагистраль с интенсивным движением можно рассматривать как линейный стационарный наземный источник выделения вредных веществ. Среднее число машин N, находящихся на участке автомагистрали, интервал по расстоянию между машинами ∆l и интервал по времени ∆τ выражаются формулами N = l/∆l; (15) ∆l= ∆τv,

(16)

(17) ∆τ= 60/nк.п, где l – длина участка магистрали, м; nк.п – число машин, прошедших через контрольный пункт на участке в обе стороны за 1 мин; v – средняя скорость автомобилей, м/с. Подставляя (16) и (17) в (15), получаем ln N = к.п . 60v Если принять, что в среднем легковые и грузовые автомобили тратят на 1 км пути количество топлива γ, то за одну секунду расход топлива одной машины составит γv g= , 1000 а общий расход топлива G всех машин на рассматриваемом участке γlnк.п . (18) 6 ⋅ 104 С достаточной для практических расчетов точностью среднее значение γ может быть принято равным 100 г/км, тогда формула (18) принимает вид G=

13

lnк.п (19) . 600 Зная суммарный расход топлива G, г/с, можно по формуле (14) определить суммарный выброс вредных веществ, используя данные табл. 3. Концентрация C вредного вещества в контрольной точке для наземного линейного источника загрязнения рассчитывается по формуле [3] (20) С = Cуслϕ, где Cусл – условная концентрация вредного вещества; ϕ – функция, значение которой определяется взаимным расположением источника и точки, в которой оценивается загрязнение атмосферы. Если участок магистрали проходит вдоль жилого массива по всей длине l, то условную концентрацию Сусл можно определить как G=

M (21) , 8lHu где H – высота источника загрязнения над поверхностью земли; u – расчетная скорость ветра в направлении от магистрали к жилому массиву. Значение ϕ определяется по графику (рис. 5) в зависимости от безразмерных параметров a и b, которые рассчитывают по формулам (22) a = Ψ1Ψ2; b = Ψ3Ψ4. Значения Ψ1 – Ψ4 можно найти по номограммам на рис. 6 по соответствующим парам значений безразмерных координат µ и ν, характеризующих смещение контрольной точки относительно центра источника загрязнений: 2 S ∆x 2 ∆y µ1 = оп ; v1 = ; (23) (24) l l Cусл =

2 Sоп ∆x ; H

(25)

v2 =

Z ; H

(26)

0,9 Sоп ∆x ; l /2+ H

(27)

v3 =

∆y ; l /2+ H

(28)

µ2 = µ3 =

0,9 Sоп ∆x Z , ; v4 = (29) (30) 2H 2H где Sоп – опасное значение обобщенного коэффициента диффузии; ∆x – расстояние от оси магистрали до контрольной точки в направлении, µ4 =

14

перпендикулярном оси; ∆y – расстояние от центра участка магистрали до контрольной точки в направлении, параллельном ее оси. ϕ 1

7

2

3

4

b = 0,1

5 3 1 0

1

a

3

Рис. 5. Графики для определения функции ϕ Ψ Ψ

v=0 0,5

v=2

1 3

1

0,3

0

4 5 6 0,1

5

15

µ

7 8

0

5

9

10 15

µ

Рис. 6. Графики для определения Ψ

На величину концентрации загрязнителей существенно влияют скорость ветра u в направлении жилого массива и обобщенный коэффициент диффузии S, определяющий распределение примесей вследствие турбулентости потока. При расчетах принимают u = 0,5 м/с, что соответствует состоянию атмосферы, называемому штилем. Крайние значения коэффициента диффузии лежат в пределах 0,05–0,5. На практике при расчетах принимают Sоп = 0,12. 15

1.5. Определение ширины санитарно-защитной зоны

Защитная зона, отделяющая промышленные узлы от жилых районов, должна препятствовать загрязнению воздушного бассейна городов вредными веществами, выбрасываемыми промышленными предприятиями. В нормативном документе «Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245-71» ширина санитарно-защитных зон регламентируется в пределах от 50 до 1000 метров в зависимости от назначения предприятия и его мощности, вне зависимости от степени эффективности очистных устройств и количества вредных веществ, выделяющихся в атмосферу. В «Указаниях по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий СН 369-74» рекомендуется определять расчетом расстояние L0, в пределах которого могут наблюдаться концентрации вредных веществ, превышающие ПДКАВ для населенных пунктов. Как правило, все вновь возводимые промышленные узлы и города располагаются таким образом, чтобы повторяемость ветра с промышленного узла на жилые районы была минимальна. При неблагоприятных условиях, когда ветер переносит выбросы от дымовых труб на жилые районы, концентрация вредного вещества при опасной скорости ветра на границе жилой застройки не должна превышать ПДКАВ. Ширина санитарно-защитной зоны xс.-з.з, т. е. минимально допустимое расстояние от источника (трубы) до границы жилой застройки должна удовлетворять условию (31) xс.-з.з > xm, где xm – расстояние от источника до точки, в которой приземная концентрация вредного вещества достигает наибольшего значения. Значения xm могут быть рассчитаны по формулам (8) или (9) в зависимости от значения безразмерного параметра F, определяемого видом выбрасываемого загрязнителя [см. формулы (3) и (4)]. Необходимые для расчета xm значения вспомогательных параметров f, d и vм находятся по формулам (5)–(7) и графику на рис. 3. 1.6. Оценка ущерба, наносимого загрязнением атмосферы здоровью людей

Основой оценки суммарного загрязнения атмосферного воздуха, как и его загрязнения отдельными веществами, являются ПДК. 16

Загрязнение окружающей среды выше уровня, регламентированного гигиеническими нормативами, приводит к напряжению адаптационных систем, снижению сопротивляемости организма инфекциям и, как следствие, ухудшению состояния здоровья людей. Выявлено, что при длительном (не менее 3-х лет) воздействии атмосферных загрязнений изменения показателей состояния организма в зависимости от уровня химической нагрузки носят нелинейный характер. При увеличении химической нагрузки от начальных величин происходит нарастание числа и продолжительности заболеваний, количества лиц с измененными показателями функционального состояния организма, а также входящих в группу повышенного риска возникновения заболевания. При расчете суммарного загрязнения содержание каждого вещества следует представлять в виде отношения фактической концентрации вещества C к его ПДК C , K= (32) ПДК где K – нормированная концентрация вещества. Вещества разных классов опасности при одинаковых нормированных концентрациях K оказывают различное воздействие на состояние организма человека. Поэтому для определения стратегии и тактики оздоровления воздушного бассейна используют такие показатели оценки загрязнения атмосферного воздуха, которые приводят уровни загрязнения воздуха веществами различных классов опасности к изоэффективным (одинаковым по действию) уровням, т. е. учитывают не только степень превышения ПДК, но и классы опасности веществ. Учет этих факторов обеспечивает комплексный показатель загрязнения воздуха P, рассчитываемый по формуле [4] n

P = ( ∑ ( Kiba ) 2 ) 2 , 1

(33)

i =1

где Kiba – кратность превышения ПДК i-го вещества b-го класса опасности, приведенная к классу опасности a. Приведение фактических кратностей превышения ПДК веществ различных классов к кратности превышения одного класса осуществляется путем расчета по формуле [4, 5] (34) Kiba=Kib(a/b) n, 17

где Kib – фактическая кратность превышения ПДК вещества b-го класса опасности, рассчитанная по формуле (2); n – параметр, рассчитываемый по формуле 2,89lg Kib . (35) (1 + 2,89lg b) Обычно при расчете комплексного показателя P кратности превышения ПДК для веществ 1-, 2- и 4-го классов опасности приводят к кратностям превышения ПДК для веществ 3-го класса опасности. В этом случае из формул (34) и (35) следует (36) Ki13=Ki13n, n=2,89lgKi1; n=

Ki23=Ki2(3/2)n, n=1,55lgKi2;

(37)

Ki43=Ki4(3/4)n, n=1,05lgKi4; (38) где Ki13, Ki23 и Ki43 – приведенные к 3-му классу кратности превышения ПДК для веществ 1-, 2- и 4-го классов опасности соответственно; Ki1, Ki2 и Ki4 – полученные значения фактической кратности превышения ПДК соответственно для веществ 1-, 2- и 4-го классов опасности. В тех случаях, когда фактическая кратность превышения ПДК равна или меньше 1, т. е. когда фактические уровни концентраций не превышают ПДК, приведение к 3-му классу опасности не проводится, а в расчете комплексного показателя P используются фактические кратности превышения ПДК. После определения приведенных кратностей ПДК для всех веществ, входящих в смесь, вычисляют показатель P по формуле (33). Установлено, что с увеличением P происходит повышение уровней заболеваемости и смертности. Эта зависимость имеет экспоненциальный характер, что позволяет определить степень увеличения заболеваемости и смертности в процентах при каждом увеличении показателя Р в 2 раза. Например, для болезней органов дыхания это увеличение может достигать 43 %, а для злокачественных новообразований – 5 %. В соответствии с уровнем суммарного загрязнения атмосферного воздуха можно рассчитать увеличение общей заболеваемости населения [6] (39) R = mlg (P/P0) ⋅100 %, где R – увеличение общей заболеваемости, выраженное в процентах от общей заболеваемости населения при пороговом уровне загрязнения 18

воздуха P0; P – фактический уровень суммарного загрязнения; m = 0,85 – коэффициент пропорциональности. Комплексный показатель P может служить для ориентировочной оценки неблагоприятного влияния атмосферных загрязнений на состояние здоровья населения. Уровень суммарного загрязнения, превышение которого сопровождается увеличением заболеваемости, принимается в качестве порогового (P0). В среднем P0 для некоторых видов заболеваний (легочных, сердечно-сосудистых) колеблется от 1,6 до 3,6. При расчете увеличения общей заболеваемости P0 принимают равным 2. 2. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ Для получения объективной информации о состоянии и уровне загрязнения воздушной среды необходимо располагать надежными методами анализа. Эффективность любого метода оценивается совокупностью показателей: – селективностью и точностью определения; – воспроизводимостью получаемых результатов; – чувствительностью определения; – пределами обнаружения; – экспрессностью выполнения анализа. Для контроля загрязнения среды газо- и парообразными вредными веществами применяют газоанализаторы, а для измерения концентрации дисперсных загрязнителей – пылемеры различных типов. 2.1. Газоанализаторы

В арсенале аналитических средств контроля концентрации газо- и парообразных загрязнителей значительное место занимают экспрессные методы. Среди экспрессных методов наиболее распространенными являются колориметрические. В основе каждого из них лежит цветная реакция, фотоколориметрический и линейно-колористический методы. Принцип действия газоанализаторов, реализующих фотоколориметрический метод, основан на образовании специфически окрашенных продуктов некоторых химических реакций, протекающих в растворах или на реактивной бумаге, поверхность которой с одной стороны омывается смесью газов, содержащей контролируемое веще19

ство. Интенсивность окраски пятна служит мерой концентрации контролируемого вещества. К достоинствам фотоколориметрических газоанализаторов следует отнести высокую чувствительность и хорошую избирательность. Широкую известность приобрели универсальный ленточный газоанализатор ФЛ5501М (табл. 4), газоанализатор сероводорода ФКГ-2, газоанализаторы типа ФГЦ – для сероводорода, аммиака, фосгена. Таблица 4 Основные характеристики газоанализатора ФЛ5501М Диапазон измерения, мг/м3

Анализируемый газ

Диоксид азота Диоксид серы Аммиак

0–5 0–20 0–1 0–10 0–0,5 0–1 0–10

Озон Сероводород Хлор

Минимальная измеряемая концентрация, мг/м3

0,5 2,0 1,0 0,05 0,1 0,5

0–5

В приборе применена двухфотоэлементная схема с электрической компенсацией. Схема газоанализатора представлена на рис. 7. Воздух, засасываемый воздуходувкой 9, в зависимости от положения газового крана 1 проходит через фильтр 2 или через ротаметр 3 в реакционную камеру 4. Фильтр 2 предназначен для поглощения анализируемого 7 2

4

9 5

3

6

1 Рис. 7. Схема газоанализатора ФЛ5501М

20

8

вещества и применяется при настройке газоанализатора и проверке нулевого показания прибора. Смоченный участок индикаторной ленты 5 при помощи лентопротяжного механизма перемещается в герметичном разъеме камеры, где через ленту просасывается анализируемый воздух. Для стабилизации скорости просасывания воздуха за реакционной камерой установлен дроссель 6. Фильтр 7 предназначен для защиты воздуходувки 9 от агрессивных паров и газов, выделяемых реактивным раствором. С помощью запорно-регулирующего вентиля 8 устанавливают скорость прохождения воздуха через прибор (0,15–1 л/мин) и контролируют ее ротаметром 3. Перед анализом ленту смачивают реактивным раствором. Дозатор обеспечивает периодическое нанесение на ленту раствора, что дает возможность прибору непрерывно работать 7–10 суток. В зависимости от скорости протекания реакции время взаимодействия воздуха с индикаторной лентой установлено равным 2,5; 5 или 10 мин. Таким образом, прибор работает циклично, показания выдаются соответственно один раз за 2,5; 5 или 10 мин. В процессе взаимодействия анализируемого вещества с реактивным раствором образуется окрашенное пятно. Интенсивность окраски пятна пропорциональна концентрации анализируемого вещества. По окончании цикла лента с окрашенным пятном перемещается перед рабочим фотоэлементом. Измерения осуществляют путем сопоставления светового потока, отраженного от пятна на ленте, с эталонным световым потоком. При неравенстве световых потоков на повторитель сигнала поступают неравные сигналы от фотоэлементов. При помощи компенсационного двигателя схема приводится в равновесие. Основная погрешность измерения не превышает +10 %. Время непрерывной работы прибора без перезарядки от 75 до 300 часов. Линейно-колористический метод основан на получении окрашенного слоя индикаторного порошка. Длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации контролируемого вещества в воздухе, протягиваемом через индикаторную трубку. Особенность метода состоит в том, что реакция между контролируемым веществом и реактивом, нанесенным на зерна носителя, протекает в динамических условиях. Поэтому реактивами могут служить только такие соединения, которые при быстрой реакции с контролируемым веществом дают ярко окрашенные продукты. На линейно-колористическом методе основан универсальный газоанализатор УГ-2 (табл. 5). В комплект УГ-2 входит воздухозаборное 21

устройство с набором индикаторных трубок. Принцип действия газоанализатора основан на протягивании через индикаторную трубку строго определенных объемов исследуемого воздуха. Воздухозаборное устройство за счет разрежения, возникающего при растяжении резинового сильфона, протягивает воздух через индикаторную трубку. Таблица 5 Основные характеристики универсального газоанализатора УГ-2 Анализируемый газ

Диоксид азота Сероводород Диоксид серы Углерода диоксид Углерода оксид Аммиак Хлор Бензин (пары)

Диапазон измерения концентрации, мг/м3

Объем пробы воздуха, мл

Время отбора пробы, мин

0–50 0–50 0–30 0–300 0–30 0–200 0–15000 15–120 0–1400 0–15 0–80 0–1000 0–5000

325 150 300 30 300 60 400 220 265 350 100 300 60

5 3 5 2 5 3 8 8 6 7 4 7 4

Газоанализатор прост в работе, легок и имеет небольшие размеры. Продолжительность одного замера составляет не более 8 мин. К недостаткам газоанализаторов, основанных на фотоколориметрическом и линейно-колористическом методах анализа, следует отнести инерционность измерений и зависимость чувствительности от объема анализируемой пробы. Широкое распространение получили газоанализаторы, основанные на поглощении газами инфракрасного излучения (ИК-излучения) в характерных для них участках спектра, в которых используется селективный оптико-акустический приемник. Такой приемник, наполненный каким-либо газом, является избирательным, так как процесс поглощения лучистой энергии и связанные с ним колебания давления и температуры происходят только при определенных длинах волн, соответствующих спектру поглощения газа, которым заполнен приемник. К достоинствам оптико-акустических газоанализаторов следует отнести непрерывность процесса измерения и быстродействие. К не22

достаткам – невысокую чувствительность и перекрывание в ИК-спектре полос поглощения различных веществ, содержащихся в воздухе. Повышение чувствительности газоанализаторов возможно за счет увеличения длины оптического пути потока ИК-излучения, проходящего через исследуемую пробу воздуха. На этом принципе действия построен автоматический оптико-акустический газоанализатор ГМК-3 (рис. 8), который предназначен для определения в воздухе концентрации оксида углерода [8]. Газоанализатор имеет три шкалы измерений: 0–40, 0–80, 0–400 мг/м3. Прибор обладает высокой избирательностью, так как из обычно содержащихся в воздухе веществ только пары воды оказывают существенное влияние на определение содержания оксида углерода в анализируемом воздухе. Для удаления влаги используется блок предварительной подготовки газа. Источником 1 ИК-излучения служат две нихромовые спирали, нагреваемые электрическим током. По ходу одного из лучей располагается сравнительная кювета 2, заполненная инертным по отношению к ИКизлучению газом – азотом, по ходу другого – кювета 6 с анализируемой газовой смесью. Приемник 5 разделен на две части конденсаторным микрофоном 4. Между кюветами 2 и 6 и приемником 5 находится обтюратор 3, с помощью которого потоки излучения поочередно прерываются с частотой 6,25 Гц. Приемник 4 заполнен смесью оксида углерода с аргоном. Последнее обеспечивает избирательность анализа, так как в при1 емнике колебания температуры и давления газа будут возникать только за счет поглощения ИК-излучения, 6 соответствующего спектру поглоще2 ния оксида углерода. Под влиянием 3 ИК-излучения газ в приемнике нагревается, и вследствие этого повышается давление. При изменении дав5 4 ления меняется емкость конденсаторного микрофона. Если оба потока ИК-излучения одинаковы, то пульсаций давления в приемнике Рис. 8. Схема ГМК-3 не происходит, емкость микрофона 23

не меняется и электрический сигнал с приемника отсутствует. Если проба воздуха содержит оксид углерода, она отбирает у проходящего через нее потока часть ИК-излучения. В результате газ в приемнике будет нагреваться от разных потоков неодинаково. В приемнике возникнут пульсации давления с частотой, равной частоте прерывания потоков с помощью обтюратора. Один из электродов конденсаторного микрофона начнет колебаться, емкость его будет меняться, и на выходе приемника появится электрический сигнал, зависящий от концентрации оксида углерода в газовой смеси. Для контроля за концентрацией диоксида серы предназначен автоматический газоанализатор 667ФФ [8]. В основу работы газоанализатора положен флюоресцентный метод. Сущность метода состоит в регистрации флюоресцентного излучения молекул диоксида серы, возникающего под действием ультрафиолетового излучения (УФ-излучения). Возбуждение молекул диоксида серы происходит в спектральной области 220–240 нм, выделяемой с помощью первичного светофильтра из спектра излучения импульсной ксеноновой лампы. В спектральной области 220–240 нм молекулы воды и оксидов азота не влияют на флюоресценцию. Процесс возбуждения описывается следующим образом: SO2 + hv1 –→ SO2*, где h – постоянная Планка, v1 – частота возбуждающего излучения. Возбужденная молекула переходит в основное состояние после излучения кванта света SO2* –→ SO2 + hv2, где v2– частота излучения при флюоресценции в диапазоне длин волн 200–400 нм. Интенсивность излучения пропорциональна концентрации диоксида серы. Регистрация флюоресцентного излучения молекул диоксида серы производится с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в спектральной области 260–370 нм, выделяемой вторичным светофильтром. Вспомогательным, но необходимым узлом газоанализатора является осушитель газовой пробы. Влага, находящаяся в воздухе, вызывает частичное тушение флюоресценции, что приводит к снижению чувствительности прибора. Осушение газовой смеси происходит в диффузионном осушителе. Основные технические характеристики газоанализатора 667ФФ01: диапазоны измерения массовой концентрации 0–0,5; 0–1,5; 0–5,0 мг/м3; 24

время установления показаний газоанализатора не более 240 с; время прогревания газоанализатора не более 3 ч; значение допустимой основной приведенной погрешности на всех диапазонах не превышает +20 %. Хемилюминесцентное определение диоксида азота в атмосферном воздухе, помимо более высокой чувствительности и экспрессности, превосходит другие методы и по специфичности анализа. Присутствие диоксида серы, сероводорода, оксида и диоксида углерода практически не мешает определению. Для инструментального контроля оксида азота NO, диоксида азота NO2 и суммы оксидов азота NOx предназначен автоматический хемилюминесцентный газоанализатор 645ХЛ всех модификаций [8]. В основу метода положена реакция озона с оксидом азота, в результате которой образуется диоксид азота в возбужденном состоянии: NO + O3 –→ NO2* + O2. Озон, необходимый для протекания указанной реакции, получается в генераторе озона газоанализатора из кислорода, очищенного от пыли и влаги атмосферного воздуха при высоковольтном разряде. Из возбужденного диоксид азота переходит в основное состояние с испусканием инфракрасного излучения, лежащего в области спектра 620–2500 нм с максимумом при 1200 нм: NO2* –→ NO2 + hv. Приемником излучения служит фотоэлектронный умножитель. Интенсивность излучения пропорциональна числу взаимодействующих молекул, т. е. концентрации оксида азота. Поскольку в сумме оксидов азота в атмосферном воздухе NO обычно преобладает над NO2, в газоанализаторе предусмотрена возможность одновременного определения обоих оксидов путем конверсии NO2 в NO и последующего окисления NO озоном. Для определения концентрации диоксида азота в атмосферном воздухе предварительно восстанавливается диоксид азота до оксида азота в специальном конверторе газоанализатора. Конвертор представляет собой трубку из нержавеющей стали диаметром 6–8 мм и длиной 15–20 см, в которую помещают молибденовую или вольфрамовую спираль. Молибденовый катализатор позволяет проводить конверсию, начиная с 480–520 оС, вольфрамовый – с 520–550 оС. В этом режиме работы конвертора измеряется излучение от суммарной концентрации оксидов 25

азота (NO + NO2). Затем концентрация диоксида азота определяется по разности электрических сигналов (NO + NO2) – NO –→ NO2. Таким образом, газоанализатор 645ХЛ позволяет по трем каналам измерять концентрации оксида азота, диоксида азота и суммы оксида и диоксида азота. Основные технические характеристики газоанализатора 645ХЛ01: диапазоны измерения массовой концентрации 0–0,25; 0–0,75; 0–2,5; 0–7,5 мг/м3; время прогрева и выхода на рабочий режим не более 3 ч; значение допустимой основной приведенной погрешности на всех диапазонах не превышает для оксида и для диоксида азота +20 %, а для суммы оксида и диоксида азота +30 %. Для определения содержания токсичных органических веществ в атмосферном воздухе предназначены газоанализаторы, основанные на пламенно-ионизационном методе. Сущность метода заключается в ионизации молекул органических веществ в пламени водорода и последующем измерении ионизационного тока. Пламенно-ионизационный детектор (ПИД) представляет собой ионизационную камеру, в которой установлены пламенная горелка, коллекторный электрод и зажигающая спираль. Внутри корпуса ионизационной камеры может быть размещена также термопара в качестве индикатора горения пламени. На корпус горелки (изолированный от корпуса ионизационной камеры) подается постоянное напряжение 100–300 В, создающее электрическое поле между корпусом горелки и коллекторным электродом. В горелку подается смесь водорода с анализируемым газом, а в ионизационную камеру – воздух для поддержания горения пламени. Пламенно-ионизационный метод положен в основу работы переносного газоанализатора для суммарного определения органических веществ [7] (рис. 9). Анализируемый воздух поступает в газоанализатор через заборную трубку, смонтированную вместе с регистрирующим прибором 1 в небольшом отдельном блоке, снабженном держателем. С помощью насоса 5, питаемого батареей аккумуляторов, воздух засасывается в прибор, проходит через регулирующий вентиль 2, манометр 3, капиллярную спираль 4 и поступает в водородное пламя детектора 8. 26

9

1

8 4

3

2

7 6 5

Рис. 9. Схема пламенно-ионизационного газоанализатора

Очищенный воздух и электролитический водород подаются к горелке через газоподводящие трубки. После того как горелка начнет работать, стрелку измерительного прибора устанавливают на нуль, включают насос, и исследуемый воздух поступает в водородное пламя. Ток ионизации проходит через усилитель 9 и регистрируется прибором. Значение тока пропорционально количеству углерода, сгорающего в единицу времени. Водород подается из баллона 6, а воздух для поддержания горения пламени – из баллона 7. Минимальная определяемая концентрация органических веществ составляет 0,006 мг/м3. При определении углеводородов в атмосферном воздухе большое значение имеет измерение суммы углеводородов, вступающих в реакцию с оксидами азота и образующих фотохимический смог. В последнее время разработан ряд газоанализаторов, позволяющих определять сумму углеводородов за вычетом метана. Такие газоанализаторы включают устройства для отделения метана от общей суммы углеводородов. К указанным газоанализаторам относится газоанализатор 623НН [8]. Прибор выполнен по двухканальной схеме. Поток анализируемого атмосферного воздуха делится на две равные части. На один ПИД, где регистрируется общая сумма углеводородов, анализируемый воздух поступает без изменений. Другая часть потока проходит через устройство разделения углеводородов, где происходит отделение метана от осталь27

ных углеводородов. Второй ПИД регистрирует только метан. Значение концентрации суммы углеводородов за вычетом метана получается как разность электрических сигналов с обоих датчиков. Относительная чувствительность ПИД к некоторым углеводородам: 1; метан (CH4) 0,60–0,77; этилен (C2H4) 0,65–0,79; ацетилен (C2H2) 0,65–0,81; пропан (C3H8) 0,65–0,82. бензол (C6H6) Разброс значений чувствительности ПИД к различным углеводородам укладывается в погрешность газоанализатора. К достоинствам газоанализаторов, основанных на пламенно-ионизационном методе, следует отнести непрерывность процесса измерения, быстродействие и высокую чувствительность. К недостаткам – отсутствие избирательности. Для раздельного определения органических веществ ПИД должен быть присоединен к хроматографу. 2.2. Пылемеры

Значительную часть промышленных выбросов, загрязняющих воздушный бассейн, составляет пыль. Содержание пыли в атмосфере определяется как размерами выбросов промышленных предприятий, так и интенсивностью ее поступления от природных источников. Методы измерения концентрации пыли делят на две группы: методы, основанные на предварительном осаждении, и методы без предварительного осаждения пыли. Основным показателем для гигиенической оценки состояния воздушной среды является масса взвешенной пыли с учетом ее дисперсности. Поэтому основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой концентрации пыли. К недостаткам следует отнести длительность отбора пробы, трудоемкость анализа. Преимущества методов второй группы – возможность непосредственных измерений в самой пылевоздушной среде, непрерывность измерений, высокая чувствительность. Существенный недостаток – влияние изменений свойств пыли, особенно дисперсного состава. Для контроля пыли, свойства которой изменяются во времени в широких пределах, целесообразно использовать методы, основанные на предварительном осаждении пыли. Из них наиболее широко применяют 28

радиоизотопный метод, на точность которого не влияет изменение химического состава пыли. Радиоизотопный метод измерения концентрации пыли основан на использовании свойства радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Воздух предварительно фильтруют и затем определяют массу осевшей пыли по ослаблению радиоактивного излучения при прохождении его через пылевой осадок. Массу пыли на фильтре определяют, исходя из зависимости [9] I = I0exp (– µmm), где I и I0– интенсивность радиоактивного излучения после прохождения его через пылевой осадок на фильтре и через чистый фильтр; µm – массовый коэффициент поглощения радиоактивного излучения; m – масса осевшей на фильтре пыли. Массовый коэффициент поглощения µm зависит от вида и энергии излучения. При определении концентрации пыли радиоизотопным методом наиболее широко используют бета-излучение, так как оно обладает достаточной проникающей способностью и довольно хорошо подчиняется экспоненциальному закону. Радиоизотопный пылемер Прима-03 (рис. 10) предназначен для определения концентрации пыли в атмосферном воздухе и в воздухе производственных помещений. Толщина пылевого осадка определяется по поглощению бета-частиц. Запыленный воздух просасывается через фильтр с помощью воздуходувки 10. Пыль осаждается на фильтровальную ленту 2 типа НЭЛ-3, которая наматывается на кассеты 1 с помощью механизма перемотки ленты 6. Во время определения массы чистой ленты или пылевого осадка фильтровальная лента 2 помещается между источником бета-излучения 4 и детектором 9 с помощью механизма перемещения 5. При отборе пробы воздуха фильтровальная лента 2 устанавливается механизмом перемещения 5 над окном 3 газозаборного канала. Излучение, прошедшее через фильтр, регистрируется детектором 9. Выходной сигнал подается на блок обработки сигнала 8 и затем на индикатор 7. Основные технические характеристики Примы-03: интервал измеряемых концентраций 0,05–100 мг/м3; погрешность измерения ±25 %; время отбора пробы 1– 45 мин; масса 5,5 кг. 29

1

10

2

3

9

4

5

8

7 6

Рис. 10. Схема пылемера Прима-03

К методам, основанным на предварительном осаждении пыли, относится и фотометрический метод. Этот метод измерения базируется на определении оптической плотности пылевого осадка. Оптическую плотность пылевого осадка можно определять путем измерения поглощения или рассеяния им света. Определение оптической плотности пылевого осадка по поглощению основано на определении интенсивности света I, прошедшего через слой [9]: I = I0exp (– ξCl), где I0 – интенсивность начального светового потока; ξ – показатель поглощения света, приходящийся на единицу концентрации пыли; C – концентрация пыли, накапливаемой на фильтре; l – толщина слоя пыли. Оптическая плотность пылевого слоя D = lg (I0/I) = 0,434ξCl. Измерение интенсивности света, рассеянного осевшей на фильтре пылью, положено в основу работы пылемера ФЭКП-3 [9]. Прибор со30

стоит из поршневого насоса с пружинным приводом, фильтропротяжного механизма и фотометра. Фотометр состоит из миниатюрной лампы накаливания и двух фотоприемников, расположенных так, чтобы против одного находился чистый фильтр, а против другого – фильтр с пылевым осадком. Фотоприемники, в качестве которых используются фоторезисторы, включены в мостовую измерительную цепь. В измерительную диагональ моста включен прибор, фиксирующий результаты измерения концентрации пыли. Основные технические характеристики пылемера ФЭКП-3: интервал измеряемых концентраций 0– 4000 мг/м3; погрешность измерения +24 %; минимальная определяемая концентрация пыли 10 мг/м3; время отбора пробы 1–1,5 мин. В пылемере ДПВ (рис. 11) реализован метод, основанный на измерении интенсивности света, прошедшего через осадок пыли [9]. 1

2

3

4

5

6

7

Рис. 11. Схема пылемера ДПВ

Запыленный воздух с помощью аспиратора подается в классификатор 5, выполненный в виде пластинки с системой клапанов, в которых происходит разделение пыли на две фракции (больше и меньше 5 мкм). Оба пылевоздушных потока, каждый из которых содержит определенную пылевую фракцию, проходят через разные окна классификатора, покрытые с одной стороны пленкой из прозрачного полиэтилена, а с другой стороны – фильтром. Затем потоки проходят через фильтр, оставив на нем два пылевых пятна, и выбрасываются в атмосферу. Оптическая плотность пылевых осадков определяется двухканальным фотометром. В измерительном канале свет от источника 3 проходит через заслонку 4, прозрачную полиэтиленовую пленку, классификатор 5, фильтр 6 и попадает на измерительный фотоприемник 7. В канале срав31

нения свет от того же источника через регулировочный винт 2 подается на фотоприемник сравнения 1. В качестве фотоприемников служат фоторезисторы, которые включены в мостовую измерительную цепь. Оптическую плотность пылевых осадков на фильтре определяют поочередно. Основные технические характеристики пылемера ДПВ: интервалы измеряемых концентраций 0–30; 0–60; 0–300; 0–600; 0–3000 мг/м3; погрешность измерений +10 %; продолжительность одного измерения 1–5 мин. К оптическим методам измерения концентрации пыли без предварительного ее осаждения относится метод интегрального светорассеяния. Он дает возможность определять массовую концентрацию частиц пыли по измерению суммарной интенсивности рассеянного света. Интенсивность Iраз рассеянного света определяется выражением Iраз = z7(r)n7N, где z – коэффициент пропорциональности; r – радиус частиц; N – счетная концентрация частиц. Значение показателя n зависит от размера частиц. Для частиц радиусом r < 0,1 мкм n = 6, для частиц радиусом r >1 мкм n = 2, а для частиц радиусом от 0,1 до 1 мкм n = 6–2. При рассеянии света полидисперсной пылью, размеры частиц которой изменяются в широком интервале, происходит усреднение результатов. В результате исследований зависимости интенсивности светорассеяния Iраз от концентрации C для полидисперсных частиц установлено [9], что С = 450Iраз/I0, мг/м3. Таким образом, метод интегрального светорассеяния позволяет измерять массовую концентрацию как монодисперсной, так и полидисперсной пыли. Однако при исследовании полидисперсной пыли возрастает погрешность измерения. Этот метод позволяет создать высокочувствительные пылемеры. Оптическая схема реализующего этот метод пылемера НИИМ-2 приведена на рис. 12. Свет от источника 1 формируется линзой 2 в параллельный световой пучок, который проходит через контролируемый пылегазовый поток и фокусируется линзой 7 на светочувствительной поверхности 32

1

2

3

4

5

6

7

8

Рис. 12. Схема пылемера НИИМ-2

фотоприемника 8. Источник света и фотоприемник устанавливают на противоположных сторонах газохода. Для предотвращения запыления окна 3, 6 непрерывно обдуваются потоком очищенного воздуха, подаваемого через отверстия 4, 5. Фотоприемник включен в мостовую схему с компенсацией температурной погрешности фоторезистора. Однолучевые пылемеры имеют простые оптические схемы. К недостаткам следует отнести погрешности измерений, вызванные нестабильностью напряжения питания источника света и фотоприемника. 3. ВИДЫ ЗАДАНИЙ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ По заданию преподавателя студент выполняет один из трех рассматриваемых ниже видов задания: «Расчет ширины санитарно-защитной зоны», «Расчет эффективности газоочистной установки», «Расчет загрязнения атмосферы автомобильными выбросами». Для каждого вида задания имеются несколько вариантов исходных данных, приведенных в таблицах в соответствующих подразделах. 3.1. Расчет ширины санитарно-защитной зоны

Цель задания: определение требуемой ширины санитарно-защитной зоны, отделяющей промышленную зону от проектируемого жилого массива. Взаимное расположение источника загрязнения и жилого массива схематично показано на рис. 13. Предварительно принято решение ус33

тановить границу жилого массива на расстоянии xж.м от источника загрязнения.

H

Источник загрязнения

x

Жилой массив xm

Рис. 13. Взаимное расположение источника загрязнения и жилого массива

Исходные данные (табл. 6): перечень вредных веществ, содержащихся в выбросе; масса выброса M; объем выбрасываемой газовоздушной смеси V; разность температур выброса и окружающего воздуха ∆T; высота H и диаметр D трубы; расстояние xж.м от трубы до границы жилого массива. При расчете определяют требуемую ширину санитарно-защитной зоны и оценивают ущерб, наносимый здоровью людей выбросом вредных веществ в атмосферу. Расчет ведется для наиболее неблагоприятного направления ветра – от источника загрязнения в сторону жилого массива. Расчет проводится в следующем порядке. 3.1.1. На первом этапе по формулам (3) или (4) рассчитывают максимальные приземные концентрации Сmax при неблагоприятных метеорологических условиях для всех вредных веществ, содержащихся в выбросе, и по формулам (8) или (9) определяют расстояния xmi от источника до точек, в которых приземные концентрации этих веществ достигают максимального значения. 3.1.2. Для точек, находящихся на оси выброса, рассчитывают по формуле (10) концентрации всех веществ, приведенные концентрации Ci / ПДКi и сумму приведенных концентраций ΣCi / ПДКi. Результаты заносят в табл. 7.

34

Таблица 6 Исходные данные для расчета ширины санитарно-защитной зоны № варианта

1.1

Размеры трубы, м

Параметры выброса Вредные вещества в выбросе

Окись азота Аммиак Пыль мелкодисперсная с содержанием кремния до 20 % 1.2 Окись азота Аммиак Пыль мелкодисперсная с содержанием кремния до 20 % 1.3 Ангидрид сернистый Водород хлористый Пыль мелкодисперсная с содержанием кремния 50 % 1.4 Ангидрид сернистый Водород хлористый Пыль мелкодисперсная с содержанием кремния 50 % 1.5 Пыль белково-витаминного концентрата высокодисперсная Сажа 1.6 Пыль белково-витаминного концентрата высокодисперсная Сажа Бенз(а)пирен 1.7 Железа окись Железа хлорид Сажа Углерода окись 1.8 Марганец Меди окись Углерода окись 1.9 Свинец Меди окись Углерода окись 1.10 Сероводород Фенол Углерода окись

Расстояние до границы жилого массива xж.м, м

M, г/с V, м3/с ∆T, K

H

D

50,0 10,0 250,0

100

30

50

2,5

500

75,0 12,0 150,0

150

20

60

3,0

500

20,0 12,0 300,0

100

0

100

6,0

700

12,0 20,0 130,0

70

0

100

6,0

500

1,0

100

20

100

4,0

400

30,0 1,0

100

20

100

4,0

400

200

50

70

3,0

600

100

20

120

4,0

800

75

30

75

3,0

500

100

0

80

2,5

600

30,0 0,001 20,0 4,0 30,0 1000 0,8 2,0 800 1,0 2,0 800 50,0 10,0 500

35

Таблица 7 Распределение концентраций вредных веществ по оси выброса Наименование вредного вещества Расстояние x, м

ΣCi/ПДКi C, мг/м3

C/ПДК

C, мг/м3

C/ПДК

C, мг/м3

C/ПДК

Примечание. При заполнении таблицы целесообразно разбить наибольшее из расстояний xmi на 10–20 частей и выбрать полученные значения в качестве шага координатной сетки.

3.1.3. Оценивают ущерб, наносимый загрязнением атмосферы здоровью людей. Для точки с координатой xж.м, лежащей на оси выброса на границе зоны жилой застройки, по формуле (33) вычисляют комплексный показатель загрязнения воздуха P с учетом параметров, определяемых по формулам (36)–(38) и данных табл. 6. Увеличение общей заболеваемости населения R под влиянием суммарного загрязнения атмосферного воздуха рассчитывают по формуле (39). 3.1.4. Строят график зависимости суммы приведенных концентраций ΣCi /ПДКi от расстояния x. Затем на правом склоне построенной кривой находят точку, для которой выполняется условие Σ(Ci /ПДКi )=1 и определяют ее координату x. Если это расстояние превышает xж.м, то его выбирают в качестве ширины санитарно-защитной зоны xс.-з.з. Таким образом, при строительстве жилого массива его граница должна быть отодвинута на расстояние xс.-з.з. 3.1.5. Для новой границы жилого массива определяют увеличение общей заболеваемости населения аналогично п. 3.1.3. 3.1.6. В материалах, приведенных в разд. 2, выбирают аппаратуру для контроля параметров загрязнения воздуха и приводят ее описание. 3.2. Расчет эффективности газоочистной установки

Цель задания: определение требуемой эффективности установки для очистки выбросов высокого источника загрязнения – дымовой трубы промышленного предприятия. Взаимное расположение источника загрязнения и жилого массива схематично показано на рис. 13. Исходные данные (табл. 8): вид вредного вещества, содержащегося в выбросе; масса выброса M; объем выбрасываемой газовоздушной смеси V; разность температур выброса и окружающего воздуха ∆T ; 36

высота H и диаметр D трубы; расстояние xж.м от трубы до границы жилого массива. Расчет ведется для наиболее неблагоприятного направления ветра – от источника загрязнения в сторону жилого массива. Таблица 8 Исходные данные для расчета эффективности газопылеочистной установки № варианта 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23

Размеры трубы

Параметры выброса Вредные вещества M, V, в выбросе г/с м3/с Аммиак 10,0 100 Окись азота 75,0 150 Ангидрид сернистый 20,0 100 Водород хлористый 20,0 70 1,0 100 Пыль белково-витаминного концентрата высокодисперсная Сажа 30,0 100 Железа хлорид 4,0 200 Марганец 0,8 100 Свинец 1,0 75 Сероводород 50,0 100 Окись азота 50,0 100 Аммиак 12,0 150 Водород хлористый 12,0 100 Ангидрид сернистый 12,0 70 Сажа 30,0 100 Пыль белково-витаминного 1,0 100 концентрата высокодисперсная Железа окись 20,0 200 Меди окись 2,0 100 Меди окись 2,0 75 Фенол 10,0 100 Пыль мелкодисперсная с со- 250,0 100 держанием кремния до 20 % Пыль мелкодисперсная с со- 150,0 150 держанием кремния до 20 % Пыль мелкодисперсная с со- 300,0 100 держанием кремния 50 %

∆T, K 30 20 0 0 20

H, м

Расстояние до границы жилого D, м массива x, м

50 60 100 100 100

2,5 3,0 6,0 6,0 4,0

500 500 700 500 400

20 50 20 30 0 30 20 0 0 20 20

100 70 120 75 80 50 60 100 100 100 100

4,0 3,0 4,0 3,0 2,5 2,5 3,0 6,0 6,0 4,0 4,0

400 600 800 500 600 500 500 700 500 400 400

50 20 30 0 30

70 120 75 80 50

3,0 4,0 3,0 2,5 2,5

600 800 500 600 500

20

60

3,0

500

0

100

6,0

700

37

Окончание табл. 8 № варианта 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30

Размеры трубы

Параметры выброса Вредные вещества в выбросе Пыль мелкодисперсная c содержанием кремния 50 % Сажа Углерода окись Углерода окись Азота окись Азота окись Азота окись

M, V, г/с м3/с 130,0 70

∆T, K 0

30,0 1000 800 800 500 400

50 50 20 30 0 0

200 200 100 75 100 50

H, м

Расстояние до границы жилого D, м массива x, м

100

6,0

500

70 70 120 75 80 70

3,0 3,0 4,0 3,0 2,5 2,0

600 600 800 500 600 400

Расчет проводится в следующем порядке. 3.2.1. По формулам (3) или (4) рассчитывают максимальную приземную концентрацию Сm при неблагоприятных метеорологических условиях и по формулам (8) или (9) определяют расстояние xm от источника до точки, в которой приземная концентрация достигает максимального значения. 3.2.2. Для точек, находящихся на оси выброса, рассчитывают по формуле (10) абсолютные C и приведенные C/ПДК концентрации. Результаты заносят в табл. 9. Таблица 9 Распределение концентрации загрязнителя по оси выброса Вещество – ..., ПДК=... Расстояние x, м

Концентрация Приведенная C, мг/м3 концентрация

Примечание. При заполнении таблицы целесообразно разбить расстояние xm на 10– 20 частей и выбрать полученное значение в качестве шага координатной сетки.

3.2.3. Оценивается ущерб, наносимый загрязнением атмосферы здоровью людей. Для точки с координатой xж.м, лежащей на оси выброса на границе жилого массива, используя данные табл. 7, рассчитывают Ki13, Ki23, Ki43 по формулам (36)–(38). 38

С помощью полученных значений вычисляют комплексный показатель загрязнения воздуха P по формуле (33). Увеличение общей заболеваемости R населения под влиянием суммарного загрязнения атмосферы рассчитывают по формуле (39). 3.2.4. Строят график зависимости концентрации C от расстояния x. Если на каком-либо участке значение концентрации превышает ПДК, то перед выбросом в атмосферу газовоздушная смесь должна подвергаться очистке. По формуле (13) рассчитывают требуемую эффективность η дополнительного оборудования для очистки выбросов. Необходимое для этого расчета значение ПДВ определяют по формулам (11) или (12) в зависимости от характера выброса. 3.2.5. В материалах, приведенных в разд. 2, выбирают аппаратуру для контроля параметров загрязнения воздуха и приводят ее описание. 3.3. Расчет загрязнения атмосферы выхлопными газами автомобилей

Цель задания: оценка ущерба здоровью людей в жилом массиве, примыкающем к автомагистрали. Взаимное расположение автомагистрали и жилого массива схематично показано на рис. 14.

Середина участка дороги

∆y

Жилой массив

∆x Точка контроля концентрации Рис. 14. Взаимное расположение автомагистрали и населенного пункта

39

Исходные данные (табл. 10): длина l участка автомагистрали; среднее число nк.п автомашин, проходящих в обоих направлениях за минуту; доля k автомобилей с бензиновыми двигателями в общем числе nк.п; координаты ∆x, ∆y и z контрольной точки относительно середины участка автомагистрали. Высота источника загрязнения H (расположение выхлопных труб автомобилей над полотном дороги) принимается равной 0,5 м. Расчет ведется для наиболее неблагоприятного направления ветра – от источника загрязнения в сторону жилого массива. Таблица 10 Исходные данные для расчета загрязнения атмосферы автомобильными выбросами № варианта

Длина участка дороги l, м

Среднее число машин в обоих направлениях nк.п,1/мин

Доля машин с бензиновыми двигателями k, %

∆x

∆y

z

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

1000 800 1000 500 1000 700 1000 300 700 500

60 100 30 60 60 120 10 20 60 30

100 50 70 100 50 100 50 100 100 40

50 50 100 20 50 100 50 20 50 30

150 0 0 100 0 300 0 100 200 0

2 2 2 5 5 2 10 2 2 2

Координаты контрольной точки, м

Расчет проводят в следующем порядке. 3.3.1. По формуле (19) рассчитывают количество топлива G, сжигаемого всеми автомашинами в единицу времени, а по формуле (14) с учетом данных табл. 3 определяют секундные выбросы CO, NO2 и соединений свинца. При расчетах количество автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями принимают с учетом параметров nк.п и k, приведенных в исходных данных. Результаты расчетов сводят в табл. 11. 3.3.2. Для каждого вредного вещества по формуле (21) определяют условную концентрацию Сусл. Результаты заносят в табл. 12. 3.3.3. По формулам (23)–(30) вычисляют безразмерные координаты µ1–µ4 и ν1–ν4, характеризующие смещение контрольной точки относительно центра источника загрязнения. 40

Таблица 11 Результаты расчета выброса вредных веществ автотранспортом Вид двигателя

Число автомашин, проходящих в единицу времени, nк.п, 1/мин

Расход топлива G, г/с

Бензиновый Дизельный Сумма

Количество выбрасываемых вредных веществ M, г/с CO NO2 Pb

3.3.4. По графикам на рис. 6 для вычисленных пар параметров µ и ν определяют соответствующие значения функции Ψ (Ψ1–Ψ4) и рассчитывают безразмерные параметры a и b. 3.3.5. По найденным значениям a и b из графика на рис. 5 определяют значение функции ϕ и по формуле (20) вычисляют абсолютные концентрации С вредных веществ в контрольной точке, а также их приведенные концентрации. Результаты заносят в табл. 12. Таблица 12 Результаты расчета концентрации Показатель

СО

Загрязняющее вещество Pb NO2

Суммарное количество выбрасываемого вещества М, г/с Условная концентрация Сусл, мг/м3 Концентрация С, мг/м3 Приведенная концентрация C/ПДК

3.3.6. Оценивают ущерб, наносимый загрязнением атмосферы здоровью людей. Для контрольной точки по формуле (33) вычисляют комплексный показатель загрязнения воздуха P с учетом параметров a, b, n и Ki b, определяемых по формулам (36)–(38) и данных табл. 9. Увеличение общей заболеваемости R населения под влиянием суммарного загрязнения атмосферного воздуха рассчитывают по формуле (39). 3.3.7. В материалах, приведенных в разд. 2, выбирают аппаратуру для контроля параметров загрязнения воздуха и приводят ее описание.

41

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Основы безопасности жизнедеятельности: Учеб. пособие/ В. И. Козаченко, Б. Ю. Кольцов, Л. А. Нейман, Б. И. Попов; СПбГААП. СПб., 1994. 82 с. 2. Указания по расчету рассеяния в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. СН 369-74. М.: Стройиздат, 1975. 24 с. 3. Эльтерман. В. М. Охрана воздушной среды на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с. 4. Пинигин М. А., Остапович И. К. Прогноз заболеваемости населения по комплексному показателю загрязнения атмосферного воздуха// Проблемы донозологической гигиенической диагностики: Сб. Л., 1989. С. 177. 5. Пинигин М. А. Гигиенические основы оценки суммарного загрязнения воздуха населенных мест// Гигиена и санитария. 1985. № 1. С. 66–69. 6. Климова Д. М., Кутепов Е. Н. Изменение состояния здоровья при различных уровнях загрязнения атмосферного воздуха// Проблемы донозологической гигиенической диагностики: Сб. Л., 1989. С. 129. 7. Перегуд Е. А., Горелик Д. О. Экспериментальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Химия, 1981. 8. Беккер А. А., Агаев Т. Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 9. Клименко А. П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. М.: Химия, 1978.

42

Оглавление Предисловие ........................................................................................................ 3 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ......................................................................... 4 1.1. Главные виды и источники загрязнения атмосферы .......................... 4 1.2. Нормирование загрязнений атмосферы ............................................... 6 1.3. Рассеяние промышленных выбросов через дымовые трубы ........... 8 1.4. Загрязнение атмосферы выхлопными газами автомобилей ............ 12 1.5. Определение ширины санитарно-защитной зоны ............................. 16 1.6. Оценка ущерба, наносимого загрязнением атмосферы здоровью людей ................................................................................. 16 2. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ .............................................................................. 19 2.1. Газоанализаторы .................................................................................. 19 2.2. Пылемеры ............................................................................................ 28 3. ВИДЫ ЗАДАНИЙ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ .......................................... 33 3.1. Расчет ширины санитарно-защитной зоны ........................................ 33 3.2. Расчет эффективности газоочистной установки .............................. 36 3.3. Расчет загрязнения атмосферы выхлопными газами автомобилей ........................................................................................ 39 Библиографический список ............................................................................. 42

43

Учебное издание

Козаченко Виктор Иванович Колобашкина Татьяна Владимировна Пожарова Тамара Андреевна Попов Борис Иванович Симонов Сергей Сергеевич Турубаров Владислав Ильич

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ Учебно-методическое пособие

Редактор А. Г. Ларионова Компьютерная верстка М. А. Даниловой Сдано в набор 20.11.02. Подписано к печати 18.03.03. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч. -изд. л. 2,7. Усл. кр.- отт. 2,7. Тираж 100 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Отдел электронных публикаций и библиографии библиотеки Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67