способ определения содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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/м ². 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/м ² - 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 км ²), 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 км ³ 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, км ³, 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/км 2·сут	Y, мкг/м 3	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/км 2·сут	Y, мкг/м 3	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/км 2·сут	Y, мкг/м 3	X, г/км2·сут	Y, мкг/м3	X, г/км2·сут	Y, мкг/м3	X, г/км 2·сут	Y, мкг/м 3
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/км 2·сут	Y, мкг/м 3	X, г/км2·сут	Y, мкг/м3	X, г/км2·сут	Y, мкг/м3	X, г/км 2·сут	Y, мкг/м 3
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 (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/км ²·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.