Перенос веществ на большие расстояния, например, из северного полушария в южное, т.е. из мест наиболее интенсивной промышленной деятельности в места относительно менее нагруженные, происходит с воздушными потоками – ветрами. Ветра обусловлены общей циркуляцией атмосферы под действием разогрева воздуха солнцем. Определенный вклад в движение атмосферы вносит и вращение земли (кориолисово ускорение).
предприятие не может функционировать без выбросов в атмосферу или сбросов в водоемы иди водотоки. Попадая в эти текучие Среды, вещества должны быть как можно быстрее и тщательнее перемешаны с принимающей средой, чтобы концентрация в регламентируемых точках не превышала нормативные (допустимые) значения. При этом используется свойство текучих сред переносить вещество и момент количества движения во всех направлениях ( в т.ч. и против основного потока). Такое свойство движений, если они упорядочены, связано с конвекцией, а при больших интенсивностях в случае потери дальнего порядка - с турбулентностью.
Существуют три механизма, приводящие к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере:
1) рассеяние (путем конвективного и турбулентного) перемешивания выбросов в атмосфере;
2) деградация (трансформация), в результате химических и биохимических процессов;
3) иммобилизация, т.е. потеря подвижности 3В в результате физико-химических процессов адсорбции или биохимических процессов поглощения.
Известны три механизма рассеяния 3В в атмосфере: молекулярная диффузия; конвективная диффузия; турбулентная диффузия.
Молекулярная диффузия - самостоятельный вид переноса массы. Этот способ переноса может существовать и без конвекции или турбулентности. Он проявляется только на очень малых расстояниях. Поэтому молекулярная диффузия в «чистом виде» не представляет интереса для описания переноса веществ от источников на расстояния, рассматриваемые при мониторинге.
Считается, что в переносе доминирует турбулентное движение и турбулентная диффузия ЗВ. Поэтому важной является характеристика процессов стратификации атмосферы величиной критерия Ричардсона Ri, который есть отношение факторов, стабилизирующих горизоньальное движение, к факторам, детабилизирующим его.
Если выбрасываемые в воздух примеси состоят из крупных частиц, то, распространяясь в атмосфере, они под действием силы тяжести начинают спускаться с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса. Гравитационный поток тяжелых частиц оказывается намного больше диффузионного, тогда как для легких примесей он практически несуществен. Поскольку наиболее опасны для окружающей среды примеси газообразного вида типа окислов, то именно таким легким соединениям следует уделять наибольшее внимание. Наряду с мелкомасштабной диффузией, размывающей факелы примесей, большое значение в теории распространения загрязнений имеют флуктуации скорости и направления ветра за длительный период времени (около года). За такой период воздушные массы, увлекающие примеси от источника, многократно меняют направление и скорость.
Предсказание распространения ЗВ осуществляется на основе моделирования процессов рассеяния веществ от источников:
Различают два вида моделирования: 1)физическое; 2)математическое.
Первое из названных требует создания физической модели – макета и изучения особенностей воздушных течений (обдувка макета в аэродинамической трубе). Хотя данный метод дает довольно точную картину распространения воздушных потоков и рассеяния примесей, он обладает двумя главными недостатками: требует больших материальных затрат и времени; не обеспечивает многовариантности без дополнительных существенных затрат.
Методы математического моделирования можно разделить на:
• детерминистические, предполагающие использование причинно-следственных уравнений, например, уравнений турбулентной диффузии;
• стохастические, основанные на применении методов теории вероятности, например, гауссовских распределений;
• комбинированные, когда используются детерминистические уравнения, а входящие в них величины вычисляются из вероятностных моделей
Основная причина несоответствия между теорией и экспериментом состоит в принятии независимости коэффициентов турбулентной диффузии от координат. Если для предсказания коэффициентов турбулентного переноса используются соотношения теории вероятности, то приходят к комбинированным моделям.
16. Нормирование качества воздуха
Качество атмосферного воздуха - совокупность свойств атмосферы, определяющая степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.
Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ как в производственной, так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов.
ПДКрз — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными ПДКрз, а также говорить о ПДК в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.
ПДКмр — концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных (в том числе, субсенсорных) реакций в организме человека. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент времени не должна превышать ПДКмр.
ПДКсс — это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Таким образом, ПДКсс является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде.
Нормированные характеристики загрязнения атмосферы иногда называютИНДЕКСОМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ (ИЗА). В практической работе используют большое количество различных ИЗА. Некоторые из них основаны на косвенных показателях загрязнения атмосферы, например, на видимости атмосферы, на коэффициенте прозрачности.
Различные ИЗА, которые можно разделить на 2 основные группы:
1. Единичные индексы загрязнения атмосферы одной примесью.
* Коэффициент для выражения концентрации примеси в единицах ПДК (а), т.е. значение максимальной или средней концентрации, приведенное к ПДК: а = Ci / ПДК
К комплексным индексам относятся:
* Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) -это количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого n веществами, присутствующими в атмосфере города: In = SIi
где Ii - единичный индекс загрязнения атмосферы i-ым веществом.
Нормирование качества воды
В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.559-96 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства. Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования; при этом показатели качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.
По санитарному признаку устанавливаются микробиологические и паразитологические показатели воды. Токсикологические показатели воды, характеризующие безвредность ее химического состава, определяются содержанием химических веществ, которое не должно превышать установленных нормативов. Наконец, при определении качества воды учитываются органолептические свойства.
Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКВ) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.
Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.
Оценка качества воды и сравнение современного состояния водного объекта с установленными в прошлые годы характеристиками проводятся на основании индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям (ИЗВ). Этот индекс представляет собой формальную характеристику и рассчитывается усреднением как минимум пяти индивидуальных показателей качества воды. Обязательны для учета следующие показатели: концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН и биологическое потребление кислорода БПК5.
Кроме того, для определения ИЗВ используют величину растворенного в воде кислорода и БПК20 (общесанитарный ЛПВ), бактериологический показатель – число лактозоположительных кишечных палочек (ЛПКП) в 1 л воды, запах и привкус. Индекс загрязнения воды определяется в соответствии с гигиенической классификацией водных объектов по степени загрязнения.
Нормирование качества почвы
В СССР был установлен лишь один норматив, определяющий допустимый уровень загрязнения почвы вредными химическими веществами - ПДК для пахотного слоя почвы (ПДКп) - это концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и на здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы.
Оценка уровня химического загрязнения почв населенных пунктов проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов. Такими показателями являются коэффициент концентрации химического элемента Кс и суммарный показатель загрязнения Zc.
Коэффициент концентрации определяется как отношение реального содержания элемента в почве С к фоновому Сф: Кс=С/Сф.
Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения, отражающий эффект воздействия группы элементов:
n - число учитываемых элементов.
Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементов по показателю Zc проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв.
17. Организация экоаналитического контроля.
В основе мониторинга лежит система определения концентраций загрязняющих веществ в объектах окружающей среды - система эколого-аналитического контроля (ЭАК).
ЭАК - это система мероприятий по выявлению и оценке источников и уровня загрязненности природных объектов вредными веществами в результате сбросов либо выбросов этих веществ в окружающую среду природопользователями, также вследствие естественного образования и накопления в объектах окружающей среды, в том числе за счет химической и биохимической трансформации природных и техногенных веществ в соединения с вредными свойствами.
Можно выделить три основные функции ЭАК:
· получение первичной информации о содержании вредных веществ в окружающей среде и принятие на основе этой информации решений по предотвращению дальнейшего поступления этих веществ в воду, воздух, почву, донные отложения, растительный покров или о необходимости очистки этих объектов от уже накопленных загрязнителей;
· получение вторичной информации об эффективности мероприятий, осуществленных на основе первичной информации;
· формирование исходных данных для принятия решений экономического, правового, социального и экологического характера по отношению к природопользователям, районам и регионам со сложной экологической обстановкой, включая оценку недвижимости при ее приватизации или продаже.
Организация и обеспечение ЭАК требуют решения комплекса взаимосвязанных проблем, которые образуют приведенную ниже единую систему: Нормативно-техническое обеспечение и правовая регламентация - Контролируемые объекты и компоненты - Методическое обеспечение - Аппаратурное обеспечение - Метрологическое обеспечение - Обеспечение качества химической информации - Кадровое обеспечение
Нормативно-техническое обеспечение и правовая регламентация системы ЭАК
С точки зрения природоохранительного законодательства, регламентация отдельных стадий ЭАК (пробоотбор, консервация и транспортировка проб, пробоподготовка, обработка и выдача результатов анализа, их введение в память ЭВМ, а также нормирование номенклатуры подлежащих определению вредных веществ и уровни их предельно допустимых концентраций (ПДК) ) является юридической базой для обоснования требований к методикам анализа, аналитическим приборам и другим средствам измерения, которые следует применять для ЭАК.
В нормативно-техническое обеспечение включают также документы, регламентирующие алгоритмы проведения анализа. Необходима разработка единых НТД, регламентирующих требования к организации и проведению ЭАК с учетом его специфики для каждой из связанных с ним структур.
Методическое обеспечение системы ЭАК
Разработано огромное количество методик анализа объектов природной окружающей среды, но только часть из них может быть применена в системе ЭАК, поскольку по своим показателям эффективности, включающим аналитические и метрологические характеристики, они не отвечают требованиям ЭАК. К тому же большая группа методик реализуется на уникальном аналитическом оборудовании, которое в России имеется в единичных экземплярах (например хромато-масс-спектрометры высокого разрешения). Документы, регламентирующие методики анализа объектов окружающей среды, должны иметь определенный нормативно-технический и правовой статус: такие методики должны быть аттестованы и введены в действие. Пока подавляющее большинство методик, применяемых для ЭАК, не аттестовано. Проведение ЭАК по неаттестованным методикам сразу же ставит под сомнение достоверность результатов анализов. По таким результатам не могут быть приняты ни санкции, ни управленческие решения.
Аппаратурное обеспечение системы ЭАК
Для приборов ЭАК принципиальным является вопрос обоснования требований к условиям их эксплуатации. Все приборы ЭАК – выпускаемые или разрабатываемые - можно разделить на две группы: приборы общего назначения и специализированные приборы.
В первую группу входят приборы, применение которых не жестко связано со спецификой контролируемого объекта или определяемого показателя, т.е. возможно их использование для большого числа методик анализа. Вторая группа включает приборы, предназначенные для определения конкретного компонента в конкретном объекте контроля.
Приборы обеих групп могут применяться в ЭАК при наличии обязательного методического обеспечения.
Обеспечение качества химической информации
При ЭАК получаемая информация служит фундаментом для принятия принципиальных решений и предписывания правил. Качество аналитической информации определяется степенью ее достоверности. Работы по обеспечению качества результатов химического анализа в области ЭАК носят узковедомственный характер и не распространяются на всю систему ЭАК, поскольку контроль качества данных природопользователей вообще не проводится. Таким образом, необходимо создание общей системы обеспечения качества аналитических работ, что должно быть регламентировано соответствующим НТД.
Контролируемые объекты и компоненты в экоаналитическом контроле
В сферу эколого-аналитического контроля входят следующие контролируемые объекты:
· воздух - атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, рабочей зоны;
· почвы (в аспекте загрязнения);
· донные отложения (в том же аспекте);
· растения, пища и корма, животные ткани (в том же аспекте).
18. Требования к средствам измерения
Различными нормативными документами в области обеспечения единства измерений предъявляется достаточно жесткие требования к средствам измерений (СИ), применяемым при экоаналитических работах.
1. Прежде всего, СИ должны пройти испытания с целью утверждения типа средств измерений.
2. Нормативными документами установлен нижний предел обнаружения загрязняющего вещества в объектах окружающей природной среды - обычно он составляет от 0,1 ПДК (для почвы) до 0,8 ПДК (для атмосферного воздуха). При выборе СИ этот факт также необходимо учитывать.
3. Особое внимание следует уделить соблюдению в процессе измерений установленных нормативными документами норм погрешности измерений. Для СИ универсального назначения (спектрофотометры, полярографы, хроматографы и т. д.) большое значение имеет обеспеченность СИ аттестованными методиками выполнения измерений (далее - МВИ).
4. Для удобства хранения и обработки результатов измерений прибор должен быть оснащен выходом, позволяющим осуществлять его интерфейс с компьютером.
5. низкая стоимость эксплуатации прибора.
6. Приборы, предназначенные для массовых анализов, не должны требовать очень высокой квалификации исполнителя.
7. Для импортных приборов существенным является требование наличия технической документации на русском языке, а также русскоязычного программного обеспечения для СИ.
8. Ремонт прибора не должен быть очень дорогим.
9. Отдельные требования предъявляются к СИ, имеющим в своем составе источники ионизирующих излучений. Такие СИ подлежат обязательной регистрации в органах МВД и Минздрава России, а эксплуатация таких СИ без получения соответствующей лицензии Госатомнадзора России запрещена.
Классификация экоаналитических средств
В настоящее время существует несколько классификаций средств измерений.
Так, средства экоаналитических измерений можно разделить на три группы:
· автоматические и неавтоматические,
· мобильные и стационарные (носимые, переносные, перевозимые),
· анализаторы и сигнализаторы,
универсальные СИ - измеряющие содержание практически любых веществ различных классов (например, спекторофотометр), групповые - анализирующие ряд сходных по свойствам веществ одного класса или группы (анализатор выхлопных газов автотраснспорта) и целевые - специфичные к конкретным веществам (например, анализатор СО, анализатор паров Hg);
по анализируемой среде: газоанализаторы, аква - анализаторы, анализаторы сыпучих тел.
по способу регистрации результатов: аналоговые и цифровые.
Одной из наиболее широко применяемых является классификацияпо методу измерений.
При совмещении всех вышеуказанных оснований и при дальнейшей детализации средств измерений по особенностям анализируемых сред формируется широко применяемая в настоящее время на практике «прагматическая» классификация СИ, которая используется, в том числе при введении российского Государственного реестра СИ. Деление средств измерений на группы и подгруппы в ней осуществляется по контролируемой среде, по ее особенностям, а далее по методам, классам и видам определяемых веществ.
