Способ определения содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе
Владельцы патента RU 2285916:
Институт экологии природных систем Академии наук Республики Татарстан (RU)
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.
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: САЗ - средняя концентрация вещества в атмосферном воздухе за зимний период, мг/м3;
Свс - концентрация вещества в снеге, мг/л;
Vв- объем талой воды, л;
Vс - 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 Ссс - 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 1 | ||||||||
| Поступление тяжелых металлов (водорастворимые формы) на снежный покров (X) г.Казани и их концентрация в атмосферном воздухе (Y) | ||||||||
| Год | Cd | Mn | Cu | Ni | ||||
| X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | |
| 1988 | 9 | 0,037 | - | - | 13,25 | 0,05 | 4,55 | 0,017 |
| 1989 | 0,9 | 0,0037 | 13,0 | 0,10 | 3,50 | 0,01 | 5,35 | 0,017 |
| 1991 | 0,2 | 0,0016 | - | - | 5,15 | 0,03 | 6,80 | 0,023 |
| 1999 | 1,0 | 0,004 | 11,65 | 0,086 | 9,0 | 0,05 | 0,9 | 0,003 |
| 2000 | 1,5 | 0,007 | 7,85 | 0,05 | 14,25 | 0,075 | 13,95 | 0,041 |
| 2001 | 6,8 | 0,044 | 10,2 | 0,07 | 8,25 | 0,04 | 12,95 | 0,039 |
| 2003 | - | - | - | - | 5,90 | 0,04 | - | - |
| Виртуальный фон | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Год | Pb | Cr | Zn | |||
| X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | |
| 1988 | 4,55 | 0,017 | 2,3 | 0,016 | 122,6 | 0,72 |
| 1989 | 5,35 | 0,017 | 1,75 | 0,017 | 166,6 | 0,92 |
| 1991 | 6,80 | 0,023 | 6,75 | 0,05 | 36,35 | 0,22 |
| 1999 | 0,9 | 0,003 | - | - | 22,45 | 0,20 |
| 2000 | 13,95 | 0,041 | 6,15 | 0,05 | 41,95 | 0,19 |
| 2001 | 12,95 | 0,039 | 3,7 | 0,06 | 32,85 | 0,17 |
| 2003 | - | - | - | - | 44,65 | 0,3 |
| Виртуальный фон | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Таблица 2 | ||||||||||
| Поступление тяжелых металлов (водонерастворимые формы) на снежный покров (X) г.Казани и их концентрация в атмосферном воздухе (У) | ||||||||||
| год | пыль | Fe | Cd | Со | Mn 1 | |||||
| X, кг/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | |
| 1999 | 85,77 | 415 | 818 | 3,46 | 2,0 | 0,0062 | 8,4 | 0,037 | 32,5 | 0,118 |
| 2000 | 40,77 | 231 | 470 | 168 | 1,04 | 0,0063 | 8,13 | 0,036 | 20,7 | 0,104 |
| год | пыль | Fe | Cd | Со | Mn | |||||
| 2001 | 52,04 | 226 | 597 | 2,91 | 3,16 | 0,0254 | - | - | 18,2 | 0,094 |
| 2003 | 121,6 | 408 | 899 | 5,91 | 0,16 | 0,0036 | 5,16 | 0,019 | 36 | 0,336 |
| Виртуальный фон | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| год | Cu | Ni | Pb | Cr | Zn | |||||
| X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | X, г/км2·сут | Y, мкг/м3 | |
| 1999 | 12,5 | 0,050 | 7,37 | 0,059 | 1,5 | 0,026 | 7,3 | 0,063 | 47,4 | 0,182 |
| 2000 | 15,7 | 0,077 | 9,40 | 0,102 | 11,6 | 0,077 | 7,7 | 0,055 | 33,2 | 0,142 |
| 2001 | 13,4 | 0,082 | 5,30 | 0,048 | 5,9 | 0,042 | 8,0 | 0,070 | 34,3 | 0,234 |
| 2003 | 10,9 | 0,075 | 3,60 | 0,021 | 4,1 | 0,034 | 2,4 | 0,029 | 33,5 | 0,293 |
| Виртуальный фон | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
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 (ВСПср.год=700 м) и фактическим среднезимним в данном году (ВСПср.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 ПДКсс.
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 ПДКCu 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 ПДКMn=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 ПДКMn=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.
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.
