Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния воздуха и системы его мониторинга на территории города
1.1. Общая характеристика географических и климатических условий города Зеленограда
1.2. Климатологические аспекты распространения примесей в атмосфере
1.3. Методы оценки уровня загрязнения атмосферы промышленными выбросами
1.4. Интегральные показатели загрязнения атмосферы 22
1.5. Состояние системы мониторинга атмосферного воздуха в г. Зеленограде
Выводы и постановка задачи 31
Глава 2. Производственно-метеорологические условия функционирования системы локального мониторинга атмосферного воздуха
2.1. Общая характеристика производственного комплекса г. Зеленограда
2.2. Характеристики источников производственных выбросов 39
2.3. Комплексная оценка качества атмосферы г. Зеленограда 45
2.4. Метеорологические условия загрязнения воздуха в районе отдельных источников
2.5. Структура и направления современного мониторинга атмосферного воздуха
Выводы 66
Глава 3. Научно-методические основы системы локального мониторинга атмосферы 68
3.1. Анализ существующих методов оценки и прогноза уровней загрязнения атмосферы 68
3.2. Моделирование процесса распространения примесей от промышленного предприятия 72
3.3. Разработка критерия и оценка качества атмосферы территориально - производственного комплекса города 80
3.4. Системный подход при оценке состояния окружающей среды... 87
3.5. Определение приоритетных ингредиентов, подлежащих контролю в атмосферном воздухе города 90
Выводы 94
Глава 4. Оптимизация системы мониторинга и разработка средств снижения загрязнения воздуха 96
4.1. Экспериментально-расчетная проверка оптимизационной модели 96
4.2. Технологические аспекты образования примесей в атмосферном воздухе 115
4.3. Разработка средств снижения выбросов в атмосферу 116
4.3.1. Технологические методы снижения вредных примесей 116
4.3.2. Экологизация процесса полирования кремниевых пластин 122
4.3.3. Экологизация процесса эпитаксии 128
4.3.4. Мероприятия по снижению выбросов автотранспортного предприятия 132
4.3.5. Мероприятия по снижению выбросов предприятий теплоэнергетики 137
Выводы 145
Основные результаты работы 147
Список литературы 151
Приложения 163
- Климатологические аспекты распространения примесей в атмосфере
- Характеристики источников производственных выбросов
- Моделирование процесса распространения примесей от промышленного предприятия
- Технологические аспекты образования примесей в атмосферном воздухе
Введение к работе
Актуальность проблемы. Город Зеленоград представляет собой территориально-производственный комплекс (ТПК), где градообразующей отраслью является электронная промышленность, наряду с которой достаточно развиты теплоэнергетика, автотранспорт, строительство и другие [1]. Большинство из этих предприятий применяют сложные технологии, сопровождающиеся выделением в окружающую среду химических веществ и соединений, многие из которых относятся к 1 и 2 классам опасности, что, несомненно, оказывает негативное влияние на экологическую ситуацию в городе
[2].
Настораживающая экологическая ситуация в атмосфере города сложилась в значительной мере из-за неполного учета экологических последствий от разного рода хозяйственной деятельности. Существующая в настоящее время система контроля качества воздушного бассейна не вполне отвечает современным требованиям, так как научно необоснован перечень контролируемых ингредиентов, а также недостаточна эффективность проводимых мероприятий по снижению выбросов от промышленных предприятий.
В свете сказанного, исследование состояния атмосферного воздуха, закономерностей распределения примесей, создание научно-обоснованной системы мониторинга атмосферного воздуха и разработка методов эффективного контроля и повышения его качества на территории городского образования является безусловно актуальной проблемой.
Объектом исследования является приземный слой атмосферного воздуха в городе Зеленограде.
Предметом исследования является система локального мониторинга приземного слоя атмосферы города.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программы комплексного плана мероприятий по осуществлению контроля хозяйственной деятельности предприятия ОАО «ЭЛМА» на соответствие экологическим требованиям. Выполненные исследования позволят получить четкое представление о качестве
приземного слоя атмосферы, об экологической безопасности промышленных предприятий г. Зеленограда в различные периоды года, научно и методически обосновать сеть постов наблюдения и оптимизировать в целом систему мониторинга городской атмосферы, предотвратить аварийные и залповые выбросы при неблагоприятных метеорологических условиях (НМУ). На основании решения правления ОАО «ЭЛМА» по подведению итогов конкурса на лучшую работу 2002 г. автору была присвоена поощрительная премия за разработку и согласование проекта предельно допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу предприятия ОАО «ЭЛМА», кроме того, автор является лауреатом 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2004», и лауреатом Всероссийского конкурса «Инженер года» за 2003 год в номинации «Экология и мониторинг окружающей среды».
Целью настоящей работы является: разработка научно-методического обеспечения локальной системы экологического мониторинга атмосферы территориально-производственного комплекса.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
Систематизацией многолетней информации по метеоусловиям и выбросам загрязняющих веществ в атмосферу города, критическим анализом современного состояния системы локального мониторинга и определением основных направлений деятельности по повышению качества приземного слоя атмосферы.
Анализом состояния атмосферы Зеленограда, определением климатологических и производственных аспектов распространения примесей в приземном слое атмосферы, ранжированием источников загрязнения и определением приоритетного перечня ингредиентов, подлежащих контролю.
Теоретическим обоснованием и разработкой комплексного критерия качества атмосферы, учитывающего одновременно изменение метеоусловий, мощность источников выбросов и степень загрязнения атмосферы в городе.
Научно-методическим обеспечением системы локального мониторинга и оптимизацией количества и схем размещения постов систематического контроля качества воздушного бассейна по критериям минимизации их количества и максимизации информативности.
Системным анализом состояния атмосферы, определением приоритетных направлений и разработкой комплекса природоохранных мероприятий, снижающих выбросы от промышленных предприятий, находящихся на территории Зеленограда.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлены климатологические и производственные закономерности распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы территориально-производственного комплекса и на основе количественного описания системы «атмосфера - территория» выполнено моделирование процесса формирования и распространения примесей от промышленного предприятия.
Теоретически обоснован критериальный принцип анализа атмосферы территориально-производственного комплекса и разработан объективный интегральный показатель оценки качества приземного слоя, наиболее полно учитывающий сочетание производственных и природных факторов, что служит научно-методической базой организации системы локального мониторинга.
На основе системного подхода к оценке состояния атмосферы с широким использованием современных программных комплексов определены приоритетные ингредиенты приземного слоя атмосферы, подлежащие контролю и разработаны научно-методические основы оптимизации размещения пунктов наблюдения по критериям минимизации их количества и максимизации репрезентативности информации при создании сети локального мониторинга.
Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Проведена систематизация характеристик основных производственных процессов и источников выбросов, определяющих состояние приземного слоя атмосферы городского образования и выполнена комплексная оценка качества атмосферы. По значению величины индекса загрязнения атмосферы (ИЗА<10) экологическая ситуация может быть оценена как настораживающая.
2. На основе анализа материалов проектов нормативов предельно-
допустимых выбросов (ПДВ) выявлены доминирующие источники и
ингредиенты выбросов в атмосферу и предложены рекомендации по
техническим средствам защиты приземного слоя от загрязнений, нашедшие
практическую реализацию в различных производствах (снижение концентрации
хлористого водорода на границе СЗЗ ЗАО «НИИМВ» с 0,5ПДКав. до 0,08ПДКав.,
диоксида азота на границе СЗЗ автокомбината с 1,96ПДКав до 0,9ПДКав. и с
1,2ПДКав до 0,06ПДКа.в. на границе СЗЗ предприятий теплоэнергетики,
сокращение валового выброса фтористого водорода от участка очистки
полупроводниковых пластин с 0,0386 т/год до 0,00077 т/год и полное
исключение выбросов окислов азота и бихромата калия).
3. С применением программных комплексов «Zona», «Призма», на основе
статистических расчетов получены сравнительные поля концентраций примесей
от основных предприятий города, что позволило произвести его районирование
по степени экологической напряженности и оптимизировать схему размещения
постов наблюдения системы локального мониторинга атмосферного воздуха по
обоснованной номенклатуре веществ. Результаты исследования приняты к
реализации в Зеленоградском отделе экологического контроля и мониторинга
Департамента природопользования и охраны окружающей среды в качестве
«Методических рекомендаций по размещению постов контроля атмосферного
воздуха», утвержденной Зеленоградским отделом экологического контроля ДПП
и ООС от 21.12.2004 г. № 38-2/6.
Методология и методы исследований. Теоретической основой проведенных исследований служат системный анализ, а также математическое описание закономерностей распространения примесей в атмосфере.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в следующие объекты и процессы:
в Зеленоградском отделе экологического контроля Департамента природопользования и охраны окружающей среды при анализе эффективности действующей системы контроля приземного слоя атмосферы г. Зеленограда и в качестве «Методических рекомендаций по размещению постов контроля
атмосферного воздуха» утвержденной Зеленоградским отделом экологического контроля ДПП и ООС от 21.12.2004 г. № 38-2/6.
- рекомендации автора учтены при модернизации технологии очистки
полупроводниковых пластин на предприятии ОАО «ЭЛМА», при
реконструкции системы обезвреживания выбросов хлористого водорода на предприятии ЗАО «НИИМВ» и на автокомбинате при установке нейтрализаторов с целью уменьшения выбросов диоксида азота в цехе обкатки двигателей.
- в учебный процесс Московского института электронной техники в качестве основы учебно-методических разработок по дисциплине «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг».
Результаты внедрения обеспечили снижение выбросов вредных веществ в атмосферу. Полученные данные, имеют научно-практическое значение и могут быть использованы при районировании территории по степени экологической напряженности с целью строительства и реконструкции микрорайонов города, определении перспектив развития системы мониторинга атмосферы в г. Зеленограде.
Личный вклад автора. В основном все результаты получены автором лично. Наиболее существенными из них являются:
Систематизация информации по метеоусловиям и выбросам загрязняющих веществ в атмосферу и критический анализ современного состояния системы локального мониторинга атмосферного воздуха.
Разработка проектов нормативов предельно-допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу для таких предприятий г. Зеленограда, как: ОАО «ЭЛМА» (разрешение на выброс №38-7/4-270), ЗАО «НИИМВ» (разрешение на выброс №90071), ГУП г. Москвы «Зеленоградский Автокомбинат» (разрешение на выброс №90017/03).
3. Анализ состояния атмосферы Зеленограда, ранжирование источников
загрязнения: (ТЭК (КОП=400415,3 м3/с), ОАО «Хлебозавод» (КОП= 1369,58
м3/с), ЗАО «Маренго» (КОП= 390,272 м3/с), Фирма «Зеленоградстрой»
(КОП-104,489 м3/с), ОАО «Элион» (КОП=98,704 м3/с), ГУП г. Москвы
«Зеленоградский Автокомбинат» (КОП=59,205 м3/с), ОАО «ЭЛМА» (КОП
15,511 м /с), и определение приоритетного перечня ингредиентов в наибольшей степени загрязняющих атмосферу (КОВ (диоксида азота)=2775256,019, КОВ (оксида углерода)=2173,152, КОВ (ангидрида сернистого)=2800,8, КОВ (взвешенных веществ)=390,666.
Разработка комплексного критерия качества атмосферы, учитывающего одновременно изменение метеоусловий, мощность источников выбросов и степень загрязнения атмосферы в городе.
Установление закономерностей распространения загрязняющих веществ в г. Зеленограде, расчет полей концентраций и оптимизация количества и схем размещения постов систематического контроля качества воздушного бассейна. Комплексная оценка экологической эффективности расположения постов контроля атмосферного воздуха, позволило определить их оптимальное расположение (в количестве пяти единиц) на территории города.
6. Анализ факторов, определяющих качество атмосферы, выявление
приоритетных направлений воздействия на них и разработка комплекса
природоохранных мероприятий, снижающих выбросы от промышленных
предприятий, находящихся на территории Зеленограда.
Достоверность результатов теоретических предложений автора диссертации обеспечивается хорошим совпадением результатов теоретических расчетов с экспериментально полученными данными, а также сопоставимостью результатов прогноза качества воздушной среды с результатами, полученными в реальных условиях. Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях с использованием лабораторных анализов, проводимых на современном измерительном оборудовании, компьютерных программных комплексов, имеющихся в аналитическом отделе ОАО «ЭЛМА» и в Зеленоградском отделе Экологического контроля ДПП и ООС.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Результаты системного анализа состояния атмосферного воздуха города и теоретически обоснованный комплексный критерий оценки качества приземного слоя атмосферы, учитывающий одновременно метеорологические и производственные факторы.
Закономерности распространения загрязняющих веществ и научно-методическое обоснование системы локального мониторинга атмосферного воздуха и оптимизация количества и рационального размещения пунктов наблюдения в системе мониторинга атмосферного воздуха в г. Зеленограде по критериям минимизации их количества и максимизации информативности.
Рекомендации по комплексу организационных и технических решений по снижению выбросов от промышленных предприятий, расположенных в городе Зеленограде.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международных, межвузовских и Всероссийских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» в 2002 - 2004 гг.
Публикации:
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 работах, в том числе в 11 статьях и 6 тезисах докладов на международных и Всероссийских научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 162 страницах текста, содержит 45 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 126 наименований и 2 приложения.
Основные результаты работы содержат выводы, сделанные в ходе проведенного исследования.
Климатологические аспекты распространения примесей в атмосфере
Загрязнение атмосферы формируется под влиянием трех основных факторов. Это метеорологические условия рассеивания вредных примесей в атмосфере, и физико-географические особенности территории [7] и техногенные факторы, включающие выбросы промышленных предприятий и автотранспорта.
Среди задач по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы, большое значение имеют исследования закономерностей распространения примесей, без которых невозможно определение репрезентативных мест и времени наблюдений в целях создания эффективной системы мониторинга воздуха.
Формирование загрязнения определяется, в первую очередь, метеоусловиями переноса примесей от источников [8]. Следовательно, если имеется возможность прогнозировать эти условия, то, используя и решая статистические зависимости, связывающие метеопараметры с загрязнением, можно прогнозировать его уровень. Базовой информацией при этом являются общие прогнозы погоды, детализированные с учетом специфики, вносимой городской застройкой. Наиболее информативными для прогноза загрязнения являются следующие метеопараметры: скорость и направление ветра, температурная стратификация, турбулентный обмен и осадки, комбинация которых образует метеорологический потенциал загрязнения атмосферы - ПЗА [9, 10].
Различают метеорологический и климатический ПЗА. Метеорологический ПЗА включает сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период (час, сутки) и используется при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнения на короткие временные интервалы. Климатический ПЗА включает многолетние климатические характеристики. Поэтому он позволяет оценить ожидаемый в данном физико-географическом районе (при заданных выбросах) средний уровень загрязнения среды [7, 11, 12].
Величина ПЗА показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения атмосферы в конкретном районе, определяемый реальной повторяемостью неблагоприятных для рассеивания примесей метеорологический условий, будет выше, чем в условном.
При таком подходе высокий ПЗА соответствует метеоусловиям, при которых создаются наибольшие концентрации в приземном слое атмосферы с фиксированными параметрами выбросов. Следовательно, прогноз ПЗА является определяющим фактором при составлении прогноза загрязнения атмосферы.
При прогнозе ПЗА важно учитывать климатологические характеристики сочетаний неблагоприятных погодных условий, к которым, в первую очередь, относятся низкие инверсии и незначительные скорости ветра.
Специалисты выделяют пять климатических зон с различными уровнями ПЗА: низкий, умеренный, повышенный, высокий, очень высокий [9, 14]. Прогноз ПЗА и уровня загрязнения имеет смысл, если исходя из него, будут предприняты какие-либо меры по регулированию выбросов в атмосферу с целью предотвращения высоких концентраций [14]. При неблагоприятных метеоусловиях в кратковременные периоды опасного для населения загрязнения, предприятия должны обеспечивать снижение выбросов вплоть до частичной или полной остановки производства. Для низких и холодных источников аномально высокий ПЗА требует еще большого сокращения выбросов. В первую очередь, указанное снижение выбросов должно быть обеспечено на наиболее мощных источниках или при прогнозе сноса выброшенного облака примеси на районы жилых застроек.
ПЗА для города определяется по географическим зонам (для европейской части РФ в среднем принимается равным 2,5).
Для характеристики склонности атмосферного воздуха промышленного города к загрязнению, применяется метеорологический потенциал рассеивающей способности атмосферы (МПА) [13].
В качестве основных характеристик метеоусловий в нем использовали вероятность штиля (Рш), тумана (Рт), осадков (Р0) и ветреной погоды в городе.
Если значение МП А меньше 1, повторяемость процессов, способствующих самоочищению атмосферы, преобладает над повторяемостью процессов, способствующих накапливанию вредных примесей в ней. Создаются хорошие условия для рассеивания примесей в атмосфере. При МПА 1 - условия неблагоприятные для рассеивания примесей, при МПА 3 - создаются крайне неблагоприятные условия для рассеивания примесей.
Наибольшее влияние на уровень загрязнения атмосферы в городе и его окрестностях оказывает скорость ветра. Отдельные сооружения и город в целом представляют собой препятствие, под влиянием которого скорость ветра в городе, как правило, ослаблена по сравнению с окрестностями. В условиях же свободной застройки, преобладающей в районах новостроек, при отсутствии зеленых насаждений существенного ослабления ветра в жилых массивах не наблюдается. В ряде случаев вблизи торцовых разрывов между зданиями, наоборот усиление скорости ветра (на 20-50%) по сравнению со скоростью вне города. Жилые и промышленные здания, изменяя скорость и направление воздушного потока, оказывают большое влияние на распределение загрязняющих веществ внутри города. Скорость ветра, способного вынести загрязнения за пределы города, должна быть больше 5-6 м/с [7].
Таким образом, ПЗА и МПА рассчитываются через метеорологические параметры состояния атмосферы промышленного центра, но они не учитывают мощности источников выбросов и характер загрязнения атмосферы.
Характеристики источников производственных выбросов
Интенсивность движения автотранспорта, учитываемая в методике, определялась специальными исследованиями. В расчетах не могли быть учтены выбросы от автотранспорта, скапливающегося перед светофорами, в «пробках»; от автотранспорта, движущегося по внутримикрорайонным и внутридворовым проездам. В связи с этим Зеленоградский отдел Экологического контроля счел необходимым увеличить полученные результаты на 25%.
Всего на территории города зарегистрировано около 200 выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ, некоторые из них объединены в одну или несколько группы суммации [1]. Чтобы выделить приоритетные загрязнители, на подавление которых должно быть обращено особое внимание, применяется процедура расчета коэффициента опасности вещества (КОВ) [47] КОВг (Мі/ПДКс.с.і)аі (2.1) М; - суммарный выброс і-того загрязнителя от всех известных источников в городе, тонн/год; а; - постоянная, учитывающая класс опасности і-того вещества. ПДКССІ - среднесуточная предельно допустимая концентрация і-того загрязняющего вещества, мг/м . Для веществ, анализы содержания которых в атмосферном воздухе Зеленограда дали положительные и превышающие ПДК значения, введен поправочный коэффициент К; Ki=(l+g/100) (l+5g;/100) (2.2) где g и gj - повторяемость концентраций больше ПДК и 5 ПДК, %. Значения где g и gi определялись по протоколам замеров, проводимым в городе различными службами. Результаты ранжирования по основным и специфическим загрязнителям различных производств проиллюстрированы рис. 2.2-2.13.
При составлении списка опасных загрязнителей и расчетах значений КОВ; использованы данные инвентаризации предприятий города
Ранжирование загрязняющих веществ по КОВ в энергетической промышленности Для принятия мер необходимо знать как уровень загрязнения, так и причины формирования данного уровня загрязнения в городе. Известно, что содержание примесей в атмосфере города зависит от таких факторов как количество выбросов вредных веществ и их качественный состав; размер территории, на которой осуществляются выбросы; уровень промышленного развития города; высота, на которой осуществляются выбросы; характеристики транспортных потоков в городе; климатические условия [7].
С производственной точки зрения организация ТПК повышает эффективность за счет использования предприятиями общей инфраструктуры, сырьевой и топливной базы, трудовых ресурсов и т.д. Однако в экологическом плане это может привести к отрицательным результатам. Поэтому основной критерий формирования ТПК должен определяться силой его техногенного воздействия на природный комплекс, возможности природы к усвоению и рассеиванию продуктов техногенеза. При анализе воздействия ТПК на атмосферу следует оценить силу, время и размеры территории, подвергающейся воздействию. Для Зеленограда характерны все перечисленные признаки ТПК.
Качество атмосферы города может быть оценено через категорию опасности города (КОГ), рассчитываемую по формуле (1.16), физический смысл которой заключается в том, что определяется некоторый условный объем загрязненного воздуха от всех предприятий города, который разбавлен до ПДК и приведен к одному значению токсичности.
Для оценки степени воздействия крупных и мелких предприятий на атмосферу города по формуле (1.17) рассчитаем другую характеристику-категорию опасности предприятия (КОП), которая оценивает объем воздуха, необходимый для разбавления выбросов (М;) і-того вещества над территорией предприятия до уровня ПДК;. Далее проведем расчет комплексных показателей, описанных уравнениями (1.16) и (1.17) для основных примесей, содержащихся в атмосферном воздухе городов: пыли, S02, СО, NOx. \"so2
Самыми мощными источниками загрязнения атмосферы города Зеленограда по всем исследуемым веществами токсикантам являются РТС 1,2,3,4 (КОП=400415,3 м3/с), ОАО «Хлебозавод» (КОП-1369,58 м3/с), ЗАО «Маренго» (КОП- 390,272 м3/с), Фирма «Зеленоградстрой» (КОП-104,489 м3/с), ОАО «Элион» (КОП-98,704 м3/с), ГУП «Зеленоградский Автокомбинат» (КОП-59,205 м3/с), однако в южной промышленной зоне мощными загрязнителями атмосферы являются ОАО «Логика» (КОП=23,14 м /с, ОАО «ЭЛМА» (КОП 15,511 м3/с), в северной промышленной зоне - ОАО «Элион» (КОП=98,704 м3/с), ГУП «Зеленоградский Автокомбинат» (КОП-59,205 м3/с), в восточной промышленной зоне - УДХиБ (КОП-21,264 м /с), ПУ «Зеленоградводоканал» (КОП= 19,559 м3/с), в западной промышленной зоне -ОАО «Хлебозавод» (КОП-1369,58 м3/с), ЗАО «Маренго» (КОП=390,272 м3/с). [49, 50].
Таким образом, рассчитанные значения категории опасности предприятий дают более полное представление о вкладе каждого конкретного предприятия в загрязнение атмосферы территории.
Для города Зеленограда значимым веществом-токсикантом выбрасываемым предприятиями является диоксид азота. Основной вклад в выбросы диоксида азота вносят: РТС 1,2,3,4, ОАО «Хлебозавод», ЗАО «Маренго», ОАО «Элион», ГУП «Зеленоградский Автокомбинат», Фирма «Зеленоградстрой», ПУ «Зеленоградводоканал», ОАО «ЭЛМА», АООТ НИИМЭ и завод «Микрон».
Моделирование процесса распространения примесей от промышленного предприятия
Вредные вещества, попадая в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, рассеиваются или вымываются осадками из нее [8, 79]. В периоды, когда осадков нет, степень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от переноса этих примесей от источника на расстояния [16, 80]. При постоянном режиме выбросов вредных веществ колебания уровней загрязнения атмосферного воздуха наблюдаются под влиянием условий переноса и рассеяния примесей в атмосфере. Повышение концентрации примесей в конкретном районе города или в городе в целом зависит от определенных сочетаний метеорологических параметров. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надежностью будет осуществляться прогноз возможного накопления примесей в атмосфере. Так как формирование уровня загрязнения атмосферы в значительной степени связано с условиями вертикального и горизонтального переноса и рассеяния примесей, то качество атмосферы города может представляться в виде функции скоростей воздушных потоков. Причем скорость ветра по-разному влияет на распространение вещества в крупном и небольшом населенных пунктах или поступающего от высокого и низкого источников. При выбросах от промышленных предприятий с высокими трубами, значительные концентрации примесей у поверхности Земли наблюдаются при так называемой «опасной скорости ветра» (3 U 5 м/с). При этом выбрасываемая газовоздушная смесь в случае перегрева относительно окружающего воздуха обладает определенной плавучестью, а вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей в верхние слои атмосферы. В случае выбросов от низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабой ветровой активности (U 3 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферы.
Следовательно, резкое увеличение концентрации примеси в атмосфере промышленного центра может происходить при скоростях ветра до 3 -5 м/с, когда наблюдаются застойные явления в воздухе.
Любой территориально-производственный комплекс может и должен рассматриваться в качестве системы типа: человек - природная среда -производство. Причем объединяющим началом в этой системе является территория, а природной средой, через которую осуществляется взаимодействие в системе служит атмосфера. Следовательно, нами должно рассматриваться взаимодействие в системе типа: атмосфера (приземный слой) - производство -человек. Причем производство в нашей стране выступает в качестве источника (генератора) примеси, человек - в качестве компоненты, подвергающейся воздействию этой примеси, а атмосфера выступает средой, через которую примесь от источника перемещается к человеку. В такой системе интересными для изучения элементами выступают, источник примеси и среда, с которой примесь перемещается в пространстве, то есть интересной для исследования является подсистема типа: атмосфера - территория.
В дальнейшем подсистему «атмосфера - территория» будем рассматривать в качестве системы, подразумевая тот факт, что территория, на которой расположено производство, включает и человека.
Для характеристики диффузионного процесса, интенсивность которого определяет состояние системы с рассеиванием или накоплением примеси на территории завода или на территории прилегающей к заводу, используем законы молекулярной и конвективной диффузии, которые позволяют оценивать поток диффузии для і-той примеси [81] yw4 = C -q-D gradC , (3-3) где С - концентрация і-той примеси, мг/м ; q=U/t - объемная скорость перемещения примеси, м3/с. Полный поток вещества слагается из конвективного (С -q) и диффузионного (DgradC) потоков. Причем диффузионный поток в атмосфере должен быть пропорционален градиенту концентрации и направлен в сторону убыли концентрации примеси в атмосфере (знак минус указывает именно на это). Если же примесь находится в движущем потоке, то поток увлекает ее своим движением и создает конвективное перемещение вещества в пространстве (второй член в уравнении (3.3.)).
Уравнение (3.2) является количественным описанием технологического процесса. А уравнение (3.3) является уравнением, описывающим процесс накопления (рассеивания) примеси в воздушной среде. Для уравнения (3.3) могут быть получены точные решения лишь в простых геометрических условиях. Поэтому для его решения следует знать граничные условия, которые задаются, как правило, концентрацией примеси у источника выбросов и вдали от него. Первым граничным условием следует считать условие, когда концентрация примеси вдали от источника выбросов стремится к нулю (С - 0 при L- co). Следовательно, в системе «атмосфера - территория» возникает ограничение в перераспределении примеси, а уравнение (3.3) примет вид JncwH -DgradC, (3.4)
Критерий Катм интересен тем, что по его величине можно судить об экологическом состоянии атмосферы для определенной территории, для территории с Катм 1, атмосфера будет соответствовать экологическому неблагополучию, а для территории при Катм 1 - требованиям экологической чистоты. Условие, когда критерий качества атмосферы равен единице, соответствует граничному случаю и может быть использовано для определения размеров территории с экологически неблагополучной атмосферой.
В уравнение (3.5) используем параметры категории опасности города и категории опасности предприятий для характеристики изменений качества атмосферы через выбросы, осуществляемые стационарными источниками. Категория опасности города и предприятия в предлагаемом виде могут характеризовать атмосферу предприятия и города лишь через учитываемые выбросы, но без оценки влияния метеоусловий и рельефных характеристик местности на характер их распределения.
Таким образом, категория опасности города может быть использована в качестве основного параметра для прогнозирования санитарно-гигиенического состояния воздушной среды в городе на основе существующих данных об источниках загрязнения среды (М) и о метеоусловиях в ней. В настоящее время установлено, что перенос и распространение загрязняющих веществ в атмосферном воздухе зависит, в первую очередь, от скорости движения воздушных потоков (ветра), то есть от объема воздуха, в котором перераспределена примесь. При этом распределение загрязняющих веществ внутри некоторого объема осуществляется по законам конвективной диффузии. При расчете интенсивности загрязнения атмосферы города основной проблемой становится оценка этого объема воздуха.
Технологические аспекты образования примесей в атмосферном воздухе
ТПК следует рассматривать как открытую динамическую систему, обладающую определенной совокупностью структурных и функциональных свойств, имеющую иерархическую структуру (определяется размерами и мощностью системообразующего техногенного центра) и развивающуюся во времени и пространстве. Основой динамического равновесия ТПК является оптимальное взаимодействие как элементов внутри системы, так и системы в целом с внешней по отношению к ней окружающей средой. [104].
Если при описании города исходить из метафоры «город - организм», то в настоящее время у городского организма роль коллективного органа чувств, реагирующего на загрязнение окружающей среды. Чтобы успешно управлять территорией и рационально распоряжаться ее ресурсами нужно хорошо представлять себе обобщенные характеристики ее состояния и иметь возможность оперативно и в наглядной форме получать необходимые для принятия решений детальные сведения об объектах управления.
Выбор технических решений основывается на точных сведениях о состоянии воздушной среды, полученных при ранжировании предприятий и дифференциальным показателям, а также на эколого-экономических возможностях территорий. Так, проведенная комплексная оценка состояния атмосферы г. Зеленограда позволила выделить основные источники выбросов по степени воздействия на воздух города, а приоритетным веществом -загрязнителем является диоксид азота. Таким образом, в первую очередь, необходимо выявить процессы, технологии и технические средства, в которых он образуется в больших количествах. К основным загрязнителям воздушного бассейна г. Зеленограда относятся районные тепловые станции (РТС-1,2,3,4), ОАО «Хлебозавод», ЗАО «Маренго», фирма «Зеленоградстрой», ОАО «Элион» и ГУП г. Москвы «Зеленоградский Автокомбинат». Однако, все вышеуказанные предприятия находятся на достаточно далеком расстоянии от жилой застройки, поэтому основной акцент при предложении комплекса мероприятий по уменьшению выбросов следует направить на южную промышленную зону г.
Зеленограда, которая расположена непосредственно в черте города, в полукольце жилой застройки и на территории которой расположена зона отдыха (городской пруд, пляж). Кроме того, необходимо рассмотреть те предприятия, у которых КОВ по приоритетным веществам имеют наибольшее значение (глава 2).
В дальнейшем будут рассмотрены источники и предприятия, выбрасывающие вредные вещества в атмосферу города Зеленограда, а также условия их образования, способы и факторы их снижения.
Краткое описание всех крупных предприятий электронной промышленности южной промышленной зоны г. Зеленограда было дано в главе 2.
По данным инвентаризаций проектов нормативов предельно-допустимых выбросов в атмосферу из всех предприятий, расположенных в южной промышленной зоне г. Зеленограда, имеющих наибольший выброс диоксида азота является ОАО «ЭЛМА».
Выбросы предприятий электронной промышленности характеризуются рядом особенностей: широким спектром токсичных, мутагенных, канцерогенных веществ в различных агрегатных состояниях, большими объемами вентиляционного воздуха [105].
На предприятиях электронной промышленности, занимающихся выпуском материалов для электронной техники, одним из основных этапов технологии полупроводниковых приборов является получение кремниевых пластин, качество поверхности которых формируется на операциях резки, шлифовки, полировки и химической очистки пластин кремния. Более двух тысяч стационарных источников загрязнения, из которых только четверть оборудована газоочисткой, выбрасывают в атмосферу фтористый водород, окислы азота и другие. Около 90% выбросов вредных веществ в атмосферу от предприятий электронной промышленности приходится на газообразные и парообразные загрязнители и только 10% - на пыль [106].
Предложенная схема очистки, позволило резко сократить выбросы от отдельного источника фтористого водорода (на операции отмывки с 4 мг/м3 до 0,08 мг/м3 за один процесс) полностью исключить выбросы окислов азота и бихромата калия (хромового ангидрида), что подтверждено измерениями аналитического отдела ОАО «ЭЛМА» [107,108]. (Приложение 2. Протокол исследования №3).
