СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО ВЕЩЕСТВЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СОВОКУПНОСТИ СРЕД В РАЗЛИЧНЫХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/00 

Предлагаемое изобретение относится к способам оценки загрязнения окружающей среды различными веществами путем определения их химических или физических свойств и может быть классифицировано как способ суммарной оценки загрязнения совокупности сред, находящихся в различных агрегатных состояниях (атмосфера, водный бассейн, почва), т.е. представленных неоднородными территориями. Источники загрязнения включают природные, а также антропогенные, организованные и неорганизованные, поступления веществ в окружающую среду (ОС).

Заявляемое решение может быть использовано для выявления существенных источников и отдельных веществ, загрязняющих ОС, при экологическом аудите технологических процессов и в других случаях, предполагающих знание величин вещественного загрязнения. При этом возможно его применение как к единичному источнику, так и к группе источников загрязнения совокупности сред.

Известен способ определения вещественных загрязнителей сред, находящихся в различных агрегатных состояниях, основанный на использовании балльных оценок (Шеховцев А.А. Промышленные предприятия России, оказывающие наибольшее негативное воздействие на состояние природной среды / А.А.Шеховцев, С.Г.Чижов, В.И.Звонов и др. // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 1994. - №8. - С.1-23). Способ включает составление раздельных списков предприятий-загрязнителей воздушного и водного бассейнов, расположение предприятий в списках в порядке убывания объемов их выбросов и сбросов, затем выделение в списках основных предприятий (их доля превышает 50% от общих выбросов и сбросов), формирование общего приоритетного списка, включающего предприятия, входящие в число основных источников загрязнения и водного, и воздушного бассейнов, и присвоение им ранга. Последний представляет собой сумму мест, занимаемых загрязняющим субъектом в раздельных списках. Ранг, характеризующий большую степень загрязнения окружающей среды, присваивают предприятию с меньшей суммой мест в раздельных списках.

Способ имеет следующие недостатки:

в общем вещественном загрязнении совокупности сред, в данном случае водного и воздушного бассейнов, предприятия учитываются только частично, лишь те, что загрязняют существенно каждую из сред;

мощность загрязняющего источника определяется по сумме его мест в раздельных списках. Однако слагаемые этой суммы - неоднородные величины и их нельзя суммировать. Очевидно, что степень загрязненности 1 м³ воздуха и 1 м³ стоков, как и вклад в нее воздушного и водного бассейнов, в общем случае непропорциональны занимаемым в списке местам;

способ не учитывает концентраций загрязнителей, которые, наряду с их количеством, весьма заметно влияют на масштабы загрязнения среды.

Известен способ определения общего вещественного загрязнения сред, находящихся в различных агрегатных состояниях (Ибрагимов М.Х.-Г., Куценко В.В., Рачков В.И. Научные основы методологии количественного анализа экологической опасности при техногенном воздействии на окружающую среду // Экологическая экспертиза. - 1999. - №5. - С.2-33), прототип, основанный на расчете загрязнения для каждой из сред в относительных показателях вида:

где - C_i - фактическая концентрация в данной среде (атмосфера, водный бассейн, почва) i-го компонента;

- ПДК_i - предельно допустимая концентрация i-го вещества в среде;

- n - число веществ в источнике загрязнения.

Вычисленным значениям каждой из сред экспертно назначают "весовые" коэффициенты, величины которых можно субъективно выбирать от нуля до единицы, получая соответственно и субъективный вклад в общее загрязнение. Полученные с учетом "весовых" коэффициентов слагаемые затем суммируют.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- к загрязнителям относят все вещества, присутствующие в источнике загрязнения, даже при их концентрациях, равных или меньших ПДК. Однако концентрации веществ, меньшие их ПДК, загрязнителями не являются;

- не учитываются количества загрязнителей, поступающих в среду;

- назначение "весовых" коэффициентов не основано на инструментальных замерах, то есть их субъективные значения не воспроизводимы, следовательно, столь же произвольными являются и величины общего вещественного загрязнения совокупности сред.

Цель изобретения - заменить субъективные оценки общего вещественного загрязнения совокупности сред на расчетные методы с использованием только данных инструментальных замеров, при учете основных факторов, влияющих на загрязнение. К основным факторам относятся агрегатное состояние загрязняемой среды, мощность и количество источников загрязнения, ПДК и фактические концентрации веществ в источниках загрязнения.

Указанная цель достигается определенной последовательностью операций, составляющей сущность изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что составляют предварительно список веществ, присутствующих в источниках загрязнения, определяют их фактические концентрации, сопоставляют их с предельно допустимыми концентрациями или их аналогами, при этом определяют концентрации применительно к источникам антропогенного и естественного загрязнения, относят к загрязнениям вещества, фактические концентрации которых в источниках превышают предельно допустимые, рассчитывают вещественное загрязнение от единичного источника как его токсическую опасность (ТО) для загрязняемой среды, выражаемую безразмерным числом и вычисляемую по формуле:

где - C_i - фактические концентрации загрязнителей в их источнике;

- ПДК_i - предельно допустимые концентрации загрязнителей в окружающей среде;

- ϑ - количество единиц объема газовой или жидкой фаз в источнике загрязнений, поступающих в воздушную или водную среду, или количество единиц массы загрязнений, поступающих в почву,

затем определяют общее вещественное загрязнение суммированием токсической опасности единичных источников загрязнения для каждого агрегатного состояния окружающей среды и для совокупности сред, причем определяют вещественное загрязнение, опасное для человека и опасное для окружающей среды, при определении вещественного загрязнения, опасного для человека, используют гигиенические экологические нормативы, характеризующие уровень ПДК веществ на селитебной территории, в качестве которых используют ПДК_с.с, ПДК_в, ПДК_п, а при определении вещественного загрязнения, опасного для окружающей среды, используют биологические экологические нормативы для нее, в качестве которых принимают ПДК_с.с, ПДК_р.х, ПДК_п.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Первоначально выявляют источники загрязнения совокупности сред. К ним относят в частности природные, а также организованные и неорганизованные выбросы антропогенного происхождения в атмосферу и сбросы сточных или загрязненных вод в водоемы, поллютанты в почве и др. Совокупность сред состоит из ряда территорий, находящихся в различных агрегатных состояниях. Далее предварительно составляют список веществ, которые могут быть обнаружены в источниках загрязнения. Затем методами аналитической химии, технического анализа или другим образом определяют наличие и фактические концентрации веществ из списка в каждой из сред, сопоставляют их с предельно допустимыми концентрациями или, при отсутствии ПДК, с их аналогами (временно допустимыми концентрациями и др.) и выявляют вещества-загрязнители. К ним относят только вещества, фактические концентрации которых в источнике загрязнения превышают предельно допустимые. После выявления загрязнителей рассчитывают их токсические опасности ТО в источнике, суммируя которые, получают токсическую опасность единичного источника загрязнения.

Под токсической опасностью источника понимается безразмерная (критериальная) величина, определяемая по представленной формуле, при этом в расчетах объем газовой и жидкой фаз или масса загрязнения, поступающего в почву, имеют размерности, совпадающие с размерностью знаменателя ПДК для них. Соответственно объем газовой фазы измеряется в кубометрах, жидкой - в литрах, масса почвы - в килограммах.

Безразмерность токсической опасности ТО может восприниматься как неочевидная, поэтому требует пояснения. По определению, концентрацией называют количество вещества в единице его массы или объема. Деление одной концентрации (C_i) на другую (ПДК_i) дает безразмерную величину, поэтому выражение в круглых скобках формулы для токсической опасности также есть величина безразмерная. Поскольку последняя умножается на безразмерное количество единиц объема или массы источника загрязнения, то безразмерным (неименованным, критериальным) числом становится, таким образом, и величина токсической опасности.

По своему смыслу формула для расчета токсической опасности отражает количество единиц ПДК сверх допустимого в количестве единиц ϑ объема или массы источника загрязнения. В круглых скобках формулы, как уже отмечено, дробь представляет безразмерное число. Оно выражает концентрацию i-го компонента в единицах ПДК. Вычитание из дроби единицы означает, что концентрация компонента, равная одной ПДК, нормативна и он не является загрязнителем. При C_i≤ПДК_i все выражение для расчета токсической опасности по i-му компоненту превращается в нуль или становится отрицательным. Это, в соответствии с заявляемым изобретением, свидетельствует об отсутствии токсической опасности от данного компонента. Очевидно, что отрицательные значения TO_i в расчете не должны учитываться.

После расчета токсической опасности источников загрязнения определяют вещественное загрязнение раздельно для каждой из находящихся в различных агрегатных состояниях сред, суммируя токсическую опасность имеющихся в них источников загрязнения. Токсическую опасность отдельных сред затем также суммируют, получая величину вещественного загрязнения их совокупности.

Таким образом, достижение технического результата и реализация заявленного способа основаны на использовании в качестве универсальной меры оценки загрязнения окружающей среды единицы ПДК, причем независимо от различий в абсолютных значениях ПДК и в их размерностях для разных веществ. Автор полагает, что концентрации в одну ПДК разных веществ по своему воздействию равны. Следовательно, например, ПДК_с.с в воздухе населенных мест для сернистого ангидрида (0,05 мг/м³) по своему действию эквивалентна ПДК_в нефтепродуктов в водных объектах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (0,01 мг/л), или ПДК_п мышьяка в почве (2 мг/кг). В общем случае отношение ПДК_с.с/ПДК_в, ПДК_с.с/ПДК_р.х, ПДК_п/ПДК_в, ПДК_с.с/ПДК_п, ПДК_р.х/ПДК_в для веществ репрезентативной выборки не отличимы от единицы.

Кроме изложенной совокупности существенных признаков, обеспечивающей получение технического результата во всех случаях, заявляемое решение содержит ряд особенностей, характеризующих предлагаемый способ в частных случаях его выполнения:

раздельно определяют вещественное загрязнение совокупности сред, опасное для человека и опасное для окружающей среды;

при определении вещественного загрязнения, опасного для человека, используют гигиенические экологические нормативы, характеризующие уровень ПДК веществ на селитебной территории, в качестве которых используют ПДК_с.с, ПДК_в, ПДК_п;

при определении вещественного загрязнения, опасного для ОС, используют биологические экологические нормативы для нее, в качестве которых принимают ПДК_с.с, ПДК_р.х, ПДК_п.

Необходимость раздельного определения вещественного загрязнения совокупности сред, опасных для человека и опасных для окружающей среды, обусловлена тем, что, например, применительно к водному бассейну, экологические гигиенические нормативы (ПДК_в) и экологические рыбохозяйственные критерии (ПДК_р,х) - это две самостоятельные, биологически несходные системы. Человек слишком удален на биологической лестнице от форм водной биоты (дафнии, молодь или икра рыб, одноклеточные водоросли и др.), используемых при разработке ПДК_р.х. Последние обычно более жестки, коэффициенты их корреляции с гигиеническими критериями составляют менее 0,38. При этом ПДК_в, как правило, превышают ПДК_р.х. Как следствие, для расчета уровня загрязняющего воздействия на человека целесообразно использовать гигиенические экологические нормативы (ПДК_с.с, ПДК_в, ПДК_п), определяющие качество постоянной среды человеческого обитания и потребления. Для расчета нагрузки, загрязняющей окружающую среду в отсутствие человеческого фактора, целесообразнее применять ПДК_р.х взамен ПДК_в.

Рассмотрим пример реализации заявленного способа.

Имеется пять источников загрязнения окружающей среды, включающей сопряженные территории, находящиеся в различных агрегатных состояниях (источники с индексом А - антропогенного происхождения, с индексом Е - природного):

- источник 1А. Очищенные отходящие газы агломерационной фабрики производительностью 1 млн тонн в год агломерата на предприятии черной металлургии, выбрасываемые в атмосферу. Объем выбросов 2500 м³/т агломерата, количество ϑ единиц объема газов, измеряемого в кубических метрах, составляет 2,5·10⁹ в год;

- источник 2А. Сточные воды очистных сооружений промливневых стоков крупного машиностроительного завода, поступающие в водный бассейн. Объем сбросов 1 млн м³ в год, количество единиц ϑ объема стоков, выражаемого в литрах при расчете ТО, равно 1·10⁹ в год;

- источник 3А. Сточные воды очистных сооружений отработанных травильных растворов гальванического производства завода по производству труб, поступающие в водный бассейн. Объем сбросов, как и в источнике 2А, равен 1 млн м³ в год, ϑ за этот же период составляет 1·10⁹ единиц;

- источник 4А. Полигон твердых промышленных отходов - 1 млн т шлаков переработки вторичного сырья цветной металлургии, загрязняющих почву. Количество единиц ϑ массы захороненных в почву отходов, при расчете ТО выражаемой в килограммах, равно 1·10⁹ в год;

- источник 5Е. Естественный (природный) источник загрязнения, представленный водами карстовой пещеры, поступающими в водоем. Количество ϑ единиц объема вод 1·10⁹ в год.

Из примера следует, что анализируемые источники загрязнения сопоставимы по количеству единиц объема выбросов, сбросов и массы захоронений.

Данные таблицы 1 показывают, что, в соответствии с формулой представленного изобретения, составлен список веществ, присутствующих в источнике, определены их фактические концентрации, сопоставленные с ПДК, выявлены загрязнители. Незагрязняющими оказались: одно вещество источника 1А (хдороводород), два - источника 2А (взвешенные вещества, нефтепродукты), два вещества источника 3А (медь, нитраты), неопасные в фактических концентрациях для человека. Для каждого загрязнителя вычислены их токсические опасности. Технику вычисления покажем на примере расчета ТО для пыли железосодержащей источника 1А:

где 20 - C_i пыли, мг/м³; 0,06 - ПДК пыли, мг/м³; 2,5-10⁹ - ϑ, или количество единиц объема отходящих газов, измеряемого в м³; Гед - гигаединица (10⁹). Округление ТО здесь и далее выполнено до одной единицы.

В соответствии с таблицей 1, рассчитанные токсические опасности загрязнителей далее просуммированы по всем источникам антропогенного и естественного загрязнения в пределах каждой из сред (атмосфера, водный бассейн, почва). Величины загрязнения каждой из сред также суммированы с получением общего антропогенного и общего естественного загрязнения совокупности сред. При этом в расчетах использованы данные только инструментальных измерений. Вычисления токсической опасности выполнены соответственно для селитебной территорий (человека) и окружающей среды (отсутствие человеческого фактора).

Таким образом, пример выполнения предлагаемого способа охватывает все признаки основного и дополнительных пунктов его формулы. В частности он показал возможность: однозначного выявления загрязняющих веществ, их токсической опасности, масштаба загрязнения ими каждой или совокупности сред, определения доли атмосферы, водного бассейна, почвы в общем загрязнении окружающей среды; численного решения принципиально важной задачи - оценки вклада в загрязнение планеты антропогенных и естественных его источников.

Что касается диапазона применения заявленного изобретения, то он практически не ограничен: от расчета загрязнения одной из сред единичным источником до оценки общего загрязнения совокупности сред неопределенно большим количеством его источников.

Таблица 1Загрязняемая среда№№источника загрязненияВещество источника загрязненияТО, ГедНазваниеа.сост.ПДК*_iC_iдля человекаОСАтмосфера1Апыль железосодержащаяТ0,0620831831  углекислый газ СОГ3875727727  сернистый ангидрид SO₂Г0,0454220220  диоксид азота NO₂Г0,048498498  ХлороводородГ0,10,08нетнет  общее загрязнение источником   22762276Водный бассейн2Ахром (VI)Ж0,05/0,020,1114  взвешенные веществаТ5/200,94нетнет  нефтепродуктыЖ, Т0,1/9,050,008нетнет  общее загрязнение источником14 3Асульфаты MeSO₄Ж500/1001350212  марганецЖ0,1/0,010,48447  медьЖ1/0,0010,045нет44  никельЖ0,1/0,010,14113  нитратыЖ45/9,126нет2  магнийЖ40/404311  железоЖ0,3/0,10,615  кальцийЖ180/18050022  общее загрязнение источником11126 общее загрязнение водного бассейна12130Почва4Ахлористый калий KClТ560250000445445  хлористый натрий NaClТ560250000445445  медьТ33000999999  силикатная частьТ3000450000149149  общее загрязнение источником20382038Общее загрязнение антропогенными источниками43264444Водный бассейн5Евзвешенные механические примесиТ5/2053851076268  сульфаты MeSO₄Т, Ж500/100100019  общее загрязнение источником1077277Общее антропогенное и естественное загрязнение совокупности сред54034727Примечание: в числителе ПДК_в, в знаменателе ПДК_р.х

Изобретение относится к способам оценки загрязнения окружающей среды. Сущность изобретения заключается в том, что определяют фактические концентрации веществ, присутствующих в источниках загрязнения, относят к загрязняющим вещества, концентрация которых превышает предельно допустимые, рассчитывают вещественное загрязнение от единичного источника как его токсическую опасность (ТО) для загрязняемой среды, выражаемую безразмерным числом, затем определяют общее вещественное загрязнение суммированием ТО единичных источников загрязнения для каждого агрегатного состояния окружающей среды и для совокупности сред. Технический результат - повышение объективности оценки масштаба загрязнения окружающей среды. 3 з.п. и ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения общего вещественного загрязнения совокупности сред, находящихся в различных агрегатных состояниях, включающий предварительное составление списка веществ, присутствующих в источниках загрязнения, определение их фактических концентраций, сопоставление фактических с предельно допустимыми концентрациями или их аналогами, отличающийся тем, что определяют концентрации веществ применительно к источникам антропогенного и естественного загрязнений, относят к загрязняющим вещества, фактические концентрации которых в источниках превышают предельно допустимые, рассчитывают вещественное загрязнение от единичного источника как его токсическую опасность (ТО) для загрязняемой среды, выраженную безразмерным числом и вычисляемую по формуле

где С_i - фактические концентрации загрязнителей в их источнике;

ПДК_i - предельно допустимые концентрации загрязнителей в окружающей среде;

n - число загрязнителей в источнике загрязнения;

ϑ - количество единиц объема газовой или жидкой фазы в источнике загрязнений, поступающих в воздушную или водную среду, или количество единиц массы загрязнений, поступающих в почву,

затем определяют общее вещественное загрязнение суммированием токсической опасности единичных источников загрязнения для каждого агрегатного состояния окружающей среды и для совокупности сред.