Автоматизированные системы контроля загрязнения воздушного бассейна

Содержание Введение

1. Воздух как объект анализа

1.1 Атмосферный воздух

1.2 Источники загрязнения атмосферы

1.3 Классификация загрязнителей воздуха

2. Классификация автоматических методов анализа состава воздуха и их краткая характеристика

3. Автоматизированные системы контроля загрязнения воздушного бассейна

3.1 Автоматические приборы непрерывного действия для анализа загрязнений воздуха

3.2 Автоматические сигнализаторы довзрывоопасных концентраций Выводы Список источников

Введение

Окружающий нас воздух (атмосфера) является важнейшим фактором обеспечения нашей жизни. Стоит прекратить поступление воздуха в организм через органы дыхания, как уже через короткое время наступит смерть. В естественных условиях эта зависимость жизни от постоянного поступления, не содержащего посторонних примесей воздуха для дыхания, не таит в себе никакой опасности, но лишь до тех пор, пока в нашем распоряжении есть достаточное количество чистого, однородного по составу воздуха. Только с того времени, как человек начал применять в своей деятельности вредные для его жизни вещества, которые ранее лишь изредка, да и то в незначительных количествах загрязняли атмосферу, чистота использовавшегося для дыхания воздуха иногда стала подвергаться угрозе. При этом обнаружилось, что наши органы чувств не позволяют нам с достаточной точностью определять качество воздуха.

Наше обоняние не способно сигнализировать о наличии в воздухе всех вредных для нашего организма загрязнений, например, оксида и диоксида углерода, оксидов азота (I) и (II). В то же время, хотя мы и ощущаем присутствие в атмосфере даже незначительного количества таких ядовитых веществ как синильная кислота, наш организм не отвечает на это какой-либо защитной реакцией. Неравномерно по своему характеру и воздействие на человека некоторых раздражающих газов. Так, аммиак сначала вызывает раздражающее действие, тогда как его вредное воздействие сказывается с некоторым опозданием; у диоксидов серы и азота мы наблюдаем обратную картину. Ограничены возможности наших органов обоняния и с точки зрения количественного определения содержания в воздухе примесей. Не говоря о том, что восприимчивость людей ко многим обладающим запахом загрязнениям воздуха носит строго индивидуальный характер, по отношению к некоторым ядовитым веществам, таким, как сероводород и диоксид азота, имеет место явление привыкания. Что же касается радиоактивных загрязнений воздуха, которые приобрели особое значение лишь в последние десятилетия, то для их обнаружения мы вообще не обладаем какими-либо органами чувств.

Как показывают приведенные выше примеры, постоянно расширяющееся использование ядовитых веществ и вызванное этим усиление качественного и количественного загрязнения воздуха обусловили необходимость создания дополнительных средств определения качества воздуха. Вначале для этой цели применялись отдельные методы, основанные на практическом опыте, как, например, наблюдение за горящей свечой (если ее пламя начинало мерцать или гасло, это указывало на присутствие в воздухе избыточного количества углекислого газа) или за поведением певчих птиц в помещениях, где существовала опасность внезапного выброса оксида углерода. Позднее для исследования состава воздуха стали применять методы химического анализа, дополненные физическими измерениями.

При этом возникают две основные задачи. С одной стороны, исследование собственно атмосферы населенных пунктов, проводимое с целью охраны здоровья проживающих там людей, а также исследование состава воздуха в сельскохозяйственных районах, призванное выявлять вредное воздействие загрязнений воздуха на растения и животных. С другой стороны, это контроль чистоты воздуха в рабочих зонах производственных помещений, подвергающихся опасности проникновения вредных газов, осуществляемый для защиты работающего там персонала.

Обращает на себя внимание, что анализы состава воздуха в жилых, конторских и подсобных помещениях, где горожане обычно проводят больше времени, чем на улице, проводятся сравнительно редко. При этом, по-видимому, предполагается, что показатели, измеренные вне зданий, действительны и для расположенных в них помещений. Подобное предположение во многих случаях не соответствует истине. Например, в комнате с оштукатуренными стенами уровень содержания проникшего в нее диоксида серы быстро падает. То же можно сказать в отношении диоксида азота, фтористого водорода и других кислых газов. Никогда не бывает также одинаковым содержание пыли в воздухе на улице и внутри расположенного на ней здания.

В этой связи уместно отметить, что хотя современная техника вызвала значительное загрязнение атмосферы, она в то же время, несомненно, позволила немного улучшить качество воздуха в жилых помещениях по сравнению с прежними временами, благодаря повышению в широких масштабах культуры жилища, выразившемуся в применении более совершенного отопления, освещения и использовании канализации. В наши дни трудно представить себе, какое влияние в свое время оказывала на распространение легочных заболеваний копоть — неизменный спутник свечного или керосинового освещения.

Результаты анализов состава воздуха уже обусловили не только совершенствование методики их выполнения, но и повлекли за собой самые разносторонние изменения в области техники, общественной гигиены и т. п. С другой стороны, требования повседневной практики относительно чувствительности, специфичности, длительности и частоты проведения анализов состава воздуха становятся все более жесткими и многообразными. В то же время они послужили толчком к дальнейшему развитию методики проведения анализов с помощью меченых атомов и созданию автоматических, аналитических приборов непрерывного действия, причем определенный «вклад» внесла здесь проблема применения отравляющих газов в период обеих мировых войн. Такое взаимное стимулирование развития методов и средств лабораторного анализа, с одной стороны, и требований повседневной практики, с другой, происходит в полной мере и в наши дни. Результатом этого можно считать постоянное появление интересных и важных новшеств в области методики анализа состава воздуха, что, в свою очередь, приводит к накоплению ценного опыта и прогрессу техники, направленному на сохранение чистоты воздуха.

1. Воздух как объект анализа

1.1 Атмосферный воздух Более 99,9% сухого атмосферного воздуха состоит из азота, кислорода и аргона и лишь около 0,1% приходится из долю диоксида углерода, криптона, неона, гелия, ксенона и водорода. Однако даже в чистом воздухе содержатся следовые количества (от 0,003 до 0,25 мг/м³) оксида углерода, озона, оксидов азота и аммиака, а также 0,5−1,5 мг/м³ водорода и метана. Присутствие небольших количеств этих газов в воздухе объясняется существованием свободного озона в верхних слоях атмосферы, а также процессами гниения и разложения (аммиак, метан, оксиды углерода и азота) или атмосферными явлениями (диоксид азота). Все другие соединения (твердые, жидкие и газообразные вещества, изменяющие естественный состав атмосферы), попадающие в воздух из различных источников (в основном антропогенного происхождения), классифицируются как загрязнители. К ним относят оксиды углерода, серы и азота, углеводороды, различные оксиданты, аэрозоли металлов, твердые частицы (пыль, сажа, органические аэрозоли) и радиоактивные вещества.

1.2 Источники загрязнения атмосферы Главный вклад в загрязнение воздушного бассейна вносит промышленность, особенно в местах её концентрации. Основными источниками индустриальных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции (ТЕС), работающие на каменном угле и выбрасывающие в атмосферу сажу, золу и диоксид серы; металлургические заводы, выбросы которых содержат сажу, пыль, оксид железа и диоксиды серы, а иногда и фториды; цементные заводы — источники огромного количества пыли. Крупные предприятия по производству продукции неорганической химии загрязняют атмосферу, в зависимости от технологического процесса, самыми различными по составу газами (диоксид серы, тетрафторид кремния, фтороводород, оксиды азота, хлор, озон). Заводы по производству целлюлозы, очистке нефти, отличаются выбросами в атмосферу дурнопахнущих газообразных отходов (одорантов). Предприятия нефтехимии (нефтеперегонные заводы, переработка нефти, органический синтез) служат источником поступления в воздух углеводородов и органических соединений других классов (амины, меркаптаны, сульфиды, альдегиды, кетоны, спирты, кислоты, хлоруглеводороды и др.).

Кроме того, все промышленные предприятия располагают собственными отопительными и энергетическими системами, отходящие газы которых также загрязняют воздух.

Загрязнение атмосферного воздуха предприятиями химической промышленности, обусловлено следующими причинами:

1. Неполный выход продукции (неполнота протекания реакции, потери конечного продукта и др.).

2. Выброс в атмосферу примесей и загрязнений при переработке сырья (фтористых соединений из природных фосфатов и руд; диоксида серы и сероводорода из природного газа, сырой нефти и каменного угля; мышьяка и селена из серного колчедана при производстве серной кислоты и т. д.).

3. Потери веществ, используемых в производственных процессах, (летучих органических растворителей, сероуглерода и сероводорода при изготовлении искусственного шелка и вискозы; оксидов азота при камерном и башенном способах производства серной кислоты; соединений фтора при производстве алюминия и др.).

4. Попадание в воздухе пахучих веществ и продуктов окисления и деструкции в результате процессов термоокислительной деструкции, нагревания или сушки (производство продуктов питания, мыла, клея и изделий из дерева, окраска автомобилей, синтез и переработка полимерных материалов, производство растворителей и др.).

Весьма существенную роль в загрязнении воздуха крупных городов играют отработавшие газы автомобилей, а также процессы испарения топлива. Содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей в значительной степени зависит от условий эксплуатации двигателей. Двигатель, работающий на бензине, практически не оказывает какого-либо влияния на содержание и атмосферном воздухе диоксида углерода, но он является непосредственным источником загрязнения воздуха такими веществами, как оксид углерода: (образуется в результате неполного сгорания бензина в цилиндрах двигателя), газообразные углеводороды парафинового и олефинового ряда и неизменившиеся составные части топлива, высококипящие полициклические ароматические углеводороды и сажа, продукты неполного окисления топлива (например, альдегиды), тяжелые металлы (например, свинец в этилированном бензине) и оксиды азота, образованию которых способствуют процессы, происходящие при сгорании топлива. Выхлопные газы, содержащие реакционноспособные олефиновые углеводороды и оксиды азота, могут под действием солнечной радиации вступать в фотохимические реакции в атмосфере, приводящие к образованию токсичного смога, губительного для растений и конструкционных материалов и вредного для живых организмов.

Стационарные источники промышленного происхождения (дымовые газы, отходящие газы плавильных печей металлургического производства, установок каталитического крекинга, отходящие газы ТЭС и других энергетических комплексов) и извержение вулканов загрязняют атмосферу углеводородами. Значительно большее количество углеводородов и оксидов углерода выделяется в воздух в результате лесных пожаров.

1.3 Классификация загрязнителей воздуха В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первые представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно в воздух из стационарных или подвижных источников. Вторичные образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами (кислород, озон, аммиак, вода) под действием ультрафиолетового излучения. Часто вторичные загрязнители, например вещества группы пероксиацетилнитратов (ПАН), гораздо токсичнее первичных загрязнителей воздуха. Большая часть присутствующих в воздухе твердых частиц и аэрозолей является вторичными загрязнителями.

С учетом токсичности и потенциальной опасности загрязнителей, их распространенности и источников эмиссии они были разделены условно на несколько групп:

1) основные (критериальные) загрязнители атмосферы — оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимические оксиданты;

2) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ);

3) следы элементов (в основном металлы);

4) постоянные газы (диоксид углерода, и др.);

5) пестициды;

6) абразивные твердые частицы (кварц, асбест и др.);

7) разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм, (нитрозамины, озон, полихлорированные бифенилы (ПХБ), сульфаты, нитраты, альдегиды, кетоны и др.).

Все критериальные загрязнители откосятся к первичным загрязнителям атмосферы. Оксиды азота образуются преимущественно при высокотемпературной фиксации азота и кислорода в силовых установках и двигателях внутреннего сгорания. Оксид азота образуется при электрических разрядах в атмосфере и присутствует в отработавших газах автомобилей. Ежегодно в атмосферу поступает около 5−10⁷ т. оксидов азота, из них 53% из антропогенных источников. В конечном итоге оксиды азота превращаются в атмосфере в нитраты.

Диоксид серы относят к главным и наиболее важным загрязнителям воздуха, опасным для животных и растений и участвующим в образовании фотохимического смога. Общая эмиссия диоксида серы в атмосферу составляет 8−10⁷ т. в год, т. е. значительно превосходит поступление в атмосферу большинства других токсичных химических веществ, и постоянно возрастает пропорционально росту потребления энергии.

Оксид углерода — наиболее опасный и чрезвычайно распространенный из газообразных загрязнителей воздуха, токсичность которого обусловлена реакцией с гемоглобином крови. Образование СО происходит при неполном сгорании различного топлива. Естественным источником СО являются лесные пожары и фотохимическое превращение органических соединений в атмосфере. Около 25% СО антропогенного происхождения. Значительное количество оксида углерода поступает в атмосферу городов и промышленных регионов с отработавшими газами автотранспорта. Средняя концентрация СО в атмосфере (около 10⁵%) значительно увеличивается (до 3 10³%) в районах автострад и в городах в часы пик.

Предполагается, что в будущем снизится загрязнение воздуха от стационарных источников такими токсичными веществами, как пыль и оксиды серы, углерода и азота. Однако большую опасность будут представлять газы и пары органических веществ и тяжелые металлы (свинец, кадмий, бериллий и др.).

Концентрация углеводородов, выделяющихся в воздух из природных источников, немногим более 1 мг/м³. Ежегодная эмиссия углеводородов составляет 3−10⁸ т. в год, причем 50% этого количества обусловлено работой транспорта, около 15% составляет выделение углеводородов при сгорании жидкого топлива в жилых районах и ТЭС, а 26% приходится на сгорание угля, мусора (в среднем на планете приходится уничтожать около 1 м³ отходов в год на человека) и испарение топлива и растворителей. В «усредненном» автомобильном выхлопе содержится около 400 мг/м³ парафиновых, 120 мг/м³ ацетиленовых, 200 мг/м³ ароматических и 300 мг/м³ олефиновых углеводородов.

Содержащиеся в атмосфере твердые частицы представляют собой пыль, песок, золу, сажу, вулканическую пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) и неорганической природы. Часто токсичность твердых частиц обусловлена адсорбцией на их поверхности таких опасных соединении, как ПАУ или нитрозамииы.

Фотооксиданты образуются в атмосфере при взаимодействии реакционноспособных углеводородов и оксидов азота под действием УФ радиации. В конечном итоге образуются высокотоксичные вещества: (пероксиацетилнитрат, пероксибензоилнитрат и др.). Уже при концентрации 0,2 мг/м³ эти соединения обладают резким лакриматорным действием, повреждают растения и разрушают резину. Еще более токсичны пероксибутили пероксипропилнитраты. Соединения этой группы нестойкие, особенно при повышенной температуре, и разлагаются с образованием более простых продуктов, например метилнитратов и диоксида углерода. Оксиданты загрязняют воздушный бассейн большинства крупных городов мира, поскольку их образование связано с развитием промышленности и автотранспорта.

Следующая группа загрязнителей — полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — могут быть как первичными, так и вторичными загрязнителями атмосферы и обычно адсорбируются на твердых частицах. Многие из ПАУ отличаются выраженным канцерогенным, мутагенным и тератогенным действием и представляют серьезную угрозу для человека. Основным источником эмиссии ПАУ являются ТЭС, работающие на нефти или каменном угле, а также предприятия нефтехимической промышленности и автотранспорта. Из нескольких миллионов известных в настоящее время химических соединений лишь около 6000 были проверены на канцерогенную активность. В настоящее время установлено, что 1500 химических соединений, являющихся потенциальными загрязнителями атмосферы, обладают выраженными канцерогенными свойствами (ПАУ, нитрозамины, и др.). Содержание ПАУ и других канцерогенных веществ, попадающих в атмосферу с выбросами промышленных предприятий, составляет в крупных индустриальных центрах около 80% от общего загрязнении окружающей среды.

Следовые количества химических элементов представлены в атмосфере такими высокотоксичными загрязнителями, как мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний и хром. Они обычно присутствуют в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах. Около 60 металлов идентифицировано в продуктах сгорания угля. В дымовых газах ТЭС обнаружены ртуть, мышьяк, барий, бериллий, висмут, бром, кадмий, хлор, кобальт, медь, железо, фтор, свинец, марганец, сурьма, молибден, никель, селен, теллур, таллий, олово, титан, уран, ванадий, цинк и цирконий. Для большинства перечисленных элементов их выброс в атмосферу с дымовыми газами ТЭС составляет ³/4 от абсолютного уровня загрязнения воздуха всеми источниками эмиссии этих элементов. При этом максимальное количество загрязнителей попадает в атмосферу при сжигании угля. На долю этого источника приходится более 95% твердых частиц, 85% оксидов серы, 70% оксидов азота и более 90% следов элементов от общего количества выбросов для всех ТЭС, работающих на угле, нефти и газе.

Помимо продуктов сжигания нефти, свинец выделяется в воздух при извержении вулканов, с отработавшими газами автомобилей и в результате различных производственных процессов. Ежегодно в воздушный бассейн в виде галогенидов попадает около 2−10⁵ т. свинца, а ежегодный прирост содержания ртути в окружающей среде промышленно развитых стран составляет 5%. Металлическая ртуть и свинец, а также их металлорганические соединения очень токсичны. Ртуть поступает в атмосферу при извержении вулканов и с выбросами химической, электронной и приборостроительной промышленности. Особенно токсичны и опасны для человека галогенсодержащие металлорганические соединения ртути, которые образуются из металлической ртути и ее неорганических солей под действием микроорганизмов. При сгорании различного топлива только в атмосферу ФРГ ежегодно попадает 40 т. ртути, которая оседает на поверхности почвы и водоемов.

Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под воздействием радиации. Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере тесно связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет 4 дня, сероводорода — два, оксида азота — пять, аммиака-семь дней, а СО и СН₄ в силу своей инертности сохраняются неизменными в течение трех лет.

Из пестицидов, которые обычно распыляют с самолетов, особенно токсичны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере образуются продукты еще более токсичные, чем исходные соединения.

Так называемые «абразивные» частицы, к которым относятся диоксид кремния и асбесты, при респираторном проникновении в организм человека вызывают серьезные заболевания (например, силикозы). Загрязнения последнего класса, из которых наиболее важны сульфаты, нитраты и нитрозамины. являются продуктами реакций первичных загрязнителей атмосферы.

Таблица 1. Концентрации загрязнителей атмосферы

2. Классификация автоматических методов анализа состава воздуха и их краткая характеристика

Автоматические методы анализа — наиболее перспективны для непрерывного контроля загрязнения воздушного бассейна. Применяемые при этом приборы обеспечивают быстроту и непрерывность, большую точность и объективность результатов анализов, но являются сложными и дорогими.

В соответствии с требованиями стандартов наблюдения за загрязнением атмосферы по полной программе должны проводиться за содержанием пыли, сернистого газа, оксида углерода, диоксида азота (основные загрязнители) и за рядом специфических веществ, которые свойственны промышленным выбросам данного населенного пункта.

Содержание пыли в атмосферном воздухе может быть определено прямым или косвенным способом. Прямой способ заключается в отборе пробы запыленного воздуха и взвешивании осажденных из нее частиц с последующим отнесением их массы к единице объема воздуха. Косвенные методы используют закономерности изменения физических свойств запыленного воздуха в зависимости от концентрации пыли — величины поглощения световых, тепловых и ионизирующих излучений, способности воспринимать электростатический заряд и т. л. Наиболее часто в этом случае применяют гравиметрический (прямой) или радиоизотопные и оптические (косвенные) методы.

Гравиметрический метод определения взвешенных частиц пыли к атмосферном воздухе регламентирует ГОСТ 17.2.4.05−83. Согласно требованиям стандарта разовую (С₃₀) и среднесуточную (С24) концентрации взвешенных частиц пыли в воздухе (мг/м³) вычисляют по формуле:

С30, С24 =(m1-m2)/V0

Где m1 и m₂ — масса фильтра соответственно с пылью и без пыли, мг;

V0 — объем пропущенного воздуха, приведенный к нормальным условиям, м³.

Радиоизотопный метод измерения концентрации пыли, основан на свойстве радиоактивного излучения поглощаться частицами пыли. Массу пыли в пробе определяют по степени ослабления радиоактивного излучения при прохождении его через запыленный воздух.

Оптические методы используют закономерности изменения физических свойств запыленного воздуха. Так, изменение оптической плотности по степени светопоглощения или рассеивания света называют фотометрическим методом анализа. С его помощью можно определять до 5 10-³ мкг. вещества в пробе. Измерение степени рассеивания света взвешенными частицами, находящимися в растворе, положено в основу нефелометрического метода, чувствительность которого до 4−10 мкг. вещества в пробе. Абсорбционный метод, основанный на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду, позволяет измерять концентрацию взвешенных частиц непосредственно в атмосферном воздухе без предварительного отбора пробы.

Радиоизотопные и оптические методы определения запыленности атмосферного воздуха находят применение в системах автоматизированного наблюдения и контроля окружающей среды (АНКОС).

Содержание оксида углерода, диоксида азота, сернистого газа и других вредных парообразных примесей в атмосферном воздухе определяется с помощью приборов-газоанализаторов. При лабораторном анализе применяют оптические, фотоколориметрические, кондуктометрические, кулонометрические и хроматографические газоанализаторы.

Принцип действия оптических газоанализаторов основан на избирательном поглощении газами лучистой энергии в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой областях спектра.

Широкое распространение имеют фотоколориметрические газоанализаторы, действие которых основано на поглощении лучистой энергии в видимой области спектра растворами или индикаторными лентами, изменяющими свою окраску при взаимодействии с определенными газовыми компонентами.

В последние годы получили распространение газоанализаторы, использующие эмиссию излучения анализируемой газовой примеси. Сущность этого метода состоит в том, что молекулы исследуемого газа, например, оксидов азота или соединений серы, приводят в состояние оптического возбуждения и затем регистрируют интенсивность люминесценции, возникающей при возвращении их о состояние равновесия.

В основу принципа действия кондуктометрических газоанализаторов положено поглощение анализируемого компонента газовой смеси соответствующим раствором и измерение его электропроводности. В кулонометрических газоанализаторах электрохимическая реакция протекает в ячейке между анализируемым газом и электролитом, в результате которой во внешней цепи появляется электродвижущая сила, пропорциональная концентрации определяемого компонента воздуха.

Для экспрессного определения токсических веществ применяют универсальные газоанализаторы (УГ-2, ГХ-4 и др.), основанные на линейно-калориметрическом методе. В этом случае при продвижении воздуха через индикаторные трубки, заполненные специальным порошком — поглотителем, происходит изменение его окраски; длина окрашенного слоя пропорциональна концентрации исследуемого вещества.

В последние десятилетия как самостоятельный раздел техники метеорологических измерений выделилась лазерная локация, позволяющая получить данные о состоянии запыленности и газового состава приземного слоя атмосферы. Она является перспективным направлением оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна крупных городов.

Система наблюдения, контроля, прогнозирования и управления качественным состоянием атмосферного воздуха получила наименование атмосферного мониторинга (в переводе с английского — наблюдение, проверка, проводимая относительно какого-либо явления естественной или социальной жизни).

Рациональное сочетание наблюдения, контроля и прогнозирования загрязнения биосферы — основа эффективного управления качества ОПС и, в частности, воздушного бассейна, что реализуется в системах АНКОС-А.

3. Автоматизированные системы контроля загрязнения воздушного бассейна Бурное развитие промышленности, энергетики, транспорта и сельскохозяйственного производства, в особенности во второй половине XX в., увеличило загрязнение атмосферы вредными газами, которое в ряде случаев привело в некоторых странах к катастрофическим последствиям — массовым заболеваниям и гибели люден (например, при лондонских смогах и др.,).

Борьба с загрязнением воздуха (3В) в промышленных районах, городах и на промышленных площадках заводов, фабрик и ТЭС представляет сложную научно-техническую задачу, основой для решения которой является наличие надежных методов и средств контроля и прогнозирования качества воздушной среды.

При решении комплекса перечисленных вопросов пользуются термином «мониторинг атмосферы», в который включают анализ, контроль (т. е. наблюдение и оценка), прогноз основных параметров состояния и управление качественным составом атмосферы. В нашей стране данная проблема решается под общим руководством Государственного комитета Украины по гидрометеорологии и контролю природной среды. Наиболее сложным и трудоемким вопросом является создание эффективных средств и методов контроля загрязнения воздушной среды современного промышленного города, содержащей множество веществ, в том числе — вредных, с постоянно меняющейся концентрацией. Так, для воздуха населенных пунктов стандартом установлена ПДК по 120 веществам к 25 их комбинациям.

Все методы и средства анализа состава атмосферного воздуха можно разделить на четыре группы:

1) аналитические методы лабораторного анализа воздуха;

2) автоматические приборы для определения концентрации загрязняющих атмосферу веществ;

3) автоматизированные системы контроля загрязнения окружающей среды — АСКЗ;

4) дистанционная лазерная локация загрязнения атмосферы. Аналитическому методу предшествует разовый эпизодический (или в установленные заданием определенные отрезки времени) отбор проб воздуха с последующим их анализом и обработкой. Применяются инструментальные, химические и биологические разновидности аналитического метода. Из химических наиболее широко используются микрокалориметры, позволяющие с необходимой для практики точностью производить экспресс-анализ концентраций паров и пылей металлов, формальдегидов, оксидов азота и углерода, аммиака, сероводорода, фтора и других соединений. Инструментальные методы (спектрофотомерия, ультразвуковой и др.) — сложные и в промышленных условиях практически не применяются, а биологические, хотя и обладают высокой чувствительностью, но в основном дают лишь качественную оценку определяемого вещества.

Автоматические методы газового анализа целесообразно использовать в автоматизированных системах контроля загрязнения атмосферы (АСКЗ-А) в виде непрерывнодействующих приборов-датчиков для телеконтроля основных вредных ее ингредиентов. Была создана серия автоматических приборов для определения в указанных ниже пределах концентраций пяти ингредиентов (табл.2).

В условиях возрастающего загрязнения атмосферы городов и промышленных центров возникла необходимость создания на базе автоматических приборов автоматизированных систем для оперативной оценки состояния о загрязнении воздуха (3В) и предупреждения опасных ситуаций, возникающих в отдельных районах.

Таблица 2. Приборы-датчики АСКЗ-А

При ззначительных выбросах вредных веществ предприятиями, транспортом и другими источниками в условиях изменяющейся метеорологической обстановки. АСКЗ-А состоит из разветвленной сети непрерывно действующих датчиков вредных ингредиентов и метеопараметров и включает телеметрическую аппаратуру централизованного сбора и обработки (с помощью ЭВМ) получаемой от датчиков информации, которая используется для прогноза ожидаемого уровня загрязнения и оперативного управления качеством атмосферы данного региона. Первые работы по научному обоснованию, разработке и внедрению АСКЗ-А в нашей стране были выполнены в Институте технической теплофизики (ИТТФ) под руководством академика А. Н. Щербаня и доктора технических наук А. В. Примака. Алгоритм данной системы включает:

1) оперативный сбор информации от отдельных пунктов города — контрольно-замерных станций (КЗС) — об уровне концентрации вредных веществ и величине метеопараметров;

2) контроль достоверности полученных данных и передачу информации в центральную станцию (ЦС), где производится их оценка и анализ репрезентативности всей получаемой информации, и принимаются решения по управлению качеством состояния атмосферы. Здесь же на ЦС накапливается информация о 3 В, производится ее обработка, усреднение (данные «пиковых» загрязнений: среднесуточные, месячные, сезонные и годовые) и передача систематизируемого и прогнозируемого материала в соответствующие организации и Информационный центр общегосударственной системы контроля загрязнения окружающей среды. Одновременно с этим создаются картотеки источников 3 В с данными о их месторасположении и характеристикой качественного состава воздуха, определяются степень опасности загрязнения и возможности снижения его интенсивности в критических для данного района ситуациях (когда возникает необходимость регулирования выбросов); выдаются предупреждения о необходимости принятия срочных мер для ликвидации опасности критического 3 В в данном районе. Одновременно с этим полученная от АСКЗ-А информация — это база для анализа и оценки эффективности работы очистных устройств, планирования и проведения необходимых научно-исследовательских работ, основа для повышения эффективности существующих и разработки новых очистных устройств и проведения других организационных и технических мероприятий по охране воздушного бассейна.

Для эффективного контроля загрязнения атмосферы города с населением до 100 тыс. чел. минимальное число КЗС должно быть не менее 3, до 300 тыс. чел.- 5, до 500 тыс. чел.- более 7, свыше 1 млн. чел.- от 11 до 24.

Кроме КЗС, которые рассредоточены по городу, в районах жилых массивов, около промышленных предприятий и вдоль автомагистралей целесообразно иметь передвижные замерные пункты (ПЗП), которые оборудуются необходимым комплектом аппаратуры для замера метеопараметров (температуры, влажности, скорости движения воздуха и барометрического давления) и концентрации вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

В Украине выпускается серийно передвижная лаборатория «Атмосфера» на базе автомашины УАЗ-452А. Она имеет газоанализаторы ГКП-1 «Атмосфера-1» и «Атмосфера-2», барометр-анероид М-67, установочное оборудование и стенды, что позволяет производить: одновременный отбор до шести проб воздуха с последующим анализом ингредиентов; отбор пробы на пыль, сажу и инструментальный анализ SО2, Н₂S, О₂ и С1₂.

Для передачи информации от сети КЗС в системе предусматривается аппаратура передачи данных (АПД), а для отбора и обработки информации — информационно-вычислительный центр, включающий ЦС. Она осуществляет передачу команд и вызов (опрос) КЗС, синхронизирует их работу и накопляет информацию, а также имеет вычислительный центр (ВЦ), который оборудован ЭВМ и выполняет обработку информации КЗС.

Работа КЗС происходит следующим образом. Установленный на станции датчики концентрации вредных ингредиентов и метеопараметров выдают непрерывный аналоговый сигнал и усилитель-преобразователь производит их масштабирование и унифицирование, а первый коммутатор станции последовательно (друг за другом) подключает выходы таких сигналов от датчиков к единому аналого-цифровому преобразователю (АЦП), который преобразует аналоговую информацию в цифровую (двоичный код). Второй коммутатор последовательно подсоединяет выход АЦП к устройствам суммирования результатов отдельных измерений от каждого датчика к блокам памяти дискретного вида; КЗС по команде от ЦС последовательно опрашивает ячейки памяти каждого датчика и через устройство вывода информации выдает ее в АПД для очередной передачи в канал связи. В данном случае используются коммутируемые телефонные каналы связи, которые допускают уверенную передачу данных со скоростью до 600 бит/с.

При небольшом объеме информации ее накопление можно производить на перфоленте или телетайпе с дальнейшей обработкой на серийной ЭВМ. При расширении системы и увеличении информации целесообразно использовать специализированную ЭВМ, работающую в реальном масштабе времени. Структурная схема АСКЗ-А приведена на рис.

В зависимости от характера и объема задач, решаемых автоматизированными системами контроля окружающей среды, их можно разделить на пять типов: промышленные, городские региональные, общегосударственные и глобальные

Промышленные системы контролируют выбросы промышленного предприятия, степень загрязнения его промплощадок и прилегающего к нему района. Обычно они входят в систему предприятия и имеют датчики, характерные для ингредиентов его выбросов и метеодатчики, которые располагаются с учетом места выбросов вредностей в атмосферу, «розы ветров» и характера размещения жилых массивов в районе промышленного предприятия.

Городские системы предназначены для контроля уровня загрязнения воздушного бассейна города выбросами промышленных предприятий, автомобильного транспорта и измерения метеопараметров. Они позволяют установить величину загрязнения с учетом времени года и климатических факторов, «вклад» каждого источника загрязнения и всестороннюю его характеристику, прогнозировать опасные ситуации смогового характера, информировать о возможности их возникновения и других особенностях атмосферы контролируемого региона партийные и советские органы, а также руководителей отдельных предприятий.

Региональные системы обычно не имеют КЗС, а получают сведения о загрязнении атмосферы и водоемов от городских и промышленных АСКЗ. Они предназначены для статистической обработки и анализа данных о загрязнении окружающей среды на значительных территориях, на базе которых проводятся исследования и прогнозирование, а также разработка научно обоснованных рекомендаций по охране природной среды, Общегосударственные системы получают материалы о загрязнении и состоянии окружающей среды от региональных систем, с искусственных спутников Земли и космических орбитальных станций. Они функционируют совместно со службой погоды Госкомгидромета и осуществляют прогнозирование состояния загрязнения атмосферы на больших территориях страны.

Глобальные системы мониторинга окружающей среды используются для исследований и охраны природы, осуществляемых па основании международных соглашений в этой области. Ряд стран имеет сеть наземных станций, на которых осуществляется непрерывный отбор и анализ проб на присутствие в атмосфере загрязняющих веществ, СО, СО2, пыли свинца, а также изотопов некоторых элементов (радионуклидов) естественного и искусственного происхождения.

Заслуживает внимания созданная система мониторинга фонового загрязнения окружающей природной среды, которая имеет сеть специальных станций в различных природных зонах и районах, значительно удаленных от локальных источников загрязнения, и, в частности, в биосферных заповедниках. Она охватывает все основные типы природных зон и предусматривает организацию систематических и комплексных фоновых наблюдений в семи главных типах зональных экосистем: арктических пустынь, сухих и луговых степей, таежных лесов и др.

Основу работ по автоматизированному мониторингу окружающей среды в нашей стране составляют системы семейства АНКОС (автоматического наблюдения, контроля окружающей среды) — специализированных аналитических станций.

Система АНКОС решает четыре основные задачи:

1. намерение уровня загрязнения в расположении КЗС;

2. оценка состояния загрязнения атмосферы и поверхностных вод;

3. прогноз уровня загрязнения воздушного и водного бассейна;

4. локализация интенсивных источников выбросов загрязняющих веществ. Структурная схема системы АНКОС для воздушного и водного бассейнов идентична описанной выше АСКЗ-А (дли контроля атмосферы), а для контроля загрязнения поверхностных вод (АНКОС-В) в систему включены автоматические анализаторы состава воды. Кроме стационарных КЗС в систему АНКОС-А в АНКОС-В могут быть включены и описанные выше передвижные замерные станции.

Кроме стационарной КЗС типа «Пост-1» и передвижной лаборатории «Атмосфера-2» разработана более совершенная КЗС для контроля загрязнения атмосферы «Воздух-1». Кроме непрерывного анализа воздуха на СО и SО₂, а также измерения метеопараметров и регистрации информации от датчиков на перфоленте (т. е. непосредственно ввода ее в ЭВМ) станция обеспечивает автоматический отбор проб воздуха для последующего анализа одновременно на 4 газовых ингредиента и возможность ручного отбора проб воздуха одновременно также на 4 ингредиента и пыль.

Своеобразная промышленная система применена для автоматизированного контроля загрязнения воздуха в районе тепловой электростанции (ТЭС) на Запорожской ГРЭС, общая мощность которой составляет 3600 МВт, а высота дымовых труб 320 м. Учитывая наличие большого объема выброса и повышенного содержания в отходящих дымовых газах вредных веществ, предусмотрена подсистема контроля концентрации в них сернистого газа и оксидов азота автоматическими газоанализаторами, установленными непосредственно в дымовых трубах. Одновременно с этим по показаниям цилиндрического термоанемометра замеряется расход и температура продуктов сгорания.

Замер метеопараметров производятся на специальной метеовышке Скорость и направление ветрового потока замеряются анеморумбометрами, установленными на отметках 0,5; 2; 10; 23 и 45 м, а температура воздуха — электрическими термометрами сопротивления ПТС-500. Кроме того, определяется температурный градиент по показаниям датчиков, которые расположены на светофорных площадках дымовой трубы на отметках-45; 100; 200 и 260 м.

Контрольно-замерные станции (КЗС) с автоматическими газоанализаторами размещаются в специальных павильонах, которые установлены в зонах максимальных концентраций вредных газов, выбрасываемых трубами ТЭС, и вблизи жилых массивов. Чтобы уточнить концентрацию оксидов азота и сернистого газа в атмосфере (вблизи от оси факела, т. е. непосредственно под дымовым шлейфом), используют передвижную КЗС, обеспечивающую передачу информации на центральную станцию (ЦС). Далее по каналам АТС все данные от стационарных и передвижных КЗС поступают в центр сбора информации на ЦС, где имеется выходное устройство, включающее перфоратор, электрическую пишущую машинку и информационное табло, и предусматривается механизированная обработка информации с помощью ЭВМ (микропроцессора). Таким образом, автоматизированная система позволяет накопить и обработать очень ценный материал о загазованности воздушного бассейна в районах, расположенных вблизи интенсивных источников загрязнения атмосферы.

Рассмотренные примеры некоторых систем являются лишь небольшой частью той огромной работы, которая проводится в нашей стране по практической реализации Закона Украины «Об охране атмосферного воздуха».

Внедрение АСКЗ-А обеспечивает непрерывный, более качественный контроль загрязнения атмосферы и существенно сокращает суммарные расходы на его осуществление по сравнению с обычным «ручным» методом, когда его производит штат наблюдателей и применяет обычные методы сбора и обработки информации. Однако такой автоматизированный контроль требует значительных затрат на приобретение и монтаж дорогостоящего оборудования.

Это положение привело к необходимости изыскания новых, более дешевых методов и средств для оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна и, в частности, использования в этих целях лазеров. Диапазон длин волн, излучаемых лазерами, охватывает видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области электромагнитных колебаний с длинами волн, мкм: 0,49… 0,51; 0,53; 0,63; 0,694; 1,06; 10,6.

Основой лазерной локации как дистанционного метода контроля загрязнения атмосферы является рассеяние электромагнитных волн на компонентах-загрязнителях воздуха. Импульс излучения лазера направляется в воздушное пространство по заранее выбранной трассе и пересекает исследуемую часть атмосферы; рассеянная часть излучения регистрируется чувствительным приемником и по специальному составу принятого излучения и его интенсивности определяется вид загрязнения, оценивается его концентрация, а по запаздыванию сигнала — расстояние — загрязняющего слоя от земной поверхности. Зондирование атмосферы может осуществляться на базе серийного лазерного оборудования. Работы целесообразно выполнять в ночное время, но данные информационного характера могут быть получены и днем. Электропотребление измерительного комплекса составляет несколько киловатт; обслуживается он тремя операторами и может быть выполнен в полевом исполнении. Лазернолокационные измерения атмосферы могут проводиться по высоте от 20…100 м до 40.,.50 км, а радиус лазерной локации составляет несколько километров (по горизонтали 3…10 км из одной точки). Обычно замеряемая концентрация аэрозолей находится в пределах от 0,001 до 10 мг/м³; по степени загрязнения здесь выделяют 6 классов, (мг/м³⁾: меньше 0,15; 0,15…0,5; 0,3…0,45; 0,45…0,75; 0,75…, больше 1.

Место установки лазерного локатора должно быть выбрано с учетом равномерного перекрытия площади всего города, на максимально возможно высоких крышах зданий, обеспеченных выводом электросиловой сети напряжением 380/220 В. Такой дистанционный метод контроля атмосферы с помощью лазерной локации дает возможность осуществить картографирование загрязнений воздушного бассейна города на различных высотах, изучить динамику возникновения и распространения их в отдельных регионах, установить опасные очаги загрязнений и оперативно их ликвидировать. Полученные при этом карты загрязнений и качества атмосферы являются основой для разработки комплекса мероприятий по оздоровлению воздушного бассейна; базой для проектных предложений по организации санитарно-защитных зон промышленных предприятий, выносу наиболее интенсивных источников выбросов за пределы города; рациональному размещению зон отдыха и зеленых насаждений; совершенствованию технологии производства и схемы транспортных магистралей и т. п. Лазерная локация позволяет: систематически контролировать эффективность разработанных на ее основе и осуществленных в городе природоохранных мероприятий по защите атмосферы от загрязнения; повышать уровень охраны окружающей природной среды; существенно снижать затраты времени и средств.

Новые, еще более широкие перспективы для решения указанных выше задач по контролю качества воздушного бассейна города открывает использование в этих целях химических лазеров, позволяющих осуществить полное преобразование химической энергии и энергию лазерного излучения.

3.1 Автоматические приборы непрерывного действия для анализа загрязнений воздуха загрязнение воздух автоматический сигнализатор Постоянно возрастающая угроза для окружающей среды в результате внезапного загрязнения атмосферного воздуха в концентрациях, которые могут причинить значительный вред здоровью людей и ущерб материальным ценностям, обусловила необходимость обеспечения непрерывного контроля за состоянием воздушной среды во многих районах. Соответствующие контрольные посты призваны осуществлять анализ воздуха с быстрой выдачей результатов, чтобы обеспечить возможность принятия соответствующих срочных мер. В настоящее время, вместо того чтобы непрерывно выполнять вручную анализы на этих постах, используют автоматические приборы, постоянно измеряющие концентрации вредных веществ, регистрирующие результаты измерении и включающие тревожную сигнализацию в случае опасного превышения этих концентраций. Многие из таких приборов представляют собой усовершенствованные модели разработанных ранее аппаратов для непосредственного анализа отходящих промышленных газов при повышенных концентрациях вредных веществ.

Аналогичные проблемы быстрого обнаружения вредных веществ возникли в период обеих мировых войн как следствие возможного применения отравляющих газов. Для решения этих задач были разработаны соответствующие методы анализа. Многочисленные фирмы создали и выпустили в продажу пригодные для практического применения приборы, принцип действия которых был основан на использовании самых различных методов.

К показывающим аналитическим приборам постоянно предъявляются все новые требования в отношении, как их избирательности, так и обнаружения новых видов вредных веществ, в результате чего эта область науки и техники находится в стадии активного развития. Как в ФРГ, так и в других странах непрерывно появляются новые типы приборов со специфическими эксплуатационными характеристиками.

Автоматические аналитические приборы отличаются следующими достоинствами:

1) быстрое измерение и регистрация концентрации определяемого вредного вещества, сочетаемые в необходимых случаях с подачей предупредительных сигналов непосредственно на месте измерения или также в удаленных от него пунктах;

2) экономия рабочей силы и объективная оценка результатов измерений, хотя проверка приборов и их постоянное техническое обслуживание и контроль требуют определенных затрат рабочего времени;

3) возможность установки в труднодоступных местах, а также в передвижных лабораториях;

4) отсутствие каких-либо трудностей, связанных с взятием проб и их доставкой с места отбора до лаборатории.

К автоматическим измерительным приборам, применяемым для анализа состава воздуха, должны предъявляться следующие требования:

1) необходимая чувствительность в зависимости от вредности определяемого вещества; прибор должен обнаруживать присутствие вещества в концентрациях, составляющих примерно 10% предельно допустимого значения или предполагаемого порога вредности; желательно, чтобы прибор мог переключаться, по-возможности автоматически, на более высокие концентрации;

2) воспроизводимость и точность показаний прибора, как правило, считаются удовлетворительными, если стандартное отклонение этих характеристик не превышает ±5−10%; фирмы изготовители приборов обычно гарантируют высокую воспроизводимость результатов (в большинстве случаев порядка 1−2% от выбранного интервала измерения), однако в связи с возможностью возникновения систематической погрешности этот показатель не должен соответствовать точности;

3) широкая избирательность и специфичность, иначе говоря, незначительная побочная чувствительность к определенным загрязняющим воздух веществам;

4) определение практически всего количества загрязняющего вещества, содержащегося в пробе; по-возможности, минимальные потери этого вещества в подводящих трубках и при абсорбции;

5) постоянство точки нуля и независимость от колебаний температуры, влажности воздуха и содержания углекислого газа;

6) минимальный объем операций по техническому обслуживанию прибора, связанных с его очисткой (от пузырьков воздуха, грязи, продуктов коррозии, микроскопических водорослей) и заполнением реактивом;

7) простота энергоснабжения, в том числе вне пределов населенных пунктов;

8) возможность настройки на требуемое время срабатывания (непрерывные показания или выдача средних значений за получасовой период).