Анализ средств управления качеством атмосферного воздуха в условиях крупного города

Основным механизмом управления качеством атмосферного воздуха в настоящее время согласно законодательству Российской Федерации, прежде всего в соответствии с Федеральным законом № 96-ФЗ от 04.05.1999 г. «Об охране атмосферного воздуха»1 , является нормирование выбросов. Для этого юридические лица, имеющие источники выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, проводят инвентаризацию выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и их источников в порядке, установленном правительством Российской Федерации.

Инвентаризация, по логике законодательства, должна выявлять и учитывать все возможные ис- точники выделения и выброса загрязняющих веществ в атмосферу, а также вредные вещества, которые могут выделяться или образовываться при осуществлении всех процессов в соответствии с технологическим регламентом производства. Кроме того, при нормировании выбросов должно учитываться фоновое загрязнение, создаваемое совокупностью всех источников и рассчитанное на основе данных инструментальных измерений на постах Росгидромета.

Согласно постановлению Правительства Российской Федерации № 183 от 2 марта 2000 г. «О нормировании выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физиче- ских воздействий на него»2, при определении нормативов выбросов применяются методы расчетов рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, в том числе методы сводных расчетов для территории городских и иных поселений.

Расчеты рассеивания выполняются по данным инвентаризации в унифицированных программах расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА), позволяющих рассчитывать поля приземной концентраций загрязняющих веществ. Средства УПЗА, помимо нормирования, стали инструментом выбора точек и примесей для контроля загрязнения атмосферы [1–3]. Кроме того, результаты расчетов УПРЗА используются в геоинформационных технологиях для социально-гигиенического мониторинга окружающей среды и здоровья населения [4].

Об эффективности использования сводных расчетов при нормировании выбросов свидетельствует практический опыт ряда регионов России, в том числе в Пермском крае, где применение данного метода было начато в 1994 г. [5]. Опыт применения сводных расчетов рассеивания в Прикамье в 2000–2010 гг. был распространен на другие регионы согласно приказу Госкомэкологии Российской Федерации № 66 от 16.02.1999 г.3. В крае была создана «Система динамического анализа состояния атмосферы и нормирования выбросов загрязняющих веществ предприятий города Перми» (система «Лада»). Многолетний опыт функционирования системы динамического нормирования в Пермском крае (1994–2010) показал эффективность данной методологии как для природопользователей – абонентов системы, так и для контролирующих органов.

Система «Лада», с одной стороны, позволяла природопользователям динамически, при изменениях в производственных процессах, обосновывать изменение предельно допустимых выбросов (ПДВ) для источников. С другой стороны, она позволяла природоохранным органам реагировать на жалобы граждан и неблагоприятные метеоусловия, управляя качеством воздуха на базе анализа результатов расчета рассеивания для конкретных метеоусловий за счет наличия актуальной информации о выбросах предприятий.

Вместе с тем опыт функционирования системы «Лада» в Перми, помимо эффективности, обнаружил ряд недостатков. Во-первых, ограниченное число постов государственной сети мониторинга приземного воздуха не позволяет полно учитывать фоновое загрязнение, что снижает эффективность нормирования и управления. Следует заметить, что недостаточная плотность сети мониторинга отмечается для большинства регионов [6]. Во-вторых, сложившееся расположение постов контроля загрязнения приземного воздуха не позволяет идентифицировать выбросы стационарных источников промышленных предприятий при соответствующих направлениях ветров.

Места расположения некоторых постов остаются неизменными на протяжении 30 лет, но развитие городской среды и хозяйственной деятельности привели к тому, что расположенные ранее на хорошо проветриваемых участках местности стационарные посты оказались на «закрытых» участках, вблизи высоких зданий, источников низких выбросов. Например, пост № 17 по улице Свиязева, 52, в Индустриальном районе Перми устанавливался в 80-е гг. прошлого века на границе жилой застройки на подветренной стороне от промышленного узла «Осенцы». Сейчас вблизи данного поста расположена автодорога с интенсивным движением, с высокой локальной концентрацией токсикантов, выбрасываемых автотранспортом. В результате информация, получаемая на посту, уже не может быть использована для мониторинга влияния промышленного узла «Осенцы» на загрязнение воздуха в городе.

В-третьих, используемая в системе «Лада» методика ОНД-86, реализованная в программном пакете УПРЗА «Эколог–город», предназначена для нормирования выбросов в атмосферу. Расчет производится либо для перебора метеопараметров, либо для одного направления и скорости ветра. При таком методе расчета невозможно использовать историю изменения направления ветра, информацию о направлении и скорости ветра по высоте (профиль ветра) и температурный профиль атмосферы. Вместе с тем на сегодня имеется возможность измерения профиля ветра и температурного профиля атмосферы в городе [7].

В результате невозможности использования «Ладой» полной исходной информации расчетные вклады источников загрязнения атмосферы в реальную концентрацию на постах контроля определялись лишь приблизительно, расчетные концентрации не соответствовали реально измеренным. Полученные данные не позволяли однозначно идентифицировать источники повышенного загрязнения воздуха и, следовательно, не давали возможности сформировать полноценные и адекватные управляющие воздействия.

С прекращением в 2007 г. функционирования системы динамического нормирования в г. Перми стало невозможно обеспечить даже частичное управление качеством воздуха. В настоявшее время осуществляется только измерение загрязнения воздуха силами Пермского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС).

По данным Пермского ЦГМС в Перми функционируют семь постов мониторинга приземного воздуха [8], расположение которых отображено на рис. 1. Перечень контролируемых на постах загрязнений указан в табл. 1, в которой номера постов соответствуют номерам, обозначенным на рис. 1.

Согласно области аккредитации Пермского ЦГМС «РОСС RU.0001.512591»4; загрязняющие вещества анализируются методами в диапазонах, указанных в табл. 2. Методы измерения концентрации всех веществ, за исключением монооксида углерода и хлора, предполагают лабораторный анализ проб загрязняющих веществ, отобранных на поглотители. Таким образом, существующая система мониторинга не позволяет непрерывно получать информацию о загрязнении приземного воздуха.

Ввиду прекращения динамического нормирования выбросов в атмосферу поступление актуальной информации о выбросах предприятий также прекратилось, а данные, направляемые раз в пять лет для обоснования нормативов ПДВ, не могут использоваться для моделирования реального загрязнения атмосферы. Это отчасти объясняет существенные расхождения между расчетными и натурными данными. Складывающуюся ситуацию поясним на примере нефтеперерабатывающего завода, расположенного в Перми.

Как показывают данные инвентаризации предприятия, выбросы от источников загрязнения атмосферы, определяемые в основном инструментальными методами, значительно изменяются при неизменности технологического процесса и нормальной, регламентной эксплуатации объектов. Такая изменчивость объясняется гибкостью нефтепереработки, которая позволяет при минимизации издержек удовлетворять меняющийся рыночный спрос на широкий спектр нефтепродуктов с учетом изменяющегося состава сырья. Например, выбросы SO 2 , NO x дымовых труб технологических печей могут в разы меняться ввиду широких диапазонов регламентных изменений состава топлива (которое производится на заводе), расхода и состава нагреваемых в печах потоков. Это объясняется многими факторами, например, изменением доли используемого жидкого топлива при недостатке теплотворной способности газового топлива. Изменение загрузки производственных процессов вызывает изменение направления движения промежуточных потоков, что, в свою очередь, ведет к изменению состава газового топлива технологических печей и т.п.

Рис. 1. Схема расположения постов наблюдения за загрязнением атмосферы г. Перми

Таблица 1

Перечень загрязнений, контролируемых в Перми на постах мониторинга

Контролируемое вещество	№ поста, выполнение анализа
	12	13	14	16	17	18	20
Сернистый ангидрид	Х			Х	Х		Х
Азота диоксид	Х	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Углерода оксид	Х	Х	Х	Х	Х		Х
Аммиак	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Формальдегид	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Ксилолы	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Толуол		Х	Х	Х	Х	Х
Бензол		Х	Х	Х	Х	Х
Этилбензол	Х	Х	Х	Х	Х	Х
Фенол	Х		Х	Х	Х	Х	Х
Сероводород					Х	Х
Металлы (марганец, медь, никель, свинец, хром, цинк, кадмий, железо)			Х		Х
Водород хлористый	Х		Х	Х		Х	Х
Хлор						Х
Водород фтористый	Х		Х			Х
Взвешенные вещества	Х	Х		Х		Х
Оксид азота			Х	Х

Таблица 2

Определяемый показатель	Документы, устанавливающие правила и методы исследований, измерений	Диапазон определения, мг/м3
Сернистый ангидрид	РД 52.04.822-2015	0,0025–8,0
Азота диоксид	РД 52.04.792-2014	0,021–4,3
Углерода оксид	Газоанализатор «Элан», руководство по эксплуатации ЭКИТ 5.940.000РЭ	0,6–50,0
Аммиак	РД 52.04.791-2014	0,02–5,0
Формальдегид	РД 52.04.824-2015	0,01–0,3
Ксилолы	РД 52.04.838-2015	0,02–5,0
Толуол		0,02–5,0
Бензол		0,02–5,0
Этилбензол		0,01–5,0
Фенол	РД 52.04.799-2014	0,003–0,1
Сероводород	РД 52.04.795-2014	0,006–0,1
Водород хлористый	РД 52.04.793-2014	0,04–2,0
Хлор	Газоанализатор «Элан», руководство по эксплуатации экит 5.940.000РЭ	1,0–10,0
Водород фтористый	РД 52.04.797-2014	0,002–0,2
Взвешенные вещества	РД 52.04.186-89 ч. 1 п. 5.2.6	0,26–50,0
Оксид азота	РД 52.04.792-2014	0,028–2,8
Хром	РД 52.04.186-89 ч. 1 п. 5.2.5.2	0,01–1,5
Свинец		0,06–1,5
Марганец		0,01–1,5
Никель		0,01–1,5
Цинк		0,01–1,5
Медь		0,01–1,5
Железо		0,01–1,5
Кадмий		0,002–0,24

Перечень загрязняющих веществ, методов и диапазонов определения (согласно области аккредитации Пермского ЦГМС)

Изменчивость выбросов характерна не только для нефтепереработки, но и для других крупных производств. Однако существующая в настоящее время система нормирования не позволяет учитывать возможные изменения выбросов, что заставляет природопользователей завышать нормативы выбросов с целью минимизации рисков нарушения ПДВ.

Стремясь учесть изменчивость выбросов на будущий период, природопользователи при разработке нормативов устанавливают ПДВ на максимальном уровне для максимального количества источников. Поэтому из большого количества данных замеров в отчет об инвентаризации включаются максимальные выбросы. В результате, даже если в реальности предельный выброс осуществляют не более чем десять процентов источников, при расчете рассеивания моделируется ситуация, вероятность наступления которой близка к нулю, когда максимальное количество, а в идеале – все источники выбросов, работают при максимальном выбросе загрязняющих веществ.

Описанная ситуация завышения нормативов помимо изменчивости выбросов обусловлена следующими недостатками нормирования:

– во-первых, так как нормативы устанавливаются на будущий период на основании прошлых измерений выбросов, то по сути при инструментальных методах контроля необходимо предсказывать повторение ранее зафиксированных режимов работы, что является трудоемкой, а иногда – невыполнимой задачей;

– во-вторых, даже при адекватном предсказании выбросов учесть в расчете рассеивания все варианты допустимых выбросов не представляется возможным, так как количество вариантов – сочетаний выбросов, которое необходимо смоделировать при большом числе источников, – стремится к бесконечности. Последнее утверждение проиллюстрируем следующим примером.

Предположим, на промплощадке предприятия имеются две технологические печи, через трубы которых могут выбрасываться оксиды азота (NO x ) массой до 5 г/с. Изменения выбросов обусловлены изменениями расхода топлива, которое вызвано изменениями расхода нагреваемых потоков углеводородов. Возможные сочетания выбросов печей соответствуют точкам, расположенным внутри квадратной области, ограниченной координатной сеткой, приведенной на рис. 2 с размерами 5 x 5 г/с. Допустим, что предприятие расположено в местности, где высокие фоновые концентрации NO x не позволяют обеспечить соблюдение санитарных норм качества воздуха на границе и за пределами санитарно-защитной зоны (СЗЗ) при максимальном выбросе 5 г/с двух печей.

Тогда при разработке нормативов ПДВ для данного предприятия область возможных выбросов должна быть ограничена некоторой линией и осями координат. Данная область ниже по тексту именуется «допустимой областью». Для двух источников выбросов граница допустимой области может быть ограничена линией, обозначенной на рис. 2 « max ». Границы данной допустимой области определяются серией расчетов рассеивания УПЗА по стандартной методике⁵.

Существующая система нормирования предписывает выбор единственного сочетания выбросов для примера, представленного на рис. 2: точкой «ПДВ» с координатами 2,5; 2,0 г/с. Причем сово- купность точек, лежащих в областях, ограниченных на рис. 2 координатами 2,5; 2,0 г/с и линией «max», соответствует фактически допустимым выбросам, которые при существующей системе нормирования считаются нарушениями.

Выбросы печи № 2, г/с

Рис. 2. Графическое отображение сочетаний выбросов двух источников загрязнений

Применяя данную логику к трем источникам выбросов, получим допустимую область и точку, соответствующую ПДВ в трехмерной системе координат. В реальности количество только дымовых труб на нефтеперерабатывающем заводе может превышать несколько десятков, что при аналогичных рассуждениях приводит n -мерному представлению допустимых сочетаний выбросов и нормативов ПДВ.

В результате, несмотря на теоретическую возможность разработки ПДВ с большим количеством сочетаний выбросов, разработчики предпочитают максимально завысить ПДВ, но ограничиться одним вариантом расчета рассеивания. Таким образом, достоверные данные инвентаризации отдельных источников загрязнения атмосферы, предоставляемые для обоснования нормативов, не позволяют судить о реальных выбросах предприятия и в целом адекватно рассчитывать приземные концентрации, устанавливать источники повышенного загрязнения атмосферы. Это в конечном итоге не позволяет природоохранным органам принимать обоснованные решения по управлению качеством атмосферного воздуха.

Обеспечение соблюдения санитарных норм качества атмосферного воздуха остается одной из важнейших задач во всем мире, включая Россию [9]. По данным Всемирной организации здравоохранения свыше 92 % жителей планеты проживают на территориях с уровнем загрязнения атмосферного воздуха, превышающем официальные пределы безопасности [10], поэтому со временем задача раз- вития средств мониторинга и управления качеством воздуха становится только актуальнее [11–13].

Предлагаемые средства мониторинга и управления. Учитывая вышеописанные недостатки системы нормирования и мониторинга, для начала функционирования системы управления качеством воздуха любого промышленного центра представляется необходимым выполнить следующие задачи:

• 1.    Обеспечить систему мониторинга максимально детальной и оперативной информацией о выбросах предприятий и автотранспорта.

• 2.    Обеспечить систему мониторинга информацией, непрерывно поступающей со стационарных постов мониторинга, о приземных концентрациях загрязняющих веществ, выбрасываемых расположенными в регионе предприятиями, включая дурно пахнущие вещества (сероводород, меркаптаны и т.д.).

• 3.    Обеспечить систему мониторинга актуальной информацией о температурах, направлениях и скоростях ветра до высоты 1000 м.

• 4.    Использовать при мониторинге методы и математический аппарат, уже опробованный в мировой практике для моделирования рассеивания загрязняющих веществ. Причем методы расчета, используемые для нормирования, в том числе для сводных расчетов рассеивания, не годятся для оперативного мониторинга, так как рассчитывают максимальные концентрации при наихудших сочетаниях метеорологических параметров и не позволяют учитывать ветер переменной скорости и направления, меняющийся в различных слоях атмосферы.

Продвинуться в решении задачи 1 позволит оснащение средствами непрерывного контроля источников выбросов объектов негативного воздействия 1-й категории в соответствии принятыми в 2018 г. изменениями в законодательстве Российской Федерации6.

Следует заметить, что наличие в системе мониторинга информации о выбросах основных вкладчиков в суммарный выброс SO2, NOx, CO, выбрасываемых дымовыми трубами печей, – высот- ными источниками – вероятнее всего, позволит использовать выбросы данных веществ как индикаторы для настройки моделей рассеивания примесей. Сделать определенный вывод о достаточности информации, поступающей непрерывно от контролируемых источников, будет возможно только после выполнения задач 2–4.

Оценка нефтеперерабатывающего предприятия по критериям оснащения приборами учета, описанным в распоряжении правительства Российской Федерации № 262 и № 428-р от 13.03.2019 г.⁷ показывает, что приборами непрерывного контроля должны быть оснащены дымовые трубы технологических печей, являющиеся вкладчиками 80 %масс. выбросов в атмосферу таких загрязняющих веществ, как SO 2 , NO x , CO. Однако согласно предварительной оценке, в масштабах всего предприятия датчиками будет непрерывно контролироваться не более 47 %масс. от суммарных выбросов. Таким образом, при выполнении упомянутых распоряжений Правительства данные о выбросах источников, вносящих 53 % вклада в суммарное загрязнение атмосферы, останутся вне непрерывного мониторинга. Вне мониторинга остаются также источники выбросов дурно пахнущих веществ (сероводород, меркаптаны и др.), на которые приходится основное количество жалоб населения.

Многие авторы отмечают, что автотранспорт стал в последние годы основным вкладчиком в загрязнение городов [14], поэтому не может не учитываться в системе мониторинга. Для учета выбросов автотранспорта может быть использована методика непрерывного мониторинга выбросов при непрерывном измерении транспортных потоков города, опробованная в Санкт-Петербурге8. Для измерения могут быть использованы данные о скорости движения, отображаемые в интернет-ресурсах, подобных ресурсу «Яндекс. Пробки». Причем данные о скорости движения автотранспорта могут быть привязаны к информации о количестве и видах транспорта, получаемой при видеорегистрации с использованием алгоритмов распознавания образов9 [15].

Для продвижения в выполнении задачи 2 необходима информация о приземных концентрациях выбрасываемых предприятиями и автотранспортом загрязняющих веществ, измеряемых на постах контроля непрерывно или с периодичностью не более 60 минут. Ввиду отсутствия технических средств непрерывного контроля приземного воздуха предлагается начать с использования в системе мониторинга информации, получаемой от дополнительных постов непрерывного автоматического контроля, установленных крупными предприятиями в зоне их влияния. Обязательным условием должно быть оснащение всех имеющихся постов Росгидромета, на которых отбор проб осуществляется периодически, средствами непрерывного контроля и передачи данных, а также установка дополнительных постов с непрерывным измерением и передачей информации в единый информационноаналитический центр.

Для контроля приземной концентрации дурнопахнущих веществ, по нашему мнению, следует оснастить все посты средствами непрерывного измерения суммарной концентрации серосодержащих соединений, сероводорода, меркаптанов и диоксида серы.

Учитывая, что места установки некоторых постов контроля перестали соответствовать требованиям РД 52.04.186-8910 ввиду изменения городской среды, должен быть осуществлен перенос постов контроля ЦГМС в места, определенные методами расчета рассеивания загрязняющих веществ с учетом расположения автотрасс и жилой застройки.

Опыт выбора места установки дополнительных постов контроля воздуха в зоне влияния нефтеперерабатывающего предприятия г. Перми показал, что основным препятствием выбору оптимального места установки постов явилась невозможность согласования в органах Росреестра изменения вида разрешенного использования земельных участков, находящихся в госсобственности, с целью размещения сооружений постов контроля (павильона, ограждения, средств дистанционной охраны и передачи данных). Для исключения указанных проблем в будущем следует предусмотреть изменения в законодательстве, позволяющие в приоритетном порядке изменять вид разрешенного использования, приобретать, брать в аренду участки земли для размещения средств мониторинга атмосферы.

Выполнение задачи 3 предлагается начать с использования для мониторинга распространения загрязнений данные профилемера температуры. Учитывая результаты анализа данных профилемера температуры для адекватного моделирования переноса загрязнений, представляется некорректным не учитывать информацию температурного профиля нижней тропосферы.

Данные ветрового аэростатического зондирования, получаемые дважды в сутки, по нашему мнению, также следует использовать в сочетании с данными температурного профиля. Однако, согласно результатам моделирования [16], подтверждаемыми данными температурно-ветрового зондирования атмосферы [17], над городскими и промышленными территориями могут возникать зоны с повышенной изменчивостью направления ветра, поэтому существующая периодичность получения данных профиля ветра недостаточна для оперативного управления качеством атмосферного воздуха. Тем не менее данные аэростатического зондирования могут быть на первом этапе использованы для настройки моделей рассеивания.

В мировой практике используются средства непрерывного дистанционного ветрового зондирования атмосферы – ветровые профайлеры. Наиболее широко применяемой технологией ветровых профай-леров является использование акустических либо радиолокационных фазированных антенных решеток в ультразвуковых содарах или радарах, работающих в диапазоне от 1 мм до 30 см. Известны также лидары – профайлеры, измеряющие допплеровский сдвиг частоты лазерного излучения для получения информации о профиле ветра и температуры по высоте атмосферы [18].

Бюджетным решением выбора оборудования на первом этапе может быть использование содара с фазированной антенной решеткой фирмы Scintec AG (Германия) «XFAS».

Для выполнения задачи 4 предлагается использовать имеющиеся в свободном доступе программные средства, подробно описанные на интернет-ресурсе Центра поддержки нормативного моделирования атмосферы (Support Center for Regulatory Atmospheric Modeling (SCRAM)) Агентства по защите окружающей среды США (US Environmental Protection Agency) [19].

Данные средства используют комбинацию следующих методов расчета:

– рецепторное моделирование (Receptor Modeling), включая метод факторного анализа – PMF (Positive matrix factorization), которые используют измеренные непосредственно на источниках химические и физические характеристики выбросов в атмосферу загрязняющих веществ для идентификации присутствия и определения вклада источника в концентрацию на постах контроля приземного воздуха (рецепторах);

– в комбинации с методом PFM используется программный пакет HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory), реализующий моделирование распространения загрязняющих веществ с учетом метеоданных: профиля скоростей и направлений ветров, а также температуры по высоте атмосферы;

– моделирование рассеивания, дисперсии и турбулентной диффузии загрязняющих веществ с использованием эйлеровых, лагранжевых и гауссовых моделей.

В работе Б.Х. Санжапова [20] отражен опыт использования в условиях города Волгограда программных пакетов для моделирования дисперсии WRF и CALPUFF, описанных на ресурсе SCRAM.

Разностное решение уравнения турбулентной диффузии, сведенное к последовательности аналитических выражений, полученных в результате аппроксимации и линеаризации решения уравнений гауссовской модели рассеивания, используют и в методике «Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе»6, утвержденной приказом Минприроды России № 237 от 06.06.2017 г.

Полагаем, что выполнение описанных выше задач позволит получать информацию, достаточную для идентификации источников повышенного загрязнения атмосферы с целью выработки управляющих воздействий, направленных на соблюдение санитарных норм качества воздуха в городской черте.

Управляющими воздействиями могут быть как оперативные мероприятия, например, снижение производительности конкретных источников загрязнения атмосферы, ограничение движения транспорта, так и стратегические решения, такие как, например, предписания хозяйствующим субъектам разработать при- родоохранные мероприятия или строительство новых автомагистралей для перенаправления транспортных потоков.

Для реализации механизмов оперативного и стратегического управления качеством воздуха на основании данных мониторинга и моделирования, возможно, потребуется внести изменения в природоохранное законодательство и содержание.

Выводы. Переход к работоспособной системе управления качеством атмосферного воздуха в крупных промышленных городах в интересах проживающих в них людей требует:

– оснащения источников выбросов объектов I категории системами автоматического контроля в онлайн-режиме выбросов загрязняющих веществ;

– развития сети стационарных постов мониторинга широкого спектра загрязняющих, в том числе дурнопахнущих, веществ;

– дополнения систем и методами температурно-ветрового зондирования нижней тропосферы с использованием опробованных в мировой практике методов моделирования рассеивания загрязняющих веществ и рецепторного анализа данных с учетом траекторий движения воздуха в зоне мониторинга.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.