СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ Российский патент 2006 года по МПК G01N31/00 

Изобретение относится к области экологического мониторинга атмосферного воздуха.

Загрязнение атмосферного воздуха тяжелыми металлами может быть оценено следующими способами:

1. Непосредственным отбором и последующим анализом проб воздуха на содержание тяжелых металлов. Этот способ применяется на сети стационарных и передвижных постов Гидрометеорологической службы России [1] и заключается в протягивании атмосферного воздуха через фильтр в течение определенного времени. Анализу подвергают растворы, полученные при обработке одоленных фильтров кислотами, измерения проводят на атомно-абсорбционных спектрофотометрах. В результате получают усредненное значение концентраций тяжелых металлов.

2. Расчетным методом определения полей концентраций тяжелых металлов на основе сведений о количестве и составе промышленных выбросов, метеорологических факторов, конструкций источников загрязнения и т.п. [2]. Для оценки загрязнения атмосферного воздуха по выбросам предприятий требуется использование большого количества исходных данных.

3. По содержанию тяжелых металлов в почвах. В "Методических рекомендациях" [3, 4] приведены зависимости между содержанием в почве и атмосферном воздухе свинца, меди и ртути и дано их графическое изображение.

4. По содержанию тяжелых металлов в снежном покрове.

В работе [5] в основе оценки взаимосвязи между загрязнением атмосферного воздуха и снежного покрова использованы данные о поступлении загрязняющих веществ на снежный покров н средняя скорость осаждения твердых частиц (500 м/сут). Формула расчета представлена в следующем виде:

где: С_АЗ - средняя концентрация вещества в атмосферном воздухе за зимний период, мг/м³;

С_вс - концентрация вещества в снеге, мг/л;

V_в- объем талой воды, л;

V_с - объем снега, л;

1000 - коэффициент расчета объемной массы (для воды), кг/м³;

h - высота снежного покрова, м;

n - количество дней снегостояния;

v - скорость осаждения твердых частиц, м/сут.

В "Методических рекомендациях по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов тяжелыми металлами по их содержанию в снежном покрове и почве" [3, 4] выявлена зависимость между концентрацией свинца в атмосферном воздухе (X) и его содержанием в пылевых выпадениях из атмосферы, осажденных и уловленных снежным покровом (Y):Y=5317Х+130 (Прототип). Однако концентрация загрязняющего вещества в снежном покрове не может характеризовать истинное его количество в атмосферном воздухе вследствие неоднородности по массе снежного покрова на различных участках территории.

Запас воды в снежном покрове на различных участках обследуемой территории может колебаться в пределах от 10 до 200 кг/м². Например, если 1 мг вещества выпадает на площадь в 1 м² при влагозапасе в снеге 10 кг/м², концентрация вещества составит 0,1 мг/кг(л), а при влагозапасе 200 кг/м² - 1 мг/200=0,005 мг/кг(л). Поэтому при использовании показателей снежного покрова необходимо учитывать его влагозапас (кг/м² или мм). В противном случае результаты анализов будут недостоверными.

Нами разработана система оценки загрязненности атмосферного воздуха промышленного центра тяжелыми металлами по результатам мониторинга снежного покрова, которая заключается в следующем:

1. В результате многолетних исследования Института экологии природных систем Академии Наук Республики Татарстан была определена масса тяжелых металлов, поступивших на снежный покров на территорию г.Казани - водорастворимые формы [6, 7] и водонерастворимые формы [8, 9].

2. При анализе экспедиционных данных и использовании литературных источников определена масса элементов, поступивших на основную территорию г.Казани (200 км²), пригородную зону (500 км²) и сопредельные районы. Принято, что масса поступлений элементов на снежный покров этих территорий равна массе промышленных выбросов предприятий города [10].

3. Принимая, что все промышленные выбросы первоначально поступают в городскую атмосферу, перемешиваются в ней и лишь затем рассеиваются с установлением динамического равновесия, создавая определенную среднюю концентрацию загрязняющего элемента в воздухе, рассчитана эта средняя концентрация тяжелых металлов в атмосферном воздухе за зимний период при эффективной площади города 200 км², высоте слоя перемешивания 0,7 км, объеме загрязненного атмосферного воздуха 140 км³ по формуле;

где С_сс - среднесуточная концентрация элемента в воздухе, мкг/м³;

М - масса выбросов элементов в атмосферу г.Казани, равная поступлениям этого элемента на снежный покров г.Казани и прилегающих территорий, кг/сут, 10⁹ мкг/сут.

V - объем воздушного пространства, в котором происходит распределение выбросов элемента, км³, 10⁹ м³.

4. Определена интенсивность поступления тяжелых металлов на снежный покров основной территории г. Казани, г/км²·сут. Результаты представлены в табл.1 и 2.

Таблиц 1Поступление тяжелых металлов (водорастворимые формы) на снежный покров (X) г.Казани и их концентрация в атмосферном воздухе (Y)ГодCdMnCuNi X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³198890,037--13,250,054,550,01719890,90,003713,00,103,500,015,350,01719910,20,0016--5,150,036,800,02319991,00,00411,650,0869,00,050,90,00320001,50,0077,850,0514,250,07513,950,04120016,80,04410,20,078,250,0412,950,0392003----5,900,04--Виртуальный фон00000000

ГодPbCrZn X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³19884,550,0172,30,016122,60,7219895,350,0171,750,017166,60,9219916,800,0236,750,0536,350,2219990,90,003--22,450,20200013,950,0416,150,0541,950,19200112,950,0393,70,0632,850,172003----44,650,3Виртуальный фон000000

Таблица 2Поступление тяжелых металлов (водонерастворимые формы) на снежный покров (X) г.Казани и их концентрация в атмосферном воздухе (У)годпыльFeCdСоMn 1 X, кг/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³199985,774158183,462,00,00628,40,03732,50,118200040,772314701681,040,00638,130,03620,70,104

годпыльFeCdСоMn200152,042265972,913,160,0254--18,20,0942003121,64088995,910,160,00365,160,019360,336Виртуальный фон0000000000

годCuNiPbCrZn X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³X, г/км²·сутY, мкг/м³199912,50,0507,370,0591,50,0267,30,06347,40,182200015,70,0779,400,10211,60,0777,70,05533,20,142200113,40,0825,300,0485,90,0428,00,07034,30,234200310,90,0753,600,0214,10,0342,40,02933,50,293Виртуальный фон0000000000

По данным табл.1 и 2 выявлены уравнения регрессии между интенсивностью поступления тяжелых металлов на снежный покров и концентрацией их в атмосферном воздухе для всей совокупности водорастворимых и водонерастворимых форм тяжелых металлов (n=77).

В уравнении регрессии коэффициент корреляции между значениями Х и Y r=0,98. Фактор Х определяет 96% дисперсии Y.

Зависимость между интенсивностью поступления тяжелых металлов на снежный покров и концентрацией их в атмосферном воздухе для всей совокупности водорастворимых и водонерастворимых форм тяжелых металлов приведена на фиг.1.

При определении объема атмосферного воздуха, в котором происходит рассеивание выбросов загрязняющих веществ над территорией города, средняя годовая высота слоя перемешивания (ВСП) принята равной 700 м [11]. Однако ВСП имеет четко выраженный годовой ход с максимумом в мае-июне и минимумом в декабре-январе [12] (фиг.2).

Поэтому изменчивость ВСП необходимо учитывать при оценке рассеивания выбросов загрязняющих веществ. В связи с этим в уравнение регрессии, описывающее поступление тяжелых металлов на снежный покров и их содержание в атмосферном воздухе, вводится поправочный коэффициент, отражающий различия между среднегодовым (ВСП_ср.год=700 м) и фактическим среднезимним в данном году (ВСП_ср.зим) высотами столба перемешивания.

С использованием уравнений регрессии по результатам мониторинга снежного покрова исследуемой территории определяется среднее за зимний период содержание элемента в атмосферном воздухе и оценивается экологическое состояние атмосферы по сравнению с ПДК_сс.

В связи с вышеизложенным сущность изобретения заключается в следующем:

1. По результатам мониторинга снежного покрова определяется поступление химического элемента на инспектируемую территорию (кг/км²×сут).

2. Полученное значение поступления химического элемента на инспектируемую территорию с применением уравнения регрессии

используется для определения содержания химического элемента в атмосферном воздухе (мкг/м³).

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с прототипом являются:

1. Исключение погрешности, возникающей при оценке загрязненности снежного покрова по концентрации химического элемента в снеге.

2. Универсальность метода, позволяющего оценивать содержание в воздухе разнообразных химических элементов: водорастворимых и водонерастворимых форм тяжелых металлов (Fe, Cd, Co, Mn, Cu, Ni, Pb, Cr, Zn).

Пример 1.

На снежный покров пос.Караваево, площадью 2 км² (г.Казань) в зимний период 1998-1999 гг. поступило 4,4 кг водорастворимых форм меди.

Интенсивность поступления: 4,4 кг/2км²·5 мес=14,7 г/км²·сут.

Средняя концентрация меди в зимний период составила:

При ПДК_Cu 1 мкг/м³ превышение ПДК составит 0,17:1=0,17.

Пример 2.

На снежный покров пос.Дербышки, площадью 3 км² (г.Казань) в зимний период 1998-1999 гг. (5 месяцев) поступило 83,7 кг водорастворимых форм марганца.

Интенсивность поступления: 83,7 м/3км²·5 мес=186 г/км²·сут.

Средняя концентрация марганца в воздухе в зимний период составила:

При ПДК_Mn=1 мкг/м³ превышение ПДК составит 2,02:1=2,02.

Пример 3.

На снежный покров г.Казани (200 км²) в зимний период 1998-1999 гг. (5 месяцев) поступило 350 кг водорастворимых форм марганца.

Интенсивность поступления: 350 кг/200км²·5 мес=11,7 г/км²·сут.

Средняя концентрация марганца в воздухе в зимний период составила:

При ПДК_Mn=1 мкг/м³ превышение ПДК составит 0,15:1=0,15.

Источники информации

1. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД-62.04. 186-89. Гос. комитет СССР по гидрометеорологии. Мин-во здравоохранения СССР. - М., 1991. - 693 с.

2. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Под ред. M.E.Берлянда, Е.Л.Гениховича и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 94 с.

3. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов по их содержанию в снежном покрове и почвах. - М.: ИМГРЭ, 1990. - 14 с.

4. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов по их содержанию в снежном покрове и почвах. // Экологический Вестник россии, 1991. №9.

5. Боев В.М, Верещагин Н.Н., Дунаев В.Н. Определение атмосферных загрязнений по результатам исследования снегового покрова. // Гигиена и санитария, 2003. №5. - С.69.

6. Петрова P.O., Иванов Д.В., Валетдинов Р.К., Фасхутдинов М.Г. Динамика загрязнения снежного покрова г.Казани тяжелыми металлами. Гос. доклад "О состоянии природных ресурсов и охраны окружающей среды РТ в 2001 г." - Казань, 2002. - С.228.

7. Валетдинов Р.К., Горшкова А.Т., Валетдинов А.Р.. Фасхутдинов М.Г. Динамика поступления тяжелых металлов (водорастворимые формы) на снежный покров г. Казань // Вестник Татарстанского отделения РЭА, 2004. №3 - С.52-59.

8. Петрова P.O., Валетдинов Р.К., Валетдинов А.Р., Фасхутдинов М.Г. О загрязненности снежного покрова г.Казани водонерастворимыми формами тяжелых металлов. Гос. доклад "О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды РТ в 2003 г." - Казань, 2004. - С.213.

9. Степанова Н.В., Валетдинов А.Р., Хамитова Р.Я. Динамика поступления различных фракций тяжелых металлов в снежном покрове города // Вестник татарстанского отделения РЭА, 2004. №2. - С.31-34.

10. Валетдинов А.Р., Горшкова А.Т., Валетдинов Р.К., Фридланд С.В., Шлычков А.П. Определение массы тяжелых металлов в выбросах предприятий и автотранспорта г.Казани по результатам мониторинга снежного покрова. Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан // Материалы VI респ. научной конф. - Казань, Отечество, 2004, с.39.

11. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 189 с.

12. Шлычков A.П., Хабутдинов Ю.Г. Максимальная высота слоя перемешивания // Тезисы докладов научной конференции. Динамика и взаимодействие природных и социальных сфер земли. - Казань, 1998. - С.64-65.

Изобретение относится к области экологического мониторинга атмосферного воздуха. При осуществлении способа определяют поступление тяжелых металлов на единицу поверхности снежного покрова инспектируемой территории за определенный период времени и вычисляют содержание тяжелых металлов в атмосферном воздухе с использованием корреляционной зависимости между поступлением их на инспектируемую территорию и их концентрацией в атмосферном воздухе, выраженной в виде заданного соотношения. Достигается повышение точности и информативности определения. 2 табл. 2 ил.

Способ определения содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе по результатам мониторинга снежного покрова, отличающийся тем, что, с целью получения достоверных результатов путем исключения влияния неоднородности снежного покрова, определяют поступление тяжелых металлов на единицу поверхности снежного покрова за определенный период времени и вычисляют содержание тяжелых металлов в атмосферном воздухе с использованием корреляционной зависимости между поступлением тяжелых металлов на инспектируемую территорию и концентрацией их в атмосферном воздухе, выраженной в виде уравнения:

где Х - поступление тяжелых металлов на инспектируемую территорию, г/км²·сут;

Y - концентрация тяжелого металла в атмосферном воздухе, мкг/м³;

ВСПср.год = 700 м - среднегодовая высота слоя перемешивания атмосферного воздуха, м;

ВСПср.зим. - средняя за зимний период высота слоя перемешивания атмосферного воздуха, м.