Исследование и разработка методов оценки воздействия автотранспорта и промышленных предприятий на загрязнение атмосферы промышленного центра, г. Барнаул

Актуальность темы

Проблема защиты атмосферы от химических вредностей и опасностей, возникающих в результате эксплуатации автомобильного транспорта, промышленных предприятий и других объектов является наиболее актуальной среди глобальных общечеловеческих проблем, поскольку от ее решения зависят жизнь на Земле, здоровье и благосостояние человечества.

Эта проблема особенно обострилась в связи с увеличением парка транспортных средств с ДВС, количество которых в мире превышает 500 миллионов. При этом только в атмосферу выбрасывается 350 млн. тонн оксида углерода, более 50 млн. тонн различных углеводородов, 150 млн. тонн двуокиси серы. Поэтому разработка средств контроля и управления качеством воздушной среды, уменьшение загрязнения атмосферы токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, является в настоящее время одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством.

В данной работе при решении важной задачи формирования техносферы разработаны теоретические и практические основы комплексной оценки сложившейся ситуации на примере г. Барнаула в результате антропогенного воздействия на окружающую среду, предложена базовая модель расчета уровня загрязнения атмосферного воздуха, разработаны перспективные пути защиты и оздоровления экологической ситуации.

Состояние проблемы. Город Барнаул испытывает большие экологические нагрузки по загрязняющим веществам, которые содержатся в выбросах промышленных предприятий в атмосферу, водную среду и литосферу. Для конкретной территории техногенное воздействие этих веществ негативно проявляется на фоне радиоактивного загрязнения техносферы ядерными испытаниями Семипалатинского полигона, применением пестицидов в сельском хозяйстве, падения отделяющихся ступеней ракет, радоновым загрязнением определенных зон и т. д. Поэтому разработка методологии получения достоверной информации по уровню загрязнения определенных зон промышленного центра с учетом выбросов автотранспортных средств является крайне необходимой для проведения природоохранной деятельности.

Эта задача может быть решена на основании системной обработки сведений, подаваемых в органы контроля основными промышленными предприятиями по форме «2-тп-воздух». Определение величины выбросов от автотранспортных средств требует обширных исследований загруженности основных городских трасс с учетом видов автомобилей и расчета количества выделенных токсичных веществ.

Для расчета рассеивания загрязняющих веществ использовался программный комплекс (ПК) «Атмосфера» (г. Новосибирск, «Логос»), позволяющий получить значения уровней загрязнения в координатной сети определенных зон территории города. Для картографического отображения результатов расчета необходимо обеспечить возможность представления этих результатов в числовой, табличной и картографической форме. Совместить изолинии уровней загрязнения с картографическим изображением территории позволяет программный комплекс, объединяющий ПК «Атмосфера» с ПК MatLAB и Gis Master.

Защита воздушного бассейна территорий промышленных центров может производиться различными методами, включающими обезвреживание загрязняющих веществ с помощью твердых катализаторов с применением различного оборудования для реализации этого процесса. Поэтому разработка методов изготовления новых катализаторов с заранее определенными свойствами, их исследование и аппаратное оформление установок каталитического обезвреживания отработавших газов является перспективным направлением в решении выше названной проблемы.

Цель работы — исследование и разработка методов оценки и управления загрязнением атмосферы промышленного центра выбросами токсичных веществ промышленными предприятиями и автотранспортом и создание средств каталитического обезвреживания отработавших газов.

Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач: -разработка методов оценки экологической ситуации и организации экологического мониторинга промышленного центра на примере г. Барнаула путем обработки статистических данных по выбросам в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом и промышленными предприятиями;

— создание программного комплекса, объединяющего ПК «Атмосфера», MatLAB и Gis Master, — гибкой системы управления качеством воздушного бассейна города и картографического представления результатов;

— проведение исследований по загруженности транспортных потоков городской территории и создать базу данных по параметрам выбросов загрязняющих веществ автотранспортом;

— проведение расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере города на основе созданных нами банков данных по выбросам автотранспорта, основных промышленных предприятий и совместного их учета;

— разработка методов выбора, изготовления, оценки каталитических свойств катализаторов на основании механического смешения оксидов металлов и лабораторных исследований их свойств;

— предложение новых конструкций каталитических реакторов по снижению выбросов токсичных веществ в отработавших газах промышленных установок и автотранспортных двигателей на основе вновь созданных катализаторов.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Решена задача создания системы экологического мониторинга промышленного центра на основании системной обработки статистических данных по выбросам загрязняющих веществ и их рассеивания в атмосфере.

2. Разработан объединенный блок геоинформационной системы на основе ПК «Атмсосфера», Matrix LABoratory и Gis Master, позволяющий осуществлять гибкое управление и контроль за качеством атмосферного воздуха города с получением результатов в картографическом виде.

3. Определены основные транспортные магистрали г. Барнаула, проведены исследования по их загруженности автотранспортными средствами и впервые создан банк данных по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу г. Барнаула.

4. Проведены расчеты уровней загрязнения атмосферы города от выбросов загрязняющих веществ автотранспортом, промышленными предприятиями и их совместном воздействии с получением результатов в численном и картографическом вариантах.

5. На основании глубокой проработки литературных источников определены направления по поиску эффективных методов нейтрализации отработавших газов, изготовлены эффективные катализаторы на основании механического смешивания оксидов хрома, марганца, алюминия и меди, исследованы их свойства на созданной автором лабораторной установке и сформулированы рекомендации по их применению.

6. Разработаны новые элементы в конструкциях каталитических реакторов для нейтрализации отработавших газов промышленных установок и автотранспортных средств.

Практическая ценность. Разработан универсальный метод мониторинга и гибкая система управления качеством воздушного бассейна промышленного центра на примере г. Барнаула, созданы банки данных о параметрах выбросов 39 основных промышленных предприятий, транспортных потоков на 20 автодорогах города, разделенных на 60 участков.

На основе объединенной информационной системы получены величины уровней загрязнения атмосферы города в численном и картографическом вариантах, определены зоны распространения токсичных веществ в атмосфере от выбросов автотранспорта, промышленных предприятий и их совместного воздействия, что позволяет разработать комплексный план мероприятий по уменьшению техногенного воздействия на атмосферный воздух городской территории.

Разработана лабораторная установка по исследованию эффективности катализаторов, апробированная на промышленном катализаторе ИК 1−69. Изготовлены два вида катализаторов, показавших высокую эффективность нейтрализации отработавших газов, содержащих NOx, СИ, СО в интервале температур 200−500 °С.

Усовершенствованы две конструкции каталитических реакторов, одна из которых прошла испытания на промышленных установках, другая предназначена для очистки отработавших газов автотранспортных средств.

Достоверность защищаемых в работе научных положений подтверждается использованием при расчетах приземных концентраций вредных веществ в атмосфере программного комплекса «Атмосфера», согласованного в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (г. С.-Петербург), сертифицированной карты города, а также апробацией разработанной установки для исследования эффективности катализаторов с помощью промышленного катализатора с известными свойствами и применением стандартных методик при хроматографическом анализе состава ГВС. Кроме этого результаты исследований эффективности катализаторов в промышленных условиях приближаются к полученным на лабораторной установке.

Защищаемые положения:

1. Разработанный метод оценки экологической ситуации и организация экологического мониторинга промышленного центра на основании обработки данных по параметрам выбросов загрязняющих веществ автотранспортом и промышленными предприятиями.

2. Созданная информационная система, позволяющая осуществлять гибкое управление уровнем загрязнения атмосферы города, объединяющая ПК «Атмосфера», MatLAB и Gis Master.

3. Полученные картографические результаты уровней загрязнения атмосферы г. Барнаула путем создания банка данных по выбросам загрязняющих веществ автотранспортом и промышленными предприятиями.

4. Разработанный метод изготовления катализаторов на основе механического смешения оксидов хрома, марганца, алюминия и меди, созданный стенд испытания эффективности нейтрализации отработавших газов и разработанные методы анализа ГВС, содержащих МОх, СН и СО.

5. Предложенные конструкции каталитических реакторов нейтрализации отработавших газов автотранспорта и промышленных установок.

Апробация работы. Материалы и результаты исследований обсуждались и докладывались на следующих международных конференциях: «Экология и развитие Северо-Запада России» С.-Петербург — Ладога — Онега, 1998 г.- «Проблемы устойчивого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже ХХ-ХХ1 в.в.», Барнаул, 1998 г.- «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», Томск, 1998 г.- «КОКи8'99», Новосибирск, 1999 г.- «Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия», Барнаул, 1999 г.- «Достижения науки и техники — развитию Сибирских регионов», Красноярск, 1999 г.- «Наука — городу Барнаулу», Барнаул, 1999 г.- «Экология и безопасность жизнедеятельности в условиях Сибири», Барнаул, 1999 г.

Научно-исследовательские работы, выполненные для предприятий Алтайского края, получили высокую оценку соответствующих организаций и имеют значительный социальный и экономический эффекты.

Настоящая работа является частью: целевой комплексной программы «Экология Алтайского края на период.

1991 по 1995 г. г. до 2005 года",.

Программа социально-экологического оздоровления и охраны здоровья населения Алтайского края на 1996 — 2000 г. г. (Алтай-Эко)",.

Федеральной программы «Исследование и образование в области науки о рисках» (1999 год).

Теоретические и практические результаты работы подтверждены четырьмя актами о внедрении, широко используются в учебном процессе.

Публикации. Теоретические и практические результаты исследований изложены в 15 печатных работах, в том числе монографии и одном отчете по НИР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 110 страницах, списка использованной литературы и трех приложений, включает 42 рисунка и 36 таблиц.

Выводы.

1. Исследование свойств двух изготовленных катализаторов подтвердили возможность высокой степени нейтрализации примесей в отработавших газах: N0A — до 90%, СО и СИ — до 100%.

2. Предварительные испытания в промышленных условиях и на лабораторных стендах предложенных конструкций нейтрализаторов отработавших газов автотранспорта и промышленных предприятий позволяют рекомендовать их для промышленного внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе по результатам проведенных экспериментальных исследований разработана методология проведения мониторинга воздушной среды промышленного центра на примере г. Барнаула. Данный подход позволяет получать значения, максимально приближенные к реальному, концентрации любого вещества в любой точке/зоне промышленного центра, определять вклад в загрязнение определенной зоны конкретного загрязнителя, в том числе и автотранспорта, по параметрам выбросов которого впервые для г. Барнаула создан банк данных на основе натурных исследований, а также осуществлять гибкое управление качественным и количественным составом атмосферного воздуха посредством внедрения различных природоохранных мероприятий, в том числе регулирования движения транспортных потоков. Другая часть работы посвящена разработке средств снижения загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий и автотранспорта: изготовлению катализаторов методом термомеханического смешения оксидов металлов (меди, хрома, марганца и алюминия) и применение их в предложенных конструкциях нейтрализаторов отработавших газов, содержащих оксид углерода, оксиды азота и углеводороды.

Для иллюстрации научной новизны и практической значимости работы перечислим ее основные результаты:

1. Оценка состояния окружающей среды, проведенная на основе обработки литературных данных, статистической отчетности предприятий и собственных исследований, свидетельствует о напряженной экологической обстановке в г. Барнауле и Алтайском крае.

2. Установлено, что одним из основных источников загрязнения атмосферы промышленного центра является автотранспорт, вклад которого составляет 45,87% от суммарного загрязнения г. Барнаула (в 1998;1999 г. г).

3. Исследования по загруженности транспортных магистралей города позволили выявить 20 основных из них, произвести распределение автотранспорта по категориям и на основе натурных обследований структуры и интенсивности потока создать банк данных по выбросам загрязняющих веществ в атмосферу.

4. Обработка результатов проведенного расчета загрязнения атмосферы показала, что уровень загрязнения территории г. Барнаула МОх и СН составляет 0.2 и 0.05 ПДК, а в отдельных зонах — 0.3 ПДК, в то время как по СО — 0.5 ПДК ив отдельных частях города — 2.0 ПДК.

5. Предложен принцип экологического мониторинга, обеспечивающий управление качеством воздушного бассейна по результатам расчета рассеивания их в атмосфере города, на основе созданных баз данных параметров выбросов ЗВ. автотранспорта, промышленных предприятий и совместного их влияния. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения предложенной системы составляет 639,4 тыс. руб.

6. Создан комплекс программ на основании ПК «Атмосфера», MatLAB и Gis Master, позволяющий получить численную и картографическую информацию о состоянии атмосферы промышленного центра.

7. Выбрано направление по созданию новых катализаторов на основе термомеханической обработке оксидов хрома, марганца, меди и алюминияпредложена математическая модель внешнедиффузионного процесса, позволяющая определять высоту и диаметр слоя контактной массы при исследованиях.

8. Разработана и апробирована лабораторная установка по исследованию свойств катализаторов с предварительной проработкой газохроматографического. анализа ГВС и измерения температур термоэлектрическими датчиками.

9. Исследованы свойства двух изготовленных нами катализаторов, обеспечивающих возможность высокой степени нейтрализации примесей в отработавших газах: NOx — до 90%, СО и СП — до 100%.

10. Предложены две конструкции нейтрализаторов отработавших газов промышленности и автотранспорта, предварительные испытания которых в промышленных условиях и на лабораторных стендах позволяют рекомендовать их для промышленного внедрения.