Методы охраны и регулирования качества воздушной среды

В течение всей жизни человек находится в среде воздуха, от качества которой зависит его здоровье, самочувствие, работоспособность. Воздух контактирует со всеми элементами природы. Ухудшение качества воздуха, из-за присутствия в нем различных загрязняющих веществ, ведет к гибели зеленых насаждений, загрязнению почв, водоемов и водотоков, к повреждению памятников культуры, конструкций зданий и сооружений. Промышленное производство, автотранспортная и другие виды деятельности людей сопровождаются выделением в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду города. В воздух поступают аэрозоли (пыль, дым), газы, пары, микроорганизмы и радиоактивные вещества. Качество воздушной среды ухудшается из-за присутствия в ней носителей неприятных запахов. Рассмотрим основные материальные загрязнители или примеси атмосферного воздуха города. Энергетические загрязнители будут рассмотрены в параграфе 4.6 данной главы.

Примесями атмосферного воздуха естественного происхождения являются продукты эрозии почвы, частицы морской соли, растительная пыль (в период цветения зеленых насаждений) и др. Антропогенные загрязнения более разнообразны. Обычно они создают определенные зоны загрязнения на территории города. Регулирование качества воздушной среды города осуществляется посредством установления нормативов качества атмосферного воздуха, нормативов воздействия на него и последующим контролем за соблюдением установленных нормативов.

Нормирование качества атмосферного воздуха. Нормирование содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест проводится по величинам их предельно допустимых концентраций (ПДК).

Различают максимально разовую (ПДК_м.р) и среднесуточную (ПДК_с.с) предельно допустимые концентрации. ПДК_м.р – это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна вызывать при вдыхании в течение 20…30 минут рефлекторных реакций со стороны рецепторов верхних дыхательных путей (ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек, задержка дыхания и т.п.). Предотвращение появления запахов, раздражающего действия и рефлекторных реакций у населения, а также острого влияния атмосферных загрязнений на здоровье в период кратковременных подъемов их концентрации обеспечивается соблюдением ПДК_м.р.

Предотвращение неблагоприятного влияния на здоровье населения при длительном поступлении атмосферных загрязнений в организм обеспечивается соблюдением их среднесуточной ПДК. ПДК_с.с – это максимальная среднесуточная концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека резорбтивного действия. Под резорбтивным действием понимают возможность развития общетоксических, гонадотоксических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов, возникновение которых зависит как от концентрации вещества в воздухе, так и от длительности его вдыхания.

Для отдельных веществ допускается использование ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ. ОБУВ - это временный гигиенический норматив максимально допустимого содержания загрязняющего вещества в атмосферном воздухе населенных мест. ОБУВ является нормативом предупредительного надзора. По истечении 3 лет он должен быть пересмотрен или заменен значением ПДК. Например, для тетраэтилсвинца, содержащегося в отработавших газах автотранспорта, ОБУВ составляет 3×10^-6 мг/м³.

Городскую пыль антропогенного происхождения могут составлять частицы золы, сажы, тяжелых металлов. В табл. 4.4 приведены ПДК взвешенных веществ в воздухе населенных пунктов [61].

Химические газообразные примеси разделяют на приоритетные, или основные, присутствие которых почти всегда наблюдается в городской среде, и специфические загрязнения, характерные для источников выбросов, расположенных именно в данном городе. К приоритетным относят, прежде всего, продукты сгорания топлива: оксид углерода (IV) СО₂, оксид углерода (II) СО, оксид серы (IV) SО₂, оксиды азота NО_x, углеводороды С_хН_у. Приоритетным газом считают озон О₃. Из специфических загрязнений, превышающих значение ПДК в воздухе г. Омска, следует назвать ацетальдегид, этилбензол. В гигиенических нормативах ГН 2.1.6.695-98 [61] приведены ПДК газо- и парообразных вредных веществ в воздухе населенных мест (табл. 4.5). Определены ПДК 589 веществ, загрязняющих населенные пункты. Приведен перечень 49 веществ, обладающих эффектом суммации и неполной суммации, а также перечень 38 веществ, выброс которых в атмосферный воздух запрещен, что обусловлено их чрезвычайно высокой биологической активностью.

Таблица 4.4

ПДК для взвешенных веществ (пылей) в мг/м³

Взвешенное вещество (пыль)	ПДКм.р	ПДКс.с	Класс опасности
Пыль, не идентифицированная по составу
Взвешенные вещества	0,5	0,15
Неорганические вещества
Углерод черный (сажа) Угольная зола ТЭС (щелочная, мелкодисперсная) Пыль асбестосодержащая (с содержанием хризотиласбеста до 10%) Свинец и его неорганические соединения Никель	0,15 0,05   -   0,001 -	0,05 0,02   0,06 волокон в 1мл воздуха 0,0003 0,001
Органические вещества, препараты бытовой химии
СМС «Лоск» СМС типа «Кристалл»	0,1 0,04	0,06 0,01
Биогенные вещества
Пыль хлопковая Пыль зерновая Пыль крахмала	0,2 0,5 0,5	0,05 0,15 0,15

Биологические примеси воздушной среды - это вирусы, бактерии, грибки, микроскопические клещи и др. микроорганизмы. Они способны существовать и развиваться на частицах пыли и, прежде всего на пыли биогенного происхождения, а также в капельках жидкости. В воздухе, лишенном взвешенных твердых и жидких частиц, микроорганизмы могут существовать лишь непродолжительное время. Они либо гибнут из-за отсутствия питательных веществ и воздействия ультрафиолетового излучения солнца, либо оседают на различных поверхностях, в том числе на одежде, кожных покровах, слизистых оболочках людей. В качестве ОБУВ для микроорганизмов рекомендуется значение, равное 4,0 10^-6 мг/м³ [62].

Таблица 4.5

ПДК загрязняющих веществ в воздухе населенных пунктов в мг/м³

Компонент загрязнителя	ПДКм.р	ПДКс.с	Класс опасности
Аммиак NH3 Оксид азота (II) NO Оксид азота (IV) NO2 Оксид серы (IV) SO2 Озон O3 Оксид углерода (II) CO Оксид углерода (IV) CO2 Ртуть (пары) Hg Сероводород H2S Формальдегид CH2O Этилбензол C8H10	0,2 0,4 0,085 0,5 0,16 5,0 - - 0,008 0,035 0,02	0,04 0,06 0,04 0,05 0,03 3,0 0,03…0,04 %* 0,0003 - 0,003 -

Примечание. * - норма в атмосфере.

Показатели и оценка состояния воздушной среды города. В жилой зоне и на других территориях проживания концентрации загрязняющих веществ не должны превышать 1 ПДК. В местах массового отдыха населения (дачных, садово-огородных участках, парках, городских пляжах, спортивных базах), а также на территориях размещения лечебно-профилактических учреждений длительного пребывания больных и центрах реабилитации концентрация загрязняющих веществ должна быть не более 0,8 ПДК [53]. Соблюдение нормативов 1 ПДК, а также 0,8 ПДК обеспечивается с учетом суммации биологического действия веществ и продуктов их трансформации в атмосфере.

Для веществ, обладающих суммацией вредного воздействия, сумма их относительных концентраций не должна превышать единицу:

,

где С ₁, С ₂ ,…, С_n – фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе; ПДК ₁, ПДК ₂ ,…, ПДК_n – предельно допустимые концентрации тех же веществ.

Одним из показателей оценки воздушной среды города является фоновая концентрация загрязняющего вещества [63], которая создается всеми источниками выбросов на территории, в месте расположения пункта наблюдения. За величину фоновой концентрации принимается статистически достоверная максимально разовая концентрация по данным наблюдений за 5 лет. За период наблюдений не должны измениться:

· методика отбора и анализа проб воздуха;

· место расположения поста, по данным которого рассчитывается фон;

· характер застройки вблизи поста;

· характер выбросов ближайших источников (в радиусе до 5 км от поста).

Число наблюдений за концентрацией примеси на одном посту за 5 лет должно быть не менее 800. Расчет фона производится с учетом направления и скорости ветра. Фоновые концентрации вредных веществ определяются по месту расположения постов и в целом по городу.

Для комплексной оценки уровня химического загрязнения атмосферного воздуха города используется индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), который позволяет учитывать вклад в загрязнение многих веществ и представить уровень загрязнения одним числом [64]. При этом учитывается класс опасности вещества, а его фактическая среднегодовая концентрация приводится к степени загрязнения воздуха оксидом серы (IV), исчисляясь в долях ПДК оксида серы. Оксид серы SO₂ выбран как один из повсеместно распространенных загрязнителей. Он обладает коррозийной активностью, чем наносит ущерб объектам техники и культуры. Оксид серы SO₂ токсичен по отношению к человеку и растениям. ИЗА рассчитывается по формуле

^,

где С_i – среднегодовая концентрация i -го загрязняющего вещества; ПДК_с.с.i – его среднесуточная предельно допустимая концентрация; К_i – безразмерный коэффициент, необходимый для приведения степени загрязнения воздуха i -м веществом к степени загрязнения воздуха оксидом серы. Значения К_i принимаются равными 0,85; 1,0; 1,3; 1,5 для концентраций веществ 4, 3, 2, 1 классов опасности соответственно. Для сопоставления значений ИЗА для разных городов или разного интервала времени в одном городе их рассчитывают для одинакового количества веществ. В России расчет значений ИЗА принято проводить по 5 наиболее весомым загрязняющим веществам. Для большинства регионов страны к ним относят: взвешенные вещества, оксиды азота, оксид серы (IV), бенз(а)пирен, озон, формальдегид, фенолы, свинец и др.

В зависимости от значений ИЗА загрязнение воздушной среды города может быть низким (0…5), повышенным (5…7), высоким (7…14) и очень высоким (14…21). В 2000 г. загрязнение атмосферного воздуха в г. Омске было высоким (среднегодовая величина ИЗА = 13) [33].

Для определения общего уровня загрязнения атмосферного воздуха, помимо приборных методов, используются методы биоиндикации. Метод с использованием лишайников называется методом лихеноиндикации (от лат. «лихенес» - лишайник). Показателем комплексного загрязнения воздушной среды может служить другой индикаторный вид – сосна (по определению классов повреждения и усыхания, а также продолжительности жизни хвои).

Опасную экологическую обстановку в городе, требующую принятия срочных мер по устранению причин её возникновения, вызывают высокий и экстремально высокий уровни загрязнения воздушной седы. Критерием высокого загрязнения атмосферного воздуха является содержание одного или нескольких веществ, превышающее ПДК_м.р в 10 и более раз. Критерием высокого радиоактивного загрязнения атмосферного воздуха является 5-кратное увеличение концентрации β-активности приземного слоя воздуха.

Критериями экстремально высокого загрязнения атмосферного воздуха являются следующие показатели:

· содержание одного или нескольких веществ, превышающее ПДК_м.р: в 20…29 раз при сохранении этого уровня более 2-х суток; в 30…49 раз при сохранении этого уровня от 8 ч и более; в 50 и более раз;

· визуальные и органолептические признаки: появление устойчивого, не свойственного данной местности (сезону) запаха; резь в глазах, слезотечение, привкус во рту, затрудненное дыхание, рвота, выпадение подкрашенных дождей и др.

Экстремально высокое радиоактивное загрязнение атмосферного воздуха характеризует концентрация суммарной β-активности в атмосферном воздухе выше 0,037 Бк/ м³.

Регулирование воздействия от стационарных источников загрязнения воздуха. Регулирование качества и охрана атмосферного воздуха от выбросов предприятий жилищно-коммунального хозяйства и промышленности города осуществляется посредством установления нормативов ПДВ и размеров санитарно-защитных зон (СЗЗ). ПДВ от отдельного источника или от совокупности всех источников выбросов предприятия в целом устанавливаются исходя из условия, что концентрация каждого вредного вещества в приземном слое, с учетом фонового загрязнения местности, не должна превышать его норматива ПДК_м.р. Нормативы ПДВ устанавливаются на основании расчетов рассеивания в атмосфере вредных веществ, выбрасываемых из источников.

Расчеты максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ проводятся по методике ОНД-86 [52]. В расчетных формулах учитываются размеры и конфигурация источника выбросов, условия вывода из источника газовоздушной смеси, рельеф и климатические условия местности. Концентрации рассчитываются на высоте 2 м от поверхности земли.

Величина максимальной приземной концентрации вредного вещества С_м , мг/м³, для точечного источника с круглым устьем при выбросе нагретой газовоздушной смеси определяется по формуле

^,

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания атмосферных примесей; М – количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; h - коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; Н – высота источника выброса над уровнем земли, м; V ₁– расход газо-воздушной смеси, м³/с, D Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в , ⁰С.

Коэффициент А принимает значения 140, 160, 180, 200, 250 в зависимости от места расположения района на территории России. Для Сибири, Нижнего Поволжья, Дальнего Востока, Кавказа А = 200; для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Ивановской областей А = 140.

Для газообразных веществ F = 1, для пыли без очистки F = 3. При коэффициенте очистки не менее 90% F = 2, при 75…80% F = 2,5. В случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, h = 1. Расход газовоздушной смеси V ₁ определяется по формуле

^,

где D – диаметр устья источника выброса, м; W ₀– средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с.

Температура окружающего атмосферного воздуха Т_в принимается равной средней температуре в 13 часов наиболее жаркого месяца года.

Коэффициенты m и n определяются в зависимости от параметров:

, , , f_e = 800 (V ^′_м)³.

Коэффициент m определяется по формулам:

при f < 100,

m = 1,47/ при f ≥ 100.

Для f_e < f < 100 значение коэффициента m вычисляется при f = f_e.

Коэффициент n при f < 100 рассчитывается по формулам:

n = 1 при V_м ³ 2;

n = 0,523 V ² _м – 2,13 V_м +3,13 при 0,5 £ V_м < 2;

n = 4,4 V_м при V_м < 0,5.

Для холодных выбросов, когда D Т» 0, V ^′_м ≥ 5 и в случае f ³ 100 расчет С_м производится по формуле

^,

где для определения коэффициента n вместо V_м используется значение V ^′_м.

При f < 100 и V_м < 0,5 или f ³ 100 и V ^′_м < 5 (случаи предельно малых опасных скоростей ветра) расчет С_м ведется по формуле

^,

где m^′ = 2,86 m при f < 100, V_м < 0,5;

m^′ = 0,9 m при f ³ 100, V ^′_м < 0,5.

Для источника с прямоугольным устьем значение С_м определяют по указанным формулам с использованием значений средней скорости W ₀ , м/с, эквивалентного диаметра D_Э , м, и эквивалентного расхода V _{1 Э} , м³/с, которые определяются как:

W ₀ = V ₁ / L b; D_Э = 2 L b / (L + b); V _{1 Э} = π D_Э ² / 4 W ₀,

где L - длина устья, b - ширина устья.

Расстояние х_м , м, от источника выбросов, на котором приземная концентрация вредного выброса при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения С_м (рис. 4.4), определяется по формуле

,

где безразмерный коэффициент d при f < 100 определяется как:

при V_м £ 0,5;

при 0,5< V_м £ 2;

при V_м > 2.

При f > 100 или D Т» 0 значение d находится по формулам:

d = 5,7 при V ^′_м ≤ 0,5;

d = 11,4 V ^′_м при 0,5< V ^′_м ≤ 2;

d = 16 при V ^′_м > 2.

Рис. 4.4. Изменение концентрации загрязняющего вещества