Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГОСТ 17.2.3.01-86
Лекци 24, 25
Загрязняющие вещества в воздухе
Алюминий – 2 класс опасности
Источники. Электротехника, авиационная, химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, машиностроение, строительство, оптика, ракетная и атомная техника.
Нахождение в природе. В почвах содержится 150-600 мг/кг, в атмосферном воздухе городов около 10 мкг/м3, в сельской местности – 0,5 мкг/м3. Накоплению алюминия в почве содействует ее закисление.
Пути поступления в организм. Суточная потребность в алюминии взрослого человека 35-49 мг. Общее содержание алюминия в суточном смешанном рационе составляет 80 мг.
Влияние на здоровье. Токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности, минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки — их размножение и рост.
Способы определения. В воде определяется атмно-абсорбционными и фотометрическими методами.
Асбест
Описание. Термин "асбест" обозначает группу встречающихся в природе волокнистых минералов (серпентин, амфиболы). Волокна асбеста легко расщепляются на более мелкие, образуя аэрозоли.
Антропогенные источники включают:
Атмосфера. Волокна асбеста составляют лишь относительно небольшую фракцию волокнистого аэрозоля в атмосфере. Биологически более важны так называемые "критические" волокна длиной от 5 мкм и диаметром до 3 мкм с отношением длины к диаметру 3:1.
Пути поступления в организм. Ингаляционный путь поступления в организм наиболее важен с точки зрения воздействия на здоровье.
Влияние на здоровье. К последствиям воздействия асбеста на организм человека относятся асбестоз. Все эти последствия развиваются в результате хронического воздействия, причем асбестоз является исключительно профессиональным заболеванием.
Бензол - 2 класс опасности; ПДКсс= 0,1 мг/м3; ПДКмр= 1,5 мг/м3.
Источники. Бензол в основном используется как сырье при производстве замещенных ароматических углеводородов. Он входит в состав сырой нефти и в Европе — в состав бензина. Используется в лабораторной практике, в том числе и при проведении аналитических процедур.
Атмосфера. В непосредственной близости от заправочных станций, промышленных предприятий, использующих или производящих бензол, его концентрация в воздухе может достигать нескольких сотен мкг/м3. В селитебной зоне концентрация бензола обычно составляет 3-30 мкг/м3 и зависит в основном от интенсивности движения транспорта.
Пути поступления в организм. Около 50 % бензола, содержащегося во вдыхаемом воздухе, абсорбируется легкими. Табачный дым представляет важный дополнительный источник поступления бензола для курящих.
Влияние на здоровье. При хроническом воздействии бензол накапливается в жировой ткани. В высоких концентрациях (более 3200 мг/м3) нейротоксичен. Хроническое воздействие близких к порогу токсичности концентраций приводит к поражению костного мозга.
Способы определения. В воде фотометрическое определение после титрования. В воздухе: титрование до нитробензола и дальнейшее колориметрическое определение.
Винилхлорид - ПДКсс= 1 мг/м3; ПДКмр= 3 мг/м3.
Источники. Основные источники эмиссий винилхлорида (ВХ) в атмосферу — производство винилхлорида, производство поливинилхлорида (ПВХ) и изделий из него. В США были зарегистрированы эмиссии винилхлорида, источником которых являлись свалки муниципальных отходов.
Атмосфера. В непосредственной близости от заводов по производству ВХ и ПВХ среднесуточные концентрации ВХ в воздухе могут превышать 100 мкг/м3, но на расстоянии более 1 км от завода снижаются до менее 10 мкг/м3.
Пути поступления в организм. Люди, живущие в пределах пятикилометровой зоны вокруг предприятий, производящих ВХ или ПВХ, могут подвергаться воздействию концентраций ВХ в 10-100 раз более высоких, чем остальное население.
Влияние на здоровье. Токсические эффекты винилхлорида отмечались при воздействии высоких его концентраций в условиях профессионального контакта. При проживании вблизи заводов, производящих ПВХ, возрастает риск пороков развития, особенно чувствительна ЦНС. Установлена канцерогенность винилхлорида для человека.
1,2-Дихлорэтан (ДХЭ)
Источники. Используется в органическом синтезе (в частности, в производстве винилхлорида, этилендиамина), как добавка к этилированному бензину, растворитель и фумигант.
Атмосфера. "Фоновый" уровень в атмосфере — около 0,2 мкг/м3; в городах — в среднем 0,4-1,0 мкг/м3 . Вблизи мест производства и применения концентрации заметно выше (несколько десятков мкг/м3, уменьшаются с удалением от источника). Вблизи автозаправочных станций также могут отмечаться повышенные концентрации 1,2-дихлорэтана (несколько мкг/м3). Процесс разложения в атмосфере относительно медленный (время полуразложения 29 дней).
Пути поступления в организм. Поступление с воздухом — наиболее значимый путь.
Влияние на здоровье. Вдыхание ДХЭ отрицательно влияет на ЦНС. Симптомы интоксикации включают головную боль, головокружение, слабость, спазмы, снижение тонуса мускулатуры, тошноту, потерю сознания; возможен смертельный исход. Отмечалось также нарушение сердечного ритма.
Способы определения. В воде определяется фотометрическими методами.
Оксиды азота
NO2 ПДКсс= 0,04 мг/м3; ПДКмр= 0,085 мг/м3.
NO ПДКсс= 0,06 мг/м3; ПДКмр= 0,4 мг/м3.
Важнейшими являются NO и NO2, поскольку остальные (N2O, N2O3, N2O4, N2O5 и пары HNO3), которые могут присутствовать в воздухе, не являются биологически значимыми.
Источники. Существуют естественные источники оксидов азота — бактериальная активность в почве, грозы, извержения вулканов. Основным антропогенным источником их являются процессы горения при температуре выше 1000°С (автотранспорт и стационарные источники).
Атмосфера. Вблизи заводов, производящих азотную кислоту или взрывчатые вещества или вблизи теплоэлектростанций отмечаются очень высокие концентрации.
Пути поступления в организм. Респираторный.
Влияние на окружающую среду. Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.
Влияние на здоровье. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами. Пиковые концентрации действуют сильнее, чем интегрированная доза. Кратковременное воздействие 3000-9400 мкг/м3 диоксида азота вызывает изменения в легких.
Способы определения. В воде: фотометрическое и потенциометрическое определение. В воздухе: колориметрическое определение с сульфаниловой кислотой.
Оксид серы (IV) и взвешенные частицы
Источники. В основном процессы, приводящие к образованию взвешенных частиц, — это процессы горения, осуществляемые на ТЭЦ, мусоросжигательных заводах, в бытовых печах, двигатели внутреннего сгорания, печи обжига цемента, лесные пожары, вулканическая деятельность. Частицы, образующиеся в результате сгорания, обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы (главным образом уголь и нефть). В общем же химический состав взвешенных частиц в атмосфере достаточно разнообразен. Возможные источники этих элементов:
Примерами процессов диспергирования могут быть выброс в воздух твердых побочных продуктов литейного производства, пыль, образующаяся на улицах города в результате движения транспорта, и т.д. Кроме того, аэрозоли могут образовываться в воздухе в результате фотохимических превращений атмосферных загрязнений (образование аэрозолей серной кислоты, сульфатов, нитратов).
Диоксид серы — бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц, особенно сжигание угля и нефти. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO3, серной кислоты и сульфатов. Типичные процессы образования дисперсионных аэрозолей — измельчение угля, ветровая эрозия почвы.
Атмосфера. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м3, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер. Взвешенные частицы относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения (отопление и производство энергии), производственной деятельности и естественных источников. Размеры частиц варьируют от 0,1 до примерно 25 мкм в диаметре. До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов. Аэрозоли состоят главным образом из углеродсодержащих частиц, оксидов металлов и силикатов, растворенных электролитов и твердых солей. Преобладающими компонентами являются углеродные частицы, вода, сульфаты, нитраты, соли аммония и соединения кремния. Состав аэрозольных частиц значительно изменяется в зависимости от размера. Дисперсионные аэрозоли, такие как пыль, образуются при измельчении частиц большего размера и обычно имеют диаметр более 1 мкм.
Для отдельных видов частиц в зависимости от размеров, формы и характерных особенностей поведения условно используют различные термины — пыль, сажа, дым, туман, дымка и пр.
Пыль — общий термин, применяемый лишь к твердым частицам. Различают оседающую пыль, т.е. частицы с размером более 10 мкм и механически устойчивые аэросуспензии с размером частиц 5–0,1 мкм.
Дымы содержат как твердые, так и жидкие частицы размером от 0,01 до 1 мкм в диаметре. Они образуются либо из веществ, улетучивающихся при высокой температуре, либо в результате химических реакций (окисления).
Туман состоит из жидких частиц диаметром 0,01–3 мкм.
Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO2 и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO2 могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования.
Способы определения. В воде: гравиметрическое и потенциометрическое определение. В воздухе: колориметрическое определение по реакции с формальдегидом.
Оксид углерода (II)
Источники. Неполное сгорание органического вещества (автотранспорт, промышленность, сжигание отходов, курение и т.п.). Образуется также при протекании некоторых биологических и промышленных процессов.
Атмосфера. Естественное содержание в атмосфере 0,01–0,23 мг/м3.
Влияние на здоровье. Снижает способность крови переносить кислород к тканям. Каждая млн-1 СО приводит к связыванию с 0,165 % гемоглобина крови. Содержание 2-5 % приводит к нарушению психомоторных функций, а более 5 % — нарушения сердечной деятельности и дыхания. Содержание карбоксигемоглобина более 10 % приводит к головной боли, утомляемости, сонливости, снижению работоспособности, коме, остановке дыхания и смерти. Принимая во внимание эти эффекты, желательно не допускать содержания карбоксигемоглобина свыше 2 %.
Полиядерные ароматические углеводороды (ПАУ)
Полиядерные ароматические углеводороды — большая группа органических соединений, содержащих два бензольных кольца или более. Они относительно мало растворяются в воде, но хорошо — в жирах. Почти все количество ПАУ в атмосфере абсорбировано поверхностью взвешенных частиц. Существует несколько сотен ПАУ; наиболее известен бенз[а]пирен.
Источники. Образуются в основном в результате пиролиза, особенно неполного сгорания органических материалов, а также в природных процессах (карбонизация). Источники включают производство кокса, использование угля для обогрева, автотранспорт.
Атмосфера. В атмосфере идентифицировано более 500 ПАУ. Большинство измерений проводится по бенз[а]пирену. Хотя это весьма проблематично. Его обнаружение свидетельствует лишь о факте загрязнения окружающей среды этими соединениями. Для получения реальной картины необходимо знать концентрацию 16 приоритетных веществ, которые формируют фоновое содержание ПАУ в атмосферном воздухе: нафталина, аценафталина, аценафтена, антрацена, флуорена, фенантрена, флуорантена, пирена, хризена, тетрафена, 3,4-бензфлуорантена, 11,12-бензфлуорантена, 3,4-бензпирена, 1,12-бензперилена, 2,3-о-фениленпирена, 1,2,5,6-дибензантрацена.
Индикаторами промышленных выбросов являются пирен, флуорантен; индикаторами выбросов двигателей внутреннего сгорания — 1,12-бензперилен.
Влияние на здоровье. Бенз[а]пирен является местным канцерогеном. Исследования в основном отмечают развитие рака легких в результате поступления ПАУ с воздухом. Таким образом, чтобы установить, насколько токсична смесь ПАУ, требуется определить не только их суммарное содержание, но и содержание каждого компонента в отдельности.
Способы определения. В воде определяется фотометрическими методами.
Сероводород 1 класс опасности; ПДКмр= 0,008 мг/м3.
Источники. Побочный продукт при очистке нефти, природного газа. Разложение органических отходов. Содержится в отходящих газах (например, производство вискозы, хвостовые газы в производстве серы, кокса и др.). Станции водоочистки, производство бумаги сульфатным методом.
Атмосфера. Среднее содержание в атмосфере 0,3 мкг/м3. Достаточно высокие концентрации наблюдаются вблизи точечных источников (до 0,20 мг/м3).
Влияние на здоровье. Острая интоксикация в основном выражается в поражении нервной системы. В местах естественных эмиссий сероводорода имеется риск для всего населения.
Способы определения. В воздухе: колориметрическое определение.
Сероуглерод CS2 ПДКсс= 0,005 мг/м3; ПДКмр= 0,03 мг/м3.
Источники. Основной источник загрязнения окружающей среды — эмиссии предприятий, производящих вискозное волокно. Процессы газификации угля также являются источником CS2 и H2S в атмосфере.
Атмосфера. Вблизи предприятий, производящих вискозное волокно.
Влияние на здоровье. Контакт с этим веществом наиболее вероятен при использовании его в производственном цикле.
Способы определения. В воздухе: колориметрическое определение.
Тяжелые металлы
Согласно сведениям, представленным в "Справочнике по элементарной химии" под ред. А.Т.Пилипенко (1977), к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов с относительной плотностью более 6.
Опасны прежде всего те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Биогеохимические свойства тяжелых металлов
|
Свойство |
Cd |
Co |
Cu |
Hg |
Ni |
Pb |
Zn |
|
Биохимическая активность |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
|
Токсичность |
В |
У |
У |
В |
У |
В |
У |
|
Канцерогенность |
— |
B |
— |
— |
B |
— |
— |
|
Обогащение аэрозолей |
B |
H |
B |
B |
H |
B |
B |
|
Минеральная форма распространения |
B |
B |
H |
B |
H |
B |
H |
|
Органическая форма распространения |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
|
Подвижность |
B |
H |
У |
В |
Н |
В |
У |
|
Тенденция к биоконцентрированию |
В |
В |
У |
В |
В |
В |
У |
|
Эффективность накопления |
В |
У |
В |
В |
У |
В |
В |
|
Комплексообразующая способность |
У |
Н |
В |
У |
Н |
Н |
В |
|
Склонность к гидролизу |
У |
Н |
В |
У |
У |
У |
В |
|
Растворимость соединений |
В |
Н |
В |
В |
Н |
В |
В |
|
Время жизни |
В |
В |
В |
Н |
В |
Н |
В |
В– высокая, У — умеренная, Н — низкая
Формы нахождения в окружающей среде
В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта — из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива.
В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте.
В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.
Источники
Процесс сжигания угля является главным источником поступления в биосферу многих металлов. В угле и нефти присутствуют все металлы. Значительно больше, чем в почве, токсичных химических элементов, включая тяжелые металлы, в золе электростанций, промышленных и бытовых топок. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива имеют особое значение. Например, количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в них в 3-8 раз превышает количество добываемых металлов. Известны данные о том, что только один котлоагрегат современной ТЭЦ, работающий на угле, за год выбрасывает в атмосферу в среднем 1-1,5 т паров ртути. Тяжелые металлы содержатся и в минеральных удобрениях.
Наряду со сжиганием минерального топлива важнейшим путем техногенного рассеяния металлов является их выброс в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургия, обжиг цементного сырья и др.), а также транспортировка, обогащение и сортировка руды.
Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полуудаления цинка — до 500 лет, кадмия — до 1100 лет, меди — до 1500 лет, свинца — до нескольких тысяч лет.
Существенный источник загрязнения почвы металлами — применение удобрений из шламов, полученных из промышленных и канализационных очистных сооружений.
Формальдегид ВОЗ= 100 мг/м3.
Источники. Антропогенные источники включают непосредственные эмиссии при производстве и промышленном использовании, и вторичные (окисление углеводородов, выбрасываемых стационарными и мобильными источниками). Основное значение имеет загрязнение воздуха внутри зданий (изоляционные материалы, ДСП, клееная фанера, сигаретный дым, приготовление пищи).
Атмосфера. Фоновые концентрации составляют несколько мкг/м3; в городском воздухе достигают 0,005–0,01 мг/м3 (выше вблизи промышленных источников). Кратковременные пиковые концентрации в застроенных городских районах (в часы пик или в условиях фотохимического смога) примерно на порядок выше.
Концентрации в воздухе внутри зданий – несколько десятых мг/м3 (основной конструкционный материал — ДСП).
Пути поступления в организм. Поступление с вдыхаемым воздухом — около 1 мг/день, реже 2 мг/день. Курение является дополнительным источником.
Влияние на здоровье. Формальдегид – неканцерогенное вещество. Симптомы кратковременного воздействия — раздражение глаз, слизистых оболочек носа и гортани, слезотечение, кашель, одышка и тошнота.
Способы определения. В воде определяется газохроматографическими и фотометрическими методами. В воздухе: колориметрическое определение продукта реакции с хромо_____вой кислотой.
Хлорорганические пестициды (ХОП)
Источники. Применение в сельском хозяйстве, хранение. Особенно большие количества ХОП поступают в атмосферу при использовании сельскохозяйственной авиации.
Атмосфера. ХОП переносятся с воздухом на большие расстояния. Фоновые концентрации гексахлорана и ДДТ в воздухе над океаном — соответственно 0,4-0,6 и 0,03-1,0 нг/м3. Максимальные концентрации ХОП отмечаются в атмосфере в теплый период с пиковыми значениями весной и осенью.
Пути поступления в организм. ХОП хорошо поглощаются листьями и побегами из воздуха. Загрязненная рыба является основным источником поступления ХОП в организм человека.
Влияние на здоровье. Помимо общей токсичности, повышают риск развития рака. Некоторые ХОП способны нарушать структуру генетического аппарата. Повреждают репродуктивную функцию.
Способы определения. В воде: газожидкостная хроматография и газовая хроматография.
Различают 3 категории постов наблюдений:
Стационарный пост предназначен для обеспечения непрерывной регистрации содержания загрязняющих веществ или расширенного отбора проб воздуха для последующего анализа.
Маршрутный пост предназначен для регулярного отбора проб воздуха в фиксированной точке местности при наблюдениях, проводимых с помощью передвижного оборудования.
Передвижной пост предназначен для отбора проб под дымовым (газовым) факелом с целью выявления зоны влияния данного источника.
Стационарный и маршрутный посты размещаются в местах, выбранных на основе предварительного исследования загрязнения воздушной среды города промышленными выбросами, выбросами автотранспорта, бытовыми и другими источниками и условий рассеивания. Эти посты размещаются в центральной части населенного пункта, жилых районах с различным типом застройки, зонах отдыха, на территориях примыкающих к магистралям интенсивного движения транспорта.
Места отбора проб при подфакельных наблюдениях выбирают на разных расстояниях от конкретного источника загрязнения с учетом закономерностей распространения загрязняющих веществ в атмосфере.
Число стационарных постов в зависимости от численности населения устанавливается не менее:
1 пост – до 50 тыс. жителей;
2 поста – 50 – 100 тыс. жителей;
3 поста – 100 – 200 тыс. жителей;
3-5 постов – 200 – 500 тыс. жителей;
5-10 постов – более 500 тыс. жителей;
10-20 постов – более 1 млн. жителей.
В населенных пунктах устанавливают один стационарный или маршрутный пост через каждые 0,5 – 5 км с учетом сложности рельефа и наличия значительного количества источников загрязнения.
Устанавливают 4 программы наблюдений на стационарных сотах: полную, неполную, сокращенную, суточную.
Полная программа наблюдений предназначена для получения информации о разовых и среднесуточных концентрациях.
Разовая концентрация – взятая за 20-30 минут.
Среднесуточная концентрация – определяется как среднее арифметическое значение разовых концентраций, полученных по полной программе, через равные промежутки времени, включая обязательные сроки 1, 7, 13, 19 ч., а также по данным непрерывной регистрации в течение суток.
Неполная программа включает наблюдения с целью получения информации о разовых концентрациях в 7, 13, 19 часов местного времени.
Сокращенную программу наблюдений проводят с целью получения информации о разовых концентрациях ежедневно в сроки 7 и 13 часов местного времени.
Программа суточного отбора проб предназначена для получения информации о среднесуточной концентрации. Наблюдения по этой программе проводят путем непрерывного суточного отбора проб.
Одновременно с отбором проб воздуха определяют метеорологические параметры:
На стационарных и маршрутных постах проводятся наблюдения за содержанием пыли, сернистого газа, окиси углерода, двуокиси азота и за специфическими ЗВ, которые характерны для промышленных выбросов данного населенного пункта.
На передвижных постах проводятся наблюдения за специфическими загрязняющими веществами, характерными для выбросов данного предприятия.
Продолжительность отбора проб загрязняющих веществ при определении разовых концентраций – 20-30 мин.
Отбор проб при определении приземной концентрации примеси в атмосфере проводят на высоте от 1,5 до 2,5 м от поверхности земли.
Среднемесячная концентрация загрязняющих веществ определяется как среднее арифметическое значение всех разовых или среднесуточных концентраций, полученных в течение месяца.
Среднегодовую концентрацию загрязняющих веществ определяют как среднее арифметическое значение разовых или среднесуточных концентраций, полученных в течение года.
Конкретные требования к способам и средствам отбора проб, необходимым реактивам, условиям хранения и транспортировки образцов, индивидуальным для каждого загрязняющего вещества, устанавливаются в нормативно-технических документах на методы определения ЗВ.
Основным средством отбора является аспираторная трубка (аспиратор) – прибор, предназначенный для измерения объема пробы анализируемого воздуха и ее отбора при помощи улавливающего устройства.
Оснавная погрешность аспирирующий устройств не должна превышать 5% при температуре воздуха 2050С, влажности (6515)%, давлении (101,33,0)кПа, отклонения напряжения питания 10% номинального значения.
Лекция №19. Расчет концентрации пыли в атмосфере.
Все загрязнители атмосферы, выбрасываемые точечными и распределенными источниками, переносятся, рассеиваются и кон центрируются в атмосфере при различных метеорологических и топографических условиях. Атмосферный цикл начинается с вы броса загрязнителей в атмосферу, после чего следует их перенос и разбавление в воздухе. Цикл завершается, когда загрязнители осаждаются на растительность, опавшую листву, почву, водные поверхности и другие предметы, вымываются из атмосферы дождем или улетучиваются в космическое пространство. В отдельных случаях загрязнители могут вновь попадать в атмосферу под воз действием сильных ветров.
Рассеяние загрязнителей в атмосфере есть результат трех преобладающих механизмов: 1) осредненного движения масс воз духа, которое переносит загрязнитель в направлении ветра, 2) тур булентных флуктуаций скорости, которые рассеивают загрязни тель по всем направлениям, и 3) массовой диффузии, связанной с градиентами концентрации. Кроме того, общие аэродинамиче ские характеристики, такие, как размер, форма и вес, влияют на скорость, с которой частицы негазообразных загрязнителей осе дают на землю или вновь попадают в воздух.
Рассеивание в атмосфере загрязняющих веществ.
Методика расчета
Необходимо, чтобы концентрация загрязняющих веществ в воздухе на уровне дыхания человека не превышала ПДК по всем выбрасываемым в атмосферный воздух примесям дымовых газов. Для решения этой задачи разработана и утверждена методика, основанная на получении в результате теоретических и экспериментальных исследований Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (ГГО) формуле, устанавливающей зависимость концентрации примесей в приземном слое атмосферного воздуха см, мг/м3, от различных параметров источника загрязнения, метеорологических и прочих условий:
где А – коэффициент температурной стратификации атмосферы, зависящий от метеорологических условий, с2/3мг/(гК1/3); М – суммарный выброс загрязняющего вещества, г/с; Н – высота дымовой трубы, м; V – объем дымовых газов, выбрасываемых из трубы, м3/с; Т – разность между температурой газов и окружающего воздуха, С; m и n – безразмерные коэффициенты, зависящие от скорости выхода газов из устья труб; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения разных частиц золы в атмосфере (для газовых примесей равно единице); N –число дымовых труб.
Коэффициент А равен 240 для субтропической зоны Средней Азии, для Казахстана, Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии.
При расчете Т температура окружающего воздуха определяется по наземной температуре из климатологического справочника для летнего времени в дневные часы.
Безразмерный коэффициент m подсчитывается по уравнению
Параметр f, м/(с2К), в свою очередь подсчитывается по следующей зависимости:
Легко убедится, что для тепловых электростанций параметр Vм всегда больше 2, поэтому коэффициент n при расчете рассеивания выбросов ТЭС принимается равным 1.
Формула (3-1) применима для источников, расположенных на ровной или слабопересеченной местности, и позволяет определить при неблагоприятных метерологических условиях максимально-разовую концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека, т.е. на высоте 1,5 м над поверхностью земли. Максимальная концентрация загрязняющих веществ наблюдается на линии, являющейся проекцией дымовой струи на земную поверхность, на некотором расстоянии xм=dH, где коэффициент d для ТЭС определяется по формуле
Выброс окислов серы, г/с, подсчитывается по количеству сжигаемого топлива и содержанию в нем серы:
где Вр –расчетный расход топлива на электростанции, т/ч; S и SO2 – соответственно относительные молярные массы серы и ее двуокиси.
Условное содержание серы , где - доля серы, связанной с золой и шлаком в процессе сжигания топлива. Коэффициент для большинства каменных и бурых углей с достаточной степенью точности можно принять равным 0,1. Только для углей с высоким содержанием в золе окиси кальция коэффициент значительно выше: для канско-ачинских углей следует принимать =0,25, а для сланцев =0,5.
Выброс азота , г/с, - это произведение приведенного к нормальным условиям объема дымовых газов, м3/с, на концентрацию окислов азота, г/м3 ( в пересчете на NO2):
Лекция №20. Температурная устойчивость атмосферы. Влияние ветра.
Температурные градиенты атмосферы.
Одной из наиболее важных характеристик атмосферы является ее устойчивость, т. е. ее способность препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулентность. Эта способность непосредственно связана с возможностью атмосферы рассеивать загрязнители, которые попадают в нее от естественных или антропогенных источников. Когда небольшой объем воздуха перемещается в атмосфере вверх, он оказывается в слоях с более низким давлением и испытывает расширение с уменьшением температуры.
Для анализа температурных градиентов используют понятие сухоадиабатический вертикальный градиент температуры и обозначается специальным символом
Условия устойчивости атмосферы.
Если мы хотим оценить способность атмосферы рассеивать загрязнители, которые попадают в нее от антропогенных источников. необходимо знать степень устойчивости атмосферы. Устойчивость атмосферы проявляется в том, что в ней отсутствуют значительные вертикальные движения и перемешивание. В этом случае загрязнители, выброшенные в атмосферу вблизи земной поверхности будут иметь тенденцию задерживаться там. Хотя перемешиванию воздуха в нижней атмосфере способствует много разных процессов, среди них следует выделить 1) температурный градиент и 2) механическую турбулентность, связанную с взаимодействием ветра с подстилающей поверхностью. Возможность теплового перемешивания можно определить, сравнив реальный температурный градиент в окружающей среде с адиабатическим вертикальным градиентом температуры.
Несколько возможных температурных градиентов в окружающей среде в сопоставлении с адиабатическим градиентом температуры представлено на рис. 3.8. Когда температурный градиент в окружающей среде больше, чем сухоадибатический градиент температуры Г, атмосферы называют сверхадиабатической.
Когда градиент температуры окружающего воздуха примерно равен сухоадиабатическому вертикальному градиенту (рис. 3.8, б), устойчивость атмосферы называют безразличной. Любой объем воздуха, который по какой-либо причине быстро перемещается вверх или вниз, будет иметь ту же температуру, что и окружающий воздух на новой высоте. Следовательно, отсутствует побудительная причина для любого дальнейшего вертикального перемещения, связанного с различием температур, и рассматриваемый объем воздуха останется в том же месте. Следовательно, он имеет тенденцию вернуться на первоначальную высоту.
В тех случаях, когда с ростом высоты температура увеличивается, градиент температуры отрицателен и атмосферные условия определяются как. инверсия. Такие условия характерны для весьма устойчивой атмосферы, и им соответствует относительно высокий положительный градиент потенциальной температуры. Наличие инверсии должно уменьшать вертикальное перемешивание загрязнителей и таким образом увеличивать их концентрацию в приземном слое. Среди различного рода инверсий есть две наиболее часто встречающиеся: первая из них образуется при опускании слоя воздуха в воздушную массу с более высоким давлением, а вторая связана с радиационной потерей тепла земной поверхностью в ночное время. Первая известна как инверсия оседания. Инверсионный слой в этом случае обычно располагается на некотором расстоянии над земной поверхностью.
Возможны два других типа локальных инверсий. Одна из них связана с морским бризом, упомянутым выше. Нагревание воздуха в утренние часы над сушей приводит к потоку более холодного воздуха по направлению к суше от океана или достаточно большого озера. В результате более теплый воздух поднимется вверх, а холодный занимает его место, создавая инверсионные условия. Инверсионные условия создаются также при прохождении теплого фронта над большим континентальным участком суши. Теплый фронт часто имеет тенденцию «подминать под себя» более плотный и более холодный воздух, расположенный перед ним, создавая таким образом локальную температурную инверсию. Прохождение холодного фронта, перед которым расположена область теплого воздуха, приводит к такой же ситуации.
Движение воздуха: вблизи земной поверхности тормозится за счет сил трения, пропорциональных шероховатости подстилающей поверхности. Таким образом, природа местности, размещение и густота деревьев, расположение и размеры озер, рек, холмов и зданий приводят к различным градиентам скорости ветра в вертикальном направлении Слой атмосферы (называемый планетарным пограничным слоем) в котором ощущается влияние сил трения, простирается от т скольких сотен метров до нескольких километров над земной поверхностью. Мощность этого слоя больше для неустойчивых условий, чем для устойчивых. Таким образом, загрязнители рассеиваются в вертикальном направлении в большей степени при неустойчивых атмосферных условиях, а это ведет в свою очередь к уменьшенной концентрации загрязнителя на всем пути движения воздушной массы от источника в направлении ветра. Однако турбулентные флюктуации неустойчивой атмосферы могут привести к неожиданной концентрации загрязнителей до уровней, которых можно было обкидать при устойчивой атмосфере.
Типичные профили скорости ветра в дневное и ночное время показаны на рис. 3.12. Поскольку ночью атмосферные условия более устойчивы, профиль ночью обычно более пологий, чем днем. Отметим, что в этом случае (рис. 3.12) уровни меняющихся скоростей ветра ограничены высотой 600 м. Выше влияние сил трения незначительно, и скорость ветра становится почти равной скорости градиентного ветра, который мы рассматривали раньше. В общем виде влияние шероховатости местности на профиль скорости ветра показано на рис. 3.13. В этом частном примере толщина пограничного слоя меняется приблизительно от 500 до 280 м в зависимости от степени шероховатости. С уменьшением шероховатости профиль также становится более пологим вблизи поверхности земли.
Часто необходимо знать скорость ветра на некоторой высоте, отличной от стандартной. Было затрачено много усилий, чтобы получить удовлетворительное аналитическое выражение для измерения скорости с высотой. Однако ввиду сложности явления полностью удовлетворительного выражения не получено и по сей день. Для первых нескольких сотен метров пограничного слоя можно использовать показательный закон Дикона. Он имеет вид
где и—скорость ветра на высоте z, и1 - скорость ветра на высоте z1 и p - показатель экспоненты, изменяющийся от нуля до единицы.
Когда градиент температуры окружающего воздуха близок к градиенту в адиабатических условиях, а шероховатость местности незначительна, для р может быть использовано значение, пример но районе 1/7 .
Таблица 3.1
Соотношение между параметром устойчивости п
в уравнении (3.14) и условиями устойчивости атмосферы
|
Условия устойчивости |
п |
|
Большой градиент температуры Нулевой или малый градиент температуры. Умеренная инверсия Значительная инверсия |
0,20 0,25 0,33 0,50 |
Таблица 3.2
|
ΔT, F |
p |
ΔT, F |
p |
|
От –4 до –2 От –2,5 до –1,5 От –2 до 0 От –1 до 1 От 0 до 2 |
0,145 0,17 0,25 0,29 0,32 |
От 2 до 4 От 4 до 6 От 6 до 8 От 8 до 10 От 10 до 12 |
0,44 0,53 0,63 0,72 0,77 |
.
Общие характеристики струй дыма из труб
Как отмечалось в предыдущем разделе, рассеяние загрязнителей в атмосфере определяется двумя основными факторами: скоростью среднего ветра и атмосферной турбулентностью. Результат действия первого из них сводится к простому переносу загрязнителей в направлении ветра от источника; под действием турбулентности загрязнители смещаются за счет флюктуаций от главной линии тока в вертикальном и поперечном к ветру направлениях. Два типа турбулентности—механическая и конвективная—обычно действуют одновременно при любых атмосферных условиях, но в различных соотношениях. По этой причине газовые струи, вытекающие из труб, имеют различную форму.
Рис. 3.17. Типичные профиль скорости ветра, температурный профиль и форма струи в плоскости xz для различных атмосферных условий
(- - - сухоадиабатический — вертикальный градиент температуры;— градиент температуры в окружающем воздухе). а—волнообразная струя, сильная неустойчивость: б—конусообразная струя, устойчивость близка к безразличной; в—веерообразная струя, поверхностная инверсия; г—задымляющая струя, приподнятая инверсия; д—приподнятая струя, инверсия ниже горловины трубы: е—ограниченная струя, инверсия ниже и выше горловины трубы.
Классификация струй представлена на рис. 3.17. Кроме различных вариантов геометрической формы струй в плоскости xz на рисунке показаны также приблизительные профили скорости ветра и температуры. Можно проследить постепенный переход от одного типа струи к другому. Волнообразная струя, показанная на рис. 3.17а, имеет место в условиях сильно развитой конвективной турбулентности. Как видно из рисунка, волнообразная струя есть следствие сверхадиабатического вертикального градиента температуры, который приводит к значительной неустойчивости. Волнообразная струя обычно характерна для ясных дней, когда происходит нагревание земной поверхности солнечными лучами, и при слабых ветрах.
Конусообразная струя (рис. 3.17,6) имеет место практически при безразличной устойчивости атмосферы, конусообразные струи образуются, когда небо покрыто облаками днем или ночью. Типичны ветры умеренной силы. Облачный покров препятствует притоку солнечной радиации днем и оттоку ее от поверхности земли ночью.
Веерообразная струя образуется в условиях большого отрицательного градиента температуры, когда на значительной высоты над трубой располагается сильная поверхностная инверсия. Атмосфера чрезвычайно устойчива, и механическая турбулентность выражена слабо.
Задымляющие струи образуются, когда устойчивый слой воздуха располагается на небольшом расстоянии над точкой выброса, а неустойчивый слой лежит ниже струи. Температурный профиль, способствующий образованию задымления, обычно формируется рано утром после ночи, для которой была характерна устойчивая инверсия. Утреннее солнце нагревает землю, что в свою очередь способствует развитию отрицательного температурного градиента в направлении от поверхности земли.
К счастью, условия задымления продолжаются не более чем полчаса. Однако в течение этого периода приземные концентрации могут достигать относительно высоких значений. Задымлению благоприятствуют ясное небо и слабый ветер; чаще всего такие условия характерны для летнего периода.
Условия для приподнятой струи, показанные па рис.3,17д, обратны условиям образования задымляющей струи. Слой инверсии располагается в этом случае ниже струи, которая размещена в неустойчивом слое, простирающемся выше инверсии. Условия, благоприятные для приподнятой струи существуют в послеполуденное время и ранним вечером при ясном небе. Когда инверсии размещены как выше, так и ниже верхней точки трубы образуются условия для ограниченной струи. Рассеяние загрязнителей в этом случае происходит только в слое между двумя устойчивыми областями атмосферы, как показано на рис.17е.
Поток воздуха
Фильтр
Регулировка скорости потока
зменение объема воздуха
Насос
(вентилятор)
Выброс воздуха
(ротаметр)
ручной
автомат
Блок-схема аспиратора