Методы и технические средства контроля источников загрязнения атмосферы

Осуществление мероприятий по контролю промышленных вы­бросов является одной из необходимых мер по их снижению. В основе этих мероприятий лежит система государственных и отраслевых стан­дартов, регламентирующих нормы содержания загрязняющих веществ в выбросах, методы и средства измерения.

В настоящее время основной объем данных о количественном

составе выбросов в атмосферу получают на основе измерений с помо­щью инструментально-лабораторных методик или газоанализаторов

(переносных или стационарных). Как правило, газоанализаторы ис­пользуются для определения приоритетных газовых примесей (SO₂, NO_x, CO) и наиболее важных специфических загрязняющих веществ (NH3, H2S, фториды, меркаптаны, галогены и др.). Однако уже сейчас количество веществ, подлежащих контролю, достигло нескольких со­тен, что делает невозможным создание автоматических приборов для каждого из загрязняющих веществ. Таким образом, в ближайшие годы, очевидно, сохранится ведущая роль инструментально-лабораторных методов как источников получения информации о выбросах в атмо­сферу и основных средств контроля за соблюдением технических нор­мативов и нормативов ПДВ. В этой связи особое значение приобрета­ют создание и внедрение в практику контроля наиболее эффективных лабораторных методов с учетом современных требований к методикам выполнения измерений.

Государственными нормативными актами определено, что при контроле источников загрязнения атмосферы можно использовать только методики, отвечающие предъявляемым к ним требованиям и согласованные в установленном порядке. В настоящее время функции согласующих ведомств выполняют Министерство природных ресурсов и Госстандарт России. В России создан Государственный реестр мето­дик количественного химического анализа и оценки состояния объек­тов окружающей среды, допущенных для целей государственного эко­логического контроля и мониторинга, в который включены методики контроля промышленных выбросов.

Выполнение измерений вышеперечисленных физических пара­метров газовых потоков технически осуществляется с помощью давно существующих и широко применяемых средств измерений (термомет­ры, термопары, барометры, манометры, психрометры, пневмометриче­ские трубки и др.). Действующие государственные стандарты детально регламентируют проведение измерений скорости, давления и темпера­туры газопылевых потоков. Особняком стоит выполнение измерений

влажности газопылевых потоков. Вода не является загрязняющим ве­ществом, однако неучет влажности может приводить к значительным завышениям значений массовых выбросов. Это объясняется тем, что скорость газового потока измеряется в реальных условиях (температу­ра, избыточное давление (разрежение), влажность), а концентрации загрязняющих веществ приводятся к нормальным условиям (0 ⁰С, 101,3 КПа, сухой газ).

Выполнение измерений массовых концентраций загрязняющих

веществ физико-химическими методами технически обеспечивается

общелабораторным оборудованием и приборами, которые применяют­ся при анализе не только промышленных выбросов, но и всех других сред. Схема проведения измерений концентраций загрязняющих ве­ществ в выбросах с помощью лабораторно-инструментальных методах обычно состоит из следующих этапов:

- отбор проб отходящих газов на источнике промышленных вы­бросов;

- транспортировка отобранной пробы в аналитическую лабора­торию (хранение пробы);

- анализ пробы (подготовка пробы, перевод ее в аналитическую форму и получение аналитического сигнала);

- контроль точности выполненных измерений;

- оформление результатов измерений.

При выполнении измерений концентраций загрязняющих ве­ществ, находящихся как в газовой, так и в аэрозольной фазах, приме­няются все известные физико-химические методы (атомная абсорбция,

спектрофотометрия, газовая и жидкостная хроматография, полярогра­фия, потенциометрия и т.д.). Различие между анализом газовой и аэро­зольной фазы лежит в основном в отборе проб. Для анализа аэрозолей

необходимо проводить отбор проб с соблюдением условий изокине- тичности, тогда как при отборе газовых компонентов выполнения это­го условия не нужно. Отбор газовых проб регламентируется для каж­дого конкретного загрязняющего вещества в конкретной методике. Однако можно выделить несколько основных способов отбора проб:

- отбор проб в газовые пипетки, стеклянные шприцы или поли­мерные емкости. Преимущество этого метода состоит прежде всего в простоте отбора: нет необходимости поддерживать или точно изме­рять скорость отбора газа и, соответственно, измерять объем отбирае­мой пробы, температуру и давление в процессе отбора. Однако этот метод применим только для малореакционных газов, таких как СО, легкие углеводороды и др. При этом срок хранения пробы, за исклю­чением оксида углерода, ограничен;

- отбор проб в жидкостные поглотители (абсорбция, хемосорб­ция). Преимущества метода: достаточно высокая эффективность, воз­можность подобрать поглотительный раствор практически для любых компонентов. Недостатки метода: необходимость строгого контроля условия отбора (температура, давление или разрежение в газоходе и скорость отбираемого газа), ограничение применения при отрицатель­ных температурах для водных растворов и неудобство транспортиров­ки;

- отбор проб на твердые сорбенты (адсорбция на полимерных сорбентах, на силикагелях или на различных активированных углях, сажах, волокнистых углеродистых сорбентах) или на пленочные сор­бенты (обычно хемосорбция). Недостатки те же, что и при отборе проб в жидкостные поглотители, и, кроме того, обычно более жесткие усло­вия к соблюдению рекомендуемой скорости отбора, учитывающие возможность проскока.

Отбор проб аэрозолей осуществляется двумя методами: внут­ренней фильтрации (фильтрующий элемент находится внутри газохо­да) и внешней фильтрации (фильтрующий элемент находится вне га­зохода). Оба этих метода имеют свои достоинства и недостатки. Одна­ко предпочтение следует отдавать методу внутренней фильтрации. В качестве фильтрующих элементов используются бумажные фильтры (различные фильтры на основе целлюлозы), фторопластовая, стеклян­ная или, для очень высоких температур, кварцевая вата. Особо следует отметить необходимость соблюдения условий изокинетичности при отборе проб аэрозолей. Условия изокинетичности означают, что ско­рость газового потока и скорость отбираемой пробы на входе в пробо­отборный зонд равны.

Измерение концентраций загрязняющих веществ в выбросах может проводиться с помощью газоанализаторов. Однако при выборе и применении газоаналитической техники ситуация значительно сложнее. В настоящее время на рынок газоаналитической техники по­ступило значительное количество многокомпонентных и однокомпо­нентных газоанализаторов, как отечественных, так и импортных, осно­ванных на различных физико-химических принципах. Основными ме­тодами являются электрохимические, оптические (абсорбционные в

УФ, ИК и видимой областях спектра и эмиссионные) и пламенно­ионизационный.

В основе работы многокомпонентных приборов лежат измере­ния ряда компонентов (СО, SO₂, NO_x, О₂ и пр.) малоселективными датчиками, обсчет по заданной программе аналитических сигналов от каждого датчика с учетом взаимовлияния компонентов и последую­щей выдачей данных. В основе работы однокомпонентных приборов лежат измерения селективными датчиками. Диапазоны измеряемых концентраций, указываемые в инструкциях по эксплуатации, устанав­ливают диапазоны измеряемых концентраций с учетом только при­борной погрешности и не учитывают влияния на погрешность измере­ния концентраций неизмеряемых компонентов, а также других экс­плуатационных погрешностей.

Пределы допускаемой относительной (суммарной) погрешности измерений массовой концентрации загрязняющих веществ с помощью автоматических и полуавтоматических газоанализаторов в рабочих условиях (с учетом основной и дополнительных погрешностей) долж­ны составлять не более 25 % от измеренной величины во всем диапа­зоне измерений. Для газоаналитической техники в большинстве случа­ев установлена основная приведенная погрешность (погрешность из­мерения, отнесенная к верхнему значению диапазона измерений).

Парк приборов, предлагаемых потребителям, имеет различные метрологические, эргонометрические и технические характеристики. В связи с этим важное значение отводится государственному регулиро­ванию и контролю за соблюдением закона России о единстве измере­ний. Механизмом реализации этого закона является проведение госу­дарственными органами сертификации аналитической аппаратуры экологического назначения и внесением данного типа приборов в го­сударственный реестр средств измерений.

Сертификация аппаратуры заключается в определении соответ­ствия технических и метрологических характеристик сертифицируе­мого оборудования государственным стандартам. На основании испы­таний готовится пакет документации для регистрации данного обору­дования в Госреестре России. Сертификация аппаратуры выполняется органами Госстандарта.

Экологическую экспертизу проводят органы Министерства природных ресурсов России. Сертификацию и экологическую экспер­тизу проводят как для типа приборов, так и для единичного образца или отдельной партии аппаратуры. Использование аналитических приборов и комплексов потребителями возможно лишь при наличии сертификата установленного образца и номера в Государственном рее­стре средств измерений. При этом область применения должна соот­ветствовать области, указанной в акте экологической экспертизы.

Передвижная обсерватория мониторинга природной среды. В

состав передвижной обсерватории входят два специализированных вагона: обсерватория и химическая лаборатория. Ее назначение:

- мониторинг газового и аэрозольного состава атмосферы (пар­никовые, озоноразрушающие, токсичные и др. соединения), ее радиа­ционных и метеорологических характеристик;

- определение природных и антропогенных источников атмо­сферных примесей, направлений их переноса и особенностей химиче­ской трансформации;

- мониторинг химического состава и загрязнения вод, почвы и растительности.

- контроль исполнения Международных экологических согла­шений (Киотский и Монреальский протоколы, конвенции о трансгра­ничном переносе загрязнений, ограничении производства устойчивых органических соединений и др.);

- калибровка наземных наблюдательных сетей, валидация дан­ных космического мониторига природной среды;

- выявление и прослеживание за экстремальными ситуациями и техногенными воздействиями на окружающую среду;

- решение фундаментальных научных проблем, связанных с глобальными изменениями природной среды и климата Земли;

- оценка влияния работы железножорожного транспорта на эко­логическое состояние окружающей территории.

Разработчиками обсерватории являются Институт физики атмо­сферы РАН (ИФА РАН), ВНИИ железнодорожного транспорта, Все­российский научно-исследовательский институт метрологии.

Передвижная лаборатория предназначена для измерения содер­жания в воздухе газовых и аэрозольных примесей, термодинамиче­ских, радиационных и метеорологических характеристик атмосферы. Обсерватория размещается в специализированном железнодорожном вагоне. В ее измерительный комплекс входят:

- газоанализаторы, газовые хромотографы: непрерывные изме­рения концентрации и газов О3, NO, NO2, СО, СО2, SO2, СН4;

- счетчики, нефелометры, аэтоломеры: непрерывные измерения концентрации и микрофизических свойств аэрозолей;

- спектрофотометры, радиометр, поляризационный фотометр: дистанционное зондирование содержания O3, NO2, СО2, СН4 и аэрозо­лей в атмосфере;

- пробоотборники разных типов, рентгеновский спектрометр, газовые хромотографы: отбор, анализ воздуха и аэрозолей на элемент­ный, химический и изотопный состав;

- измерители солнечной радиации, термодинамических и ме­теорологических параметров;

- измерители интегральной и УФ радиации, измерители скоро­стей фотодиссоциации О3 и NO2, измеритель профиля температуры в слое 0-1200 м, акустический анемометр, метеопроборы.

В обсерватории используются сетевые приборы и международ­ные калибровочные средства, достигается высокое качество данных и привязка их к мировой сети мониторинга атмосферы. Оптимальный набор измеряемых параметров позволяет контролировать текущее фо­тохимическое состояние атмосферы и прогнозировать его изменения, что важно в экстремальных экологических ситуациях.

Трансконтинентальные наблюдения за состоянием атмосфе­ры. В международных экспериментах TROIKA (Transcontinental Ob­servations into the Chemistry of the Atmosphere) были отработаны мето­дики и средства наблюдений различных характеристик атмосферы с подвижной платформы. Эксперименты начали проводиться в 1995 г. (TROIKA-1). Первые наблюдения содержания озона, окислов азота, солнечной радиации и метеопараметров были выполнены специали­стами ИФА РАН от Москвы до Хабаровска в ноябре-декабре 1995 г. Наблюдения продемонстрировали высокую эффективность работы лаборатории в изучении состава атмосферы над обширными конти­нентальными пространствами.

Эксперименты TROIKA проводились ежегодно до 2001 г. В 2001 г. присоединилась группа специалистов из Лаборатории монито­ринга и диагностики климата, США. Шесть экспедиций проведено по Транссибу (Москва-Хабаровск или Москва-Владивосток). В 2000 г. выполнена сложная научная программа наблюдений на Кольском по­луострове, в Центральном районе и в горах Северного Кавказа в ве­сенний период, когда фотохимическая система атмосферы переходила от зимнего режима к летнему. Это позволило разделить антропогенные и природные биогенные источники CH4, СО, СО2, летучих органиче­ских соединений. В ходе этих работ совершен троекратный проезд с проведением измерений от Мурманска до Кисловодска.

Наблюдения О3 и NO2 в стратосфере и валидация спутниковых

данных. Комплекс аппаратуры передвижной лаборатории предназна­чен также для дистанционного зондирования и исследования содержа­ния химических и климатически активных газов во всей толще атмо­сферы. В задачи дистанционного контроля верхней атмосферы, ре­шаемые передвижной лабораторией входят:

- измерения вертикальных распределений озона, двуокиси азота и физико-химических свойств аэрозоля до высоты 45-50 км в районах, не охваченных стационарной сетью глобального мониторинга атмо­сферы, и получение их пространственных разрезов;

- валидация спутниковых данных о содержании озона, окислов азота и парниковых газов и аэрозоля приборами TOMS, GOME, OMI, SAGE III, SCIAMACHI, GOMOS и др. над обширными континенталь­ными территориями;

- калибровка приборов дистанционного зондирования, дейст­вующих на стационарных сетях GAW, NDSC, EUROTRAC и др.

Рис. 1.1. Общее содержание озона по данные спутникового прибора TOMS (TROIKA-4). Линии -- участки замера вертикальных распределений озона

В результате экспедиции TROIKA-4 (февраль-март 1998 г., Н.Новгород-Хабаровск) продемонстрирована возможность использо­вания приборов и методик измерения вертикальных распределений озона и двуокиси азота, действующих на стационарных станциях, для наблюдений с подвижной платформы и для валидации спутниковых данных (рис.1.1).

1.6.