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

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

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 С₁, С₂,…, С_n – фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе; ПДК₁, ПДК₂,…, 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; V₁– расход газо-воздушной смеси, м³/с, DТ – 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 V₁ определяется по формуле

^,

где D – диаметр устья источника выброса, м; W₀– 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 DТ » 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 W₀ , м/с, эквивалентного диаметра D_Э , м, и эквивалентного расхода V_1Э , м³/с, которые определяются как:

W₀= V₁ / L b ; D_Э = 2 L b / (L + b) ; V_1Э = π D_Э² / 4 W₀ ,

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 DТ » 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