книги / Промышленный экологический анализ

Из пестицидов, которые обычно распыляют с самолётов, особенно токсич­ ны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере обра­ зуются продукты ещё более токсичные, чем исходные соединения.

Так называемые «абразивные» частицы, к которым относятся диоксид кремния и асбесты, при респираторном проникновении в организм человека вызывают серьезные заболевания (например, силикозы). Загрязнения последне­ го класса, из которых наиболее важны сульфаты, нитраты и нитрозамины, яв­ ляются продуктами реакций первичных загрязнителей атмосферы. Например, обладающие выраженной канцерогенной активностью нитрозамины, найден­ ные, в частности, и в табачном дыме, образуются в атмосфере при взаимодей­ ствии аминов с оксидами азота. К потенциальным канцерогенам относят и та­ кие широко распространенные загрязнители воздуха, как полихлорбифенилы, которые обычно добавляют к пестицидам для усиления действия ядохимикатов. Источники эмиссии некоторых важных загрязнителей атмосферы и их концен­ трации в промышленности и сельских регионах приведены в табл. 3.1.

3.1.2. Рассеяние примесей в атмосфере

Степень загрязнения воздуха у земной поверхности обусловливается не только количеством выбрасываемых загрязняющих веществ, но и их распреде­ лением в пространстве и времени, а также зависит от метеорологических усло­ вий и параметров выхода пыле- и газовоздушной смеси. Примеси в атмосфере движутся благодаря молекулярной и турбулентной диффузии. Рассеяние за счет молекулярной диффузии незначительно. Турбулентная диффузия способствует более интенсивному переносу частиц.

Перенос загрязнений в атмосфере обусловливается двумя составляющими атмосферного движения: полем среднего ветра, переносящего загрязнение от одной точки к другой, и турбулентными движениями, которые рассеивают за­ грязнения относительно некоторого центра.

Движение атмосферного воздуха вблизи земли происходит под влиянием трения атмосферы о поверхность земли и эффекта дифференциального потока тепла на поверхность. Ветер оказывает непосредственное влияние на турбу­ лентность и перенос загрязнения. Движения атмосферы, важные для принятия инженерных решений, реализуются в планетарном пограничном слое.

Планетарный пограничный слой - часть атмосферы, располагающаяся ме­ жду поверхностью земли и свободной атмосферой, где движения в основном не подвержены влиянию приземного трения, охлаждения и нагревания поверхно­ сти земли. На рис. 3.1 показана область атмосферных движений в планетарном пограничном слое и дана примерная оценка их высот. В первых 50 - 150 м над поверхностью земли, в приземном пограничном слое, движение ветра сущест­ венно зависит от шероховатости земной поверхности и вертикального градиен­ та температуры, который в свою очередь зависит от температуры подстилаю­ щей поверхности.

В слое выше 100 м до высоты 500 - 1000 м наблюдается переходный слой. Воздушные течения в переходном слое зависят от воздействия приземного тре­ ния, градиентов плотности или температуры, скорости вращения земли. Выше планетарного пограничного слоя в свободной атмосфере ветер параллелен гра­ диенту давления с учетом влияния вращения земли, однако верхняя граница этого слоя может изменяться. Например, в случае, когда холодный воздух про­ ходит над теплой поверхностью,очень теплый весенний деньпри сильном солнеч­ ном сиянии, конвективные потоки от поверхности земли могут подниматься до

Рис. 3.1. Области атмосферных движений над поверхностью земли

высоты 3000 м. Следует добавить, что конвективная деятельность внутри грозы может нарушить понятие планетарного пограничного слоя. Большинство моде­ лей рассеяния в атмосфере, которые используются в настоящее время, не учи­ тывают таких интенсивных движений.

Ф акт оры , вл и я ю щ и е на дви ж ен ие ат м осф ерн ого воздуха в планет ар­ ном п огран ичн ом сл о е. Существенное влияние на движение атмосферы у по­ верхности земли и распространение примесей в атмосфере оказывает поверх­ ностное трение. Главное воздействие поверхностного трения - его влияние на профиль ветра, т. е. на изменение скорости и направления ветра с высотой над поверхностью земли. В атмосфере нет ламинарных потоков. В пределах слоя воздуха вблизи земли эффект вязкости преобладает. С удалением от поверхно­ сти земли напряжение сдвига становится частично турбулентным, частично вязким и, наконец, достаточно далеко от земли напряжение сдвига определяет­ ся главным образом турбулентными движениями. Слой, в котором вязкое на-

пряжение преобладает, очень тонкий. С увеличением скорости ветра над неко­ торой данной поверхностью или при заметном увеличении шероховатости под­ стилающей поверхности и постоянной скорости ветра может наступить такое состояние, когда эффект воздействия сил давления, связанный с вихреобразованием, возникающим от элементов шероховатости, станет преобладать над чисто вязкостным напряжением. Поток в таком случае, как говорят, становится аэродинамически шероховатым и вязкость больше не влияет на профиль. В этом случае профиль скорости зависит от параметра шероховатости. Порядок величины этого параметра меньше, чем действительная высота элемента шеро­ ховатости. Для таких поверхностей, как гладкая плоская поверхность, снег и даже короткая скошенная трава, типичные значения параметра шероховатости составляют менее 1 см, для травы высотой 4 - 5 см они превышают 1 см и уве­ личиваются до 10 см для травы высотой 60 - 70 см. На больших площадях, где имеются кусты, деревья, живые изгороди и тому подобные препятствия для ветрового потока, параметр шероховатости может увеличиться до 2 м.

Другой способ представления профиля скоро­ сти ветра в виде функции от высоты, который применяется для моделирования рассеяния приме­ сей в атмосфере, связывает скорость приземного ветра со скоростью ветра на высоте трубы описы­ вается степенным законом. На рис. 3.2 представ­ лен профиль скорости ветра, который показывает

целиком или частично обусловливается только собственной плавучестью, воз­ никающей при нагревании воздуха, непосредственно прилегающего к земной поверхности. Вынужденная конвекция - движение, которое навязывается дру­ гими причинами. При полностью вынужденной конвекции плавучесть не влияет на движение и коэффициент теплопередачи. Она возникает только тогда, когда земля много теплее проходящего над ней воздуха. Согласно климатологиче­ ским данным такие явления могут возникать только в 10 - 15 % времени. Одна­ ко за эти 10 - 15 % времени турбулентная структура атмосферы становится за­ метно отличающейся от обычной и рассеяние примеси, выброшенной в атмо­ сферу, сильно увеличивается в вертикальном направлении.

Вертикальная температурная структура вблизи земли зависит от нагрева и в свою очередь влияет на плотностную структуру атмосферы [2]. Способность поверхности земли поглощать или излучать тепло влияет на вертикальное распределение температуры. В обычных условиях температура у поверхности зем­ ли с подъемом вверх уменьшается. Температурный градиент составляет при­ мерно 1°С на 100 метров. Состояние атмосферы, характеризующееся отклоне­ ниями температурного градиента, называется температурной инверсией. Разли­ чают приземные и приподнятые инверсии. Приземные инверсии характеризу­ ются отклонениями температурного градиента непосредственно у поверхности земли, а приподнятые - появлением более теплого слоя воздуха на некоторой высоте от поверхности земли. Толщина инверсионного слоя может меняться так же, как и высота появления инверсий. В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, что ведет к ухудшению рассеивания и накоплению вред­ ных веществ в приземном слое. С температурными инверсиями связаны случаи массовых отравлений населения в периоды токсических туманов (долина р. Мане в Бельгии, Лондон, Лос-Анджелес).

Состояние атмосферы влияет на вид струи, выбрасываемой в атмосферу (рис. 3.3). Существуют определенные локальные эффекты, которые влияют как на траектории, так и на турбулентность поля ветра [2]. Один из таких локальных потоков, который может оказать влияние на траекторию вещества (примеси), - долинный поток. На рис. 3.4 представлена схема искривления долиной ветрово­ го потока при топографических препятствиях, одним из которых является доли­ на на равнинной территории, а другим - долина, проходящая через горный хре­ бет. Легко видеть, что загрязнения, попадающие в зону действия этих потоков, будут переноситься различным образом, даже если они первоначально попада­ ют в области одинаковых ветровых потоков. Далее можно видеть, что примесь, попавшая в долину, накапливается внутри долины. В условиях слабого гради­ ентного ветра наверху неравномерный нагрев долины может вызвать ветры, дующие по долине вниз ночью и вверх днем, а в редких случаях загрязнение внутри долины может накапливаться.

Второй тип возмущения локального ветрового потока - морской бриз, ко­ торый возникает вследствие разницы температур между сушей и водной по­ верхностью. На рис. 3.5 дана упрощенная иллюстрация бризовой циркуляции, которая устанавливается вблизи береговой черты. Примесь, перемешивающаяся внутри этой циркуляции, будет возвращаться и увеличивать загрязнение, кроме того, вероятно, что в действительности бризовая циркуляция не так проста. Воздушный поток, непрерывно движущийся параллельно поверхности земли, увеличивает диффузию в результате взаимодействия между воздухом, который дует над поверхностью воды, и воздухом, который подвергается воздействию

поверхности суши. Это вызывает увеличение перемешивания в некоторой дан­ ной неподвижной точке и, следовательно, приводит к высоким приземным кон­ центрациям, как это показано на рис. 3.6.

Третий важный фактор, влияющий на атмосферное загрязнение, - город, который часто действует как остров тепла, т. е. как область, имеющая более вы­ сокую поверхностную температуру, чем окружающая местность. Это справед­ ливо и летом, и зимой: летом вследствие поглощения солнечной радиации, а зимой вследствие генерации внутри зданий и в результате разного рода дея­ тельности людей, проживающих в городе. Это способствует возникновению восходящего движения воздуха у поверхности земли; следовательно, происхо­ дит перенос загрязнений внутрь города: слабое восходящее движение воздуха в центре и нисходящее движение загрязнений на окраине города. Это движение в верхней части общего потока может способствовать появлению более высоких концентраций на уровне земли, чем можно было ожидать вблизи города в дру­ гом случае.

Факторы, влияющие на распространение загрязнения воздуха. Ветер и турбулентные движения воздуха определяют распространение примесей в ат­ мосфере. Распространение эмиссии следует по направлению ветра. Ветер об­ ладает рассеивающим действием. Экспоненциальный рост скорости ветра спо­ собствует рассеиванию выбросов из высоких источников, вертикальные турбу­ лентные движения воздуха - быстрому распространению загрязняющих ве­ ществ в атмосфере. Инверсия, географические условия (горы, долины), за­ стройка являются причиной высокой концентрации вредных компонентов у по­ верхности земли.

Имеемся ряд процессов, которые также влияют на содержание примесей в атмосферном воздухе: подъем струи, химические взаимодействия, вымывание

аспекты этой проблемы при помощи одной единственной модели. В настоящее время пользуются двумя альтернативными подходами. Один из них - теория градиентного переноса. Этот подход основан на применении дифференциаль­ ного уравнения, описывающего адвективное и турбулентное движения в атмо­ сфере и их влияние на рассеяние атмосферной примеси. Второй подход - ста­ тистическая теория.

С точки зрения градиентного переноса диффузия в фиксированной точке пропорциональна градиенту концентрации. Свойства атмосферного движения рассматриваются в закрепленной (неподвижной) системе координат. Статисти­ ческие диффузионные теории рассматривают происходящие в атмосфере дви­ жения как движения центра облака рассеивающего вещества. Оба этих подхода рассматриваются как теории непрерывных движений и теории дискретных дви­ жений в зависимости от того, как моделируется движение частиц-как непре­ рывное или как дискретные шаги.

Математическое описание и коэффициенты теории градиентного переноса (К-теории) и статистической (гауссовой) теории дано в справочнике «Защиты атмосферы от промышленных загрязнений» под ред. С. Калверта, Г.М. Инглунда . (М., 1988).

3.1.3. Стандарты качества атмосферного воздуха

Атмосферные процессы превращения и взаимодействия загрязнителей, а также процессы разбавления, осаждения, адсорбции и абсорбции не предот­ вращают накопления в земной атмосфере токсичных веществ, влияние которых распространяется на большие территории. Это вызывает необходимость тща­ тельного и действительного контроля степени загрязнения воздуха с целью со­ хранения чистоты атмосферы. Степень загрязнения атмосферного воздуха сильно колеблется во времени и пространстве, причем эти колебания связаны с особенностями источников эмиссии загрязнителей (тип источника, природа и свойства загрязняющих воздух веществ, объем выброса) и с влиянием метеоро­ логических и топографических факторов (направление и скорость ветра, темпе­ ратурные инверсии, атмосферное давление, влажность воздуха, рельеф местно­ сти и расстояние до источника загрязнения).

Необходимость унификации единиц для характеристик степени загрязне­ ния атмосферного воздуха стала особенно очевидной в начале 70-х годов, когда в соответствии с программами ООН и других международных и национальных организаций по охране окружающей среды начали интенсивно разрабатывать методы контроля воздушных загрязнений и стандарты качества атмосферного воздуха. По рекомендации Всемирной организации здравоохранения и Всемир­ ной метеорологической организации для выражения степени загрязнения ат­ мосферного воздуха как унифицированные единицы приняты мкг/м ' или мг/м '

Для борьбы с загрязнением атмосферного воздуха необходимы стандарты качества воздуха (в нашей стране - предельно допустимые концентрации - ПДК), на базе которых осуществляются все мероприятия по сохранению чисто­ ты окружающей среды. Наличие стандартов качества воздуха позволяет на­ правлять усилия по оздоровлению атмосферного воздуха более рационально, те. на мероприятия в тех регионах, где уровень загрязнения воздуха превышает ПДК. В 1951 году в СССР впервые были установлены национальные стандарты в виде ПДК для наиболее часто встречающихся атмосферных загрязнений. В настоящее время в России нормировано содержание в атмосферном воздухе на­ селенных пунктов более 1300 токсичных химических соединений.

3.1.4. Особенности анализа и общие требования к методам аналитического контроля загрязнений воздуха

При разработки методов контроля за содержанием токсических веществ в воздухе необходимо руководствоваться следующими основными требованиями:

1) степень поглощения вредного вещества из воздуха фильтром или погло­ тителем (жидким или твердым) должна быть не менее 95 %;

2) погрешность в измерении объема отобранной пробы воздуха не должна превышать ± 10 %;

3)при определении количества вредного вещества в отобранной пробе до­ пускается погрешность до ±10 %;

4)максимальная суммарная погрешность при определении вредного веще­ ства в воздухе не должна превышать ±25 %;

5)чувствительность метода (предел обнаружения, мг/м3) должна обеспечи­ вать определение вредного вещества на уровне Ч2 ПДК (максимально разовой) при длительности отбора 30 мин;

6)избирательность метода должна обеспечивать достоверное определение анализируемого вещества в присутствии сопутствующих примесей;

7)при анализе необходимо использовать реагенты и препараты квалифи­ кации «химически чистый» и «чистый для анализа», не допускается использо­ вание технических образцов без специальной очистки;

8)реактивы и препараты используются в соответствии с их ГОСТами;

9)аппаратура и приборы, используемые для санитарно-химического кон­ троля, подлежат поверке и тарировке в установленном порядке.

При исследовании загрязнения атмосферы метод измерения концентраций вредных веществ должен обеспечивать определение их уровня 0,8 ПДК5,.Р с суммарной погрешностью ±25 % и отбором пробы воздуха от 20 до 30 мин при определении максимально разовой концентрации, а также круглосуточного от­ бора пробы при определении среднесуточной концентрации.