Загрязнений в атмосферном воздухе

Степень загрязнения атмосферного воздуха сильно колеблется во времени и пространстве. В одной и той же точке территории в короткие промежутки времени могут появляться относительно высокие концентрации при относительно низких средних уровнях. Чем длительнее время усреднения, тем ниже концентрация. Для гигиенической оценки степени загрязнения атмосферного воздуха имеют значение как средние уровни, определяющие длительное резорбтивное действие загрязнений, так и относительно кратковременные пиковые концентрации, с которыми связано появление запахов, раздражающего действия на слизистые оболочки дыхательных путей и глаза. В связи с этим для гигиенической оценки степени загрязнения воздуха недостаточно знать только концентрацию, а надо установить, за какое время усреднения эта концентрация получена. В нашей стране для характеристики степени загрязнения атмосферы приняты максимальные разовые концентрации, т.е. достоверные максимальные концентрации, появляющиеся в конкретной точке территории за 20-30 минутный период, и среднесуточные, т.е. средняя концентрация за 24ч. Таким образом, характеризуя степень загрязнения атмосферного воздуха, мы используем максимальные разовые или среднесуточные концентрации, что позволяет вести оперативный контроль за загрязнением атмосферного воздуха

Степень загрязнения атмосферного воздуха зависит от множества различных факторов и условий:

1.количества выбросов вредных веществ (различают мощные, крупные, мелкие производства

К мощным источникам загрязнения относятся производства типа металлургических и химических заводов, заводов строительных материалов, тепловые электростанции. Большое количество мелких источников может значительно загрязнять воздух. Чем больше величина выброса в единицу времени, тем больше при прочих равных условиях загрязняющих веществ поступает в воздушный поток и, следовательно, создается в нем более высокая концентрация загрязнений. Прямо пропорциональной зависимости между величиной выброса и концентрацией нет, так как на уровень концентрации загрязнителя оказывают влияние и другие факторы, степень влияния которых в разных случаях бывает различной.

Величина выброса является главным фактором, определяющим уровень приземной концентрации. В связи с этим при гигиенической оценке источников загрязнения атмосферы санитарного врача должна интересовать количественная характеристика каждого компонента выброса. Выражается выброс в единицах на единицу времени (кг/сут, г/с, т/год) или других единицах, например кг/т продукции, мг/м³ промышленного выброса. В этом случае необходим пересчет на единицу времени с учетом количества получаемой продукции за час, сутки и т.д. или максимальный объем отходящих газов за конкретный временной интервал.

Загрязняющие вещества поступают в атмосферу как организованный или неорганизованный выброс. К организованным выбросам относятся хвостовые газы, абгазы,газы аспирационных и вентиляционных систем. Хвостовые газы образуются в конечной стадии производственного процесса и характеризуются, как правило, сравнительно высокими концентрациями и значительной абсолютной массой загрязняющих веществ. В атмосферу выброс поступает через трубу. Типичным примером хвостовых газов являются дымовые газы котельных и электростанций.

Абгазы образуются в промежуточных стадиях производственного процесса и удаляются специальными абгазовыми линиями. Так как назначение этих технологических линий состоит в выравнивании давления в различных замкнутых аппаратах, сбросе газов при нарушениях технологического процесса и необходимости быстро освободить аппаратуру, абгазы характеризуются периодичностью выброса, небольшим объемом при относительно высоких концентрациях загрязняющих веществ. Особенно много выбрасывается абгазов на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Газы аспирационных систем образуются в результате работы местной вентиляции из различных укрытий (кожухи, камеры, зонты) и характеризуются относительно высокими концентрациями. Вентиляционные системы часто удаляют воздух из цехов через аэрационные фонари. Вентиляционные выбросы характеризуются огромными объемами и малыми концентрациями загрязняющих веществ, что затрудняет их очистку. В то же время общая масса загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, может быть достаточно большой.

Неорганизованный выброс образуется за счет внецехового оборудования и сооружений и при выполнении наружных работ. К ним относятся погрузочно-разгрузочные работы пылящих и испаряющихся сырьевых материалов и готовой продукции, открытое хранение пылящих материалов и готовой продукции, открытое хранение пылящих материалов и испаряющихся жидкостей, градирни, шламохранилища, отвалы отходов, открытые каналы сточных вод, неплотности стыков и сальников наружных технологических линий и т.д. Особенность таких выбросов состоит в том, что они плохо поддаются количественному учету. В то же время практика подтверждает высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха территорий, прилегающих к предприятиям, характеризующимся наличием неорганизованных выбросов.

Классифицировать выбросы на организованные и неорганизованные необходимо и потому, что первые в полном объеме должны учитываться при прогнозировании загрязнения атмосферного воздуха, а санитарный врач как в порядке предупредительного, так и текущего санитарного надзора обязан уметь проверить полноту учета выбросов в расчете. Имеются предпосылки и для учета неорганизованных выбросов в ближайшем будущем.

Для качественной и количественной характеристики выбросов используются прямые и косвенные методы. Прямые методы основаны на измерении концентрации загрязнителя в организованных выбросах и расчета на этой основе массы загрязнителя за единицу времени. В основу косвенных методов положен материальный баланс, учитывающий необходимые сырьевые и образующиеся продукты.

Прямые методы определения выброса используются, как правило, на предприятиях с превалирующим значением организованных выбросов. Эти определения производятся специализированной организацией или лабораторией предприятия. Косвенные методы лучше использовать на предприятиях, характеризующихся и неорганизованными выбросами. Материальный баланс является частью технологического регламента. Прямые и косвенные методы определения выбросов должны использоваться предприятием для инвентаризации источников загрязнения атмосферы.

П.Их химического состава (различают по составу выбросов 5 класса производства по опасности).

Большое влияние на величину выброса оказывает эффективность работы очистных сооружений. Так, снижение эффективности с 98 до 96:, т.е. всего на 2%, увеличивает выброс в 2 раза. В связи с этим при оценке источников загрязнения атмосферы санитарный врач должен знать как проектный, так и реальный коэффициенты очистки и для оценки использовать последний.

Ш.высоты, на которой осуществляются выбросы (низкие, средней высоты, высокие). Под низкими источниками выброса считают те производства, которые осуществляют выбросы из труб, высота которых ниже 50м и под высокими – выше 50м. Нагретыми, называют выбросы, у которых температура газовоздушной смеси выше 50⁰С, при более низкой температуре выбросы считаются холодным.

Чем выше от поверхности земли осуществляется выброс загрязняющих веществ, тем при прочих равных условиях ниже их концентрация в приземном слое. Снижение концентрации с повышением высоты выброса связано с двумя закономерностями распределения загрязнений в факеле: снижением концентрации вследствие увеличения поперечного сечения факела и удалением от его осевой линии, несущей основную массу загрязнений, от которой они распространяются к периферии факела. Имеют значение и более высокие скорости ветра над устьем высокой трубы,так как ослабляется тормозящее влияние поверхности земли. Высокая труба не только снижает уровень приземной концентрации, но и удаляет начало зоны задымления. Вместе с тем следует учитывать, что высокая труба увеличивает радиус задымления, хотя и при более низких концентрациях. Зона максимального загрязнения, хотя и при более низких концентрациях. Зона максимального загрязнения находится в пределах расстояния, равного 10-40 высотам трубы при нагретых высоких выбросах и 5-20 высотам – при холодных и низких. В связи со строительством высоких труб (180-320 м) дальность влияния отдельных источников может составлять 10 км и более. Для высоких источников при отсутствии неорганизованных выбросов имеется зоны переброса, так как точка касания факелом поверхности земли тем дальше, чем выше труба.

1У. Климатогеографических условий, определяющих перенос, рассеивание и превращение выбрасываемых веществ:

1.Направления и скорости ветра

2.условий переноса и распространения выбросов в атмосфере (температурной инверсии, барометрического давления в атмосфере и т.д.)

3.интенсивности солнечной радиации, определяющей фотохимические превращения примесей и возникновение вторичных продуктов загрязнения воздуха

4.количества и продолжительности атмосферных осадков, приводящих к вымыванию примесей из атмосферы, а так же от степени влажности воздуха.

При одном и том же абсолютном выбросе степень загрязнения атмосферного воздуха может меняться в зависимости от метеорологических факторов, так как рассеивание выбросов происходит под влиянием турбулентности, т.е. перемешивания различных слое воздуха. Турбулентность связана с притоком тепла, излучаемого солнцем и достигающим земной поверхности, и имеет свои закономерности переноса воздушных масс в зависимости от широты и времени года. Среди метеорологических факторов заслуживают особого рассмотрения направление и скорость ветра, температурная стратификация атмосферы и влажность воздуха.

Вследствие непрерывного изменения направления ветра наблюдательная точка то попадает в факел выброса источника загрязнения, расположенного вблизи этой точки, то выходит из него. Поэтому уровень загрязнения меняется с изменением направления ветра. Эта зависимость имеет важное значение для санитарной практики при решении вопросов размещения промышленных предприятий в плане города и выделении промышленной зоны.

На этой закономерности «поведения» промышленных выбросов в приземном слое атмосферы основаны санитарные требования к функциональному зонированию территории населенных мест с размещением промышленных предприятий подветренно от селитебной территории, т.е. чтобы господствующее направление ветра было с селитебной территории на промышленное предприятие.

Особое значение эта зависимость приобретает в практической деятельности санитарной службы крупных промышленных центров при решении вопроса о ведущих источниках загрязнения. Очень показательна для анализа санитарной ситуации диаграмма, построенная по принципу розы ветров и названная поэтому «роза задымления» (В.А.Рязанов).

Для построения розы задымления необходимо располагать результатами систематических наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха не менее чем за год. Все данные разбиваются на группы в соответствии с направлением ветра в период отбора проб. Для каждого направления ветра подсчитываются средние концентрации, по которым в произвольном масштабе строится график. Выступающие вершины графика указывают на основной источник загрязнения воздуха данной территории. Для каждого загрязнителя строится отдельный график. Как пример построения розы задымления приведены в табл.2 и на рис. 1. На основании результатов систематических наблюдений одного из промышленных центров страны. Концентрация загрязнителей в период штилей составляла 0,14 мг/м³

Таблица 2

Зависимость концентрации сернистого газа от направления ветра

Рис.1 «Роза задымления»

Вершина указывает направление ведущего источника (С-В)

Из приведенных данных видно, что основной источник загрязнения воздуха сернистым газом находится к востоку от изученной территории. На том же принципе основана методика определения фоновых концентраций, но с учетом скорости ветра и по 4 градациям стран света. Определение фоновых концентраций с учетом направления ветра помогает объективно решать вопросы о размещении промышленных предприятий в плане города, т.е. не размещать их в направлениях, ветры которых приносят наивысшие уровни загрязнения.

Если бы концентрации загрязнений зависели только от величины выброса и направления ветра, то они не изменялись бы при неизменном выбросе и направлении ветра. Однако основное значение имеет процесс разбавления выброса атмосферным воздухом, в котором большую роль играет скорость ветра. Чем выше скорость ветра, тем интенсивнее перемешивание выброса с атмосферным воздухом и тем ниже при прочих равных условиях, концентрация загрязнений. Высокие концентрации обнаруживаются в период штиля.

Скорость ветра способствует переносу и рассеиванию примесей, так как с усилением ветра в районе высоких источников возрастает интенсивность перемешивания воздушных слоев. При слабом ветре в районе высоких источников выброса концентрации у земли уменьшаются за счет увеличения подъема факела и уноса примеси вверх.

При сильном ветре подъем примеси уменьшается, но происходит возрастание скорости переноса примеси на значительные расстояния. Максимальные концентрации примеси наблюдаются при некоторой скорости, кот орая называется опасной и зависит от параметров выброса. Для мощных источников выброса с большим перегревом дымовых газов, относительно окружающего воздуха, она составляет 5-7 м/с. Для источников со сравнительно малым объемом выбросов и низкой температурой газов она близка к 1-2 м/с.

Неустойчивость направления ветра способствует усилению рассеивания по горизонтали и концентрации примесей у земли уменьшаются.

Санитарный врач должен использовать эту закономерность. При решении вопросов отвода участка под строительство промышленного предприятия, рассмотрении материалов по реконструкции существующего предприятия важно учитывать как направление, так и скорость ветра, в частности чтобы «опасная» скорость ветра для рассматриваемого источника не совпадала с часто встречающейся в направлении от источника на селитебную территорию.Важно учитывать эту закономерность и при организации лабораторного контроля.

Рассеивающая способность атмосферы зависит от вертикального распределения температуры и скорости ветра. Например, чаще всего неустойчивое состояние атмосферы наблюдается летом в дневное время. При таких условиях у земной поверхности отмечаются большие концентрации

Большое влияние на разбавление промышленных выбросов оказывает т е м п е р а т у р н а я с т р а т и ф и к а ц и я а т м о с ф е р ы. Способность поверхности земли поглощать или излучать тепло влияет на вертикальное распределение температуры в приземном слое атмосферы. В обычных условиях с подъемом вверх температура падает. Этот процесс рассматривается как адиабатический, т.е. протекающий без притока или отдачи тепла: поднимающийся поток воздуха будет охлаждаться за счет увеличения объема вследствие уменьшения давления и, наоборот, опускающийся поток будет нагреваться благодаря увеличению давления. Изменение температуры, выраженное в градусах на каждые 100 м подъема вверх, называется температурным градиентом. При адиабатическом процессе температурный градиент составляет примерно 1^0С.

Бывают периоды, когда с увеличением высоты температура падает быстрее, чем на 1⁰С на 100 м, в результате чего теплые массы воздуха от нагретой солнцем поверхности земли поднимаются на большую высоту, что сопровождается быстрым опусканием холодных потоков воздуха. Такое состояние, относящееся к сверхдиабатическому градиенту температуры, называют конвективным. Оно характеризуется сильным перемешиванием воздуха.

В реальных условиях температура воздуха с высотой не всегда падает и вышележащие слои воздуха могут иметь более высокую температуру, чем нижележащие, т.е. возможно извращение температурного градиента.

Состояние атмосферы с извращенным температурным градиентом носит название температурной инверсии. В периоды инверсий ослабляется турбулентный обмен,в связи в чем ухудшаются условия рассеивания промышленных выбросов, что может приводить к накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Различают приземные и приподнятые инверсии. Приземные инверсии характеризуются извращением температурного градиента у поверхности земли, а приподнятые – появлением более теплого слоя воздуха на каком-либо расстоянии от поверхности земли.

В случае приподнятой инверсии приземные концентрации зависят от высоты источника загрязнения по отношению к их нижней границе. Если источник располагается ниже слоя приподнятой инверсии, то основная часть примеси концентрируется вблизи поверхности земли.

В слое инверсии практически становятся невозможны вертикальные токи воздуха, так как снижается коэффициент турбулентной диффузии, в результате чего выброс под слоем инверсии не может подниматься вверх и распределяется в приземном слое. Поэтому температурные инверсии, как правило, сопровождаются значительным увеличением концентрации загрязнений в приземном слое. Как известно, массовые отравления населения в долине Маас, а также в Доноре м Лондоне наблюдались в период устойчивой температурной инверсии, продолжавшейся несколько суток. Чем длительнее инверсия, тем выше концентрации атмосферных загрязнений, потому что накопление атмосферных выбросов происходит в ограниченном, как бы замкнутом, пространстве атмосферы.

Большое значение имеет не только длительность, но и высота инверсии. Естественно, что низкие приземные (до 15-20м) и очень приподнятые (выше 600м) инверсии могут не оказывать существенного влияния на уровень концентраций: первые – вследствие того, что высота выброса некоторых источников загрязнения может находиться над слоем инверсии и она не будет препятствовать их рассеиванию, а вторые – потому, что при очень приподнятых инверсиях слой атмосферы под ними оказывается достаточным, чтобы разбавить промышленные выбросы.

Таким образом, вертикальный температурный градиент является важнейшим фактором, определяющим интенсивность процессов перемешивания загрязнений с атмосферным воздухом и имеющим большое практическое значение. Например, если в каком-то районы часты приземные инверсии в слое 150-200 м, то строительство труб высотой 120-150м не имеет смысла, так как-это не окажет влияния на снижение концентраций в периоды инверсий. Целесообразно строительство трубы выше 200 м. Если часты приподнятые инверсии на высоте 300-400 м, то строительство трубы даже высотой 250 м не будет способствовать снижению концентраций в период инверсии.

Накопление вредных выбросов в приземном слое в период приземных инверсий будет происходить при низких выбросах. Особенно возрастают концентрации загрязнений в случае расположения приподнятых инверсий непосредственно над источником выброса, т.е. устьем трубы. Санитарный врач должен знать особенности температурной стратификации атмосферы обслуживаемой территории, чтобы учитывать их при решении вопросов предупредительного и текущего надзора в гигиене атмосферного воздуха.

В связи с изменениями температурно-радиационного режима воздуха городской территории над городом более вероятно образование инверсий по сравнению с окрестными территориями. В холодный период года наблюдаются более частые и длительные инверсии. Температурный градиент изменяется не только по сезонам, но и на протяжении суток. Вследствие охлаждения поверхности земли лучеиспусканием нередко образуются ночные инверсии, чему благоприятствуют ясное небо и сухой воздух. Ночные инверсии могут возникать и в летнее время, достигая максимума в ранние утренние часы.

Нередко инверсии образуются в долинах между возвышенностями. Спускающийся в них холодный воздух подтекает под более теплый воздух долины и образуется «озеро» холода. В таких условиях решение вопроса о размещении промышленных предприятий оказывается особенно трудным.

Наиболее высокие концентрации атмосферных загрязнений наблюдаются при низких температурах в период зимних инверсий.

Определенное значение для распределения загрязнений в приземном слое атмосферы имеет влажность воздуха. Для большинства загрязнителей имеется прямая зависимость, т.е. с ростом влажности возрастают их концентрации. Исключение составляют лишь соединения, способные гидролизоваться. Особенно высокие концентрации атмосферных загрязнений отмечаются в периоды туманов. Связь уровня загрязнения и влажности объясняется тем, что в городской атмосфере имеется значительное количество гигроскопических частиц, конденсация влаги на которых начинается при относительной влажности меньше 100%. В связи с утяжелением частиц за счет конденсации влаги они опускаются и концентрируются в более узком слое приземной атмосферы. Газообразные загрязнения, растворяясь в конденсате частиц, также накапливаются в нижних слоях атмосферы.

Таким образом, при одном и том же выбросе уровень приземной концентрации загрязнителей может существенно меняться в зависимости от метеорологических условий.

Существенное влияние на рассеивание выбросов оказывает сам город, изменяющий температурно-радиационный, влажностный и ветровой режимы. С одной стороны, город представляет «остров тепла», в результате чего возникают местные конвективные восходящие и нисходящие потоки, с другой- в условиях города чаще возникают туманы (часто за счет загрязнения его), что ухудшает рассеивание загрязнений. Направление и скорость ветра деформируются за счет изменения подстилающей поверхности и экранирующего влияния высоких зданий. В таких условиях непригодны расчеты, созданные для равнинной местности, и используются специальные методы расчета с учетом аэродинамической тени, создаваемой зданиями.

На рассеивание примесей в условиях города существенно влияет планировка улиц, их ширина, направление, высота зданий, наличие зеленых массивов и водных объектов.

Поэтому даже при постоянных промышленных и транспортных выбросах в результате влияния метеорологических условий уровни загрязнения воздуха могут различаться в несколько раз.

Определенную роль в освобождении атмосферы от загрязнений играет зеленая растительность вследствие как механической сорбции на поверхности, так и химического связывания некоторых соединений.

У1.На распространение примеси влияет рельеф местности. На наветренных склонах при ветре образуются восходящие движения воздуха, а подветрен ных склонах – нисходящие. Над водоемами летом образуются нисходящие потоки движения воздушных масс. В нисходящих потоках приземные концентрации увеличиваются, при восходящих потоках- уменьшаются. В некоторых формах рельефа, например в котлованах, воздух застаивается, что приводит к накоплению токсинов от низких источников выбросов. В холмистой местности максимумы приземной концентрации примеси обычно больше, чем при отсутствии неровностей рельефа.

Влияние неровностей местности на уровень приземной концентрации связано с изменением характера движения воздуха, что приводит к изменению поля концентраций. В низинах наблюдаются явления застоя воздуха, что повышает опасность накопления загрязнений. При высоте отметок 50-100 м с углом наклона 5-6⁰ отличие максимальных концентраций может достигать 50% при относительно невысоких трубах. Влияние рельефа уменьшается с повышением высоты выброса. Большое значение имеет расположение источника на подветренном или наветренном склоне. Увеличение концентрации может наблюдаться и при расположении источника выброса на возвышенности, но вблизи подветренного склона, где снижаются скорости ветра и возникают нисходящие течения.

Влияние неровностей местности на характер движения воздуха настолько сложно, что требует иногда моделирования условий с целью определения характера распространения промышленных выбросов. В настоящее время имеются предложения по введению коэффициентов, учитывающих влияние рельефа на рассеивание выбросов.

УП. От времени года (зимой больше, чем летом, т.к. включены отопительные системы, а при их эксплуатации увеличивается загрязнение выбросами и на нижних слоях воздуха больше накапливаются загрязнители, т.к. конвекция воздуха замедляется).

УШ. От времени суток (максимальное загрязнение наблюдается днем, т.к. работа всех производств и транспортных средств приходится на дневное время).