Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы контроля и системы мониторинга загрязнений окружающей среды. Монография
.pdf
Рис. 4.4. Схема зондирования атмосферных образований методом
()
a
o
,
o
,
i
f
,
R
P
дифференциального поглощения
er aer
−α −α
E
A
=
noff
. (4.7)
Δσ
Коэффициент дифференциального поглощения определяется:
где
σλ
()
i
on of
=
поглощения и вне его соответственно.
При оценке чувствительности лазерного спектрометра оказывается возможным сделать следующее допущение: зондирование осуществляется в чистой атмосфере (без турбулентности и сильных концентраций аэрозоля), что дает возможность в формуле (4.5) не учитывать три последних слагаемых.
Тогда выражение для минимально обнаруживаемой концентрации
значительно упрощается и принимает следующий вид:
где
– минимальный уровень значений разности логарифмов из-
δ
меряемых лидарных сигналов (~ 0,02).
Δσ=σ λ −σ λ =σ −σ (4.8)
–
()
()
noffonoff
эффективное сечение поглощения в центре линии
δ
P
=
N
min
ΔσΔ
2
(4.9)
171
Для определения коэффициента дифференциального поглоще-
22,4
M
ния исследуемых газов были использованы атласы спектральных
данных HITRAN и GEISA [20]. Полученные данные представлены
в табл. 4.5.
Следует отметить, что значения минимально обнаруживаемых
концентраций будут рассчитаны для толщины поглощающего слоя ~
м, что соответствует диаметру наиболее распространенных труб.
1
Если толщина поглощающего слоя будет в несколько раз больше, то
во столько же раз уменьшится значение предельно обнаруживаемой
концентрации вещества. Точность определения зависит от состояния
атмосферы и дальности нахождения объекта, по оценкам составит
порядка 20…25 %.
Рассчитанные значения минимально обнаруживаемых концентраций загрязняющих веществ приведены в табл. 4.6. Значения в последней колонке табл. 4.5 получены по формуле
C C ppm=
3
мг м
()
()
, (4.10)
где М – молекулярная масса вещества.
Полученные расчетным путем значения минимально обнаруживаемых концентраций загрязняющих веществ были сопоставлены со
значениями их ПДК в атмосферном воздухе (табл. 4.7).
Таблица 4.5
Значения коэффициента дифференциального поглощения некоторых
загрязняющих веществ
Вещество Химическая формула
Диоксид азота NO2 0,18
Диоксид серы SO2 1,3
Озон O
Формальдегид СН2О 5,74
Аммиак NH3 120
Фреон-11 CCl3F 31,0
Фреон-12 CCl2F2 92,0
Хлоропрен С
Метанол СН3ОН 19,4
Тетрахлорэтилен С2Сl4 28,5
172
12,7
3
Cl 12,4
4Н5
Коэффициент
поглощения, см
–1
·атм
–1
Таблица 4.6
Минимально обнаруживаемые концентрации загрязняющих веществ
Минимально обнаруживаемая
концентрация
ppm мг/м3
Загрязняющее вещество
Химическая
формула
Диоксид азота NO2 0,556 1,142
Диоксид серы SO2 0,077 0,220
Бензол C
Озон O
0,043 0,150
6H6
0,008 0,017
3
Формальдегид СН2О 0,017 0,023
Хлорэтилен (винилхлорид) С
Cl 0,015 0,042
2Н3
Аммиак NH3 0,001 0,001
Сероуглерод CS2 0,011 0,022
Трихлофторметан (фреон-11)
Дихлорфторметан (фреон-12)
CCl3F 0,003 0,018
CCl2F2 0,001 0,005
Таблица 4.7
*
Значения ПДК
Загрязняющее вещество
и ПДКсс загрязняющих веществ
мр
Химическая
формула
Класс
опасности
ПДК
мг/м3
,
ПДК
мр
,
сс
мг/м3
Диоксид азота NO2 2 0,085 0,040
Диоксид серы SO2 3 0,500 0,050
Бензол C
Озон O
2 1,500 0,100
6H6
1 0,160 0,030
3
Формальдегид СН2О 2 0,035 0,003
Хлорэтилен (винилхлорид) С
Cl 1 – 0,010
2Н3
Аммиак NH3 4 0,200 0,040
Сероуглерод CS2 2 0,030 0,005
Трихлофторметан (фреон-11) CCl3F 4 100,000 10,000
Дихлорфторметан (фреон-12)
––––––––––
*
ПДК
– предельно допустимая концентрация максимально разовая.
мр
CCl2F2 4 100,000 10,000
В результате сопоставления данных табл. 4.5 и 4.6 выявлено, что
только для диоксида азота минимально обнаруживаемая концентрация несколько превышает значения ПДК
ществ предел обнаружения находится ниже уровня ПДК
миака, фреона-11, фреона-12 – ниже значений ПДК
. Для остальных же ве-
мр
, а для ам-
мр
.
сс
Можно констатировать, что с помощью рассмотренного нами лазерного спектрометра оказывается возможным контролировать указанные
выше вещества, поскольку обычно их концентрация в выбросах значительно превышает значения ПДК, в некоторых случаях в 10–100 раз.
173
Таблица 4.8
Выбросы веществ стационарными источниками в г. Москве
3
Предприятие Вещество Концетрация, мг/м
Диоксид серы (SO2) 20,0 Мусоросжигательный завод №2
Диоксид азота (NO
Нефтеперерабатывающий завод Бензол (С
Тушинский мясоперерабатывающий завод
Компания «Литейщик ВЦМ» Диоксид азота (NO2) 17,0…19,0
Хладокомбинат № 9 Аммиак (NН3) 2,5…3,0
Формальдегид (СН2О) 1,0…1,4
6Н6
) 135,0
2
) 0,8…1,5
В качестве примера, иллюстрирующего возможности детектирования
лидарной системы, в табл. 4.8 приведены характерные концентрации
загрязнений в выбросах некоторых стационарных источников, расположенных в различных округах г. Москвы.
Видно, что система на базе NH
–CO2-лазера может быть исполь-
3
зована в интересах оперативного контроля загрязняющих веществ,
содержащихся в выбросах стационарных источников – объектов
энергетики, металлургии, заводов мусоросжигания.
Библиографический список
1. Золотов Ю.А. // Журнал аналитической химии. 2008. Т. 63.
№ 1. С. 5.
Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-
2.
методы анализа. М.: Изд-во Эдиториал УРСС, 2002.
Разяпов А.З. Внелабораторный химический анализ / Под ред.
3.
акад. РАН Золотова Ю.А. М.: Наука, 2010. С. 475–491.
Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. М.: Изд-во МГУ.
4.
С. 52–53.
1980.
5.
Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД
52.04.186-89.
Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Дистанционные
6.
и экспрессные методы определения загрязнения окружающей среды.
М.: Гидрометеоиздат, 1977.
СО 153-34.02.304-2003. Стандарт организации. «Методиче-
7.
ские указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций». М., 2003.
Каталог 2009–2010. Эко-интех. www.eco-intech.com.
8.
9.
«ИнтерАНАЛИТ». www.analyt.ru
М.: Госкомгидромет и Минздрав СССР, 1991.
174
10. ППМ-Синтрол. www.ppm-systems.ru
ООО «Аналит». Современное оборудование для аналитики и
11.
аналитиков. www.Analit-SPB.ru
Эконикс-Эксперт. Каталог приборов 2010–2011 гг.
12.
www.ionomer.ru
Разяпов А.З., Пальгунов Н.В., Беляев В.Н. Передвижная эко-
13.
логическая лаборатория контроля промышленных выбросов // Экологические системы и приборы. 2003. № 2.
14.
Еланский Н.Ф. Примеси в атмосфере континентальной Рос-
сии // Природа. 2002. № 2.
Рис У. Основы дистанционного зондирования: Пер. с англ.
15.
М.: Изд-во Техносфера, 2006.
Трифонова Т.А., Мищенко Н.В. Краснощеков А.Н. Геоинфор-
16.
мационные системы и дистанционное зондирование в экологических
исследованиях. М.: Изд-во Академический проект, 2005.
Супрун И.П., Храмов Е.Н. Дистанционный анализ газов, па-
17.
ров и аэрозолей химических веществ. Черноголовка: ИПХФ, 2004.
Васильев Б.И., Маннун У.М. Инфракрасные лидары для эко-
18.
логического мониторинга атмосферы. М.: МФТИ, 2005.
19.
Обнинская фотоника. www.eridan.mega.ru
Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Желтухин А.А. NH
20.
–CO2 лидар
3
для зондирования атмосферы в диапазоне 9…13,5 мкм. М.: РИИС
ФИАН,1998.
Васильев Б.И., Маннун У.М. Расчет оптимальных параметров
21.
–CO2 лидара // Квантовая электроника. 2005. № 6.
NH
3
175
ГЛАВА 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
Действующие в настоящее время системы мониторинга окружающей среды включают ряд специальных методов, среди которых в первую очередь выделим биоиндикацию и биотестирование, методы контроля физических факторов воздействия, аэрозольных загрязнений атмосферы. Эти и ряд других проблемно-ориентированных областей экологических исследований приобретают вполне самостоятельное значение и играют важную роль при комплексной оценке экологической ситуации особенно в городах и промышленно-урбанизированных регионах. К числу таких самостоятельных областей относятся и системы контроля, связанные с изучением качества среды обитания человека в условиях ограниченного пространства (производственных, офисных, жилых
помещений). Остановимся на особенностях использования вышеуказанных методов и соответствующих средств измерений.
5.1. Биоиндикация и биотестирование
Методы биоиндикации, не утратившие до настоящего времени свои
несомненные достоинства как в плане универсальности по отношению
к различным природным компонентам (водная среда, почвеннорастительный покров, воздух), так и с точки зрения простоты реализации при решении многочисленных практических задач экологического
мониторинга [1, 2]. Основой этих методов является реакция (отклик)
живых организмов на состояние и особенности развития внешних воздействий – природных процессов и явлений. Этот способ оценки изменения параметров биологической среды под влиянием тех или иных
внешних факторов был известен еще в глубокой древности.
В настоящее время существуют специальные программы биологического мониторинга для оценки допустимой экологической нагрузки на природные экосистемы, причем допустимой считается такая экологическая нагрузка, под воздействием которой отклонение
от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и не приводит к ухудшению качества среды.
Определимся, прежде всего, с основными понятиями и возможностями биоиндикации, широко используемой в качестве достаточно
эффективного средства контроля состояния объектов окружающей
среды и оценки уровня и масштабов ее загрязнения.
176
Биоиндикация (от лат. indicator – указатель) – обнаружение и определение биологически значимых величин антропогенных нагрузок
на основе реакций на них живых организмов. Биоиндикаторами могут являться различные растения, животные, микроорганизмы, к основным отличительным особенностям которых относятся реакции на
относительные слабые нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы, а также суммирование действия различных антропогенных факторов. Биоиндикация может проводиться на уровне макромолекул,
клетки, организма, популяции, сообщества и экосистемы. Она подразделяется на селективную, т.е. избирательную реакцию только на
один фактор, и на неселективную, т.е. одна и та же реакция на целый
ряд факторов. Чувствительными биоиндикаторами могут служить
как отдельные процессы в клетке и организме (изменение ферментативной активности, изменение в пигментном комплексе), так и морфологические изменения (изменение формы и размера листовой пластинки, уменьшение продолжительности жизни хвои).
Методы биоиндикации подразделяются на два основных вида:
пассивный и активный. В первом случае исследуют видимые повреждения и отклонения от нормы, являющиеся признаками неблагоприятного воздействия, во втором случае используют ответную реакцию наиболее чувствительных к данному фактору организмов
биотестов). Для биоиндикации чаще всего используются простей-
(
шие организмы и низшие растения. В частности, индикация загрязнения атмосферы осуществляется с помощью лишайников, а для
оценки качества водной среды используются водоросли и моллюски.
Биотестирование – это способ выявления и оценки действия факторов окружающей среды на организм, его отдельную функцию или
систему организмов путем использования биологических объектов
тест-объектов), которые должны обладать максимальной чувстви-
(
тельностью к токсическим веществам. Биотестирование широко используется для установления токсичности городских почв, грунтов,
промышленных и бытовых отходов и др.
Далее вкратце рассмотрим примеры практической реализации методов биоиндикации и биотестирования, представленные в публикациях последнего времени, в частности, теоретических и экспериментальных работах В.С. Груздева [3–5], внесшего заметный вклад в
дальнейшее развитие данной области экологического мониторинга.
Эти работы представляют интерес и потому, что посвящены изучению воздействий предприятий металлургического комплекса – одно-
177
го из основных загрязнителей природной среды. Заметим также, что
В.С. Груздев является выпускником НИТУ «МИСиС».
В вышеуказанных работах отмечается, что во многих регионах
России предприятия черной металлургии являются основным источником загрязнения окружающей среды, что связано с переработкой
большого количества сырья, многостадийностью отрасли и разнообразием технологических процессов, особенно на предприятиях с полным металлургическим циклом. Загрязнение атмосферного воздуха
выбросами металлургических предприятий изменяет направления
динамических процессов в экосистемах, вызывает техногенные сук-
цессии (от лат. succesio – преемственность, наследование, т.е. по-
следовательная необратимая и закономерная смена одного
биоценоза (фитоценоза, микробного сообщества, биогеоценоза
и т.д.) другим на определенном участке природной среды) в расти-
тельном и почвенном покровах, приводит к снижению биоразнообразия и биологической активности почв. Наибольшей чувствительностью к воздействию техногенного загрязнения характеризуются лесные и луговые виды, а сорные и рудеральные виды могут накапливать в своих органах значительные количества тяжелых металлов. На
вегетирующие растения большое влияние оказывают газовые выбросы, приводящие к процессам хлороза и некроза в листьях.
На всех этапах производства черных металлов образуется пыль,
содержащая железо, кальций, магний и другие металлы. На некоторых стадиях металлургического цикла образуются газы, шлаки и
шламы. Весьма токсичны газовые выбросы, содержащие оксиды углерода, азота и серы в присутствии ряда других органических и неорганических загрязнений. Формирование геохимических аномалий
в почвах и почвенном покрове прилегающих территорий в значительной степени обусловлено выбросами частиц пыли и сажи. На
основе данных химического анализа почв и растений, биоиндикации
и биотестирования выделены зоны техногенного воздействия предприятий черной металлургии на прилегающие территории. Вблизи
комбинатов (до 2 км) выделена зона сильного загрязнения, где концентрация в атмосферном воздухе оксидов азота достигает
3…6
ПДК, фенола – 2…3 ПДК; сероводорода – 3…4 ПДК, пыли –
1,5…4
ПДК, аммиака – 1…3 ПДК; СО – 1...2 ПДК. Зона довольно
сильного загрязнения до 5 км; среднего до 15…20 км; слабого до
50
км; фоновая территория дальше 50…60 км.
178
В качестве примера в табл. 5.1 в сокращенном виде приведены
характеристики зон техногенной трансформации ландшафтов и
их компонентов на территориях, прилегающих к комбинату «Северсталь».
Таблица 5.1
Зоны техногенной трансформации ландшафтов территорий,
прилегающих к комбинату «Северсталь»
Зона
(расстояние
от источника
загрязнения),
км
2 – сильное
загрязнение
5 – высокое
загрязнение
15…20 –
среднее
загрязнение
45…55 –
слабое
загрязнение
> 55 –
фоновая
территория
–––––––––
*
ИЗП
– индекс загрязнения почв водорастворимых форм тяжелых металлов.
в
**
ИЗП
– индекс загрязнения почв подвижных форм тяжелых металлов.
п
Уровень
атмосферного
загрязнения,
ПДК
мр
Сероуглерод и формальдегид, пыль, фенолы, сероводород –
по 1…4, оксиды азота, серный ангидрид,
аммиак, СО – 3…4.
Сумма ПДК более 20
Сумма ПДК
загрязнения 19…10
Сумма ПДК
загрязнения – 5…10
Сумма ПДК
загрязнения – 5…1
Содержание загрязнений < 1 ПДК
Состояние и состав
почв (виды
загрязнений и
ИЗП
*
и ИЗП
в
**
)
п
В почве накапливаются Ca, Mg,
Fe, Cu, Pb, Ni, Cr,
Mn, Cd и др.
>19
ИЗП
в
ИЗП
35
п
Карбонитизация
почв рН = 7…8
ИЗП
– 12
в
ИЗП
– 19…20
п
Суммарный показатель валового содержания –
5…7, подвижных
форм – 10…18
ИЗП
– 2…5
в
ИЗП
– 1…9
п
ИЗП
– 1…2;
в
ИЗП
– до 1.
п
Трансформации
экосистем и видов
растений
Зеленые насаждения в
среднем снижают приросты и размеры листьев в 1,5 раза.
Происходит разрастание
сорных и рудеральных
растений.
Появляются участки без
растительности
Удовлетворительное
состояние
деревьев и кустарников.
Снижение приростов в
1,2 раза.
Разрастание сорных и
рудеральных растений
Снижение годовых приростов деревьев.
Деградация таежных
видов и мхов
Медленная деградация
лесных видов.
Исчезновение клеверов
из состава лугов
Экосистемы находятся
в экологическом равновесии
179
Почвы природных зон и провинций к воздействию техногенного
загрязнения обнаруживают различную степень устойчивости, что
связано с величиной pH, содержанием гумуса и обменных оснований. Результаты многочисленных экспериментов показали, что к накоплению тяжелых металлов склонны кислые почвы, характерные
для средней тайги. Низкую устойчивость проявляют кислые почвы
южной тайги с содержанием гумуса не более 2 %. Почвы южной тайги в целом более устойчивы, чем почвы средней тайги. Почвы лесостепных зон (серые лесные и черноземы) к накоплению подвижных
форм тяжелых металлов более устойчивы, что связано с высоким
содержанием в них гумуса. Например, накопление цинка на территориях высокого загрязнения вблизи г. Череповца превышает ПДК в
десятки раз, а в г. Липецке – в 2–6 раз.
Пыль, выбрасываемая предприятиями черной металлургии, содержит большое количество оксидов кальция и магния, вызывающих
подщелачивание почв. Степень подщелачивания почв при движении
от южной тайги к южной лесостепи постепенно возрастает, что связано с тем, что природная кислотность почв к югу уменьшается. В
результате этого одно и то же количество выбросов, что и в лесной
зоне в г. Липецке привело к формированию сильно щелочных почв с
рН > 8,1…8,3. Поэтому в связи с непромывным режимом черноземов
в зоне сильного воздействия агломерационной фабрики Новолипецкого металлургического комбината образовалась техногенная пустыня. На почве сформировался техногенный горизонт (1…4 см), состоящий из техногенных выбросов агломерационной фабрики. Его
формирование связано с непромывным режимом почв. Травы в этом
горизонте не прорастают.
В зонах сильного и очень сильного техногенного воздействия наблюдается деградация зеленых насаждений. Наиболее неблагоприятно
влияние техногенных выбросов сказывается на клене американском,
количество листвы составляет около 50 % от нормального, листья в
1,5…2
раза мельче, бледно-зеленые и частично пожелтевшие. У местных пород (береза, рябина и др.) общий вид удовлетворительный, но
влияние техногенного загрязнения проявляется в низких приростах древостоя в высоту и по диаметру, поэтому формируются компактные,
низкие, с густой кроной деревца. В придорожных аллеях вследствие
загрязнения почти не развит травяной покров (кроме аллей, где обновлялись посадки). У широколиственных пород (дуб, липа) при загрязнении снижается жизненный цикл, наблюдается сбой биоритмов, поражение мучнистой росой, снижение продуктивности и декоративности.
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]