Специфика нормативной оценки атмосферного загрязнения при сопутствующем мониторинге воздействия металлообрабатывающего предприятия

НА ГЛАВНУЮ

Чибизова Татьяна Борисовна,

магистр, кафедра геоэкологии,

Мовчан Игорь Борисович

кандидат геолого-минералогических наук, доцент.

Санкт-Петербургский горный университет.

Peculiarity of normative estimation of the air pollution and monitoring of metalworking enterprise

Chibizova Tatyana,

Master of the department of geoecology Saint-Petersburg mining university,

Movchan Igor,

PhD in geological science, lecturer Saint-Petersburg mining university.

В статье проанализированы некоторые математические модели рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе: допущения на основе уравнения Гаусса и упрощения теории массопереноса. Эти модели обладают выраженными ограничениями, определяющими актуальность сопутствующих инструментальных оценок. Их результат стандартно оформляется в рамках ГИС-проектирования и специализированных карт рассеивания тяжелых металлов от выбросов металлообрабатывающего предприятия.

Ключевые слова: атмосферная диффузия, модель рассеивания, модель Гаусса, загрязнение атмосферы.

The mathematic models of the air pollution are described in the article. All of them are the simplification which are based on Gauss equation and the mass transfer equation. The actuality of instrumental estimations is obvious due to the restrictions of these models. The results of research have the form of GIS-project with specialized map of high-density metal dispersion caused by the emission of metalworking enterprise.

Keywords: atmospheric diffusion, dispersion model, Gauss model, air pollution.

Деградация компонент окружающей среды в районах функционирования промышленных предприятий проявляется, в частности, вторичным загрязнением почвогрунтов как следствие пылегазовых выбросов предприятия. Кроме тривиальной феноменологии в рамках их регистрации цель экологической оценки должна включать исследование закономерностей пространственно-временной динамики атмосферных примесей.

Инструментальная оценка загрязнения любой нестационарной среды, в частности, приземного слоя атмосферы требует единовременного и распределенного пробоотбора с замером концентраций вблизи контролируемых источников. Затратность процедуры частично компенсируется построением физико-математических моделей эмиссии и рассеивания пылегазовых облаков и аэрозолей. Формально в структуре моделей выделяют два подхода: эмпирико-статистический анализ, основанный на нормальном распределении по Гауссу, а также приложение теории массопереноса в рамках уравнения турбулентной диффузии.

Модель нормального распределения и связанное с ними уравнение Гаусса имеет экспоненциальный вид:

где C(y,z) – концентрация вещества в точке (y, z), мг/м³; дисперсия вещества в направлении ; осредненная скорость потока, м/с; М – мощность выброса, г/с; y, z – оси пространственных координат [2].

Соотношение может быть выведено из дифференциального уравнения атмосферной диффузии и справедливо при следующих условиях: параметры выброса (мощность, температура) обладают временной стационарностью; скорость ветра и роза его направленности также стационарны во всей области диффузии; коэффициенты диффузии не учитывают положение источника. Гауссова модель рассеивания применима для слабодифференцированного рельефа при скорости ветра, превышающей 1 м/с. Расчет проводится для усредненных значений метеорологических условий [1]. Итоговая кривая имеет форму симметричного максимума с точкой экстремума в области источника (y=0). Достоверность оценки рассеивания атмосферных поллютантов обусловлена рядом факторов: погрешностью измеряемых значений выброса от источника, неточностью данных метеорологических условий, отсутствием учета степени турбулентности атмосферы. В 1962 году, согласно Пэсквиллу, введено шесть категорий стабильности атмосферы: 1,2,3 – сильная, умеренная, слабая неустойчивость, 4,5,6 – равновесная, слабая и умеренная устойчивость, соответственно. Каждому классу отвечают определенные значения скорости ветра, степени инсоляции (освещенности) и времени суток [2].

На территории постсоветского пространства распространены модели, основанные на уравнениях турбулентной диффузии, среди которых наиболее популярна так называемая модель М.Е. Берлянда. Основная зависимость в ней записывается в виде:

где С – концентрация поллютанта, мг/м³; D – коэффициенты турбулентной диффузии по оси x, y, z, м²/с; средняя скорость ветра вдоль оси x, y, м/с; средняя скорость седиментации частиц поллютанта, м/с.

Модель Берлянда наиболее подходит для описания вертикальной диффузии и производит учет метеорологических условий, рельефа местности и наличия застройки. Зависимость концентрации от расстояния до источника здесь носит гиперболический характер, тогда как в модели Гаусса мы работаем с экспоненциальным законом затухания.

Согласно представлениям Берлянда, степень загрязнения воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации , которая устанавливается на некотором расстоянии () от места выброса. Неблагоприятными метеорологическими условиями при этом мы называем опасную величину скорости ветра () и интенсивный турбулентный обмен в приземном слое. Порядок проведения расчетов областей максимальных концентраций изложены в нормативно-техническом документе ОНД-86 [6]. Основным достоинством методики можно назвать алгоритмизацию нормирования при метеорологических параметрах, согласно которым наблюдается максимальная концентрация 98% обеспеченности. При этом предполагается, что лишь для 2% от всех возможных метеоситуаций количественное содержание атмосферного загрязнителя способно превысить расчетное значение [5, 8].

Апробация нормативной технологии оценки атмосферных ореолов рассеивания опиралась на данные пылегазовых выбросов с повышенными содержаниями меди, цинка и свинца. Такие загрязнения инициированы холодной обработкой металлов, их сваркой, и последующей окраской изделий. На основе модельного расчета величины концентраций, согласно ОНД-86, получены карты-схемы ореолов рассеяния меди, цинка и свинца, выделяемых в форме тонкодисперсной фракции (рис.1).

Рис. 1. Схема распределения примесей в атмосферном воздухе:

а) меди; б) свинца; в) цинка. Расчет выполнен с целью обоснования превышений предельно допустимых концентраций (далее ПДК) на существующей границе санитарно-защитной зоны предприятия.

Значения концентраций тяжелых металлов в приземном слое атмосферы в зоне жилой застройки составляют: по меди от 1 до 3, по свинцу от 1 до 2, по цинку от 1 до 3 (в долях ПДК). Обобщение анализа факторов загрязнений возможно свести к трем пунктам:

1. Поступление меди в промышленные выбросы за счет пыления при сварке медных деталей и в процессе наплавки сверхпрочных сталей.

2. Основной источник поступления свинца – эксплуатация и обслуживание аккумуляторов, включая обновление их решетчатых электродов. Сульфатация последних, сопровождающая деградацию питающего элемента, состоит в осаждении на электродах нерастворимого сульфита свинца (PbSO₃). На лакокрасочном участке также выделяются соединения свинца при нанесении антикоррозионных покрытий, содержащих специфический пигмент. На участке газовой аппаратуры применяются свинецсодержащие припои для пайки. В части нестационарных источников свинец образуется при сгорании топлива при использовании этилированного бензина, где присутствует тэтраэтилсвинец в количестве 0,15-0,37 г/дм³.

3. Поступление цинка в промышленные выбросы при пылении в процессе наплавки сверхпрочных сталей, содержащих в составе соединения цинка.

Как можно видеть из структуры ореолов рассеяния, отображенных на рис.1, на границе санитарно-защитной зоны превышен установленный государством гигиенический норматив качества атмосферного воздуха [7]. Осуществление планировочных мероприятий путем расширения санитарно-защитной зоны исключено, вследствие расположения вблизи предприятия жилой зоны и других производственных объектов.

Очевидно, пылегазовые выбросы содержат в своем составе значительное количество тяжелых примесей, что со временем обусловливает их осаждение и аккумуляцию в почве. Данный процесс может привести к локальному загрязнению подземных вод, вторичному загрязнению воздушной среды, нарушению роста и развития растений. Таким образом, кроме отмеченного ранее физического моделирования, косвенная оценка загрязнения нестационарной воздушной среды может быть дополнена пробоотбором по почвогрунтам с последующим количественным анализом.

Отбор проб почвы выполнен в соответствии с ГОСТ 17.4.2.02-84 [3]: применялась регулярная пространственная сетка с координатной привязкой каждого пикета и выемка грунта с глубины, минимизирующей влияние регулярных обновлений плодородного слоя газонов промплощадки. Определение содержания металлов произведено с использованием портативного рентгенофлуоресцентного анализатора. Для оценки особенностей пространственного распределения поллютантов в почвогрунтах построены схемы изолиний концентраций тяжелых металлов в зоне ответственности предприятия (рис. 2).

Рис. 2. Карта-схема распределения тяжелых металлов в почве: а) меди; б) свинца; в) цинка.

Из структуры итоговых схем (рис. 2) можно видеть, что по всей территории промышленного объекта имеет место превышение содержания свинца (ПДК=32 мг/кг), цинка (ПДК=55 мг/кг) и меди (ПДК=33 мг/кг). Как предполагают математические модели рассеивания, в пространственных распределениях загрязнителей почвогрунтов по отдельным направлениям прослеживаются итоговые куполообразные кривые распределения тяжелых металлов. Различие в распространении вторичных геохимических ореолов цинка, свинца и меди вызвано неравномерным распределением органического слоя в почве, который играет роль потенциального барьера, снижающего подвижность ионов тяжелых металлов. Миграция и количество поллютантов в почвенном слое зависят от состава гумуса, окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности и интенсивности биологичского поглощения.

Медь представляет собой один из наименее подвижных в почве микроэлементов. В небольших концентрациях в толще почвенного покрова органическое вещество прочно сорбирует медь и переводит ее в недоступное для растений состояние. Свинец в приповерхностном слое грунта быстро переходит в малорастворимые соединения (сульфаты, фосфаты, карбонаты), закрепляясь органическими и минеральными коллоидами. Свинец прочнее, чем другие катионы, удерживается гумусом. Содержание цинка в поверхностном слое литосферы повышается при увеличении кислотности почв. Под действием различных факторов окружающей среды (тип почвы, рельеф, температура) происходит миграция попадающих в нее веществ и перенос их на большие расстояния (до 5-10 км) [4].

По результатам проведенной оценке воздействий пылегазовых выбросов выявлено загрязнение почвогрунтов в районе функционирования промышленного объекта. Возникает необходимость проведения мероприятий по снижению степени химической деградации почвогрунтов. В качестве мероприятий могут быть применены различные методы, например: физические (предусматривают удаление верхнего слоя грунта); электрокинетические (процессы десорбции), биологические (фиторемидиация).

Литература

1. Бекетов В.Е. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и методики расчета приземных концентраций. Конспект лекций. Харьков: ХНАГХ, 2011. – 74с.

2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 272 с.

3. ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа».

4. Другов Ю.С. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов / Ю.С. Другов, А.А. Родин. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 469 с.

5. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. СПб: ОАО «НИИ Атмосфера», 2012. – 135 с.

6. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, ОНД-86. М.: Гидрометеоиздат, 1987. – 93 с.

7. Федеральный закон РФ № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999 г.

8. Швыряев А.А. Оценка риска воздействия загрязнения атмосферы в исследуемом регионе / А.А.Фиалков, В.В. Меньшиков: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МГУ, 2004. – 124 с.

Поступила в редакцию 27.03.2017 г.