Тема 6. Контроль рівня забруднення атмосферного повітря в містах.

1. Мікроклімат міського середовища.

2. Система контролю рівня забруднення.

3. Методи контролю та прилади для вимірювання концентрації домішок в атмосфері та промислових викидах.

4. Виконання вимог міжнародних конвенцій по захисту атмосфери.

1. Архітектурні та техногенні особливості міської території сприяють формуванню місцевого клімату, якій відрізняється від клімату приміських територій. В промислових зонах, на окремих вулицях, майданах, парках утворюються свої особливі мікрокліматичні умови, які визначаються міською забудовою, наявністю промислових підприємств, ґрунтовим покриттям, розподілом зелених насаджень і водойм.

На формування міського клімату впливають такі фактори:

• прямі викиди тепла і зміни режиму сонячної радіації;

• викиди пилу і газів від промислових підприємств і транспорту;

• зміни теплового балансу за рахунок зменшення випарів і зменшення проникності ґрунтового покриття, що сприяє швидкому стоку води, а також значна теплопровідність міських покрить (дахів, стін, асфальтового покриття вулиць і т.п.);

• міська забудова, створена великою кількістю вертикальних поверхонь, призводить до значних затінків на території міста і утворенню якби котловинного рельєфу.

Ці фактори як правило діють комплексно, хоча при різній погоді по різному.

Сонячна радіація в умовах великих міст є пониженою, тому що зменшується прозорість повітря через високий вміст пилових частинок. Проникненню ультрафіолетових променів перешкоджає мутність атмосферного повітря і щільна забудова міських вулиць. З іншого боку, в містах до розсіяної сонячної радіації додається радіація, що відбивається від стін і мостової. Внаслідок цього в містах створюється відчуття задухи і спекоти, характерні для літа.

Через забруднення атмосферного повітря в містах змінюється ефект нічного охолодження. Зміни радіаційного балансу, додаткові надходження тепла від спалювання палива і малі витрати тепла на випаровування вологи приводять до підвищення температури в місті порівняно з приміськими територіями.

Вказані фактори є причиною утворення «островів тепла» над містом. Розміри «острова тепла» і його показники змінюються з часом під впливом метеорологічних умов і місцевих особливостей міста. Тепловий вплив міста відчувається в шарі атмосфери, товщиною 100-500метрів, а іноді і до 1 км. Наявність «островів тепла» визначає особливості вітрового режиму міста.

Вітровий режим міста характеризується існуванням місцевої циркуляції повітря. Від «острова тепла» потоки теплого повітря формуються в напрямках до окраїн міста. В самому місті різниця в нагріві між добре освітленими сонцем ділянками міста і ділянками, що залишаються в затінку, доволі значна. Ця різниця температур сприяє виникненню місцевих циркуляцій повітря, які зменшують концентрацію забруднюючих речовин в повітрі і одночасно розширюють зону забруднення.

Зелені насадження знижують швидкість руху повітря і сприяють осадженню шкідливих домішок.

Вологість повітря в містах нижча, ніж за містом, що пов’язано з підвищеною температурою повітря в місті і з загальним зниженням вологості повітря в містах за рахунок меншого випаровування води.

При високій вологості повітря підвищується процес конвекції і забрудненість повітряних мас над містом спричиняє утворення хмарності. Опади випадають переважно в підвітряних районах міста і за його межами. При зниженні швидкості вітру та значному забрудненні повітря в місті тумани з’являються частіше. Однак, підвищення температури і зниження відносної вологості в місті веде до утворення меншої кількості туманів.

2.Моніторинг атмосферного повітря – це процес спостереження за його станом, а також попередження про критичні ситуації, які шкідливі або небезпечні для здоров’я людей та інших організмів.

Для забезпечення моніторингу у розвинутих країнах створюються автоматизовані системи контролю забруднення повітря (АСКЗП).

Задачі, які вирішують АСКЗП:

• автоматичне спостереження і реєстрація концентрацій забруднюючих речовин;

• аналіз отриманої інформації з ціллю визначення фактичного стану забруднення повітряного басейну;

• прийняття екстрених мір по боротьбі з забрудненнями повітря;

• прогноз рівня забруднення;

• розробка рекомендацій по покращенню стану навколишнього середовища;

• уточнення і перевірка розрахунків розсіювання домішок в повітрі.

АСКЗП розраховані на вимірювання концентрації одного або декількох інгредієнтів з наступного ряду: SO₂, CO, NO_x, O₃, C_mH_n, H₂S, NH₃, завислі речовини, а також на визначення вологості, температури, напрямку і швидкості вітру.

АСКЗП оснащуються приладами на основі сенсорів. Автоматизовані системи контролю функціонують на рівні окремих підприємств, міста, регіону, а також на національному і міждержавному рівнях.

Центральна станція системи укомплектована обчислювальним комплексом. Система оснащена зворотнім зв’язком з підприємствами – джерелами забруднення атмосферного повітря.

Частота фіксації результатів вимірювань – від 3 разів на добу до 60 разів на годину. Для передачі інформації використовують телефонну мережу, УКВ – радіоканали і телеграф.

Як правило, станції системи працюють без присутності обслуговуючого персоналу, усі види контролю здійснюються автоматично.

Розвиток АСКЗП відбувається за рахунок збільшення числа стаціонарних станцій і використання пересувних постів спостереження. Подальше вдосконалення систем спостереження здійснюється шляхом застосування більш сучасної техніки, об’єднання окремих локальних систем в регіональні, загальнодержавні та інтернаціональні.

На Україні спостереження за рівнем забруднення атмосфери здійснюється за допомогою постів спостережень.

Пости спостереження за рівнем забруднення атмосферного повітря розміщують в спеціальних павільйонах або на автомобілях, спеціально обладнаних відповідною апаратурою.

Існують 3 категорії постів спостереження: стаціонарний, маршрутний і пересувний (підфакельний).

Стаціонарний пост призначений для безперервної реєстрації вмісту забруднюючих речовин або для регулярного відбору проб повітря для наступного аналізу.

Маршрутний пост призначений для регулярного відбору проб повітря в фіксованій точці місцевості при спостереженнях, які проводять за допомогою спеціально обладнаного автомобіля – лабораторії.

Пересувний (підфакельний) пост призначений для відбору проб під димовим факелом з метою визначення зони впливу даного джерела. Спостереження під факелом відбуваються за допомогою лабораторії, змонтованої на автомобілі. Пересувні пости розміщують в певних точках на фіксованій відстані від джерела викиду. Вони переміщуються відповідно з направленням факелу викидів. Напрямок факелу визначають візуальним спостереженням за хмарою диму, а при його відсутності – за напрямком вітру.

Стаціонарні і маршрутні пости розміщують в місцях, визначених на основі попереднього дослідження забруднення атмосфери, як правило в першу чергу в найбільш забруднених районах міста, а також в зонах відпочинку.

Кожний пост незалежно від категорії розміщується на відкритій території, яка провітрюється з усіх боків. Дільниця повинна мати тверде покриття (асфальт, твердий ґрунт без пилу, газон). Наявність зелених насаджень, будинків, інших споруд може дати значну похибку результатів вимірювань, тому їх присутність біля посту спостережень небажана.

Необхідна кількість постів встановлюється в залежності від чисельності населення, площі населеного пункту, рельєфу місцевості, особливості розміщення і рівня розвитку промислових підприємств, розташування магістралей з інтенсивним рухом транспорту, розташування зон відпочинку і курортних зон, метеорологічних умов.

Оптимальна кількість постів, що забезпечує мінімальні витрати при допустимій погрішності, наступна: до 50 тис. жителів – 1 пост, до 100 тис. жителів – 2 поста; 100-200 тисяч – 2-3 поста; 200-500 тис. жителів – 3-5 постів; більше 500 тисяч – 5-10 постів; 1 мільйон і більше жителів – 10-20 стаціонарних і маршрутних постів.

Відстань між стаціонарними постами складає від 0,5 до 5 км.

Рівень забруднення атмосфери оцінюється за даними спостережень протягом року. При цьому кількість спостережень повинно бути не менше 200. Щоб врахувати коливання метеорологічних умов і отримати більш достовірні дані про рівень забруднення атмосфери, використовують дані спостережень за період 2-5 років. Загальна кількість спостережень за цей термін повинна бути не менше 800.

Перелік речовин, що підлягають контролю, визначається за складом викидів підприємств міста. Додатково в обов’язковий список речовин, що підлягають контролю, включені: бенз(а)пірен, розчинні сульфати – в містах з населенням більше 100 тис. жителів; формальдегід і сполуки свинцю – в містах з населенням більше 500 тис. жителів; метали – в містах, де є підприємства чорної або кольорової металургії; пестициди – в містах, що розташовані поблизу великих сільськогосподарських угідь. Перелік речовин, що підлягають контролю, переглядають кожних 3 роки.

Пересувні (підфакельні) пости здійснюють контроль за специфічними забруднюючими речовинами, характерними для викидів даного підприємства.

3. Контроль концентрації домішок складається з відбору проб повітря або димового газу, підготовки і проведенню аналізів відібраних проб, обробки і узагальнення результатів аналізів.

Використовують наступні режими відбору проб:

• разовий, протягом 20-30 хв.;

• дискретний, при якому в один фільтр або поглинаючий прилад через рівні проміжки часу на протязі доби відбирають декілька разових проб;

• добовий, при якому в один фільтр або поглинаючий прилад відбувається відбір проб безперервно на протязі доби.

Відбір проб здійснюють шляхом аспірації певного об’єму повітря через поглинаючий прилад, заповнений рідким або твердим сорбентом для поглинання газоподібної речовини, або через аерозольний фільтр , якій затримує тверді частинки. Тип поглинаючого приладу, витрати повітря і термін аспірації встановлюють залежно від речовини, яку контролюють.

При визначенні приземної концентрації домішок в атмосфері відбір проб здійснюють на висоті 1,5-2 метри від поверхні землі.

Для відбору проб частіше усього використовують електроаспіратори, які обладнані автономним джерелом живлення.

Для контролю вмісту твердих частинок і аерозолів використовують гравітометричний (ваговий) метод і оптичний метод аналізів.

Гравітометричний (ваговий) метод полягає у відокремленні частинок пилу із газового потоку шляхом проходження його через фільтр. Маса пилу, що міститься в газовому потоці, визначається як різниця ваги фільтру до і після аналізу.

Концентрація пилу визначається за формулою:

C = m / Qt , мг/м³;

де m – маса проби пилу, мг;

Q – витрати повітря, що пройшло через фільтр, м³/с;

t - час відбору проби, с.

Ваговий метод дозволяє визначити концентрацію пилу без врахування її хімічного і дисперсного складу.

Оптичний метод оснований на визначенні задимлення (непрозорості) повітря або газового потоку. Метод оснований на просвічуванні газів з наступним перетворенням оптичного сигналу в електричний з визначенням показнику непрозорості.

Безперервний контроль вмісту шкідливих домішок в повітрі відбувається за допомогою газоаналізаторів типу УГ-2, ГХ-2 та інших, принцип роботи яких оснований на лінійноколористичному методі аналізу. Цей метод базується на тому, що при просочуванні повітря через індикаторні трубки газоаналізатора, які заповнені твердим порошком-поглиначем, відбувається зміна кольору індикаторного порошку. Довжина забарвленого шару порошку пропорціональна концентрації речовини, яку досліджують. Газовий аналізатор УГ-2 дозволяє визначити концентрацію 16 різних газів і парів з похибкою, яка не перевищує 10%.

В термокондуктометричному газоаналізаторі використовують відмінність теплопровідності компонента, якій аналізують, від теплопровідності інших компонентів.

Термохімічні газоаналізатори використовують для аналізу горючих компонентів газової суміші. За їх допомогою визначають більше 100 найменувань горючих газів, парів і їх сумішей.

Принцип роботи термомагнітних газоаналізаторів оснований на русі в неоднорідному магнітному полі парамагнітних частинок (молекул кисню і оксидів азоту) при наявності температурного градієнту. Це явище має назву термомагнітної конвекції. Але коливання температури, тиску, витрати газового потоку можуть значно впливати на результати вимірювань.

Принцип роботи оптичних газоаналізаторів оснований на особливостях поглинання і випромінювання окремих компонентів газової суміші. До них відносяться газоаналізатори оптико-акустичні, хемолюмінісцентні, лазерні і фотоколориметричні.

Хроматографи відносяться до аналізаторів, які можуть проводити одночасно якісний і кількісний аналіз газоподібних і рідких середовищ. Принцип дії оснований на розділенні газової суміші на окремі компоненти під час руху вздовж поверхні сорбенту, наступної ідентифікації компонентів і визначенні їх вмісту в суміші. Цей метод може бути використаний для визначення вмісту будь яких газів з концентрацією до 10^-5 – 10^-6 %.

Хроматографи – це прилади періодичної дії з часом аналізу 10-20хв.

Якісний і кількісний аналіз може одночасно проводитись на мас-спектрометрах з розділенням іонів по часу прольоту. Ці прилади більш складні, ніж хроматографи, вони забезпечують безперервні виміри складу газоповітряної суміші.

4. Захист озонового шару. Озон, що міститься в атмосфері на висоті від 10 до 50 км, служить своєрідним щитом, що захищає живі організми від жорстокого ультрафіолетового опромінення Сонця. Встановлено, що концентрація озону над окремими територіями Землі періодично зменшується. Таке явище отримало назву «озонові діри». Існують дві гіпотези утворення «озонових дір». Згідно перший, яка в наш час отримала найбільше визнання, зменшення вмісту озонових частинок в атмосфері пов’язано з впливом так званих озоноруйнівних речовин, до яких відносяться хлор-фтор-вуглеводні (ХФВ), бром-фтор вуглеводні (БФВ), а також оксиди азоту і вуглецю. По другій гіпотезі, зміни озонового шару планети викликані природними невідомими процесами. Але цю точку зору підтримують зовсім невелика кількість вчених, тому в наш час зусилля світового співтовариства направлені на заміну озоноруйнівних речовин в промисловості на речовини, безпечні для озонового шару. Серед хлор-фтор-вуглеводнів найбільш поширені фреони, які використовуються в якості холодильних агентів в холодильній промисловості, в якості розпилювачів (пропелентів) в аерозольних балончиках і в вогнегасниках.

У відповідності з рішеннями Віденської конвенції об охороні озонового шару (1985 р.), до яких Україна приєдналась у 1986 році, а також згідно ряду Протоколів до цієї конвенції, до 2000 р. усі країни, що підтримали конвенцію, повинні зупинити виробництво і використання речовин, що руйнують озоновий шар планети.

Власного виробництва хлор-фтор-вуглеводнів Україна не має. Потреби промисловості в цих речовинах забезпечували поставки із Росії. Основними споживачами ХФВ є Донецький і Симферопольський заводи побутової хімії, що випускають продукцію в аерозольних балончиках (річна потреба в ХФВ – 3060 т.), а також українські підприємства по випуску холодильної техніки (річне споживання ХФВ – 4200 т.). Крім того, ХФВ використовується при тушінні пожеж – до 40 тон на рік. В наш час на Донецькому і Симферопольському заводах побутової хімії замість фреонів використовують суміш пропану і бутану, яка не руйнує озоновий шар. Аналогічні зміни відбулись і холодильній промисловості.

Спостереження за станом озонового шару ведеться у більшості країн світу. В Україні таке спостереження відбувається на шести озонометричних станціях, які розташовані в містах Бориспіль, Київ, Львів, Прилуки, Сімферополь і Тернопіль.

Запобігання глобальним змінам клімату. Одна з основних функцій атмосфери полягає в захисті планети від охолодження і в регулюванні клімату. Пропускаючи сонячну радіацію, атмосфера затримує тепло, що відбивається від поверхні землі. Як відомо, вуглекислий газ в значній мірі поглинає інфрачервоне теплове випромінювання. Науково-технічний прогрес і стрімкий розвиток промисловості сприяв нарощуванню вмісту вуглекислого газу в атмосфері за останні 100 років на 25-30%, що призвело до підвищення глобальної середньої температури в приземному шарі на 0,3-0,6°С. В зв’язку з подальшим накопиченням в атмосфері діоксину вуглецю та інших парникових газів (оксиди азоту, водяна пара та інші), до середини XXI ст. очікується підвищення глобальної температури на 1,5-2,5°С, що призведе до танення льодовиків, підвищення рівня Світового Океану і глобальним змінам клімату на планеті.

В 1992 році Україна приєдналась до Рамочної конвенції ООН що до зміни клімату. Одним з головних питань конвенції є розробка і здійснення заходів, спрямованих на призупинення потепління шляхом скорочення використання паливно - енергетичних ресурсів і широкого втілення установок сонячної та вітрової енергії, а також інших видів енергетичних ресурсів, які не забруднюють атмосферу. Це повинно забезпечити скорочення викидів оксиду вуглецю та інших парникових газів в першому десятиріччі XXI століття приблизно на 10%.

Україна також приєдналась (1995 і 1999р.) до міжнародних Протоколів по скороченню викидів в атмосферу сірки, що направлено на обмеження появі кислотних дощів. Держави, що приєднались до цих міжнародних угод, погодились скоротити викиди сполук сірки на 30% в найближчі 10 років.