Тищенко Анна Игоревна

Актуальность темы

Актуальность работы заключается в том, что полученные в работе данные будут использованы при разработке предложений относительно изменений в существующей системе мониторинга.

Цель работы

Целью работы является оценка уровней загрязнения атмосферного воздуха фенолом на данный момент и на будущие периоды, а также сбор, анализ и исследования уровней атмосферного воздуха города Донецка для разработки методов расчетного мониторинга относительно данного вещества.

Объект работы

Объектом данной работы является система мониторинга атмосферного воздуха города Донецка.

Новизна работы:

C момента создания системы мониторинга в городе Донецке в 60х гг. анализ данных по выбросам фенола в целом не производился, отображалась только общая картина загрязнения по контролируемым приоритетным веществам.

- 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.

Одной из важнейших экологических проблем Донецка и Донецкой области является загрязнение атмосферного воздуха. Ситуация с таким интенсивным загрязнением воздушного бассейна складывалась в процессе становления и развития промышленного региона на протяжении десятилетий. При постройке и эксплуатации промышленных объектов области экологическому аспекту уделялось очень мало внимания, хотя концентрация промышленных предприятий-гигантов наиболее экологически опасных отраслей промышленности (металлургия, энергетика, горнодобывающая) в Донецкой области является самой высокой на территории Украины.

В соответствии с ГОСТ 17.2.3.01-81 «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов» в городах с населением свыше 1 млн. жителей, каким является Донецк, должно функционировать 10-20 постов (стационарных и маршрутных). Опорные стационарные посты Госкомгидромета и санитарно-эпидемиологической службы города предназначены для выявления долговременных изменений содержания основных и наиболее распространенных загрязняющих веществ. Таких постов в Донецке 9: шесть постов Госкомгидромета и 3 поста СЭС.

Раньше при организации сети общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением природной среды первоначально ставилась задача измерения концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу почти всеми источниками загрязнения (пыль, сернистый газ, окиси углерода, двуокись азота). Далее дополнительно стали измерять содержание в атмосфере наиболее характерных для выбросов предприятий города специфических вредных веществ, например, сероводорода в городах с предприятиями целлюлозно-бумажной промышленности, фенола и металлов в городах с предприятиями металлургии. Выбор веществ, содержание которых необходимо определять, осуществляется в зависимости от вида и технологии производства или из общих представлений о возможном составе выбросов.

Для города Донецка приоритетными веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются: пыль, диоксид азота, диоксид серы, оксид углерода, формальдегид, фенол, аммиак, тяжелые металлы, бенз(а)пирен. Система контроля за этими веществами разрабатывалась в 60-е годы и с тех пор не пересматривалась. В моей работе и в работе магистров прошлых лет (в перечне ссылок приводятся ссылки на их авторефераты) разрабатываются мероприятия и предложения по усовершенствованию системы мониторинга с учетом существующих на данный момент факторов, которые влияют на рассеяния выбросов предприятий, а также с учетом меняющейся инфраструктуры города. Эти разработки в будущем будут внедряться в новую систему контроля за качеством атмосферного воздуха города Донецка.

Специфическим загрязнителем воздушного бассейна городов Донецкой области является фенол (2-й класс опасности). Несмотря на то, что его удельный вес в общей структуре валового выброса не превышает 3,5%, гигиеническое значение этого вещества очень велико. Фенольные вещества, содержащиеся в атмосферном воздухе, обладают большим динамизмом. Для распределения в атмосфере характерно, прежде всего, присутствие летучих фенолов.

Из всего комплекса экологических факторов наиболее выраженное влияние на здоровье населения урбанизированных территорий оказывает качество атмосферного воздуха. Фенол является токсичным веществом, которое при определенном превышении ПДК приводят к гибели живых существ или угнетает их жизнедеятельность. Отравление человека фенолом происходит при вдыхании его паров и аэрозоля, образующегося при конденсации паров, попадании вещества в желудочно-кишечный тракт и при всасывании через кожу. В случае поступления яда внутрь возникают тошнота, рвота, боли в полости рта, головные боли, боли в глотке, животе, понос, профузный пот, сильная одышка, жажда, цианоз. Первоначальное возбуждение вскоре сменяются угнетением. Наблюдаются падение артериального давления, развитие комы, судороги, отек легких. Показатели динамики среднегодовых концентраций фенола за период с 1965 по 2005 гг. представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 -- Хронодинамика содержания фенола в атмосферном воздухе

Загрязнение окружающей среды фенолом связано с интенсивным ростом в последние полвека производств, где фенол и его аналоги включаются в технологический процесс.

Отличительной особенностью является сравнительно узкий спектр источников поступления фенола в окружающую среду, что в конечном итоге определяет локальность загрязнения воздушного бассейна этим веществом.

Существуют естественные и антропогенные источники поступления фенола в окружающую среду. К естественным источникам относится поступление фенола с частицами пыли, в особенности торфяной и грунтовой. Воздушные миграционные потоки включают фенолы, которые поступают с испарениями из водных поверхностей. Фенолы выделяются в атмосферу древесными, травянистыми и низшими растениями. Значительное загрязнение атмосферы фенолами происходит также при лесных пожарах.

Анализ деятельности предприятий города Донецка, показал, что в год от стационарных источников выбросов фенола в атмосферный воздух поступает примерно 190,48 т/год. Рассматривая документацию промышленных предприятий города Донецка, можно выделить основные предприятия антропогенные источники выбросов фенола – коксохимические заводы, а также машиностроительное производство и те отрасли промышленности, где фенол получил широкое применение. Установлено что конденсаты дымовых газов содержат большое число производных фенолов. В городе и области наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят такие предприятия как ОАО „Донецккокс”, ОАО „Макеевский КХЗ”, ОАО „Ясиновский КХЗ”, ОАО „Авдеевский КХЗ”, ОАО „Электромагнит”, ОАО „ДМЗ”. Данные по мощности выбросов приведены в таблице.

В таблицу включены выбросы от тех предприятий, которые долгое время работают на территории области и вносят значительный вклад в общую структуру валового выброса фенола, однако в последнее время растет количество частных литейных заводов и цехов, а также тех производств, где фенол и его аналоги включены в технологический процесс. Эти факторы приводят к увеличению валового выброса фенола. В приведенной таблице они обозначены как другие источники выбросов.

На основе собранных и проанализированных данных по валовым выбросам фенола от коксохимических предприятий было выявлено, что наиболее мощным загрязнителем атмосферного воздуха фенолом в Донецкой области является ОАО «Авдеевский КХЗ» и установлено, что зона влияния этого предприятия частично перекрывает г. Донецк. Предприятия-загрязнители атмосферного воздуха фенолом расположенные в г. Донецке имеют меньшие зоны влияния, чем Авдеевский коксохимический завод, поэтому можно сделать вывод, о том, что они создают локальные места загрязнения атмосферного воздуха фенолом.

Анализ карт-схем полей рассеяния фенола показал наличие нарушения нормативов качества атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной зоны от источников выбросов Донецкого участка ОАО „Донецьккокс” и ОАО Авдеевский КХЗ. В дальнейшем планируется произвести расчет рассеяния с помощью программы ЕОЛ+ от этих источников выбросов и выявить зоны влияния для этих предприятий, с помощью полученных данных построить карты загрязнения атмосферного воздуха города Донецка фенолом.

Визуально зависимость увеличения концентрации фенола от произведенной продукции в области можно проследить на диаграмме (значение приведены в % к 1990)

Рисунок 2 -- Характеристики увеличения производства

Известно, что уровень загрязнения атмосферного воздуха характеризуется комплексным индексом загрязнения (КИЗА) по 5 приоритетным веществам, среди которых есть фенол, в 2007г. этот показатель составил 16,97 единиц, и по сравнению с 2006 годом увеличился на 5,51 единиц. Мною были проанализированы среднегодовые концентрации фенола и была прослежена тенденция увеличения концентрации этого вещества в воздушном бассейне города.

Анализ динамики содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе за последние 6 лет показывает, что в г. Донецке наблюдается тенденция роста уровня загрязнения атмосферы. В этот период по уровням загрязнения атмосферы наиболее неблагоприятным годом был 2003 г., в свою очередь наиболее благоприятным годом был 2002 г. Увеличение уровня загрязнения в 2003 г. было связано с ростом промышленного производства в этом году. Годовой ход концентрации фенола в атмосферном воздухе за 2001-2006 года приводится ниже.

Рисунок 3 -- Годовой ход концентраций фенола

( Анимированый рисунок содержит 7 кадров; задержка 100; количество циклов 10; размер 28 Кб)

Содержание фенола на протяжении 2000-2006 гг. не превышала ПДК, однако в 2007 г. отмечен рост концентрации этого вещества до 1.7 ПДК, что связано с увеличением числа мелких предприятий чёрной и цветной металлургии и химической промышленности, а также увеличения объема производства действующих больших предприятий.

Исследуя графики годового хода концентраций фенола можно сделать вывод о существовании некоторых сезонных факторах, которые обуславливают колебание концентраций. Было установлено, что в значительной мере на разность концентраций фенола 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. По данным наблюдений было отмечено, что увеличение слабых ветров в годовом ходе сопровождается повышением средних месячных значений концентраций фенола.

Современная система мониторинга подразумевает обязательное прогнозирование концентраций загрязняющих веществ в воздухе на будующий период.

Анализ среднемесячных концентраций показал, что наибольшее загрязнение атмосферного воздуха фенолом наблюдалось в летние месяцы, что в значительной мере связано с температурой воздуха, преобладанием штилей или слабых ветров, дней с малым количеством осадков.

Исходя из данных по метеорологическим параметрам за последние 7 лет, можно сделать вывод, что климато-погодные условия в городе претерпевают значительных изменений, это не могло не повлиять на концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Используя эти данные по методу множественной регрессии были определенны функциональные зависимости и сделан прогноз концентраций фенола для города Донецка с использованием пакета программ статистической обработки STATISTICA. Была разработана математическая модель зависимости концентраций фенола от метеорологических параметров (предикторов), таких как: время отбора пробы (srok), которое косвенно характеризует влияние солнечной радиации; температура воздуха (Т); разность температур (dT); инерционный фактор (If); направление ветра (napr); скорости ветра (V); абсолютная влажность (А). Уравнение имеет вид:

Для разработки уравнения регрессии для прогнозирования более высоких концентраций необходимо увеличить число предикторов, в частности обязательно учесть высоту слоя перемешивания, среднюю скорость ветра в слое перемешивания. Введение этих предикторов позволит увеличить достоверность прогноза. Достоверность прогноза можно повысить, взяв вместо фактических значений нормированные. Следует также отметить, что метеопараметры замеряются лишь на одном посту, который находится на значительном расстоянии за чертой города, а как известно температура воздуха в городе на 2-3 С выше, чем за его пределами, а скорость ветра уменьшается на 1-2 м/с, что связано с изменениями рельефа и архитектурными особенностями города. С учетом этих особенностей была проведена проверка насколько изменяется прогнозируемая концентрация фенола с учетом микроклиматических условий города. Было установлено, что для получения более адекватных прогнозируемых данных необходимо оснастить стационарные посты устройствами для определения метеопараметров на каждом из постов, находящимися в черте города.