CC BY
23
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРОДОВ ОТ ВЛИЯНИЯ
АВТОТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА
Третьяк Людмила Николаевна
Доктор технических наук, доцент кафедры мерологии, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» Вольнов Александр Сергеевич Ассистент кафедры мерологии, стандартизации и сертификации ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»
Герасимов Евгений Михайлович Старший научный сотрудник по гигиене, г. Оренбург
Многочисленные публикации исследователей сформировали представление об автотранспортном комплексе как основном источнике загрязнения атмосферы городов (сотни тысяч тонн газообразных выбросов автомобильного транспорта), представляющим серьёзную опасность для здоровья населения [1, 2, 3, 4]. Вслед за экологами международные организации обязывают государства модернизировать национальный «автопром» и убрать с автострад автомобили с составом ОГ ДВС, не отвечающим требованиям стандартов ЕВРО 5-6.
Выполнение этих требований приводит к запрету использования в России 17 млн. АТС не соответствующим даже требованиям стандартов ЕВРО 0-1 и существенно сдерживает развитие отечественной автомобильной промышленности не способной «догнать и перегнать» производство автомобилей с «электронным мозгом», имеющим встроенные четырехступенчатые нейтрализаторы.
Прямое применение завышенных норм Евростан-дартов ограничивает возможности автомобилестроения как в России, так и в развивающихся странах, что вынуждает применение западных технологий при производстве АТС.
Наши исследования подтвердили, что в составе отработавших газов ДВС АТС импортного производства выбрасывается на порядки меньше оксида углерода и окислов азота, чем в выбросах отечественных АТС. Однако, ни оксид углерода, ни окислы азоты, составляющие 95 % (по массе) состава автомобильных выбросов, не способны накапливаться в приземном слое атмосферы, и способны создавать токсичный смог только в замкнутых пространствах туннелей и крытых стоянок.
При этом умалчивается факт, что состав загрязнения приземного слоя атмосферы автострад на 60 % состоит из продуктов износа шин, асфальтовых испарений и продуктов их взаимодействия. Исследования НИИ канцерогенеза ОНЦ РАМН показали, что в общем объеме ОГ ДВС выделение ПАУ шинами более значительно (55-60 %), чем ОГ ДВС; за каждые 13 минут городского ездового цикла доля выделений продуктов износа из шин составляет всего один процент по объему, но за это время из шин выделяется больше канцерогенных веществ (56 %), чем из ОГ ДВС (44 %); в том числе бенз(а)пирена (57 % - из шин против 43 % - из двигателя); причем резиновая пыль содержит сажи 26 % против 74 % в составе ОГ ДВС; а вклад шин (39 %) в образование N-нитрозаминов сопоставим с вкладом ОГ ДВС (61 %) [10].
В исследованиях, финансируемых в 90-е годы Агентством по охране окружающей среды США («Evaluation of VOC émissions from heated roofing asphalt»,
ЕРА-600/2-91-061), приводятся данные об объеме эмиссии летучих органических веществ при нагреве асфальта до пластификации. По этим данным 1 м2 асфальтовых покрытий при нагреве выбрасывает в атмосферу (за 1 час) около 40 мг/м2 толуола, более 90 мг/м2 бензальдегида, около 66 мг/м2 декана, 470 мг/м2 тридекана. На основе этих данных, с учетом суммарной длительности жарких дней в Москве, оценено, что объем эмиссий 1 млн. м2 асфальтового покрытия может достигать 665 тонн/год, включая эмиссии толуола и бензальдегида.
Целью нашего исследования была разработка технических решений по снижению токсического влияния автотранспортного комплекса на загрязнение приземного слоя атмосферы автострад. Мы изучили содержание вредных веществ в приземном слое атмосферы автострад г. Оренбурга на 34 самых напряженных перекрестках и сопоставили полученные данные с содержанием ОГ ДВС автомобилей различного типа в процессе их маневрирования при эксплуатации в городском цикле использования. Отбор проб осуществляли специально разработанными пробоотборниками, а для анализа пробы направляли в аккредитованные лаборатории.
Мы разработали методику динамической оценки состава ОГ ДВС с использованием специально разработанного нами съёмного кассетного пробоотборника [6]. Установлено, что в зимний период 2011 года в городе Оренбурге средняя скорость грузового потока составила 32,3 км/ч, что в 1,7 раза «лучше» западного норматива «городского ездового цикла». При этом, коэффициент замедления скорости относительно стандартной (0) составил 0,58 от европейского стандарта как показатель меньшего влияния автотранспортного потока в Оренбурге на загрязнение приземного слоя атмосферы относительно западных мегаполисов [12].
Проведённый эксперимент показал, что в процессе эксплуатации АТС по дорогам г. Оренбурга состав и концентрации ОГ ДВС существенно изменяются, достигая максимальных величин по «потерям углеводородов» при остановках и при малоскоростном маневрировании. При этом установлено, что с увеличением скорости АТС свыше 40 км/ч происходит резкое увеличение выбросов окислов азота, более существенное на АТС с карбюраторными двигателями (таблица 1).
Эксперимент с АТС импортного производства, оснащённым встроенной системой нейтрализации и электронным управлением работы двигателя, показал, что концентрации вредных веществ ОГ ДВС на порядки меньше, чем у автомобилей, не оснащённых нейтрализаторами.
Изменение состава ОГ ДВС в процессе эксплуатации
Таблица 1
Этапы ездового цикла Скорость, км/ч (Частота вращения коленчатого вала, об/мин) Время отбора проб 1 СО, % СпН^ млн-1 СО2, % О2, % да, млн-1
Тип АТС ВАЗ 2109 (карбюраторный двигатель)
Остановка 0 (900) Утро 0,969 2,17 533 16,00 1,04 2927
День 0,960 2,45 434 16,00 0,81 2894
Вечер 0,907 4,44 460 15,00 0,73 1304
Разгон 0-15 (900-1300) Утро 0,971 2,26 547 16,00 1,11 1870
День 0,958 3,02 500 15,60 0,9 1521
Вечер 0,969 2,95 456 15,50 1,16 1331
Движение с постоянной скоростью 40 (1500) Утро 0,928 2,70 452 15,80 0,73 768
День 0,921 4,01 388 15,80 0,52 1680
Вечер 0,979 2,42 380 16,00 1,01 1947
Движение с постоянной скоростью 60 (2300) Утро 0,971 2,03 312 16,00 0,79 2094
День 0,974 2,23 428 16,00 0,89 2467
Вечер 0,998 2,01 265 16,00 1,17 3020
Поворот 15 (1300) Утро 0,927 3,73 462 16,00 0,54 222
День 0,866 5,00 494 14,40 0,45 609
Вечер 0,936 3,34 490 15,80 0,83 437
Тип АТС Юа Rio (инжекторный двигатель)
Остановка 0 (900) Утро 1,030 0,02 2 12,77 1,62 115
День 1,030 0,01 2 13,77 0,62 105
Вечер 1,005 0,05 6 14,24 0,19 306
Разгон 0-15 (900-1500) Утро 1,021 0,13 4 13,07 1,33 193
День 1,041 0,05 4 13,70 0,62 251
Вечер 1,092 0,03 5 12,96 1,34 502
Движение с постоянной скоростью 40 (2500) Утро 1,078 0,18 8 13,44 1,75 176
День 1,026 0,15 6 13,44 0,75 166
Вечер 1,000 0,03 7 14,45 0,03 3
Движение с постоянной скоростью 60 (3000) Утро 1,497 0,08 2 10,87 2,56 91
День 1,096 0,08 0 10,87 1,56 91
Вечер 1,003 0,05 4 14,53 0,20 78
Поворот 15 (1500) Утро 1,011 0,21 12 15,37 1,16 173
День 1,001 0,19 12 14,37 0,16 153
Вечер 1,139 0,07 5 11,23 5,97 107
Тип АТС ВАЗ 2114 (инжекторный двигатель)
Остановка 0 (900) Утро 0,993 0,44 58 16,00 0,13 36
День 0,998 0,23 26 16,00 0,11 39
Вечер 0,987 0,69 41 16,00 0,15 45
Разгон 0-15 (900-1500) Утро 0,995 0,60 39 16,00 0,27 241
День 0,996 0,55 33 16,00 0,27 426
Вечер 0,993 0,42 19 16,00 0,10 157
Движение с постоянной скоростью 40 (2500) Утро 0,980 0,93 48 16,00 0,14 143
День 1,005 0,32 34 16,00 0,37 94
Вечер 1,003 0,65 20 16,00 0,48 38
Движение с постоянной скоростью 60 (3000) Утро 0,986 1,41 59 15,70 0,61 147
День 0,994 0,37 36 16,00 0,13 458
Вечер 0,993 0,39 29 16,00 0,09 358
Поворот 15 (1500) Утро 1,001 0,16 19 16,00 0,14 6
День 1,007 0,05 13 16,00 0,27 409
Вечер 1,000 0,17 16 16,00 0,11 17
Непосредственные измерения ОГ ДВС в условиях эксплуатации показали АТС, что максимум выбросов приходится на моменты остановок (холостой ход) у светофоров с последующим разгоном, причем состав выбросов меняется разнонаправлено и в разы увеличиваются концентрации углеводородов и окислов азота в ОГ ДВС.
При сопоставлении информативности трёх параметров состава ОГ ДВС (СО, N0, СпЫщ), характеризующих техническое состояние системы подготовки топ-ливно-воздушной смеси, мы считаем более объективным и практически значимым метод определения «потерь углеводородов» (ОДл) в составе ОГ ДВС. Оказалось, что
невозможно использовать общепризнанные критерии качества подготовки топливо-воздушной смеси по СО и N0 потому что при скорости 60 км/ч они дают противоположные тенденции в изменении концентраций: снижение СО при одновременном возрастании N0. С практической точки зрения считаем важным контроль концентраций углеводородов в ОГ ДВС вместо контроля СО и N0. Кроме того, обнаружены обратные соотношения динамики концентраций N0 и СО при возрастании скорости относительно отечественного АТС: окислы азота снижались на порядки тогда как концентрации СО увеличивались незначительно. При этом «потери углеводородов» с отработавшими газами оказались максимальными на малых скоростях (15-40 км/ч). Важный для эксплуатации автомобилей показатель - «потери углеводородов» с ОГ ДВС (в пересчёте на гексан) у импортных АТС в сотни раз меньше.
Однако следует учесть, что этот показатель характеризует не экологический класс автомобилей, а качество регулировки и подготовки топливно-воздушной смеси. Именно концентрации углеводородов, а не оксида углерода в ОГ ДВС, мы предлагаем контролировать при ежедневном при выпуске машин на трассы. Концентрации углеводородов мы предлагаем определять по группе легких углеводородов (в пересчете на метан) или суммарно (в пе-
Оказалось, что среднегодовой массовый выброс в приземный слой атмосферы г. Оренбурга 330 автомобилей, эксплуатируемых ЗАО «АК 1825» в городском ездовом цикле составил 2,24 % окислов азота, 2,5 % оксида углерода и 0,12 % диоксида серы от общей массы выбросов предприятий города. Общая масса выбросов «АК 1825» суммарно по предприятию в городском цикле составила 1258,88 т/год. При этом основной вклад выбросов приходится на оксид углерода и диоксид азота, составляющий 4 и 1,5 % от фоновых концентраций г. Оренбурга. Однако ЗАО «АК 1825» ежегодно выбрасывает в приземный слой атмосферы автострад 11,38 тонн сажи, накапливаемой в придорожной зоне. Учитывая способность сажи накапливать бенз(а)пирен на своей поверхности, мы предлагаем её в качестве основного индикатора экологической опасности автотранспортных потоков.
Этот бесспорный факт способности накапливаться в приземном слое атмосферы и на поверхности автострад самых токсичных компонентов состава ОГ ДВС, минимальных по массе и «безопасных» по результатам кон-
ресчёте на гексан) с помощью газоанализатора «ИНФРА-КАР 5М02.02» позволяющего проводить ежесекундный контроль ОГ ДВС.
В ходе камеральных исследований мы разработали методику оценки технического состояния автотранспортного средства по составу ОГ ДВС. По концентрациям анионов и катионов можно судить о качестве используемых моторных топлив и масел; состав и сочетание абразивных частиц металлов дает возможность судить об износе трущихся пар элементов двигателя; наличие частиц тяжелых углеводородов, включая ПАУ в том числе бенз(а)пирен, свидетельствует не только о наличии замазучивания в топливной системе, но и о проскоках зажигания, а также о процессах пиролиза моторных масел. Разработанный нами способ отбора проб высокотемпературных газов и устройство на основе криогенной ловушки позволяет получать и длительно хранить конденсат ОГ ДВС с последующим его анализом требуемыми аналитическими методами [7].
Степень влияния автотранспортных потоков на экологию города существенно зависит от качества дорожного покрытия и технического состояния автомобильного парка. Модификация методики расчета «приведенного пробегового выброса» [11], позволила нам провести исследование массовых выбросов загрязняющих веществ для различных видов автотранспорта (таблица 2).
Таблица 2
троля «в пересчете на ПДК по гексану», заставляет по-новому взглянуть на источник экологической опасности для городских экосистем и методов оценки их опасности для населения. Оказывается, что выброс каждого автомобиля или разовая сумма выбросов всех проходящих автотранспортных средств, опасности не представляет, так как быстро рассеивается или оседает в придорожную пыль, состав которой не нормируется. Также европейскими стандартами не нормируются продукты износа шин и асфальтовые испарения, которые накапливаются и переносятся на большие расстояния, создавая реальную экологическую угрозу.
Известно, что запыленность воздуха при движении по асфальтированному шоссе за одним автомобилем составляет 5-10 мг/м3, за двумя автомобилями - 15-20 мг/м3. По другим данным при движении автомобилей в колонне с интервалом 35 м запыленность воздуха на уровне воздухозаборника двигателя для головной машины составила 0,2 г/м3, для 6-го - 1 г/м3, для 10-го - 1,1 г/м3. Установлено
Массовые выбросы загрязняющих веществ автомобилями ЗАО «АК 1825» в процессе эксплуатации
Вид автомобиля Кол-во единиц Среднегодовой приведенный выброс, тонн
СО NOx CnHm SO2 Сажа
Автобусы на бензине 116 725,77 93,62 55,01 3,86 -
Автобусы на газовом топливе 148 65,26 134,22 20,933 18,47 8,62
Автобусы на дизельном топливе 41 18,08 37,18 5,80 5,12 2,39
Грузовые автомобили на бензине 6 31,80 1,35 3,19 0,15 -
Грузовые автомобили на газовом топливе 5 1,21 2,58 0,67 0,62 0,17
Грузовые автомобили на дизельном топливе 6 1,45 3,10 0,80 0,75 0,20
Легковые автомобили 8 13,18 0,93 2,33 0,07 -
Всего 330 856,75 272,98 88,73 29,04 11,38
также, что максимальная запыленность воздуха на автодороге имеет место на высоте 0,5-1,0 м от полотна дороги и снижается в 3-10 раз на высоте 2 м и более [8].
Таким образом, степень загрязнения приземного слоя атмосферы городов зависит не столько от выбросов АТС сколько от движения взвешенных частиц приземного слоя атмосферы, турбулентность которых поддерживает скорость транспортного потока.
Из этих фактов неизбежен вывод, что максимальное ужесточение требований к составу ОГ ДВС, прослеживаемое в динамике роста требований ЕВРО-стандартов, оказывается тупиковым направлением экологизации автомобильных стандартов, так как не учитывает влияния
продуктов износа шин, асфальтовых испарений и продуктов их взаимодействия, способных формировать токсичные виды фотохимических смогов.
Мы считаем, что требуется разработка регионального стандарта, позволяющего нормировать и оценивать уровень опасности для населения последствий неконтролируемого использования автотранспортных средств в процессе их эксплуатации.
В целях поиска номенклатурных показателей, уровня нормирования и методов оценки соответствия, необходимых для структурирования предлагаемого нормативного документа, мы провели специальные исследования состояния загрязнения приземного слоя атмосферы наиболее напряженных автострад города Оренбурга (рисунок 1).
Рисунок 1. Хроматограммы проб воздуха, отобранных на перекрёстке Проспекта Победы и ул. Шевченко (по МУК 4.1.598-96); хроматограф Кристалл 5000 Испытательного лабораторного центра ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Оренбургской области»
Состав загрязнителей никак не может быть гармонизирован с номенклатурой европейских стандартов. Более того, мы считаем ошибочным требование нормировать токсичность по единичным компонентам.
Оценку уровней токсичности полученных массовых концентраций 24 загрязнителей приземного слоя атмосферы автострад (рисунок 1) мы провели с использованием пяти методических подходов:
- по суммарной величине превышений ПДК («уровень недействующих доз или нулевой токсичности»);
- по показателю «суммарного риска превышений ПДК» с учётом коэффициента, учитывающего класс опасности компонента смеси;
- по показателю суммарного риска превышения уровня пороговых доз;
- по суммарной величине превышений токсичности эталонного компонента смеси (СО или SО2);
- по величине среднесмертельных концентраций (LD5o, мг/кг).
Оказалось, что «нулевой уровень токсичности» и все связанные с ним методики потеряли свою актуальность и практическую значимость при оценке степени загрязнения приземного слоя атмосферы автострад, так как фактические многотысячные величины превышений ПДК (или рисков превышения ПДК) должны привести к запрету использования автотранспорта в городах.
Отечественные токсикологи считают единственно статистически значимым параметром в токсикологии уровень LD50, мг/кг [9]. Мы приняли эту концепцию оценки токсичности, заменив «поглощенную дозу» на известные величины «аэрогенно поглощенных доз» СЬ50, мг/м3 и проведя суммирование токсичности индивидуальных компонентов смеси загрязнителей приземного слоя атмосферы автострад (Х^50, мг/м3).
При этом установлен рейтинг 24 наиболее типичных загрязнителей приземного слоя атмосферы автострад. Установлено, что наибольший вклад в суммарную токсичность составляют: фенол (39,73 % от общей токсичности); хлорбензол (28,37 %); бенз(а)пирен (9,66 %); бензол (8,17 %); толуол (4,58 %); метанол (4,29 %); ацетон (2,72 %); стирол (1,24 %); ксилол (0,66 %); этилбензол (0,21 %).
Нами исследовано долевое участие каждого из 24 загрязняющих веществ в общем комплексе загрязнителей с целью выявления индикаторных веществ, наиболее достоверно представляющих массовое соотношение загрязняющих компонентов. Такими индикаторными веществами оказались: бензол (0,2523); хлорбензол (0,2503); ацетон (0,2235); фенол (0,1295), представляющие наиболее значимую по массе долю в сумме выбросов. Разработанная методика позволяет, определив концентрацию индикаторного компонента по его доле в общей массе, определить общую сумму загрязнителей в кубическом метре анализируемого воздуха, а также и прогнозную массовую концентрацию любого из 24 компонентов смеси.
Выводы
1 Исследование показало, что основная часть загрязнения приземного слоя атмосферы автострад связана не с разовыми выбросами ОГ ДВС, а с накоплением в приземном слое атмосферы автострад ПАУ, тяжёлых углеводородов, сажи и бенз(а)пирена, продуктов износа шин и асфальтовых испарений, ежесекундно вихреобразно поднимаемых транспортным потоком на высоту свыше 3 м от дорожного полотна. Ужесточение норм ЕВРО стандарта до гигиенически безопасных нормативов не может заменить технических мер по удалению с полотна автострад накопленных токсикантов. С учётом анализа мирового опыта мы предлагаем законодательно обязать муниципальные службы проводить регулярные смёт и смыв токсичных накоплений твёрдых и аэрозольных частиц, например, с использованием 1 % раствора сульфолана или других мощных ПАВ.
2 Для снижения токсичного влияния городских транспортно-технологических комплексов на экологические системы и здоровье жителей городов необходима разработка региональных стандартов, регламентирующих допустимую степень загрязнения приземного слоя атмосферы автострад. На примере города Оренбурга мы подготовили проект нового документа, предусматривающего дозную оценку токсичности всего комплекса вредных веществ, выделяемых двигателями АТС, автомобильными шинами и асфальтовыми покрытиями.
3 В проекте стандарта мы обосновали номенклатуру показателей комплексного влияния факторов, загрязняющих приземный слой атмосферы автострад, уровни нормирования, допустимую степень загрязнения приземного слоя атмосферы и методы анализа номенклатурных показателей, что позволило сформулировать методологический подход к созданию типового регионального стандарта, учитывающего допустимую степень загрязнения атмосферы автострад в городах.
4 Для защиты экологии городов мы разработали комплекс технических решений по обеспечению и реализации предлагаемых норм стандарта, в том числе систему защиты органов дыхания водителей АТС, новый принцип организации вентиляции крытых стоянок и гаражей, а также новый тип нейтрализатора ОГ ДВС, функциониру-
ющего по принципу «задержать и уничтожить», практически исключающего выбросы углеводородов в приземный слой атмосферы [5].
Список использованных источников
1. Воронков, Н.И. Состояние и перспективы защиты воздушного бассейна Донецка от загрязнения выбросами автомобильного транспорта /Н.И. Воронков, Н.В. Гринь, В.И. Соловьёв, Е.А. Радошкевич.// Гигиена и санитария. - 1988. - № 12. С. 60-61.;
2. Графкина, М.В. Экология и экологическая безопасность автомобиля: учебник / М.В. Графкина, В.А. Михайлов, К.С. Иванов. - М.: ФОРУМ, 2009. - 320 с.
3. Ерохов, В.И. Токсичность современных автомобилей (методы и средства снижения вредных выбросов в атмосферу): учебник / В.И. Ерохов. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2013. - 448 с.
4. Животова, Е.О. Анализ влияния автомобильного транспорта на окружающую среду региона и мероприятия по снижению /Е.О Животова, Б.К. Жума-шева // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сборник материалов IX Российской НПК (26-27 ноября 2009 г). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ.
- 2009 - 487 с. - С. 92- 102;
5. Заявка 2014129367 РФ, МПК 7 F 0Ш 3/08, F 0Ш 3/20, F 02В 75/10 Способ каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и устройство для его реализации. Третьяк Л. Н./ Вольнов А. С., Третьяк Л. Н., Герасимов Е. М., за-явл. 16.07.2014.
6. Устройство для отбора проб отработавших газов двигателя транспортного средства: патент 2519405 РФ, МПК 7 G01N1/24, G01M15/10. ОГУ/ Вольнов А. С., Третьяк Л. Н., Герасимов Е. М., № 2013108337/05; заявл. 25.02.2013 - опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16 - 9 с.
7. Способ отбора проб высокотемпературных газов и устройство для его реализации: патент 2519405 РФ, МПК 7 G01N1/24. Третьяк Л. Н./ Вольнов А. С., Третьяк Л. Н., Герасимов Е. М., № 2013110591/05, заявл. 11.03.2013 - опубл. 10.09.2014 Бюл. № 25 -12 с.
8. Сайкин, А.М. Обоснование и разработка комплексных методов снижения загрязнения в кабинах карьерных самосвалов отработавшими газами дизелей.: дисс. ...доктора техн. наук: 05.05.03. / А.М. Сайкин.
- Москва: Науч-исслед. автомоб. и автомотор. Инт «НАМИ», 2010. - 393 с.
9. Саноцкий, И. В. Критерии вредности в гигиене и токсикологии при оценке опасности химических соединений / И.В. Саноцкий, И.П. Уланова. - М.: Медицина, 1975. - 327 с.
10. Третьяков, О.Б. Воздействие шин на окружающую среду и человека / О.Б. Третьяков, В.А. Корнев, Л.В. Кривошеева // Агентство научно-технической информации. Научно-техническая библиотека. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/949.html
- Дата обращения 22.10.14.
11. Чекмарева, О.В. Промышленная экология: методические указания к лабораторным занятиям / О.В. Чекмарева, С.В. Шабанова, О.Е. Бударников. Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - 67 с.
12. Щурин, К. В. Гармонизация стандартов Европейского союза и Российской Федерации по оценке влияния автотранспорта на экологические системы городов / К. В. Щурин, Л. Н. Третьяк, Е. М. Герасимов, А. С. Вольнов // Грузовик, 2012. - № 9. - С. 2831.
