Агеева Юлия Вячеславовна

Высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных городах приводят к ряду экологических проблем. К числу которых относится рост заболеваемости населения. В настоящее время особое внимание привлекает автотранспорт, количество которого ежегодно растёт. Именно автомобильные выхлопы считаются основной причиной фотохимического смога, который вызывает поражение дыхательных путей и слизистых оболочек глаз, в ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

Установление закономерностей загрязнения атмосферного воздуха промышленных городов формальдегидом и разработка зависимости эмиссии источников для построения математических моделей прогнозирования.

Заключается в построении и использовании математических моделей для оценки и прогнозирования концентраций формальдегида в атмосферном воздухе.

Aтмосферный воздух г.Донецка.

Mатематические модели прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха.

Cтатистический анализ и обобщение данных об изменениях концентраций формальдегида, обобщение данных по источникам выбросов, математическое моделирование.

- построение карты загрязнения атмосферного воздуха города Донецка формальдегидом, для предложения мероприятий по совершенствованию системы мониторинга атмосферного воздуха города и снижению концентрации формальдегида;

- разработка математических моделей для прогнозирования будущих уровней загрязнения атмосферного воздуха формальдегидом.

Охрана окружающего атмосферного воздуха – одно из важных приоритетных направлений защиты окружающей среды, обеспечивающих снижение риска для здоровья населения.

Источники загрязнения атмосферного воздуха многообразны. Все они, как правило, природного или антропогенного происхождения и условно могут быть отнесены к определённым классам.

За счёт природных источников загрязнение атмосферы происходит медленно. При этом следует иметь в виду, что значительная часть частиц снова осаждается на поверхности земли, а газовые компоненты могут за счёт химических реакций переходить в другие виды. Человечество так или иначе за многие столетия приспособилось к условиям жизни, обусловленных локальными и планетарными воздействиями природных источников загрязнения атмосферы, так как влияние собственной деятельности людей на загрязнение было не столь значительно.

Бурный рост объёмов выпуска продукции сопровождается появлением многих новых предприятий, крупномасштабных производств, которые, несмотря на принимаемые меры, являются источниками загрязнения атмосферы в суммарно увеличивающихся количествах. Потенциально загрязнение воздуха является наиболее серьёзной экологической проблемой для здоровья людей в ближайшей и среднесрочной перспективе. От загрязнения воздуха труднее уберечься, чем от загрязнения воды. Он оказывает разрушительные воздействия на здоровье человека, здания и природу.

По данным Министерства охраны окружающей природной среды, из 53 городов, в которых проводятся наблюдения за состоянием атмосферного воздуха на стационарных постах, г. Донецк входит в число самых загрязнённых в Украине. По валовым выбросам вредных веществ Донецк занимает третье место после Кривого Рога и Мариуполя.

В список опасных веществ в течении многих лет входят диоксид азота, формальдегид, пыль и бенз(а)пирен. По этим веществам наблюдаются концентрации выше допустимых норм.

На территории города имеются шесть стационарных постов контроля за качеством атмосферного воздуха Донецкого гидрометеоцентра и 2 поста Донецкой горСЭС. Имеется также стационарный пост наблюдений за метеопараметрами атмосферы Донецкого гидрометеоцентра. Для города приоритетными веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются: пыль, диоксид азота, диоксид серы, оксид углерода, формальдегид, фенол, аммиак, тяжёлые металлы, бенз(а)пирен.

- комплексная лаборатория наблюдений за загрязнением природной среды Донецкого областного центра по гидрометеорологии;

- лаборатория санитарно-гигиенических исследований городской санитарно-эпидемиологической станции.

Одним с специфических веществ, которые попадают в атмосферный воздух города Донецка и оказывающим отрицательное влияние на здоровье человека является формальдегид.

В сравнении с такими загрязнителями как диоксид серы и диоксид азота валовые выбросы формальдегида незначительны, но при этом его концентрация по городу Донецку превышает ПДК, по данным лаборатории Госкомгидромета, в несколько раз и в последние годы имеет тенденцию к росту (рис. 2).

Рисунок 2– Среднегодовые концентрации формальдегида

Действие формальдегида характеризуется раздражающим эффектом относительно нервной системы. Он поражает внутренние органы и анактивирует ферменты, нарушает обменные процессы в клетке путем подавления цитоплазматического и ядерного синтеза.

Биологическое действие фотооксидантов (смесь озона, диоксида азота и формальдегида) на клеточному подобно действию радиации, вызывают цепную реакцию клеточных повреждений.

Кроме того, формальдегид официально назван канцерогеном. Международное агентство по исследованию рака, которое является частью Всемирной Организации Здравоохранения, признало, что накоплен достаточно данных, чтобы утверждать, что это вещество может вызвать онкологические заболевания.

На рисунке 3 показаны основные пути поступления формальдегида в атмосферный воздух.

Рисунок 3– Источники поступления формальдегида в атмосферный воздух (картинка анимирована)

Анализируя промышленные предприятия города Донецка и пользуясь документацией, можно выделить следующие предприятия в выбросах которых присутствует формальдегид (табл. 1).

На основе динамики выбросов формальдегида (V_cтац.) и среднегодовых концентраций формальдегида ( С_СН2О) в период за 2000 - 2005 года был проведенный регрессионный анализ, в результате которого было полученное следующее уравнение:

с коэффициентом корреляции 0,34453. Отсюда можно сделать выводы, которые между валовыми выбросами формальдегида есть незначительная корреляционная связь, ведь можно предположить, что незначительный вклад у формирование концентраций формальдегида вносят стационарные источники.

С помощью программы ЕОЛ+ проведен расчет рассеяния от этих источников выбросов и выявленны зоны влияния предприятий. Согласно сделанным картам-схемам рассеяние формальдегида от рассмотренных предприятий можно сделать вывод об отсутствии нарушения нормативов качества атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной зоны.

Анализируя полученные данные и проинтерполировав их с помощью MS Excel делаем выводы о зоне влияния предприятий, которое характеризуется величиной 0,05 ПДК, получаем следующие данные:

Для того чтобы количественно определить вклад этих источников был проведен сводний расчет от всех источников, в качестве отдельных точек в программе были заданные координаты стационарных постов города на которые измеряется концентрация формальдегида. В таблицу 2 занесенные результаты расчетов в сравнении с реальными концентрациями на постах.

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автомобильного транспорта существенным образом заострились проблемы влияния его на окружающаю среду. Большую долю в загрязнении атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах.

Несомненно, наибольшей остроты эти проблемы достигли в загрязнении атмосферного воздуха выхлопами автомобилей.

Если в начале 70-х лет частица загрязнений, внесенных автомобильным транспортом в атмосферный воздух, составлял 10-13% , то в данное время эта величина достигла 50-60% и продолжает расти.

Главной причиной неблагоприятного влияния автотранспорта на окружающая природную среду остается низкий технический уровень эксплуатируемых автомобилей и отсутствие системы нейтрализации отработанных газов.

Газы двигателей, которые отходят, внутреннего сгорания содержат сложную смесь, которая начисляет более 200 соединений. В основному это газообразные вещества и небольшое количество твердых частиц, которые находятся в взвешенном состоянии. Газовая смесь состоит из инертных газов, которые проходят через камеру сгорания без перемен, продуктов сгорания и несгоревшего окислителя. Твердые частицы - это продукты дегидрирования топлива, металлы, а также вещества, что содержаться в топливе и не могут сгореть. По химическим свойствам, характеру влияния на организм человека вещества, которые составляют газы, которые отходят, разделяют на нетоксичные (N₂, O₂, CO₂, H₂O, H₂) и токсичные (СО, С_mH_n, H₂S, альдегиды и др.). Основными представителями альдегидов, которые поступают в атмосферный воздух с выбросами автомобилей, является формальдегид и акролеин. Уровень загрязнения воздух формальдегидом близ автотрасс довольно высокий.

Количество органических соединений, которые выделяются с газами, которые отработали, зависит от многих факторов. Среди них главными есть тип двигателя и его техническое состояние, режим работы и состав топлива. Степень выгорания углеводородов определяется значительной мерой соотношениям топлива и воздух в горючей смеси. Бензиновые двигатели с искровым зажиганием работают при соотношении топливо - воздух близкому к стехиометрическому, тогда как двигатели компрессионного типа работают при избытке воздуха. Условия сгорания топлива в них отличаются, что приводит к расхождениям в составе компонентов газов, которые отработали. Бензиновые двигатели выбрасывают больше несгоревших углеводородов и продуктов их неполного окисления (углерода и альдегидов), чем дизеля.

Для оценки вклада автотранспорта в загрязнение атмосферного воздуха формальдегидом был проведён анализ транспортных потоков на пересечении улицы Челюскинцев и проспекта Богдана Хмельницкого. С учётом количества единиц автотранспорта ранжированных по видам двигателей внутреннего сгорания был проведён расчёт мощности выбросов формальдегида. По программе ЭОЛ+ произведён расчёт рассеивания выбросов формальдегида, который показал, что наибольшая концентрация составила 0,057 ПДК, т.е. вклад автотранспорта в формирование концентрации формальдегида составляет 5 %.

Первый от поверхности Земли слой - атмосферы является неравновесной химически активной системой. В ней непрерывно идут процессы, которые вызовают изменение концентрации примесей в атмосферном воздухе.

Основной задачей атмосферной химии является описание глобальных балансов присутствующих в атмосфере химических соединений. Особенности баланса данного компонента сказываются на его пространственном распределении, определяют значимость его взноса в радиационный режим и тем самым в динамику атмосферы, влияют на санитарно-гигиенические характеристики воздуха и т.д.

Углеводороды, которые выделяются поверхностными и источниками, попадая в атмосферу, включаются в реакции, конечным относительно стабильным продуктом которых является оксид углерода. Простейшей из углеводородов - метан отличается маленькой реакционной способностью и, имеет большое среднее время пребывания в атмосфере. Поэтому для него ощутимым стоком из тропосферы служит диффузия в стратосферу. Химические преобразования, которые происходят с метаном в тропосфере и стратосфере, вообще подобные, но начальные стадии фотохимического окисления на разных высотах отличаются. В верхней стратосфере происходит фотолиз под действием ультрафиолетового света с длиной волны менее 160 нм. В средних пластах стратосферы окисления начинается, вероятно, при взаимодействии с метастабильным синглетным кислородом. В нижней стратосфере и в тропосфере, куда не проникает коротковолновая радиация Солнца и где маленькая концентрация атомов кислорода, основным процессом есть атака гидроксильным радикалом:

Предложение о ведущей роли этих частиц в инициировании реакции окисления углеводородов было сделано в роботах, авторы которых позднее предложили механизм деструкции метана в атмосфере.

Радикал, который образовался на первой стадии метильний, при столкновенье с молекулой кислорода дает другую неустойчивую частицу - метилпероксидний радикал:

Иногда в число возможных промежуточных стадий вводят также реакции метоксильного и метилпероксиднго радикалов с NO и NO₂ :

Особый тип загрязнения городской атмосферы, впервые отмеченный в 1944г. в г.Лос-Анджелесе, получил название "фотохимического смога". В отличия от общеизвестного "лондонского смога" - густого тумана с примесью частиц сажи и оксидов серы, - фотохимический смог возникает под действием солнечного света, чаще всего в условиях стойкой стратификации атмосферы, при низкой влажности воздуха. Признаком возникновения смога служит появление голубоватой дымки и вследствие этого ухудшения видимости. Наблюдается сильное раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. Сохранение смоговой ситуации в течении продолжительного времени приводит к повышению заболеваемости и смертности среди населения. В особенности сильно смог влияет на детей и лица пожилого возраста. Он делает вредное влияние и на растительность, вызывая увядание и гибель листвы. К более отдаленным следствиям относятся коррозия металлов, разрушения резины и сооружений.

Основными химическими соединениями, ответственными за свойства смога, служат озон и пероксилацетилнитрат. Именно эти соединения прибавляют фотохимическому смогу окислительный характер.

Таким образом делаем вывод, что формальдегид, в основном является вторичной примесью, образованной в процессе реакции углеводородов в атмосфере. В ряде случаев его образованию способствует наличие в атмосфере высоких концентраций оксида азота, а также высокой интенсивности солнечной радиации при которой усиливаются реакции образования формальдегида из неметановых углеводородов. Поэтому высокие концентрации формальдегида не обязательно связаны с выбросами этого вещества, но могут создаваться вследствие общего очень высокого загрязнения атмосферного воздуха города.

Выраженный сезонный цикл графиков годового хода концентраций формальдегида приводит к мнению о сезонных факторах, которые обуславливают колебание концентраций. Можно сделать вывод, что в значительной мере на образование формальдегида влияет температура воздуха, осадки же наоборот вымывают его из атмосферного воздуха, причем твердые осадки наибольшей степени оказывают содействие его вымыванию, чем жидкие, так как имеют большую сорбирующую поверхность.

Согласно сделанным выводам возможно проведёние регрессионного анализа зависимости концентрации формальдегида от метеопараметров. Сущностью регрессионного анализа является установления функциональной зависимости концентраций формальдегида от разных метеорологических параметров.

Используя данные стационарных постов по методу множественной регрессии будут определенны функциональные зависимости и сделан прогноз концентраций формальдегида по городу Донецку с использованием пакета программ статистической обработки STATISTICA. В качестве предикторов будут приняты такие параметры - абсолютная влажность, температура воздуха, скорость ветра, количество осадков, высота слоя перемешивания и комплексный показатель МУЗ.

Кроме регрессионного анализа возможно прогнозирование будующих концентраций формальдегида по теории временных рядов. Постороение зависимости концентраций формальдегида от времени даёт возможность прогноза будующих концентраций без предварительного измерения метеопараметров.