Домашние задания. 
Мониторинг загрязнения окружающей среды

Домашнее задание № 1

Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду

Экологическая экспертиза — установление соответствия намечаемой хозяйственной и иной деятельности экологическим требованиям и определение допустимости реализации объекта экологической экспертизы в целях предупреждения возможных неблагоприятных воздействий этой деятельности на окружающую природную среду и связанных с ними социальных, экономических и иных последствий.

Оценка воздействия на ОС (ОВОС) — процедура учета экологических требований законодательства РФ при подготовке и принятии решений о социально-экономическом развитии общества. ОВОС организуют и осуществляют с целью выявления и принятия необходимых и достаточных мер, но предупреждению возможных неприемлемых для общества экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий реализации хозяйственной и иной деятельности.

К результатам ОВОС относят:

• • информацию о характере и масштабах воздействия па ОС намечаемой деятельности;
• • альтернативы ее реализации, включая «нулевой вариант», т. е. отказ от проекта;
• • оценку экологических и связанных с ними социально-экономических и иных последствий данного воздействия;
• • возможности минимизации воздействий;
• • общественное мнение о характере и масштабах воздействия на ОС намечаемой деятельности.

Результаты ОВОС включают в документацию, представляемую на государственную экологическую экспертизу.

Расчет приземных концентраций вредных веществ выполняют в соответствии с ОНД—86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий».

Значение максимальной приземной концентрации С_м при выбросе нагретой газовоздушной смеси из одиночного источника при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии х от источника определяют, но формуле.

где Л — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы. Он зонирован, но территории России и стран СИГ Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова (русский климатолог и географ, 1842—1916). Коэффициент Л принимает значения от 140 до 240 (для Центральной части России Л = 140); М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с; F— коэффициент, учитывающий скорость оседания частиц загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т. п., скорость оседания которых практически равна нулю) он равен 1 ; т> п — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса (трубы),.

2q.

где / = 1000. Выбросы, для которых f > 100, относят к холодным, а при.

H^ZAI

/ < 100 — к нагретым. Обычно коэффициент т ~ 1, варьируется от 0,8 до 1,5. Коэффициент п (п = 1—3) зависит от вспомогательного параметра V_M (1.21): при > 2 я = 1, при 0,5 < V_M< 2 п-0,53У2−2,13У_М + 3,13, при V_M < 0,5 п = 4,4К_м;т] — коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае ровной или слабопересеченной местности г| = 1); Н — высота источника выброса над уровнем земли, м. От высоты трубы зависит степень распределения загрязняющих веществ на различные площади. Так, из трубы высотой 200 м пылегазовые потоки расходятся на 20 км, а из трубы высотой 250 м — уже на 75 км; ЛТ = Т_г — Т_к — разность температур выбрасываемых газов (Т_г) и воздуха (Г_[}), °С; V — объемный расход выбрасываемой газовоздушной смеси, м³/с,.

где со — скорость выхода газовоздушной смеси.

При неблагоприятных метеорологических условиях и высоте трубы Н концентрация вредных веществ вблизи от земной поверхности достигает максимума на расстоянии т.

где к — безразмерный коэффициент, среднее значение которого равно 20.

Для каждого вида источников выбросов существует определенная скорость ветра, называемая опасной, — u_w когда значение концентрации примеси у земной поверхности максимально. Для ее оценки рассчитывают вспомогательный параметр V_M по формуле.

Чем выше температура окружающего атмосферного воздуха, тем в меньшей степени проявляется эффект всплывания дымовых газов. Поэтому расчеты приземных концентраций проводят при средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца года, используя данные климатических наблюдений в районе нахождения предприятия.

Максимальная концентрация каждого токсичного вещества С_м в приземном слое атмосферы не должна превышать ПДК_мр в атмосферном воздухе.

При расчете рассеивания в атмосфере п вредных веществ, обладающих суммацией вредного действия (1.2), для определения общей массы выброса приводят значения масс выбросов М (г/с) всех веществ для каждого источника к значению одной из них по формуле.

Цель домашнего задания.

Цель домашнего задания состоит в изучении основных факторов, влияющих на рассеивание вредных веществ в атмосфере, и последующем расчете:

• • величины максимальной приземной концентрации вредных веществ для выброса нагретой и холодной газовоздушной смеси от одиночного источника с круглым устьем при неблагоприятных метеоусловиях;
• • расстояния от источника выброса, па котором эта концентрация достигается;
• • опасной скорости ветра;
• • приземной концентрации загрязняющих веществ выбросов, содержащих вредные примеси, обладающие эффектом суммации вредного воздействия;
• • данных для проведения оценки воздействия на ОС.

Примеры выполнения домашнего задания

1. Проведите оценку загрязнения атмосферного воздуха в районе расположения тепловой электростанции в Тульской области. Рассчитайте значения максимальных приземных концентраций вредных веществ газовых выбросов при неблагоприятных условиях, сравните рассчитанные концентрации загрязняющих веществ с их ПДК. После расчета приземных концентраций вредных веществ при различных скоростях ветра сделайте выводы о зависимости концентрации от скорости ветра.

Тепловая электростанция выбрасывает в атмосферу 15 т/ч S0₂ (Mj), при этом температура газовоздушной смеси равна 123 °C. Высота трубы II = 150 м, диаметр устья источника D = 5 м, средняя скорость выхода газовоздушной смеси со = 10 м/с. Для Тульской области Л = 140. Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца года составляет 23 °C (ЛТ = 100°С), р = 1. Определите величину максимальной приземной концентрации примеси С_м и расстояние от источника, где создается эта концентрация л:_м. Рассчитайте значения С_м при скоростях ветра и, равных 2 и 10 м/с.

Решение

Сернистый ангидрид (сернистый газ), диоксид серы (IV), S0₂ — бесцветный газ с резким запахом. В промышленности получают путем обжига сульфидных руд. Применяется главным образом в производстве серной кислоты, а также в качестве восстановителя, отбеливателя, консерванта, хладагента и др. Один из основных промышленных газов, загрязняющих атмосферу, ядовит. При длительном воздействии на человека приводит к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем — к отеку легких, перебоям в сердечной деятельности и остановке дыхания. Максимальная разовая ПДК для диоксида серы составляет 0,5 мг/м³, а среднесуточная — 0,05 мг/м³.

Сначала вычислим значение коэффициента/.

а затем — коэффициента m

Рассчитаем объемный расход выбрасываемой газовоздушной смеси.

Для нагретого выброса.

При V_M = 3,3 >2/2 = 1.

Переведем массу выброса SQ₂, данную в т/ч, в г/с:

Подставляем полученные значения необходимых величин для расчета максимальной приземной концентрации S0₂:

Теперь вычислим расстояние от источника выброса (трубы) х_м, на котором создается концентрация S0₂, равная 1,04 мг/м³.

Для нагретых источников:

• а) при К, <0,5 к = 2,48(1 + 0,28);
• б) при 0,5 < V_u < 2 k = 7^(l + 0,283/7);
• в) при К, >2 k= 4,95^(1 + 0,28⁷).

Поскольку V_m=3,3>2,to k= 4,95−3,3(1 + 0,28⁰, 22) = 19, тогда x_M=kII = x_M=kH = 19 -150 = 2850 м.

Определим опасную скорость ветра и_ы. При К_м = 3,3 > 2.

Коэффициент г рассчитывают при следующих условиях:

• в случае— <1 г = 0,67¹ + 1.67¹ -1,34¹ ;

к, Iк) KJ I «м)

3 и

и. и.

• в случае —>1 г= >' =-^-.

У^им) «и)

Если и = 2 м/с, то.

Тогда С_{м (2)} = гС_ы = 0,68 • 1,04 = 0,71 мг/м³.

Если м = 10 м/с, то.

В этом случае.

Тогда С_ущ = 0,55 • 1,04 = 0,57 мг/м³.

Ответ: значение максимальной приземной концентрации S0₂ С_м = 1,04 мг/м³, а расстояние от источника, на котором создастся эта концентрация, — х_и = 2850 м. Максимальные приземные концентрации S0₂ при и=2 и 10 м/с соответственно равны^м (2>⁼ 0,71 и С_{м (10}) = 0, 55 мг/м³; ПДК_мр для S0₂ составляет 0,5 мг/м³, следовательно, при опасной скорости ветра максимальная приземная концентрация S0₂ превышает ПДК_мр в два раза. Концентрация S0₂ С_М(₂> при и = 2 м/с меньше концентрации С_м при опасной скорости ветра почти в полтора раза; концентрация С_М(₁₀₎ при и = 10 м/с меньше концентрации С_м при опасной скорости ветра почти в два раза.

2. По условию задания 1, считая что выброс тепловой электростанции холодный, определите значение максимальной приземной концентрации С_м и расстояние от источника x_w где эта концентрация достигается, при опасной скорости ветра, а также при скоростях ветра, равных 2 и 10 м/с. Сравните результаты со значениями, полученными в первом задании. Сделайте выводы, как изменились приземные концентрации вредных веществ при условии холодного выброса.

Решение

Для холодных выбросов У_м = 1,3-^- = 1,3-^тг = 0,43 м/с.

Н 150.

Зависимость п от V_M такая же, как и для нагретых выбросов, т. е. п = 4,4 • V_M = 4,4 0,43 =1,9.

Теперь рассчитаем максимальную приземную концентрацию С_м вредного вещества для холодного источника:

Для холодных источников:

• а) при V_M < 0,5 к = 5,7;
• б) при 0,5 < V_M < 2 k = ll, 4V_sl;
• в) при V_M >2 k = leV^T.

Поскольку V_M = 0,433 < 0,5, то k = 5,7, тогда х_м = kH = 5,7−150 = 855 м.

Для холодных выбросов при определении опасной скорости ветра сохраняются условия, как для нагретых выбросов, только в случае V_M > 2, и_м = 2,2V_M.

Мы имеем V_M = 0,43 < 0,5, следовательно, и_м =0,5 м/с.

Определим концентрации вредных веществ при скоростях ветра, отличных от опасной.

Если и = 2 м/с, то.

Тогда С_м(₂) = 0,4 *4,45 = 1,78 мг/м³. Если w = 10 м/с, то.

Тогда С_м{₁₀) = 0,076 • 4,45 = 0,34 мг/м³.

Ответ: значение максимальной приземной концентрации от холодного источника S0₂ С_м = 4,45 мг/м³, а расстояние от источника, на котором создается эта концентрация, — х_и = 855 м. Максимальные приземные концентрации S0₂ при скоростях ветра 2 и 10 м/с соответственно равны С_м^₂) = 1,78 и С_м/₁₀) = 0,34 мг/м³. При одном и том же значении выброса S0₂ в атмосферу максимальная приземная концентрация S0₂ при холодном выбросе (С_м = 4,45 мг/м³) более чем в четыре раза превышает концентрацию при нагретом выбросе (С_м = 1,04 мг/м³) и также более чем в четыре раза превышает ПДК_мр.

3. Дополнительно к условию первого задания примите, что с газовоздушной смесыо выбрасывается также диоксид азота N0₂ М₂ = 2 т/ч. Определите величину максимальной приземной концентрации С_м с учетом эффекта суммации вредного действия загрязняющих веществ S0₂ и N0₂ Сравните полученную приземную концентрацию загрязняющего вещества N0₂ с его ПДК. Как изменяется приземная концентрация S0₂ и N0₂ в зависимости от скорости ветра?

Решение

Оксиды азота NO, N₂0 и диоксид азота N0₂ — газообразные вещества, их объединяют одной общей формулой NO_r Оксиды азота образуются при всех процессах горения, причем большей частью в виде NO. Этот оксид довольно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки органов человека. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование NO. Источниками оксидов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, вискозный шелк и др. При остром отравлении N0₂ может развиться отек легких. Признаками хронического отравления являются головные боли, бессонница, заболевания органов дыхания. Максимальная разовая ПДК N0₂ составляет 0,085 мг/м³, а среднесуточная — 0,04 мг/м³.

Выразим массу выброса N0₂ в граммах в секунду:

Приведем массы выбросов загрязняющих веществ в группе суммации к выбросу SQ₂:

Рассчитаем значение С_м с учетом эффекта суммации вредного действия загрязняющих веществ S0₂ и М0₂ при опасной скорости ветра.

Определим значение С_м для отдельных компонентов выбросов по формуле.

Поскольку мощность выброса S0₂ осталась неизменной (М_{ =4170 г/с), то концентрация S0₂ равна 1,04 мг/м³. Следовательно, концентрация N0₂ составляет.

Вычислим значение максимальной приземной концентрации С_м при и = 2 и 10 м/с, С_М/_М) = гС_м. Опасная скорость ветра равна 3,49 м/с, но поскольку она не зависит от мощности выброса, следовательно, не изменились и значения коэффициента г, тогда С_{м (2}) = 0,68 • 1,86 = 1,27 мг/м³, С_{м (10)} = 0,55 • 1,86 = 1,02 мг/м³.

Ответ: если принять, что с газовоздушной смесью выбрасывается также N0₂, величина максимальной приземной концентрации С_м с учетом эффекта суммации вредного действия загрязняющих веществ S0₂n N0₂ равна 1,86 мг/м³. Максимальная приземная концентрация С_м N0₂ составляет 0,139 мг/м³, что более чем в полтора раза выше его ПДК_М, равной 0,085 мг/м³; С_м^₂ S0₂ и N ()₂ при и = 2 м/с немного меньше, чем С_м S0₂ и N0₂ при опасной скорости ветра; С_{м (10}) S0₂ и N0₂ при и = 10 м/с меньше, чем С_м S0₂ и N0₂ при опасной скорости ветра, почти в два раза.

Варианты домашнего задания

В соответствии с вашим вариантом домашнего задания (табл. 1.9) проведите оценку загрязнения атмосферного воздуха в районе расположения тепловой электростанции в Тульской области. Дайте полные ответы на вопросы задания и оцените воздействие на ОС по аналогии с примерами выполнения задания.

Таблица 1.9

Значения исходных данных

Домашнее задание № 2.

Основные критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха В мировом балансе загрязнения воздуха главное место в настоящее время принадлежит автотранспорту — 54%. В промышленно развитых странах до 70% загрязнений приходится на долю транспорта (автомобильного, железнодорожного, воздушного) и только 30% — на долю промышленности.

Двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу огромное количество оксидов азота, серы, продуктов неполного сгорания — углеводородов (многие из которых вызывают раковые заболевания), особо опасные соединения свинца (в случае применения этилированного бензина), который способен накапливаться в костях животных и человека, вызывая заболевания нервной системы. Состав отработанных газов зависит от вида применяемого топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и других факторов (см. табл. 1.10).

Таблица 1.10

Состав отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (% (об.)).

Автотранспорт выбрасывает отработанные газы в приземный слой атмосферы, что затрудняет их рассеивание. Узкие улицы и высокие здания способствуют накоплению вредных веществ отработанных газов автотранспорта в городском воздухе. В состав отработавших газов входит более 200 ингредиентов, но нормируются в настоящее время лишь немногие — оксид углерода, углеводороды, оксиды азота. Таким образом, в городах основным источником загрязнения воздуха является автотранспорт.

Основные критерии оценки загрязнения атмосферного воздуха

Оценку качества воздушной среды осуществляют на основе следующих нормативов: ПДК веществ в воздухе рабочей зоны — ПДК_|Хз, мг/м³, максимальная разовая ПДК в воздухе населенных мест — ПДК_М|), мг/м³, среднесуточная ПДК в воздухе населенных мест — ПДК_СС, а также ПДВ, т. е. норматив, предусматривающий, что концентрация загрязняющего вещества в приземном слое воздуха не превышает норматива качества воздуха, т. е. нормативную ПДК.

Для вредных веществ, влияние которых на организм человека не до конца изучено, установлены ВДК_ав, регламентирующие их содержание в атмосферном воздухе. Значение этого показателя определяют расчетным путем, он действует в течение двух лет.

Величины ПДК обоснованы клиническими и санитарно-гигиеническими исследованиями и определены в законодательных документах. Степень загрязнения атмосферы оценивают по кратности и частоте превышения ПДК с учетом класса опасности, а также суммации биологического действия загрязняющих веществ.

Уровень загрязнения воздуха веществами разных классов опасности иногда определяют «приведением» их концентраций, нормированных по ПДК, к концентрациям веществ III класса опасности, поскольку к этому классу относится значительное число веществ, загрязняющих атмосферный воздух.

Приоритетные загрязняющие вещества в выбросах промышленных предприятий оценивают по параметру Ф, который для^{загрязняющих} веществ определяют по формуле:

где Я, — средневзвешенная высота источников выброса /-го вещества; M_j} — масса г-го вещества, выбрасываемого из каждого j-го источника загрязняющих веществ.

Значение средневзвешенной высоты Я, рассчитывают для каждого источника выброса:

Загрязняющее вещество является приоритетным, если Ф, >10#,. При средневзвешенной высоте трубы #, 100.

Загрязняющие вещества в воздушном бассейне по их неблагоприятному влиянию на здоровье населения делят па четыре класса: I — чрезвычайно опасные; II — высокоопасные; III — умерено опасные; IV — малоопасные.

Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) I — это количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая класс опасности вещества через нормирование на опасность S0₂

где М, — масса выброса /-й примеси; ПДК_СС — среднесуточная ПДК /-й примеси; Kj — константа, приводящая степень вредности /-го вещества к степени вредности диоксида серы.

Наиболее общим и информативным показателем загрязнения воздуха является комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА) — количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого веществами, присутствующими в атмосфере,.

где /, — индекс загрязнения атмосферы i-й примесью; L — число приоритетных примесей.

Для веществ различных классов опасности /С, принимает следующие значения: Класс опасности I II III IV.

Kj 1,7 1,3 1,0 0,9.

Расчет ИЗА основан на предположении, что на уровне ПДК все вредные вещества характеризуются одинаковым влиянием на человека, а при дальнейшем увеличении концентрации степень их вредности возрастает с различной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества. ИЗ, А используют для характеристики вклада отдельных примесей в общий уровень загрязнения атмосферы за определенный период времени на данной территории и для сравнения степени загрязнения атмосферы различными веществами.

Обычно КИЗА применяют для сравнения загрязнения атмосферы различных участков исследуемой территории (городов, районов и т. д.) и для оценки временной (многолетней) тенденции изменения состояния загрязнения атмосферы. Его количественное ранжирование по классам состояния атмосферы приведено в табл. 1.11.

Критерии оценки среднегодового загрязнения атмосферного воздуха

по значениям КИЗА

Таблица 1.11

Ресурсный потенциал атмосферы территории определяется ее способностью к рассеиванию и выведению примесей, соотношением фактического уровня загрязнения и величиной ПДК. Оценка рассеивающей способности атмосферы основана на значениях таких комплексных климатических и метеорологических показателей, как потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) и параметр потребления воздуха (ПВ). Эти характеристики определяют особенности формирования уровней загрязнения в зависимости от метеоусловий, способствующих накоплению и выведению примесей из атмосферы.

Потенциал загрязнения атмоферы характеризует вероятность того или иного уровня загрязнения при прочих равных условиях, а некоторые авторы считают его даже комплексной характеристикой повторяемости метеорологических условий, неблагоприятных для рассеивания примеси в воздушном бассейне.

Используемые обычно методы оценки ПЗА относятся, как правило, к низким источникам выбросов (например, автомобили). Под высоким ПЗА понимают сочетание слабого ветра (до 4 м/с) с наличием нисходящих потоков. Продолжительность такого периода составляет примерно 36 ч. К высоким ПЗА относят также сочетание слабых ветров с приземными инверсиями (от лат. inversio — «перестановка») температуры, такую ситуацию называют состоянием застоя воздуха.

Нередко для характеристики устойчивости атмосферы, а следовательно, и ПЗА, используют высоту слоя перемешивания — L₀, т. е. толщину слоя воздуха, в котором происходит основное рассеяние примеси. С уменьшением значения 1₀ увеличивается загрязнение воздуха, поскольку уменьшается объем, в котором рассеивается примесь.

Зная величину L₀, интенсивность источника выбросов М г/(с*м³) и скорость ветра и, можно оценить среднюю концентрацию примеси С над площадью 1 га:

Значение С, в свою очередь, сравнивают со значением ПДК для данной примеси.

Наименьшая высота слоя перемешивания, как правило, наблюдается в зимнее время, резко повышается в мае, удерживается примерно на одном уровне до августа, а затем вновь уменьшается в осенне-зимний период. Таким же образом изменяется и ПЗА.

Параметр ПВ представляет собой объем чистого воздуха, необходимый для разбавления выбросов загрязняющих веществ до уровня средней допустимой концентрации. Он особенно важен при управлении качеством воздушной среды в случае установления для ириродопользователей режима коллективной ответственности при рыночных отношениях. На его основе устанавливают уровень объема выбросов для целого региона, затем находящиеся на его территории предприятия совместно распределяют квоты на этот объем.

Поскольку почвы и поверхностные воды могут быть источниками вторичного зацэязнсния атмосферы или являться косвенными показателями ее запэязнсния, необходимо, помимо оценки загрязнения непосредственно воздушного бассейна, учитывать возможные последствия взаимного влияния атмосферы и сопредельных сред и получения интегральной (смешанной косвенно-прямой) оценки состояния атмосферы.

Завершающим этапом комплексной оценки загрязнения атмосферного воздуха является анализ тенденций динамики техногенных процессов и возможных негативных последствий в краткосрочном и долгосрочном аспекте на локальном и региональном уровнях.

Таким образом, оптимальная система компонентов комплексной оценки состояния атмосферы должна включать:

• • оценку уровня загрязнения с санитарно-гигиенических позиций (ПДК);
• • оценку ресурсного потенциала атмосферы (ПЗА и Г1В);
• • оценку степени влияния на определенные среды (почвенно-растительный и снеговой покровы, вода);
• • анализ тенденций и интенсивности процессов антропогенного развития экспертируемой природно-технической системы для выявления будущих эффектов воздействия;
• • определение пространственно-временных масштабов возможных негативных последствий антропогенного воздействия.

Краткая характеристика объекта исследования

ОАО «Майкопское грузовое автотранспортное предприятие» находится на северной окраине г. Майкопа. На севере оно граничит с ЗАО «ШвиКФ» и пристанционными путями железной дороги г. Майкопа, на юге, западе и востоке примыкает к индивидуальной жилищной застройке.

Майкоп является городом с 1870 г., это центр Республики Адыгея, расположенный на реке Белая. Население — свыше 140 тыс. чел. Основное направление деятельности предприятия — грузовые перевозки.

ОАО «Майкопское ГАТП» имеет автотранспортные средства (легковые и грузовые автомобили, автобусы малого и большого класса), котельную на газовом топливе, аккумуляторный участок, электроучасток, электрогазосварочный участок, участок испытания и ремонта топливной аппаратуры, компрессорный (окрасочный) и кузнечно-рессорный цеха, медницкий, шиномонтажный, слесарно-механический участки, участок обкатки и испытания двигателей после ремонта, участок мойки деталей, узлов и агрегатов, открытую стоянку автомобилей, склад ГСМ с автозаправочной станцией, участок ТО и текущего ремонта.

Цель домашнего задания

Целью домашнего задания является исследование воздействия конкретного промышленного предприятия на атмосферный воздух.

Для этого необходимо:

• • установить приоритетность загрязняющих веществ расчетным путем;
• • рассчитать КИЗА.

Примеры выполнения домашнего задания

1. Исследуемый объект имеет 15 источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Для расчетов можно использовать данные только по организованным источникам выбросов (табл. 1.12): двигатели автомобилей во время их прогрева — 1, труба котельной — 2, труба кузнечно-рессорного цеха — 3, труба от горелки — 4.

Таблица 1.12

Исходные данные по источникам выбросов загрязняющих веществ

Значения всех характеристик источников и масс выбросов загрязняющих веществ взяты из технического отчета «Майкопского ГАТП» за 1998 г. В расчетах использованы следующие значения ПДК: СО — ПДК_мр = 5 мг/м³, N0₂ — ПДК_мр = 0,085 мг/м³, S0₂ — ПДК_мр=0,5 мг/м³, сажа — ПДК_мр=0,15 мг/м³, углеводороды — ПД К_мр=5 мг/м³, аэрозоль масла — ПДК_мр = 0,05 мг/м³.

В выбросах одновременно присутствуют оксиды азота и серы (N0₂ и S0₂). Для учета эффекта суммации примесей используем приведенные к оксиду азота массы выбросов, так как источники выброса этой примеси (N0₂) преобладают.

Необходимо определить приоритетность загрязняющих веществ по параметру Ф.

Решение

Вычислим значение средневзвешенной высоты:

Рассчитаем средневзвешенную высоту источников выброса:

Далее определим значение параметра Ф для данных загрязняющих веществ:

Промежуточные выкладки и окончательные результаты приведены в табл. 1.13.

Таблица 1.13

Определение приоритетности загрязняющих веществ по параметру Ф.

Поскольку в нашем случае средневзвешенные высоты труб не превышают 10 м, приоритетными принимаем вещества, у которых Ф, >100, а именно Фсо = 167 > 100 и Фмо₂ =660 >100.

Таким образом, в выбросах «Майкопского ГАТП» приоритетными веществами, загрязняющими атмосферный воздух в наибольшей степени, являются оксиды азота и серы (группа суммации в пересчете на диоксид азота), а также оксид углерода.

2. Оцените среднегодовое загрязнение атмосферного воздуха по величине КИЗА.

Значения исходных данных для расчета КИЗА в районе «Майкопского ГАТП» приведены в табл. 1.14.

Исходные данные по выбросам загрязняющих веществ.

Решение

Выбросы в атмосферу состоят из 15 загрязняющих веществ, вычислим ИЗА /, для каждого из них:

Тогда КИЗА = ?/, = 0,810 + 38 + 0,0794 + 0,21 + 0,36 + 1,16 + 4,2 + 0,090 + 0,0014 + + 0,10 + 0,62 + 0,43 + 0,325 + 0,013 + 0,02 = 46,4.

Результаты расчета КИЗА, а также данные по всем вредным веществам, выбрасываемым в атмосферу на «Майкопском ГАТП», сведены в табл. 1.15.

Результаты расчета среднегодового загрязнения атмосферы по величине КИЗА.

Таблица 1.15

Согласно табл. 1.11, при значении КИЗА от 4 до 48 для 10—16 веществ состояние атмосферы считается относительно удовлетворительным. В нашем случае КИЗА = 46,4, следовательно, среднегодовое загрязнение атмосферы не превышает норму.

Варианты заданий

В соответствии с вашим вариантом домашнего задания (табл. 1.16,1.17) проведите оценку загрязнения атмосферного воздуха выбросами «Майкопского ГАТП», для чего:

• 1) определите приоритетность загрязняющих веществ по параметру Ф,;
• 2) оцените среднегодовое загрязнение атмосферного воздуха по критерию КИЗА.

Дайте полные ответы на вопросы задания и сделайте выводы.

Исходные данные для первого задания.

Исходные данные для второго задания.

Домашнее задание № 3.

Почвенный мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду Почвы крупных мегаполисов испытывают интенсивную антропогенную нагрузку, которая нередко приводит к их деградации и нарушению нормального функционирования, что оказывает как прямое, так и косвенное негативное воздействие на живые организмы.

Мониторинг почв в г. Москве представляет собой систему непрерывных наблюдений за их состоянием с целью оценки и прогноза изменений городских почв под воздействием природных и антропогенных факторов. В почвенном покрове города преобладают урбаиоземы — почвы с нарушенным строением профиля, несогласованным залеганием горизонтов, наличием антропогенных горизонтов с высокой степенью загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) и органическими веществами, строительного и бытового мусора. Мощность антропогенно-преобразованной толщи почвы составляет от нескольких сантиметров до одного и более метра.

Термин «тяжелые металлы» стал общеупотребительным в экологии для обозначения нормируемых химических элементов-загрязнителей, хотя он и не совсем точен, поскольку применяется как к металлам (бериллий и др.), так и к неметаллам (мышьяк, селен). Одним из признаков, который позволяет относить химические элементы к тяжелым, является их плотность. К тяжелым металлам относят химические элементы с плотностью больше 6 г/см³. Таких элементов свыше сорока. Число наиболее опасных ТМ, если учитывать их токсичность, стойкость и способность накапливаться во внешней среде, а также масштабы распространения, значительно меньше: это ртуть, свинец, кадмий, кобальт, никель, цинк, медь, молибден, олово, мышьяк и др.

Некоторые ТМ выполняют важные биологические функции, находясь в микроколичествах в почве, растениях, организме человека и животных (например, медь, цинк, кобальт, марганец, стронций, молибден, никель), в то же время такие элементы, как свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, даже в очень малых концентрациях обладают сильным токсическим эффектом.

Основным источником загрязнения почв ТМ в городах является сжигание топлива.

Считается, что среди химических элементов ТМ являются наиболее токсичными, так как, во-первых, обладают большим сродством с физиологически важными органическими соединениями и способны инактивировать последние, а во-вторых, способны к медленному накоплению в организме, вызывая не только явно выраженное специфическое, но и хронические неспецифические действия. Опасность загрязнения почв ТМ связана с тем, что она не гак очевидна, как, например, эрозия или засоление. Передаваясь по пищевым цепям, они загрязняют воду, растения и воздух. Почвы являются мощным аккумулятором и депонентом ТМ, обладая очень слабой самоочищающей способностью, в отличие от воды и воздуха. Поэтому последствия загрязнения почв ТМ устраняются с трудом, и разработка мероприятий по снижению негативных экологических последствий загрязнения почв является актуальной.

Принципы нормирования химических загрязнений почвы несколько отличаются от принятых для атмосферного воздуха и природных вод, поскольку поступление вредных веществ в организмы человека и животных непосредственно из почвы происходит в исключительных случаях и в незначительных количествах. В основном химические соединения, находящиеся в почве, поступают в организм через другие субстраты, контактирующие с почвой, — воду, воздух, растения. Поэтому при определении ПДК загрязняющих веществ в почве особое внимание уделяется тем соединениям, которые могут мигрировать в атмосферу, грунтовые или поверхностные воды или накапливаться в растениях, снижая качество сельскохозяйственной продукции (табл. 1.18).

ПДК и фоновое содержание ТМ и мышьяка в почвах

Таблица 1.18

Предельная допустимая концентрация загрязняющих веществ в почвах — это максимальная концентрация загрязняющего вещества, которая не вызывает прямого или опосредованного негативного воздействия на здоровье человека и самоочищающую способность почв. ПДК загрязняющих веществ в почвах определяется нс только их химической природой и токсичностью, но и особенностями самих почв. В отличие от воздуха и воды, почвы зонально-генетического ряда настолько разнятся по химическому составу и свойствам, что для них не могут быть установлены унифицированные уровни ПДК. Такие уровни неизбежно должны варьироваться в зависимости от конкретной обстановки: биоклиматических особенностей природной зоны, свойств почвы, возделываемых культур, системы удобрений и т.н.

Таким образом, при разработке ПДК для почв используют следующие показатели:

• • общесанитарный показатель вредности, который характеризует влияние вещества на самоочищающую способность почвы и почвенный микробиоценоз в количествах, не изменяющих указанные процессы;
• • транслокационный показатель вредности, характеризующий способность вещества переходить из пахотного слоя почвы через корневую систему растений и накапливаться в его зеленой массе и плодах в количестве, не превышающем ПДК для данного вещества в пищевых продуктах;
• • миграционный воздушный показатель вредности. Он характеризует способность вещества переходить из пахотного слоя почвы в атмосферный воздух и поверхностные водоисточники в количестве, при миграции которого не происходит превышения величины ПДК для атмосферного воздуха.

Помимо ПДК в нормировании воздействий используют временный норматив — ОД К, который получают расчетным путем. ПДК и ОД К химических веществ для почвы разработаны и утверждены в РФ примерно для 200 веществ. Они служат критерием для классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ, а также для ранжирования загрязняющих веществ на классы опасности для почв.

Выбор диагностических показателей (контролируемых параметров) является наиболее важным в почвенно-экологическом мониторинге. Всю совокупность показателей изменения почвенно-экологической среды целесообразно объединить в три группы.

Первая из них содержит показатели ранней диагностики развития негативных процессов, таких, например, как ферментативная активность, интенсивность дыхания и азотофиксирующая способность, окислительно-восстановительный потенциал, кислотность, плотность и фильтрация почв, минерализация почвенного раствора, дренажных и грунтовых вод и некоторые другие. Периодичность наблюдений — несколько раз в год.

Вторая группа состоит из показателей, отражающих более устойчивые изменения почв: количество и качество гумуса, валовое содержание элементов питания растений и ТМ, структура почвенного покрова, продуктивность агрои природных ценозов. Периодичность наблюдений — один раз в 2—5 лет.

Третью группу составляют показатели устойчивых и глубоких изменений свойств почв, например изменение соотношения тонкодисперсных и более крупных фракций гранулометрического состава и др. Периодичность наблюдений — один раз в 5—10 лет.

Среди приоритетных химических веществ, загрязняющих биосферу, особое место занимают металлы. Это обусловлено следующими причинами:

• 1) скорость извлечения металлов из земной коры человеком выше, чем их геологическая скорость извлечения (табл. 1.19);
• 2) в отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению между отдельными компонентами;
• 3) металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. Период полуудаления из почвы цинка составляет 70—510, кадмия — 13—110, меди — 310—1500, свинца — 740—5900 лет;
• 4) металлы хорошо аккумулируются органами и тканями человека, теплокровных животных и гидробионтов;
• 5) металлы, особенно тяжелые, высокотоксичны для различных биологических объектов.

Таблица 1.19

Скорость извлечения металлов из земной коры, т/год

К показателям, разработанным при сопряженном геохимическом и гигиеническом исследовании ОС городов, относят коэффициент концентрации химических элементов К_к и суммарный показатель загрязнения (СПЗ) Z_c.

Коэффициент концентрации химического элемента в почве К_к (табл. 1.20) равен.

где Сф — фоновое содержание компонента в почве; С — реальное содержание.

Накопление химических элементов в почвах в зоне влияния промышленных предприятий и других источников загрязнения.

Суммарный показатель загрязнения представляет собой сумму превышений коэффициентов концентраций химических элементов, накапливающихся в техногенных аномалиях,.

где п — число аномальных элементов.

Анализ распределения геохимических показателей, полученный по результатам опробования почв при регулярных наблюдениях, дает пространственную структуру загрязнения. Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементовзагрязнителей по показателю Z_c проводится по шкале. Градации шкалы разработаны на основе изучения показателей состояния здоровья населения, проживающего на территории с различным уровнем загрязнения (табл. 1.21).

Таблица 1.21

Шкала уровней и категорий опасности загрязнения почв по суммарному

показателю загрязнения Z_c

В табл. 1.22 приведены последствия влияния загрязнения ОС ТМ на здоровье человека и животных, а в табл. 1.23 — на растения. Восстановление биологической продуктивности почв, загрязненных ТМ, — одна из наиболее сложных проблем охраны биоценозов.

Таблица 1.22

Влияние загрязнения ОС ТМ на здоровье человека и животных

Таблица 1.23

Влияние токсичных концентраций некоторых ТМ на растения

Окончание табл. 123

В результате исследований было установлено, что опасные для растений концентрации ТМ зависят от генетического типа почвы. Основными показателями, влияющими на накопление ТМ в почвах, являются pH и содержание гумуса. В настоящее время для ряда ТМ установлены ОДК их содержания в почвах, которые используют вместо ПДК. При превышении допустимых значений содержания ТМ в почвах эти элементы накапливаются в растениях в количествах, превышающих их ПДК в кормах и продуктах питания.

Цель домашнего задания

Цель домашнего задания состоит в изучении основных источников загрязнения почвы и последующем расчете:

• • коэффициента концентрации химического элемента К_к;
• • суммарного показателя загрязнения Z_c;
• • ориентировочного определения класса опасности;
• • ориентировочного определения источника загрязнения и типа производства в зоне влияния промышленных предприятий;
• • описание последствий воздействия ТМ на растения и по пищевой цепи на человека.

Примеры выполнения домашнего задания

1. Проведите оценку загрязнения пробы почвы, поступившей в лабораторию. Сравните загрязнение ТМ с его фоновым содержанием (в зависимости от типа почвы), рассчитайте коэффициент концентрации химического элемента К_к. Ориентировочно определите источник загрязнения и тип производства в зоне влияния промышленных предприятий. Определите, к какому классу опасности относятся ТМ, превышающие ПДК. После расчета сделайте выводы о последствиях воздействия превышающего ПДК металла на растения и человека.

Состав почвы: проба № 1 — почва дерново-подзолистая среднесуглинистая; проба № 2 — чернозем.

Для определения содержания группы ТМ был использован экспресс-анализатор элементного состава ЛИЭС (рис. 1.2).

Метод измерения основан на возбуждении в среде или на ее поверхности лазерной искры с последующим спектральным анализом полученной лазерной плазмы на содержание химических элементов и автоматической обработке результатов на компьютере.

Результатами количественного химического анализа являются значения массовых долей элементов (в % от общей массы образца), выводимые в виде сводной таблицы.

Для получения достоверных данных достаточно провести 8—10 измерений каждой пробы.

В сводную таблицу автоматически записываются как значения промежуточных определений, так и среднее значение массовой доли элемента по результатам всех определений, а также значения среднеквадратичного отклонения (СКО, %), рассчитанные на компьютере с помощью программного обеспечения.

Рис. 1.2. Внешний вид лазерно-искрового эмиссионного спектрометра

(ЛИЭС)

В лаборатории пробы почв высушивают на открытом воздухе до воздушно-сухого состояния. Затем их измельчают в фарфоровой ступке, просеивают через сита с диаметром ячеек 1 мм для дальнейшего усреднения и удаления оставшихся камней, корней и т.н. После этого пробы растирают в ступке до консистенции пыли, отбирают навески массой 300 мг и из них прессуют таблетки диаметром 10 мм на гидравлическом прессе при давлении 150 Па (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Гидравлический пресс и пресс-форма

Результаты анализа пробы почвы.

Решение

Сначала проведем оценку пробы № 1 (табл. 1.25).

Таблица 1.25

Оценка загрязнения пробы.

Из расчетов следует, что превышение концентрации наблюдается у цинка, кадмия, свинца. Все они относятся к первому классу опасности (см. табл. 1.21). Ориентировочно определим источники загрязнения для свинца, меди, цинка, кадмия, которые приведены в табл. 1.26.

Таблица 1.26

Источники загрязнения ОС тяжелыми металлами.

Таблица 1.27

Выводы о последствиях воздействия ТМ на растения и человека в данной пробе приведены в табл. 1.27.

Отрицательное воздействие ТМ на живые организмы

Окончание табл. 127

Теперь по аналогии с пробой № 1 проведем оценку пробы № 2. Оценка загрязнения пробы почвы приведена в табл. 1.28.

Оценка загрязнения пробы почвы

Таблица 128

Из расчетов видно, что превышений ПДК в пробе нет.

Ориентировочно определим источники загрязнения для меди, кадмия и цинка, которые приведены в табл. 1.29.

Источники загрязнения для меди, кадмия и цинка

Таблица 129

Выводы о последствиях воздействия ТМ на растения и человека в данной пробе приведены в табл. 1.30.

Последствия воздействия ТМ на растения и человека

Таблица 1.30

2. По условию задания 1 рассчитайте суммарный показатель загрязнения Z_c и определите по оценочной шкале уровень загрязнения, категорию загрязнения и показатели здоровья населения.

Сравните результаты проб № 1 и 2. Сделайте выводы о том, как меняется суммарный показатель загрязнения при разном типе почв.

Решение

Сначала проведем оценку пробы № 1.

Суммарный показатель загрязнения Z₍. рассчитаем по формуле (1.29):

Определим, но оценочной шкале следующие показатели (см. табл. 1.21):

• • уровень загрязнения — средний;
• • категория загрязнения — умеренно опасная;
• • показатели здоровья населения — увеличение общей заболеваемости.

Далее оценим пробу № 2:

Определим по оценочной шкале следующие показатели (см. табл. 1.21):

• • уровень загрязнения — минимально низкий;
• • категория загрязнения — допустимая;
• • показатели здоровья населения — наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений.

Ответ: суммарный показатель загрязнения Z_c в пробе № 1 равен 31,7, в пробе № 2 — 15,5. При одном и том же содержании ТМ в пробах суммарный показатель загрязнения дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы (Z_c = 34,7) почти в два раза превышает суммарный показатель в черноземе (Z_c = 15,5).

Варианты домашнего задания

В соответствии с вашим вариантом домашнего задания (табл. 1.31) проведите оценку загрязнения. Дайте полные ответы на вопросы задания и оцените воздействие ТМ на растения и человека.

Значения исходных данных.

Таблица 131

Окончание табл. 131

Домашнее задание № 4

Расчет концентрации загрязнения воды очистных сооружений

Загрязненная воды должна обязательно подлежать очистке.

В зависимости от характера примесей в сточной воде используют:

• • для очистки от органических соединений — экстракцию, абсорбцию, флотацию, ионообмен, реагентные методы, биологическое, жидкофазное или парофазное окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление и др.;
• • для очистки от неорганических примесей — дистилляцию, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрацию, реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы и пр.;
• • для очистки от суспензий и эмульсий — отстаивание, флотацию, фильтрацию, осветление, для больших частиц — центрифугирование, электрические методы осаждения (для мелких частиц), коагуляцию, флокуляцию и т. п.;
• • для очистки от газов и паров — отдувку, нагрев, реагентные методы;
• • для уничтожения вредных веществ — термическое разложение.

Очистные сооружения промышленных предприятий обычно работают по двухил и трехстадийной схеме очистки:

• 1) первой стадией всегда является механическая очистка, в результате которой удаляют взвеси в гравитационном отделении, состоящем из отстойников, фильтров, песколовок и др.;
• 2) физико-химическое отделение, в которое входят флотаторы, экстракционные и сорбционные установки;
• 3) биологическое отделение, состоящее из биофильтров, аэротенков, бионрудов и пр.

Эффективность очистки воды в очистном сооружении г| определяют по формуле.

где С_вх и С_вых — концентрация примеси в воде до и после очистки. При многостадийной очистке из (1.30) имеем.

Цель домашнего задания.

Цель домашнего задания состоит в расчете концентрации примесей на входе в очистную остановку.

Пример выполнения домашнего задания

Рассчитайте допустимую концентрацию примесей на входе очистных сооружений С_вх, если эффективность отделений очистных сооружений равна г_х = 67, rj₂ = 75 и Г|₃ = 56%, а С_вых = 17 мг/л.

Решение

По формуле (1.31).

Следовательно, для достижения на выходе концентрации С_вых =17 мг/л концентрация на входе очистных сооружений не должна превышать С_вх = 468 мг/л. Варианты заданий

В соответствии с вашим вариантом домашнего задания (табл. 1.32) рассчитайте допустимую концентрацию примесей на входе очистных сооружений С_вх.

Значения исходных данных.

Таблица 132