Способ определения общего вещественного загрязнения совокупности сред в различных агрегатных состояниях

Способ определения общего вещественного загрязнения совокупности сред в различных агрегатных состояниях

Реферат

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 1
Загрязняемая среда	№№источника загрязнения	Вещество источника загрязнения	ТО, Гед
Название	а.сост.	ПДК*i	Ci	для человека	ОС
Атмосфера	1А	пыль железосодержащая	Т	0,06	20	831	831
		углекислый газ СО	Г	3	875	727	727
		сернистый ангидрид SO2	Г	0,045	4	220	220
		диоксид азота NO2	Г	0,04	8	498	498
		Хлороводород	Г	0,1	0,08	нет	нет
		общее загрязнение источником				2276	2276
Водный бассейн	2А	хром (VI)	Ж	0,05/0,02	0,11	1	4
		взвешенные вещества	Т	5/20	0,94	нет	нет
		нефтепродукты	Ж, Т	0,1/9,05	0,008	нет	нет
		общее загрязнение источником	1	4
	3А	сульфаты MeSO4	Ж	500/100	1350	2	12
		марганец	Ж	0,1/0,01	0,48	4	47
		медь	Ж	1/0,001	0,045	нет	44
		никель	Ж	0,1/0,01	0,14	1	13
		нитраты	Ж	45/9,1	26	нет	2
		магний	Ж	40/40	43	1	1
		железо	Ж	0,3/0,1	0,6	1	5
		кальций	Ж	180/180	500	2	2
		общее загрязнение источником	11	126
	общее загрязнение водного бассейна	12	130
Почва	4А	хлористый калий KCl	Т	560	250000	445	445
		хлористый натрий NaCl	Т	560	250000	445	445
		медь	Т	3	3000	999	999
		силикатная часть	Т	3000	450000	149	149
		общее загрязнение источником	2038	2038
Общее загрязнение антропогенными источниками	4326	4444
Водный бассейн	5Е	взвешенные механические примеси	Т	5/20	5385	1076	268
		сульфаты MeSO4	Т, Ж	500/100	1000	1	9
		общее загрязнение источником	1077	277
Общее антропогенное и естественное загрязнение совокупности сред	5403	4727
Примечание: в числителе ПДКв, в знаменателе ПДКр.х

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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют вещественное загрязнение, опасное для человека и опасное для окружающей среды.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что 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.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что при определений вещественного загрязнения, опасного для окружающей среды, используют биологические экологические нормативы для нее, в качестве которых принимают ПДК_с.с, ПДК_р.х, ПДК_п.