Количественная пространственно-временная оценка загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух в результате сгорания топлива автомобильного транспорта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

2. Гончарук Е.И., Сидоренко Г.И. Гигиеническое нормирование химических веществ в почве. М.: Медицина; 1986.

5. Соколов А.В., ред. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука; 1975.

6. Минеев В.Г., ред. Практикум по Агрохимии. Учеб. пособие. М.: МГУ; 2001.

References

1. Rakitskiy V.N. Scientific achievements of the national hygiene and toxicology of pesticides. Zdravookhranenie Rossiyskoy Federatsii. 2008; (1): 15-6. (in Russian)

Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(11)

_DOI: http://dx.doi.org/10.1882/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

Original article

2. Goncharuk E.I., Sidorenko G.I. Hygienic regulation of chemicals in the soil. Moscow: Meditsina; 1986. (in Russian)

3. MacBean. C., ed. A World Compendium. The Pesticide Manual. Sixteenth Edition. Alton, Hampshire: British Crop Production Council; 2012.

4. Conclusion regarding the peer review of the pesticide risk assessment of the active substance imidacloprid. EFSA Scientific Report; 2008. Available at: http://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/doc/148r.pdf

5. Sokolov A.V., ed. Agrochemical methods of soil investigation. [Agrokhimi-cheskie metody issledovaniya pochv]. Moscow: Nauka; 1975. (in Russian)

6. Mineev V.G., ed. Workshop on Agricultural Chemistry. [Praktikum po Agrokhimii. Ucheb. posobie]. Moscow: MGU; 2001. (in Russian)

Поступила 10.03.16 Принята к печати 04.10.16

О РАХМАНИН Ю.А., ЛЕВАНЧУК А.В., 2016 УДК:614.72:656.13

Рахманин Ю.А.1, Леванчук А.В.2

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПОСТУПАЮЩИХ В АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ В РЕЗУЛЬТАТЕ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

'ФГБУ «НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина» Минздрава России, 119992, Москва, Россия 2ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России, 195067, Санкт-Петербург, Россия

В работе представлены результаты исследования количества соединений металлов и полициклических ароматических углеводородов, поступающих в воздушную среду с отработавшими газами автомобильного транспорта. Установлено, что в атмосферный воздух Санкт-Петербурга в составе отработавших газов ежегодно поступает 11 000 т соединений тяжелых металлов и 49,8 т высокотоксичных ПАУ. Обосновано применение предложенного метода инвентаризации выбросов загрязнителей атмосферного воздуха при сгорании топлива автомобилей. Установлено количество ПАУ и металлов, поступающих в окружающую среду, в зависимости от интенсивности транспортного потока. Использование результатов исследования позволит повысить качество санитарно-эпидемиологического надзора на территориях мегаполисов с развитым дорожно-автомобильным комплексом.

Ключевые слова: автомобильный транспорт; загрязнение атмосферного воздуха; отработавшие газы, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Для цитирования: Рахманин Ю.А., Леванчук А.В. Количественная пространственно-временная оценка загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух в результате сгорания топлива автомобильного транспорта. Гигиена и санитария. 2016; 95(11): 1021-1024. DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

Rakhmanin Yu. A.1, Levanchuk A.V.2

QUANTITATIVE SPATIO-TEMPORAL ASSESSMENT OF POLLUTANTS IN ATMOSPHERIC AIR IN THE COMBUSTION OF THE FUEL OF ROAD TRANSPORT

1A.N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Health, Moscow, 119992, Russian Federation; 2I.I. Mechnikov North-Western State Medical University, Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

In the paper there are presented results of the study of the number of compounds of metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) emitted into the environment with exhaust gases of road transport. In the composition of the exhaust gases 11000 tons of heavy metal compounds and 49.8 tons of highly toxic of PAHs in the soil were established to annually be emitted into the ambient air of St. Petersburg. There was justified the application of the method of the emission inventory of pollutants into the atmosphere from the combustion of the fuel of vehicles. There was established the quantity of PAH and metals emitted to the environment in dependence on the intensity of the traffic flow. The implementation of results of the study will allow to improve the quality of the sanitary and epidemiological surveillance in the territories of the cities with the developed road transport industry.

Keywords: road transport; air pollution; exhaust gases; heavy metals; polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

For citation: Rakhmanin Yu. A., Levanchuk A.V.Quantitative spatio-temporal assessment of pollutants in atmospheric air in the combustion of the fuel of road transport. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal) 2016; 95(11): 1021-1024. (In Russ.). DOI: http://dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

For correspondence: Aleksandr V. Levanchuk, MD, PhD., associate professor of the North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov, Saint-Petersburg, 195067, Russian Federation. E-mail: 5726164@mail.ru

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgment. The study had no sponsorship. Received: 28 July 2016 Accepted: 04 October 2016

Для корреспонденции: Леванчук Александр Владимирович, канд. мед. наук, доцент ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава России, 195067, Санкт-Петербург. E-mail: 5726164@mail.ru

1гиена и санитария. 2016; 95(11)

DOI: http://dx.doi.org/10.1882/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

Оригинальная статья

Введение

Интенсивное развитие дорожно-авто-мобильного комплекса способствует появлению новых проблем, которые требуют решения при обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения мегаполисов, где эксплуатация автомобильного транспорта превратилась в основной источник загрязнения окружающей среды [1].

Негативное влияние загрязнителей атмосферного воздуха жилых территорий, обусловленное выбросами автотранспорта, до конца не изучено вследствие чрезвычайной сложности организации исследований в условиях мегаполиса [2]. В связи с этим в настоящее время для учета выбросов от автомобильного транспорта используют расчетные методы [3].

Ранее проведенные исследования [4-7] указывают, на то, что природные (атмосферный воздух, почва, снежный покров) и антропогенные (ливневые стоки и смет с дорожного покрытия) среды на территории мегаполисов содержат в своем составе соединения тяжелых металлов и полициклические ароматические углеводороды. В то же время применяемые в настоящее время нормативно-правовые акты, регламентирующие инвентаризацию выбросов от автомобильного транспорта, не содержат информацию о методике расчета количества поступающих в окружающую среду в процессе эксплуатации автомобильного транспорта соединений металлов и ПАУ.

Цель настоящего исследования - количественная оценка соединений металлов и ПАУ, поступающих в окружающую среду в результате сгорания топлива автомобильного транспорта.

Материал и методы

Исследования проведены на территории Санкт-Петербурга. Для характеристики загрязнителей, поступающих в воздушную среду города от передвижных источников, использованы статистические данные Росприроднадзора. Для определения количества выбросов загрязнителей, входящих в состав отработавших газов, поступающих в атмосферный воздух при сгорании топлива, использовано «Руководство по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2013».

Примененная методика оценки выбросов охватывает загрязнители, входящие в состав отработавших газов, такие как: CO, NO , CH4, неметановые летучие органические соединения (НМЛОС), N2O, CO SOx NH3, ПАУ, тяжелые металлы, содержащиеся в топливе (медь,' свин ец, хром, кадмий, никель, селен, цинк), твердые пылевые частицы (только РМ^, так как более крупными фракциями в контексте выбросов отработавших газов транспортных средств, по мнению [8], можно пренебречь).

Расчеты проведены по формуле:

E. = E/E (FC, х EF..J),

i j1 m 1 j,m i,j,m/ 7

где E. - выброс i-го загрязняющего вещества, г; FC m - потребление топлива транспортным средством категории' j, использующего топливо m, кг; EF, - коэффициент выброса i-го загрязняющего вещества, зависящий от потребления топлива транспортным средством категории j топлива m, г/кг.

Из всего многообразия категорий автотранспортных средств по классификации Европейской экономической комиссии ООН (UNECE) и в соответствии с Кодами НО использована группа автотранспортных средств, охватывающая более 98% всего автомобильного транспорта в Санкт-Петербурге. Учитывали три основные категории: пассажирский, легковой и грузовой транспорт, а также такие виды топлива, как бензин, дизельное топливо, природный газ. Для расчетов использованы усредненные характеристики топлива (ЕВРО II). Для повышения точности расчетов использован тип местности - «городская среда».

Коэффициенты выбросов (EF.j, ) были рассчитаны на основе метода Copert 4 [9], предполагая обычный автомобильный парк. Кроме того были использованы данные EC4MACS [10]. Для отдельных металлов использованы коэффициенты из документов, регламентирующих инвентаризацию металлов в Дании (Winther and Siente, 2010).

Таблица 1

Количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух Санкт-Петербурга при сжигании топлива автомобильного транспорта, тыс. т/год

Источник информации Загрязняющие вещества, тыс. т/год

всего твердые CO NOx ЛОС

Данные Росприроднадзора 464,3 0,8 374,4 38,9 45,1

Результаты расчета в соответствии с Руководством по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 453, 5 2,7 329,6 85,6 34,02*

Примечание. * - неметановые летучие органические соединения.

Результаты и обсуждение

Сравнительный анализ результатов, извлеченных из источников официальной статистики природоохранной деятельности Санкт-Петербурга, и данных, полученных в результате расчета в соответствии с «Руководством по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2013» (Руководство), позволил установить, что величины суммарного показателя выброса, а также показателя выбросов СО и ЛОС, сопоставимы. Показатель выбросов, по данным Росприроднадзора, таких загрязнителей, как N0^ был в 2 раза меньше, чем рассчитанный в соответствии с Руководством. Показатель выбросов твердых пылевых частиц (TSP) был значительно ниже показателя,

Таблица 2

Количество ПАУ, поступающих в атмосферный воздух, в составе отработавших газов автомобилей Санкт-Петербурга (кг/год)

Вещество

Количество выбросов, кг/год

Indeno(1,2,3-cd)pyrene

Benzo(k)fluoranthene

Benzo(b)fluoranthene

Benzo(ghi)perylene

Fluoranthene

Benzo(a)pyrene

Pyrene

Perylene

Anthanthrene

Benzo(b)fluorene

Benzo(e)pyrene

Triphenylene

Benzo(j)fluoranthene

Dibenzo(a,j)anthacene

Dibenzo(a,l)pyrene

3,6 -dimethyl -phenanthrene

Benzo(a)anthracene

Acenaphthylene

Acenapthene

Fluorene

Chrysene

Phenanthrene

Napthalene

Anthracene

Coronene

Dibenz o(ah)anthracene

26.5

27.6

35.4

39.1 458,4 22,9 368,0

10.5 1,6

413,8

97.2 204,6

40.6 3,0 0,5

81.7 69,6 440,0 588,2

97.8 99,1

1 551,3 44 873,5 96,8 3,0 6,0

Всего...

49 785,3

Hygiene & Sanitation (Russian Journal). 2016; 95(11)

_DOI: http://dx.doi.org/10.1882/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

рассчитанного в соответствии с Руководством (табл. 1), что, по-видимому, связано с различными методическими подходами к инвентаризации данных загрязнителей атмосферного воздуха.

Таким образом, сравнительный анализ позволил установить, что результаты сопоставления методов количественного определения загрязнителей, поступающих в окружающую среду с отработавшими газами автомобилей, используемых в России и в соответствии с Руководством, показывают удовлетворительную сходимость по учитываемым Росприроднадзором загрязняющим веществам. Вместе с тем, Руководство позволяет дополнительно рассчитать количество ПАУ и соединений металлов, которые поступают в атмосферный воздух при сжигании топлива автомобилей, но не учитываются в России. Результаты расчетов количества ПАУ и соединений металлов, проведенных в соответствии с Руководством для территории Санкт-Петербурга, приведены в табл. 2 и 3.

Результаты расчетов показали, что сжигание топлива при эксплуатации автомобильного транспорта на территории Санкт-Петербурга приводит к выделению в атмосферный воздух 49,8 т высокотоксичных ПАУ.

7000 -,

60005000-

& 4000-о

2"

и

2 300020001000-

Ni - -О- - Cd

- Hg

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

тыс. автомобилей/ч

и 2

120-1

100-

80-

60-

40-

20-

As - -О- - Se

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

тыс. автомобилей/ч

Original article

Таблица 3

Количество металлов, поступающих в атмосферный воздух Санкт-Петербурга в составе отработавших газов автомобилей, кг/год

Химический элемент

Количество выбросов, кг/год

Мышьяк (As) Кадмий (Cd) Хром (Сг) Медь (Си) Ртуть

Никель (№) Свинец (РЬ) Селен ^е) Цинк ^п)

1 052 51 681 122 960 166 726 37000 57 674 227 621 791 10 338 525

Всего.

11 004 030

£

2 и t 2

25000 -|

20000-

15000-

10000-

5000-

Pb - -О- - Си

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

тыс. автомобилей/ч

1200000-, 1000000800000-

Ь

о

I" 6000002

400000200000-

Zn

-1-1-1-1-1-1-1-1-1

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

тыс. автомобилей/ч

Рис. 1. Зависимость количества соединений тяжелых металлов, поступающих в атмосферный воздух на участке ДАК длиной 1 км при различной интенсивности транспортных потоков в сутки.

гиена и санитария. 2016; 95(11)

DOI: http://dx.doi.org/10.1882/0016-9900-2016-95-11-1021-1024

—Ф— B(b)F — о - Ю(1, 2, 3-Cd)P —А--В(а)Р -—■--—B(k)F

Рис. 2. Зависимость количества ПАУ, поступающих в атмосферный воздух на участке ДАК длиной 1 км при различной интенсивности транспортных потоков в сутки.

Расчетами установлено, что в атмосферный воздух Санкт-Петербурга в составе отработавших газов ежегодно поступает 11 тыс. т соединений тяжелых металлов, в основном - соединения цинка, свинца, меди и хрома.

Сопоставление количества загрязнителей, поступающих в окружающую среду, с их гигиеническими нормативами (для ПАУ ОБУВ порядка 10-4 мг/м3, для металлов ПДК порядка 10-3 мг/м3, в то время как для CO - 3,0 мг/м3, для оксида азота II - 6 • 10-2 мг/м3) свидетельствует о существенном гигиеническом значении загрязнения окружающей среды в мегаполисах соединениями металлов и ПАУ.

При объемной трехмерной визуализации результатов исследования применен специальный функционал программного комплекса Solid Works-Flow Simulation для определения концентраций и траекторий распространения мелкодисперсной пыли (РМ25) в зоне автомагистрали. Исследование рассеивания загрязнителей показали, что на улицах-каньонах, характерных для центральной части Санкт-Петербурга, формируется слой мелкодисперсных пылевых частиц, который постоянно пополняется отработавшими газами автомобилей. Интенсивная эксплуатация автомобильного транспорта и плотная высокоэтажная застройка препятствуют рассеиванию загрязнителей. Движение воздушных потоков инициирует процесс ресуспендирования и способствует увеличению загрязнения воздушной среды.

Для количественной оценки загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух в результате сгорания топлива автомобильного транспорта, произведены расчеты количества тяжелых металлов и ПАУ, поступающих в атмосферный воздух, на участке дорожно-автомобильного комплекса (ДАК) длиной 1 км в сутки при различной интенсивности транспортных потоков (рис. 1, 2).

Использованная методика расчетов позволяет дать количественную пространственно-временную оценку загрязняющим веществам, поступающим в атмосферный воздух в результате сгорания топлива автомобильного транспорта и упростить процесс гигиенической характеристики воздушной среды мегаполисов и крупных городов с развитым дорожно-автомобильным комплексом.

Выводы

Существующая система мониторинга в крупных городах является неполной по учету загрязняющих атмосферный воздух веществ и рисков здоровью населения.

Метод оценки величины выбросов загрязнителей атмосферного воздуха при сгорании топлива автомобилей необходимо дополнить методикой определения количества соединений металлов и ПАУ, что позволит повысить точность результатов расчета и эффективность санэпиднадзора на территориях с развитым дорожно-автомобильным комплексом.

Установленные зависимости количества ПАУ и металлов, поступающих в окружающую среду, от интенсивности транспортного потока позволят проводить экспресс-оценку и давать

прогноз уровня загрязнения атмосферного воздуха в зоне влияния ДАК с различной интенсивностью транспортных потоков.

Для совершенствования мониторинга необходима гармонизация методических подходов количественной оценки загрязнителей атмосферного воздуха ДАК, используемых в России и за рубежом.

Результаты исследования позволяют обосновать изменение спектра загрязнителей, входящих в перечень веществ, при оценке аэрогенного риска здоровью населения крупных городов. Перечень загрязнителей должен включать ПАУ и соединения металлов.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Литература (п.п. 8-10 см. References)

1. Пинигин М.А., Сабирова З.В., Федотова Л.А., Шипулина З.В. Проблемы и пути совершенствования социально-гигиенического мониторинга. Вестник Санкт-Петербургской государственной медицинской академии им. И.И. Мечникова. 2007; (1): 122-3.

2. Рахманин А.Ю., Хрипач Л.В., Железняк Е.В., Зыкова И.Е., Новиков С.М., Волкова И.Ф и др. Влияние загрязнения атмосферного воздуха химическими соединениями на медико-биологические показатели состояния здоровья жителей Москвы. Прикладная токсикология. 2011; 2(4): 38-47.

3. Ватутина Е.Я., Леванчук А.В., Леванчук Л.А., Курепин Д.Е. Графическое представление результатов исследования экологической нагрузки на урбанизированную территорию при воздействии транспортных потоков. Интернет-журнал Науковедение. 2016; 8(2): 100.

4. Ларионов М.В., Ларионов Н.В. Содержание техногенных тяжелых металлов в приземном слое воздуха урбанизированных территорий Поволжья. Современные проблемы науки и образования. 2012; (2): 366.

5. Степанова Н.В., Святова Н.В., Сабирова И.Х., Косов А.В. Оценка влияния и риск для здоровья населения от загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. Фундаментальные исследования. 2014; (10-6): 1185-90.

6. Копытенкова О.И., Леванчук А.В., Мингулова И.Р. Гигиеническая характеристикахимического загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации транспортно-дорожногокомплекса. Профилактическая и клиническая медицина. 2012; (3): 87-92.

7. Леванчук А.В. Загрязнение окружающей среды продуктами эксплуатационного износа автомобильно-дорожного комплекса. Гигиена и санитария. 2014. 93(6): 17-21.

References

1. Pinigin M.A., Sabirova Z.V., Fedotova L.A., Shipulina Z.V. Problems and ways to improve the environment and health. Vestnik Sankt-Peter-burgskoy gosudarstvennoy meditsinskoy akademii im. I.I. Mechnikova. 2007; (1): 122-3. (in Russian)

2. Rakhmanin A.Yu., Khripach L.V., Zheleznyak E.V., Zykova I.E., Novikov S.M., Volkova I.F et al. The impact of air pollution by chemical compounds on the medical and biological indicators of the health of the inhabitants of Moscow. Prikladnaya toksikologiya. 2011; 2(4): 38-47. (in Russian)

3. Vatulina E.Ya., Levanchuk A.V., Levanchuk L.A., Kurepin D.E. A graphical representation of the results of the environmental burden of research on urban territories under the influence of traffic flows. Internet Journal Naukovedenie. 2016; 8(2): 100. (in Russian)

4. Larionov M.V., Larionov N.V. The content of anthropogenic heavy metals in the surface layer of the urbanized areas of the Volga region. Sovre-mennye problemy nauki i obrazovaniya. 2012; (2): 366. (in Russian)

5. Stepanova N.V., Svyatova N.V., Sabirova I.Kh., Kosov A.V. Assessment of risk to human health from air pollution by motor vehicle emissions. Fundamental'nye issledovaniya. 2014; (10-6): 1185-90. (in Russian)

6. Kopytenkova O.I., Levanchuk A.V., Mingulova I.R. Hygienic characteristics of the chemical pollution of the environment during the operation of the transport complex. Profilakticheskaya i klinicheskaya medicina. 2012; 3: 87-92. (in Russian)

7. Levanchuk A.V. @. (in Russian)

8. Cheung K.L., Ntziachristos L., Tzamkiozis T., Schauer J.J., Samaras Z., Moore K.F. et al. Emissions of particulate trace elements, metals and organic species from gasoline, diesel, and biodiesel passenger vehicles and their relation to oxidative potential. Aerosol Sci. Technol. 2010; 44(7): 500-13.

9. Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT). Available at: http://lat. eng.auth.gr/copert

10. European Consortium for Modelling of Air Pollution and Climate Strategies (EC4MACS). Available at: www.ec4macs.eu

Поступила 28.07.16 Принята к печати 04.10.16