COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF THE IMPACT OF THE MAIN SOURCES OF EMISSIONS OF POLLUTANTS ON THE AIR QUALITY OF THE KUIBYSHEVSKY DISTRICT OF SAMARA

Full Text

В конце XX - начале XXI века человечество столкнулось с серьезными проблемами практически повсеместного загрязнения окружающей среды. В настоящее время в России в большинстве промышленных центров сложилась неблагополучная экологическая обстановка. Более чем 100 млн человек проживают в неблагоприятных гигиенических условиях [2, 4, 9, 25]. Следовательно, в настоящее время проблема чистого воздуха в крупных промышленных городах с повышенной техногенной нагрузкой является актуальной и комплексной. К числу наиболее значимых источников, поставляющих в окружающую среду вредные для здоровья человека загрязнители, относятся предприятия черной и цветной металлургии, комплексы химических, нефте- и сланцеперерабатывающих предприятий, производства строительных материалов и автотранспорт [20, 26, 27]. Основная задача таких регионов заключается в реализации комплекса мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, направленного на улучшение экологической обстановки, обеспечение снижения выбросов промышленными производствами [7, 8, 17, 18]. Одной из мер, направленных на снижение антропогенного воздействия на состояние воздушного бассейна, является быстрое реагирование производственных предприятий на изменение концентраций загрязняющих веществ, совершенствование системы мониторинга на территории промышленной площадки, а также открытие дополнительных автоматизированных постов наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха в границах близлежащей жилой застройки. При этом важным для предприятия остается и экономический эффект производства [19]. Данная проблема касается урбаноэкосистем в масштабах как страны, так и отдельных регионов, округов, районов. В этом плане актуальным является разработка мер мониторинга и реагирования на изменения окружающей среды для конкретных территорий, результаты использования которых могут быть применимы и другими субъектами [10, 22, 24]. Целью нашей работы явилось комплексное изучение степени влияния основных источников выбросов загрязняющих веществ на качество атмосферного воздуха в районе с высокой техногенной нагрузкой крупного промышленного центра. В качестве объекта изучения нами выбран воздушный бассейн Куйбышевского района городского округа Самара. Городской округ (г. о.) Самара является крупным промышленным центром, на территории которого функционируют предприятия нефтеперерабатывающей, машиностроительной, химической промышленности, что вызывает изменение экологической обстановки, в частности отражается на качестве атмосферного воздуха в определенных районах. В последнее время экологическая ситуация в Куйбышевском районе г. о. Самара характеризуется как неблагополучная и требует особого внимания для определения источников загрязнения воздушного бассейна и усовершенствования природоохранных мер. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: Обеспечить понимание вклада выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от промышленной деятельности предприятий изучаемого района и определить их роль в контексте общих выбросов соответствующих загрязняющих веществ из всех существующих антропогенных источников. Дать углубленную количественную оценку вклада предприятий регулируемых отраслей в общие выбросы в атмосферный воздух и установить «нерегулируемые» сектора, которые вносят значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха. Предоставить описательные меры и подходы, которые могут быть использованы для предотвращения или сокращения уровня загрязнений от видов деятельности, которые в настоящее время не регулируются. Работа проводилась по нескольким направлениям: 1. Изучение метеорологической и климатической характеристик Куйбышевского района г. о. Самара, анализ режима ветра, способствующего воздействию выбросов предприятий на состав атмосферного воздуха в жилых районах. 57 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 12, с. 56-64 2. Определение вклада основных источников выбросов загрязняющих веществ, оказывающих влияние на экологию изучаемого района. 3. Выявление всех характерных загрязняющих веществ в выбросах предприятий аналитическим методом в зависимости от вида деятельности, а также путём проведения инструментального анализа атмосферного воздуха вблизи источников выбросов, оценка их влияния на экологическую ситуацию Куйбышевского района. 4. Количественная оценка воздействия выбросов предприятий на атмосферу жилой застройки по содержанию следующих приоритетных загрязняющих веществ: сероводород, фенол, диоксид азота, формальдегид, бензол, ксилол, толуол, этилбензол, серы диоксид, оксид углерода, сумма предельных углеводородов С1-С5, сумма предельных углеводородов С6-С10, углеводороды предельные С12-С19. Методы Изучены материалы за 2019 год, предоставленные ФГБУ «Приволжское УГМС» и ФБУЗ «Центр эпидемиологии и гигиены по Самарской области». Проанализированы географические карты, схемы расположения источников, метеорологические параметры, выбросы загрязняющих веществ и границы санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Также использованы данные метеостанций «Са-мара-Смышляевка», «Безенчукская», аэропорта Курумоч о скорости и направлении ветра, температуре воздуха, атмосферном давлении, облачности разных ярусов. Определение относительного вклада различных промышленных предприятий и их выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух Куйбышевского района г. о. Самара проводилось на основе анализа имеющихся первичных данных. Изучались географические карты, схемы расположения источников, метеорологические параметры, выбросы загрязняющих веществ и границы санитарно-защитных зон промышленных предприятий, оценивались материалы за период 2018-2020 годов, представленные промышленными предприятиями, государственными службами - ФГБУ «Приволжское УГМС» и ФБУЗ «Центр эпидемиологии и гигиены по Самарской области» [12, 13, 15]. Для географической привязки и представления результатов расчета использовались спутниковые снимки с сайтов свободного доступа Google Maps и Яндекс-карты, а также ситуационные карты-схемы и схема расположения источников, точки рассеивания загрязняющих веществ, предоставленные предприятиями и управлением муниципальных информационных ресурсов. Точность взаимной привязки расположения источников по всем этим данным составляет 20-50 м, что достаточно для достижения целей данной работы. Нормативы загрязнителей в мощности выброса крупных и средних предприятий Куйбышевского района сравнивались с официальными данными Федераль ной службы по надзору в сфере природопользования. На этапе скрининга оценивались среднегодовые и максимальные разовые концентрации приоритетных загрязняющих веществ, атмосферного воздуха, выбрасываемых предприятиями [1, 5, 11]. Проведено лабораторное исследование атмосферного воздуха в различные периоды года с учетом изменяющихся метеорологических условий в аккредитованной лаборатории (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.516106 от 13.01.2016 г.) на современном аналитическом оборудовании методами хроматографического, электрохимического и фотометрического анализа. Определяли концентрацию сероводорода, фенола, диоксида азота, формальдегида, бензола, ксилола, толуола, этилбензола, серы диоксида, оксида углерода, суммы предельных углеводородов С1-С5, суммы предельных углеводородов С6-С10, углеводороды предельные С12 - С19. За период проведения исследовательской работы выполнено 7 568 измерений максимальных концентраций изучаемых загрязняющих веществ. Для статистической обработки использован пакет «Анализ данных» в Microsoft Excel 2019. Соответствие распределений данных нормальному закону проверяли с помощью показателей асимметрии и эксцесса по правилу трех сигм. Для оценки статистических связей рассчитывали значения коэффициента корреляции Пирсона. Уровень значимости вычислений принимали не ниже p = 0,05. Результаты Куйбышевский район г. о. Самара относится к умеренно-континентальной климатической зоне. Климатические условия района охарактеризованы в табл. 1. Таблица 1 Метеорологические характеристики Куйбышевского района г. о. Самара, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере Наименование характеристики Значение Коэффициент, зависящий от стратификации атмосферы, А_ 160 Средняя температура жаркого месяца, Т° +26,2 Средняя температура холодного месяца, Т° -16,5 Скорость ветра, вероятность которой превышает 5 %, м/с 7,0 Коэффициент, учитывающий рельеф местности 1,0 Среднегодовая роза С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ ветров, % 10 5,0 14,0 4,0 8,0 15 30 14 Особенностью ветрового режима является преобладание в холодный период года юго-западных и южных ветров, в теплый период - западных и северозападных ветров. Наиболее сильные ветры бывают южного направления, средняя годовая скорость ветра составляет 3,2-4,4 м/с. Роза ветров в районе за изучаемый период года представлена на рис. 1. 58 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 12, pp. 56-64 Original Articles Рис. 1. Роза ветров в Куйбышевском районе г. о. Самара в период исследовательских работ в 2019 году На экологическую обстановку Куйбышевского района оказывает влияние наличие предприятий химического и нефтехимического профиля, предприятий транспортного и строительного профиля, жилищнокоммунального хозяйства, а также интенсивные потоки грузового и легкового автотранспорта. Для определения воздействия источников выбросов на прилегающие районы жилой застройки изучаемого района наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха проводятся специализированными службами: ФГБУ «Приволжское УГМС», ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии по Самарской области». На рис. 2 представлена сравнительная характеристика по сезонам в 2019 году уровня загрязнения атмосферного воздуха приоритетными загрязнителями, вносящими наибольший вклад в загрязнение атмосферы изучаемого района - жилой застройки 116 км (район ПНЗ 8) и п. Волгарь (район ПНЗ 91). Таким образом, наибольшая тенденция загрязнения атмосферы наблюдается в переходный период года, при смене атмосферного давления, а именно в осенние месяцы при южном и юго-западном направлении ветра. Для выявления и анализа основных источников выбросов загрязняющих веществ, оказывающих влияние на экологию изучаемого района, мы ранжировали выбросы загрязняющих веществ по 4 категориям: категория 1 - виды деятельности крупных промышленных предприятий района; категория 2 - виды деятельности средних и малых промышленных предприятий; категория 3 - виды деятельности микропредприятий; категория 4 - все другие антропогенные источники загрязнения, например транспортные, бытовые, коммерческие. При анализе полученных результатов установлено, что 26 % общих выбросов загрязняющих веществ в атмосферу происходит из промышленных источников (категория 1). Большая часть выбросов (45 %) поступает из других антропогенных источников категории 4; выбросы от средних, малых и микропредприятий (категории 2, 3) малозначительны и составляют от общей суммы 13, 9, 7 % соответственно. Далее проведен анализ вклада каждого предприятия в загрязнение окружающей среды, с учетом времени работы, количества выпускаемой продукции или перерабатываемых веществ. Для изучаемого района основным фактором, формирующим уровень загрязнения воздушного бассейна, являются промышленные выбросы предприятий с характерным для них составом примесей (смесь углеводородов, диоксид серы, оксиды азота, сероводород, ароматические углеводороды, аммиак, формальдегид). Для учета совместного влияния на среду обитания был проведен отбор объектов путем анализа природоохранной документации, характерный перечень веществ основных промышленных предприятий, выбрасываемых ими при осуществлении своей деятельности. Для оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха выделены значимые предприятия района. По данным о выбросах для каждого промышленного предприятия дано предварительное ранжирование по мощности выброса веществ (в т/в год) и по выраженности неравномерного (импульсного) характера выброса. Информация использовалась далее при скрининге для выделения приоритетных источников загрязняющих веществ (рис. 3). Лабораторные исследования концентрации загрязняющих веществ - сероводорода, фенола, диоксида Рис. 2. Характеристика уровня загрязнения атмосферного воздуха Куйбышевского района г. о. Самара приоритетными загрязнителями по сезонам 59 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 12, с. 56-64 Рис. 3. Распределение анализируемых загрязняющих веществ в выбросах (%) основных предприятий Куйбышевского района г. о. Самара Рис. 4. Уровень загрязнения атмосферного воздуха в контрольных точках наблюдений (%) по приоритетным загрязнителям: а) в теплый период года (июнь - сентябрь); б) в холодный период года (сентябрь - декабрь) 60 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 12, pp. 56-64 Original Articles азота, формальдегида, бензола, ксилола, толуола, этилбензола, серы диоксида, оксида углерода, углеводородов С1-С5, углеводородов С6-С10, углеводородов С12-С19 в атмосферном воздухе проводились с учетом разного режима ветра и его направления в изучаемом районе. По результатам исследований проведен сравнительный анализ уровня загрязнения атмосферного воздуха по приоритетным химическим веществам в зависимости от сезона года в контрольных точках наблюдений (рис. 4 а, б). Обсуждение результатов При анализе полученных результатов распределения выбросов загрязняющих веществ промышленного узла определено, что основной вклад в загрязнение аммиаком, углеводородами С1- С5, C6-C10, формальдегидом, толуолом, этилбензолом, фенолом вносят промышленные предприятия категории 1, в то время как около 70 % всех загрязнений сероводородом вносят предприятия категории 2 (рис. 5). Автомобильный транспорт как основной источник загрязнения в изучаемом районе, относящийся к категории 4 антропогенных источников, также вносит значительный вклад в общий уровень загрязнения атмосферы изучаемой территории. В нашем исследовании производился расчет выбросов от передвижных источников - автомобильного транспорта, зарегистрированного на территории Самарской области, поскольку по иным видам транспорта и специальной техники в региональном разрезе статистический учет не ведется. При оценке полученных результатов выявлено, что каждый час область воздуха, находящаяся в районе исследуемых участков, загрязняется примерно на 12 714,03 л - углерод оксидом, на 2 183,95 л - углеводородами, на 1 009,98 л - диоксидом азота, что свидетельствует о значительной роли автотранспорта по некоторым загрязняющим веществам, присутствующим в атмосферном воздухе изучаемого района (табл. 2). Рис. 5. Распределение загрязняющих веществ (%), образующихся в процессе промышленной деятельности предприятий на территории Куйбышевского района г. о. Самара Таблица 2 Распределение выбросов (л) в зависимости от вида топлива на исследуемых участках автодороги Куйбышевского района г.о. Самара Участок автотрассы по ул. Бакинская Участок автотрассы по ул. Фасадная Тип автотранспорта СО, л Углево дороды (СН4), л NO2, л СО, л Углево дороды (СН4), л NO2, л Бензин 7730,53 1288,42 515,37 4496,36 749,39 299,76 Дизельное топливо 296,86 89,06 118,74 190,28 57,08 76,11 Всего: 8027,39 1377,48 634,11 4686,64 806,47 375,87 При оценке полученных данных с учетом спектра основных выбросов загрязняющих веществ и их источников можно сделать вывод о значительном вкладе нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности изучаемого района в загрязнение атмосферы смесью углеводородов, диоксидом серы, оксидами азота, оксидом углерода. Данный вклад составляет более 80 % общего количества выбросов предприятий. Кроме того, выбросы аммиака в основном осуществляются предприятиями по производству металлических конструкций, сэндвич-панелей, бетона и другими и составляют более 80 % от всех выбросов. Выбросы сероводорода в районе обусловлены деятельностью предприятий по очистке сточной воды, которые осуществляют выброс более 90 % данного соединения. В целом все источники загрязняющих выбросов можно разделить на четыре категории, каждая из которых вносит наибольший вклад в неблагоприятную экологическую ситуацию изучаемого района по конкретным веществам: сероводороду, аммиаку, меркаптанам - предприятия по очистке сточной воды, многочисленные аварии на канализационных сетях района; по фенолу, формальдегиду, аммиаку - интенсивные потоки грузового и легкового автотран- 61 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 12, с. 56-64 спорта, предприятия по производству металлических конструкций, сэндвич-панелей, бетона; по диоксиду серы, оксидам азота и оксиду углерода, смесям углеводородов - предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. При лабораторном исследовании концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе изучаемого района выявлено, что приоритетными загрязняющими веществами являются сероводород, фенол, углеводороды С12-С19, формальдегид, аммиак. Как известно, сероводород, фенол, смесь углеводородов С12-С19, согласно механизмам их биологического действия, при незначительном содержании в воздухе ощутимы на запах, что объясняет поступающие периодически жалобы от населения Куйбышевского района. В нашем исследовании в большинстве проб атмосферного воздуха обнаружены концентрации на уровне 0,2-0,4 ПДК, их токсичность соответствует допустимому и даже минимальному уровню согласно классификации медико-социальных рисков [6]. Однако в период с июня по декабрь 2019 года в районе жилой застройки также зафиксировано превышение ПДК анализируемых веществ в 167 пробах, что составило 16,4 % от всех исследуемых проб. Причем превышение по сероводороду регистрировалось до 5,6 ПДК, по фенолу - до 1,3 ПДК. Полученные результаты согласуются с данными Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации за 2019 год, которые свидетельствуют о том, что качество атмосферного воздуха в городах (по отдельным показателям) по-прежнему сохраняется неудовлетворительным. В 133 городах с населением 50,6 млн человек средняя за год концентрация какой-либо примеси превышает 1 ПДК [3]. По итогам проведенных в 2018-2019 годах исследований качества атмосферного воздуха в различных районах г. о. Самара в целом отмечен рост уровня загрязнения атмосферы аммиаком, снижение - формальдегидом, хлоридом водорода, диоксидом азота, содержание оксида углерода оставалось стабильным. Зафиксированы разовые превышения предельно допустимой концентрации сероводорода в атмосферном воздухе Куйбышевского района (п. Волгарь), что подтверждается и в нашем исследовании. Необходимо отметить, что случаи превышения ПДК по сероводороду, фенолу, углеводородам в воздушном бассейне других районах городского округа за период исследования не выявлялись. Однако были выявлены случаи превышения концентрации в атмосферном воздухе аммиака (в Промышленном районе) и формальдегида (в Кировском районе) [15], что, вероятно, обусловлено наличием промышленных предприятий и других источников, в частности большим автотранспортным потоком. При лабораторном определении концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе выявлена зависимость их содержания от времени года, что также согласуется с данными экологических бюллетеней Самарской области за соответствующие месяцы. Особенностью ветрового режима изучаемого района является преобладание в холодный период года юго-западных и южных ветров, в теплый период - западных и северо-западных ветров. В связи с этим с учетом месторасположения источников выбросов в летний период года случаи превышения концентрации загрязняющих веществ фиксировались реже, чем в холодный период. За исследуемый период они составили 15 % от всех анализируемых проб. В холодный период года при преобладании юго-западного и западного направлений ветра, постоянной смене атмосферного давления чаще фиксируется превышение концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, что составляет 23,3 % от исследуемых проб. При анализе причин загрязнения атмосферного воздуха с учетом розы ветров в различных точках жилой застройки выявлено, что в районе 116 км основную роль играет деятельность близлежащих средних и мелких предприятий, аварийные случаи на коммунальных сетях, сеть АЗС. На территории пос. Волгарь вклад в загрязнение атмосферного воздуха в большей степени вносят очистные коммунальные сооружения, объекты строительства и интенсивный автомагистральный поток. Полученные нами результаты свидетельствуют об эффективности выбранной методологии анализа степени влияния загрязнителей на качество атмосферного воздуха и возможности ее применения для определения состояния воздушного бассейна в жилых районах, расположенных вблизи промышленных предприятий. Согласно данному подходу для комплексной оценки необходимо исследование метеорологической ситуации, а также использование аналитических и инструментальных методов для определения качества воздуха по содержанию в нем приоритетных ксенобиотиков - продуктов выбросов предприятий определенного вида промышленности в различные периоды года. Это позволит осуществлять постоянный мониторинг ситуации на различных территориях и оперативно реагировать на возникающие изменения состава атмосферного воздуха с целью их регулирования и снижения медико-социальных рисков. Таким образом, в исследуемом районе г. о. Самара население подвергается неблагоприятному воздействию химических загрязнителей атмосферного воздуха, источниками которого являются предприятия различного рода деятельности, а также автотранспорт. Ксенобиотики в составе атмосферного воздуха не только оказывают пагубное действие на состояние воздушного бассейна территории, но и отрицательно влияют на здоровье человека, нарушая работу органов и систем, что повышает их медико-социальные риски [14, 16, 21, 23]. Выводы: 1. Неблагоприятную экологическую ситуацию изучаемого района по конкретным загрязнителям создают четыре категории источников, при этом наибольший вклад вносят крупные промышленные 62 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 12, pp. 56-64 предприятия, осуществляющие определенный вид деятельности, и автотранспорт. 2. Приоритетными загрязняющими веществами атмосферного воздуха Куйбышевского района г. о. Самара в 2019 году, по данным проведенного лабораторного контроля, являлись сероводород, фенол, углеводороды С12 -С19, формальдегид, аммиак. При этом концентрации сероводорода, фенола, смеси углеводородов С12-С19 в атмосферном воздухе изучаемого района соответствуют минимальному уровню медико-социальных рисков. 3. Анализ загрязнения атмосферного воздуха с учетом ветрового режима свидетельствует о преобладании случаев превышения концентрации загрязняющих веществ в холодный период года по сравнению с летним. 4. Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории жилой застройки 116 км (район ПНЗ 8) с учетом юго-западного и западного ветров вносит деятельность близлежащих средних и мелких предприятий, аварийные случаи на коммунальных сетях, сеть АЗС; на территории п. Волгарь (район ПНЗ 91) вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят очистные коммунальные сооружения, объекты строительства и интенсивный автомагистральный поток. Авторство Мякишева Ю. В. - организатор исследования, предложила идею статьи, разработала ее концепцию, внесла существенный вклад в дизайн исследования, окончательно утвердила присланную в редакцию рукопись; Михайлюк Н. А. проводила лабораторное исследование, участвовала в анализе данных и подготовке первого варианта статьи, написании окончательной рукописи статьи; Федосейкина И. В. участвовала в планировании обработки данных, контролировала выполнение статистического анализа, участвовала в написании рукописи статьи; Халитова Ю. А. внесла вклад в дизайн исследования и редактирование рукописи; Дудина А. И. участвовала в планировании исследования и написании рукописи статьи. Все авторы утвердили окончательную версию рукописи.

About the authors

Yu. V. Myakisheva

Samara State Medical University

Email: ymyakisheva@yandex.ru
Samara

N. A. Mikhailuk

Society with limited liability «Povolga scientific and technical center for labor protection» Sameko

Samara

I. V. Fedoseykina

Samara State Medical University

Samara

Yu. A. Halitova

Samara State Medical University

Samara

A. I. Dudina

Samara State Medical University

Samara

References

Supplementary files