М.В. Горшков
Экологический мониторинг
Учебное пособие. – Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2010. – 313 с.

Курс лекций

Лекция 2. Приоритетные контролируемые параметры природной среды

2.1. Контроль качества воздуха

Одним из важнейших объектов мониторинга окружающей среды является атмосферный воздух [3, 14]. Устойчивость биосферы зависит от его чистоты, потому как трансграничные переносы газообразных веществ касаются жителей всей планеты. Загрязнение воздуха отрицательно влияет на растения, животных, людей, строения, различные материалы.

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.

В качестве наиболее распространенных и опасных загрязнителей выделены (А.И. Фёдоровым) восемь категорий загрязнителей: взвешенные вещества (они могут переносить другие загрязнители, растворённые в них или адсорбированные на их поверхности); углеводороды и другие летучие органические соединения; угарный газ; оксиды азота; оксиды серы (в основном диоксид); свинец и другие тяжёлые металлы; озон и другие фотохимические окислители; кислоты в основном серная и азотная.

Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ как в производственной (предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.), так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов. Основные термины и определения, касающиеся показателей загрязнения атмосферы, программ наблюдения, поведения примесей в атмосферном воздухе определены ГОСТом 17.2.1.03-84. «Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения». ПДК для наиболее распространённых токсикантов приведены в Приложении (табл. 1).

Предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДК_сс) – это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Таким образом, ПДК_сс рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина ПДК_сс может выступать в качестве «эталона» для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне.

Предложен ряд комплексных показателей загрязнения атмосферы (совместно несколькими загрязняющими веществами); наиболее распространенным и рекомендованным методической документацией МПР, является комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДК_сс и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний различных веществ:

,

где Y_i – единичный индекс загрязнения для i-ого вещества; q_cpi – средняя концентрация i-ого вещества; ПДК_cсi – ПДК_сс для i-ого вещества; c_i – безразмерная константа приведения степени вредности i-ого вещества к вредности диоксида серы, зависящая от того, к какому классу опасности  принадлежит загрязняющее вещество (для 1 – 1,7; для 2 – 1,3; для 3 – 1,0; для 4 – 0,9).

Для сопоставления данных о загрязненности несколькими веществами атмосферы разных городов или районов города комплексные индексы загрязнения атмосферы должны быть рассчитаны для одинакового количества (n) примесей. При составлении ежегодного списка городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы для расчета комплексного индекса Y_n используют значения единичных индексов Y_i тех пяти веществ, у которых эти значения наибольшие.

Одним из показателей также является прозрачность атмосферы. Данный показатель указывает на способность атмосферы пропускать электромагнитную энергию. Аэрозоли могут быть представленными различными дисперсными фазами: в виде пыли, дыма, тумана или смога:

Пыль – твёрдые частицы, диспергированные в газообразной среде;

Дым – аэрозоль, получающийся в результате конденсации газов;

Туман – жидкие частицы, диспергированные в газообразной среде;

Смог (от англ. smoke – дым, fog - туман) – конденсированный аэрозоль связанный с туманом.

Многие технологические процессы на предприятиях металлургической, химической, нефтехимической промышленности, в ряде цехов машиностроительных заводов, на многих других производствах сопровождаются поступлением вредных газов и паров в атмосферный воздух. Активным загрязнителем атмосферного воздуха является транспорт, в первую очередь, автомобильный.

Часто бывает затруднительно провести четкую границу между различными видами аэрозолей. Объясняется это тем, что аэрозольные системы состоят из частиц различного происхождения. Происходит к тому же непрерывное взаимодействие этих частиц, осаждение малых частиц на более крупные и т.д. Аэрозольная система не находится в неизменном состоянии. В результате взаимодействия частиц происходит их укрупнение, разрушение конгломератов, осаждение частиц и т.д.

Основным способом отбора воздуха является аспирационный способ, при котором воздух пропускается через сорбционное устройство (поглотительный сосуд, концентрационная трубка, фильтр) с помощью побудителя расхода воздуха с определённой скоростью.

При исследовании атмосферных загрязнений определяют как максимально разовые (отбор проб 30 минут), так и среднесуточные концентрации (круглосуточный отбор). Наблюдение за загрязнением атмосферы проводится на стационарных, маршрутных и передвижных (подфакельных) постах.

Большое количество аэрозолей образуется в результате естественных природных процессов. В среднем почвы и растительный мир дают свыше 40%, водная поверхность 10-20% всех атмосферных аэрозолей. Промышленные предприятия вносят 20%, а транспорт до 10% аэрозолей. По самым осторожным оценкам количество частиц ежегодно попадающих в воздушный бассейн Земли в результате деятельности человека достигает около 1 млрд. т. в год, что составляет 10% от всей массы загрязняющих веществ. Химический состав частиц различен, это диоксид кремния – песок, токсичные металлы, пестициды, углеводороды и др. Максимальный антропогенный вклад приходится на сульфаты.

Основной источник антропогенных аэрозолей – процесс горения. Энергетика и транспорт дают 2/3 общего количества антропогенных аэрозолей. Среди прочих источников аэрозолей – металлургические предприятия, производство строительных материалов, химические производства.

Известно, что аэрозоли способны изменять климат Земли. Высокодисперсные частицы промышленных выбросов являются ядрами конденсации в городах, это способствует повышению интенсивности осадков на 5-10% по сравнению с сельской местностью.

Кроме того, пыль может стать причиной разрушительных взрывов. Взрывоопасными в аэрозольном состоянии называются и такие «невинные» вещества, как чай, крахмал, сахар, мука, которые не являются взрывчатыми материалами, но в определенных условиях могут гореть настолько интенсивно, что порой процесс оканчивается взрывом.

Чем объясняется повышенная активность веществ, находящихся в аэрозольном состоянии? Внешняя поверхность пачки спрессованного чая массой 100 г равна 150 см², однако в аэрозольном состоянии из этой массы чая суммарная поверхность составит 300 м³, т.е. увеличится в 20 тыс. раз. Огромная поверхность аэрозольных частиц способствует активному окислению, в результате происходит быстрое и одновременное воспламенение аэрозолей, приводящее к взрыву. Особенно в этом отношении опасен аварийный выброс топлива.

Весьма распространённым и опасным аэрозолем является пыль. Пыль может быть классифицирована по нескольким признакам, в том числе по своему происхождению, т.е. по материалу, из которого она образована. В зависимости от происхождения различают пыль естественного происхождения и промышленную. Первая образуется в результате процессов, не связанных непосредственно с процессом производства, хотя во многих случаях имеется взаимосвязь между этим видом пылеобразования и хозяйственной деятельностью человека.

К пыли естественного происхождения относят пыль, образующуюся в результате эрозии почвы (на этот процесс, конечно, влияет деятельность человека), а также пыль, возникающую при выветривании горных пород, пыль космического происхождения и т.д. Естественное происхождение имеют также органические пылевидные частицы – пыльца, споры растений. К образующейся в результате эрозии почвы, обветривания горных пород и т.п. близка по составу пыль, возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других сооружений. С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться, главным образом, при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением его в вентилируемые помещения.

Промышленная пыль возникает в процессе производства. Почти каждому виду производства, каждому материалу или виду сырья сопутствует определенный вид пыли. Многие технологические процессы направлены на получение различных материалов, состоящих из мелких частиц, например, цемента, строительного гипса, муки и т.д. Совокупность этих частиц правильно называть пылевидным материалом. Соответствующей пылью (например, цементной, мучной и т.д.) обычно называют наиболее мелкие частицы этих материалов, разносимые потоками воздуха.

В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической и неорганической. В свою очередь органическая пыль бывает растительного (древесная, хлопковая, мучная, табачная, чайная и т.д.) и животного (шерстяная, костяная и др.) происхождения. Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная и др.) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая и др.).

Значительная часть промышленных пылей – смешанного происхождения, т.е. состоит из частиц неорганических и органических или, будучи органической, включает в себя частицы минеральной и металлической пыли. Например, зерновая пыль, кроме частиц, образующихся при измельчении зерна, содержит также минеральные частицы, попавшие в массу зерна при выращивании и сборе урожая. Пыль, выделяющаяся при шлифовании металлических изделий, кроме металлических частиц, содержит минеральные частицы, образующиеся при взаимодействии обрабатываемого металла и орудий его обработки (абразивного круга и т.д.). Это нужно учитывать при выборе методов очистки и пылеулавливающего оборудования.

Для оценки пыли важен такой показатель как дисперсность – степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц аэрозолей по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данный аэрозоль, и массу или количество частиц соответствующего размера. ГОСТ 12.2.043-80 подразделяет все пыли в зависимости от дисперсности на пять групп: I – наиболее крупнодисперсная пыль; II – крупнодисперсная пыль; III – среднедисперсная пыль; IV – мелкодисперсная пыль; V – наиболее мелкодисперсная пыль.

Для количественной характеристики запыленности воздуха в настоящее время используется преимущественно весовой метод (гравиметрия). Кроме того, существует счетный метод. Весовые показатели определяют массу пыли в единице объема воздуха. Это прямые методы измерения запыленности. Существует также группа косвенных методов измерения запыленности. Под косвенными методами понимают методы как с выделением пыли из воздуха, основанные на определении ее массы путем использования различных физических явлений (интенсивности излучения, электрического поля, оптической плотности и т.д.).

Наиболее распространенными является гравиметрический метод определения весовой концентрации пыли. Через аналитический фильтр просасывается определенный объем запыленного воздуха. Массу всей витающей пыли без разделения на фракции рассчитывают по привесу фильтра. Метод применяется для определения разовых и среднесуточных концентраций пыли в воздухе населенных пунктов и санитарно-защитных зон в диапазоне 0,04 – 10 мг/м³.

Другим, часто используемым, методом является газовая хроматография. ГХ – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении веществ между подвижной и неподвижной фазой, позволяет составить информационную модель для объекта наблюдения и прогнозировать изменения состояния природной среды. Основная задача хроматографического исследования – это полное разделение веществ за короткое время. Газовая хроматография пригодна для определения любых соединений, которые могут быть воспроизводимо определены. Этот метод пригоден для анализа любых типов проб воздуха окружающей среды при условии соответствующей их подготовки.

С помощью метода ГХ возможен анализ воздуха с целью обнаружения вредных примесей, в том числе аэрозолей, определение газов и веществ в неизвестном физическом состоянии (пары или аэрозоли), а также проведение производственного токсикологического анализа.

Загрязнение воздуха в результате поступления в него различного рода вредных веществ имеет ряд неблагоприятных последствий:

Санитарно-гигиенические последствия. Поскольку воздух является средой, в которой человек находится в течение всей жизни и от которой зависит его здоровье, самочувствие и работоспособность, наличие в воздушной средой порой даже небольших концентраций вредных веществ может неблагоприятно отразиться на человеке, привести в необратимым последствиям и даже к смерти.

Экологические последствия. Воздух является важнейшим элементом окружающей среды, находящимся в непрерывном контакте со всеми другими элементами живой и мертвой природы. Ухудшение качества воздуха вследствие присутствия в нем различных загрязнителей приводит к гибели лесов, посевов сельскохозяйственных культур, травяного покрова, животных, к загрязнению водоемов, а также к повреждению памятников культуры, строительных конструкций, различного рода сооружений и т.д.

Экономические последствия. Загрязнение воздуха вызывает значительные экономические потери. Запыленность и загазованность воздуха в производственных помещениях приводит к снижению производительности труда, потере рабочего времени из-за увеличения заболеваемости. Во многих производствах наличие пыли в воздушной среде ухудшает качество продукции, ускоряет износ оборудования. В процессе производства, добычи, транспортирования многих видов материалов, сырья, готовой продукции часть этих веществ переходит в пылевидное состояние и теряется (уголь, руда, цемент и др.), загрязняя в то же время окружающую среду. Потери на ряде производств составляют до 3-5 %. Велики потери из-за загрязнения окружающей среды. Мероприятия по уменьшению последствий загрязнения обходятся дорого.