Нормативные и организационные методы обеспечения экологической безопасности АТС

Нормативно-организационные мероприятия включают формирование нового эколого-правового мировоззрения, эффективную реализацию государственной экологической политики, создание современного экологического законодательства и нормативно-правовой базы экологической безопасности, а также меры государственного, административного и общественного контроля за выполнением функций по охране природы. Они направлены на разработку и исполнение механизмов экологической политики, природоохранного законодательства на транспорте, экологических стандартов, норм, нормативов и требований к транспортной технике, топливно-смазочным материалам, оборудованию, состоянию транспортных коммуникаций и других.

На основе Конституции РУз развивается природоохранительное законодательство. В Уголовном кодексе РУз предусмотрена ответственность за экологические правонарушения. Законодательство об окружающей среде подразделяет законы по двум направлениям: собственно по окружающей среде и по охране природных ресурсов. Вторая группа законов получила большее развитие.

Основополагающими законами по первому направлению являются законы РУз "Об охране природы", "Об экологической экспертизе", "Об особо охраняемых природных территориях", "О радиационной безопасности населения" и др.

Закон РУз "Об охране природы " определяет задачи всего природоохранного законодательства РУз. Центральное место в законе отведено предупреждению нанесения вреда природной среде, стимулированию исполнения экологических требований. Рассматриваются создание экономического механизма охраны окружающей среды, введение государственной экологической экспертизы, требований по экологическому воспитанию и образованию. В законе указаны подлежащие охране объекты природы: естественные экологические системы, озоновый слой, земля и недра, подземные и поверхностные воды, атмосферный воздух, леса и иная растительность, животный мир, микроорганизмы, генетический фон, природные ландшафты.

Природоресурсное законодательство регулирует отношения по использованию и охране отдельных природных ресурсов.

Закон "Об охране атмосферного воздуха" обязывает проводить мероприятия по охране атмосферного воздуха, устанавливает нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

Закон содержит требования по сокращению и очистке выбросов загрязняющих веществ от всех источников загрязнения.

В Земельном кодексе определен порядок отвода земельных участков под предприятия. Последние обязаны в процессе строительства и эксплуатации не допускать загрязнения земель производственными и иными отходами, а также сточными водами.

Отдельные законы перерабатываются и подготовлены их новые проекты.

К правовым документам общероссийского значения относятся также постановления и распоряжения Правительства РУз, указы и распоряжения Президента РУз, инструктивные документы и указания министерств и ведомств.

Министерством транспорта ведется подготовка законопроектов по вопросам государственного регулирования деятельности отдельных видов транспорта и общетранспортным проблемам. Среди них Кодекс (Устав) автомобильного транспорта, Кодекс внутреннего водного транспорта, Законы "О международных автомобильных перевозках и ответственности за нарушение правил таких перевозок", "О транспортной деятельности" и др.

К нормативной документации, действующей на территории РУз, относятся стандарты, строительные нормы и правила (СНиП), санитарные нормы и правила (СанПиН), методические рекомендации, инструкции, руководства и другие документы.

Существует два вида стандартов: государственные (ГОСТ) и отраслевые (ОСТ). Отраслевые стандарты аналогичны государственным, но отличаются по сфере своего действия: если государственные стандарты распространяются на все транспортные объекты, находящиеся в эксплуатации, то отраслевые разрабатываются транспортными ведомствами и устанавливаются только на новую продукцию.

Государственные стандарты, регламентирующие выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух и загрязнение почвы стационарными и подвижными источниками транспорта, включают следующие основные стандарты:

ГОСТ 17.2.2.03 - 87 "Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Требования безопасности". Настоящий стандарт распространяется на автотранспортные средства, изготавливаемые и эксплуатируемые в РУз. Стандарт устанавливает нормы и методы измерения предельно допустимого содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах двигателей на режимах холостого хода и повышенной частоты вращения коленчатого вала двигателя. Значение повышенной частоты вращения устанавливается в технических условиях предприятия-изготовителя. Стандарт не распространяется на автомобили высшего класса, а также автомобили, эксплуатируемые в высокогорных условиях (при высоте над уровнем моря 2000 м и более);

ГОСТ 21393 - 75 "Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений. Требования безопасности". Стандарт распространяется на грузовые автомобили и автобусы и устанавливает нормы и методы измерения дымности отработавших газов на режимах свободного ускорения и максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя;

ГОСТ 17.4.3.03 - 85 "Охрана природы. Почвы. Общие требования к методам определения загрязняющих веществ". В нем изложены общие требования к контролю и методам определения загрязняющих веществ в почве и охране почв от загрязнения.

Строительные нормы и правила используются при проектировании, строительстве и реконструкции объектов, включая транспортные. Они устанавливают экологические требования, обеспечивающие благоприятные условия для жизни, труда и отдыха населения. В них определяются эколого-санитарный режим городов и других населенных пунктов, требования к размещению и строительству предприятий и сооружений, оказывающих вредное воздействие на природу. Строительные нормы и правила регламентируют проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию автомобильных дорог, железнодорожных и автодорожных тоннелей и предприятий транспорта.

Величины ПДК одного и того же вещества для различных объектов окружающей среды не одинаковы. Например, ПДК свинца и его неорганических соединений составляет: в воздухе производственных помещений - 0,01 мг/м3; в воде водоемов хозяйственно-питьевого пользования - 0,1 мг/л; в почве - 20 мг/кг.

В РУз нормы ПДК, как правило, соответствуют самым низким значениям, которые рекомендованы Всемирной организацией здравоохранения.

На основе санитарно-гигиенических нормативов (ПДК разных веществ) разработаны экологические нормативы предельно допустимых выбросов и сбросов вредных веществ (ПДВ и ПДС). Они характеризуют требования к источнику вредного воздействия, вводя ограничения на выброс, сброс, шум, вибрацию, радиоактивное загрязнение и др.

Предельно допустимый выброс (сброс) - максимальное количество вредного вещества, разрешенное к выбросу (сбросу) из данного источника, которое не создает в приземном слое воздуха или в воде концентрацию, представляющую опасность для людей, животного и растительного мира.

Нормы ПДВ и ПДС устанавливаются для каждого вещества и источника с учетом условий выбросов, их распределения во времени и в пространстве и других факторов. Например, в гражданской авиации России в настоящее время действуют нормы ПДВ для летательных аппаратов по четырем компонентам: оксиду углерода, несгоревшим углеводородам, оксидам азота, частицам сажи (дыму). Кроме того, запрещается преднамеренный выброс в атмосферу топлива. Выбор для нормирования именно данных веществ объясняется большой степенью их токсичности, высоким содержанием в отработавших газах и наличием методик измерения.

НОРМАТИВЫ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ АВТОМОБИЛЕЙ

Нормирование ОГ ДВС - одно из основных мероприятий снижения токсичности автомобильных выбросов, постоянно возрастающее количество которых оказывает угрожающее влияние на уровень загрязнения атмосферного воздуха крупных городов и соответственно на здоровье человека.

Впервые внимание к автомобильным выбросам было привлечено при исследовании химии атмосферных процессов (1960-е гг., США, Лос-Анжелес, A.J. Haagen-Smit), когда было показано, что фотохимические реакции углеводородов и оксидов азота способны образовывать многие вторичные загрязнители, раздражающие слизистые оболочки глаз, дыхательных путей и ухудшающие видимость. В связи с тем, что основной вклад в общее загрязнение атмосферного воздуха углеводородами и оксидами азота вносят ОГ ДВС, последние были признаны причиной фотохимического смога, а перед обществом появилась проблема законодательного ограничения вредных автомобильных выбросов.

В связи с этим в конце 50-х годов в Калифорнии была начата разработка стандартов на выброс загрязнителей, содержащихся в ОГ автомобилей, как часть законодательства штата, касающаяся качества атмосферного воздуха. Целью стандарта было "установление максимально допустимых норм содержания загрязнителей в автомобильных выбросах, увязанных с охраной здоровья населения, предотвращением раздражения органов чувств, ухудшения видимости и ущерба растительности". В 1959 г. в Калифорнии были установлены первые в мире стандарты - предельные значения в ОГ СО и CmHn, в 1965 г. - принят в США закон о контроле за загрязнением воздуха автотранспортом (The Motor Vehicle Air Pollution Control Act), а в 1966 г. утвержден государственный стандарт США.

Государственный стандарт был в сущности техническим заданием для автомобильной промышленности, стимулируя разработку и внедрение многих мероприятий, направленных на совершенствование автомобилестроения. Одновременно это позволяло Агентству по охране окружающей среды США регулярно ужесточать стандарты, снижающие количественное содержание токсичных компонентов в ОГ

Наличие последовательно реализуемой комплексной государственной программы, в соответствии с которой законотворческая работа по нормированию выбросов и контроль за ее реализацией для легковых автотранспортных средств (АТС) проводится в США с 1967 г., грузовых АТС и автобусов с бензиновыми двигателями - с 1969, грузовых АТС и автобусов с дизелями - с 1982 г., обусловило то, что за последние 30 лет массовый выброс вредных компонентов автомобильным транспортом в США, несмотря на значительный рост парка, постоянно сокращается и при парке более 180 млн шт. составлял, по данным 1987 г. 46,2 млн т/год, в том числе твердых частиц (включая соединения серы) 1,7 млн т, оксидов азота - 6,6 млн т, углеводородов - 4,7 млн т, оксида углерода - 33,2 млн т, соединений свинца - 2,8 тыс. т/год. При этом темпы уменьшения содержания в ОГ, например, оксидов азота за период с 1985 по 1990 гг. составили 1,3 г/кВт-ч.

Одновременно законотворческая работа по нормированию выбросов ДВС подкрепляется национальным законодательством США о чистом воздухе, которое также постоянно ужесточается [116]. При этом следует отметить, что национальные стандарты США распространяются на все штаты, кроме Калифорнии, где действуют более жесткие стандарты, опережающие государственные.

Разработка первого стандарта на токсичность ОГ автомобилей в Японии относится к 1966 г. Сначала был принят стандарт на содержание оксида углерода в ОГ легковых автомобилей - 5%, в 1969 г. эта норма была ужесточена до 2,5%. В 1972 г. Агентство по охране окружающей среды Японии, как в США, установило стандарты на качество атмосферного воздуха для оксидов серы, оксида углерода и взвешенных частиц (углеводородов), дополненных позднее стандартами на свинец и оксиды азота. С этого времени нормирование вредных веществ в ОГ автомобилей переходит под государственный контроль.

В Европе нормирование ОГ автомобилей разрабатывалось под влиянием автомобильных фирм Франции и ФРГ. В 1971 г. Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК) были приняты правила регулирования (ЕЭК-15), которые как в США и Японии периодически пересматриваются. Правила ЕЭК-15 включают нормы на выброс СО, CrnHn, NOx в ОГ и методы испытаний автомобилей при определении токсичности выхлопов. Эти правила применяются в большинстве западноевропейских стран, хотя в последнее время в Англии, Норвегии, Финляндии, Швеции и Швейцарии приняты более жесткие американские нормативы. С 1995 г. во всех странах Западной Европы будут приняты более жесткие нормы США, которые требуют значительного сокращения выбросов токсичных компонентов с ОГ за счет снижения их количества в процессе сгорания топлива в двигателях и использования нейтрализаторов.

В нашей стране первый государственный стандарт по ограничению вредных веществ ОГ автомобилей с БД был принят в 1970 г. В последующие годы были разработаны и действуют различные нормативные и технические документы, в том числе отраслевые и государственные стандарты (ОСТы и ГОСТы) [118 - 125], в которых отражено поэтапное снижение норм выброса вредных компонентов ОГ.

Следует отметить, что условия и порядок испытаний автомобилей в разных странах регламентируются определенными техническими правилами стандартов и различаются по объему применяемой контрольно-измерительной аппаратуры.

Испытания автомобилей на токсичность бывают двух типов: стендовые для легковых автомобилей с имитацией ездового цикла на беговых барабанах и моторные с имитацией нагрузочных режимов двигателей для грузовых автомобилей и автобусов. Кроме того применяются испытания на холостом ходу, как контрольные, позволяющие определять процентное содержание вредного компонента в ОГ.

Существуют три основных ездовых цикла: американский, японский и европейский, различающиеся продолжительностью отдельных режимов в общем балансе времени работы автомобиля на экспериментальном динамометрическом стенде и методикой проведения анализа.

По жесткости условий нормы американских и японских правил примерно одинаковы. Сравнение европейских требований с американскими показывает, что по показателям для СО и суммы СтНп и NOx для автомобилей с объемом двигателей до 1,4 л нормы американских правил более чем на 50% жестче европейских. Для двигателей с объемом 1,4 - 2,0 л европейские нормы почти достигают американских, а для суммы углеводородов и оксидов азота аналогичны; для двигателей более 2 л нормы выбросов углеводородов и оксидов азота даже ниже американских.

Нормативные значения выбросов углеводородов и оксидов азота для ДВС в нашей стране выше, чем в других странах, оксида углерода - несколько меньше, чем в европейских странах. Это видно на примере норм выбросов токсических веществ с ОГ дизельных грузовых АТС и автобусов на 1990 г.

Как видно из данных, приведенных в табл. 2.1 - 2.2, из-за неодинаковых принципов нормирования, принятых в разных странах, различны единицы измерения норм выброса токсичных компонентов с ОГ ДВС (т/км, г/кВт-ч, г/л.с. и т. д.), т.е. нормирование токсичных компонентов связано как с пробеговыми, так и с удельными выбросами. Так, при учете выбросов относительно величины (единицы) пройденного пути - размерность в граммах на километр, а относительно величины работы, затрачиваемой автомобильным двигателем, - в граммах на киловатт-час.

Нормирование по предельно допустимым концентрациям определяет лишь максимальную концентрацию единичного компонента в воздухе в граммах на кубический метр и для нормирования ОГ пока не применяется, хотя является, по мнению Ю.В. Медовщикова, весьма актуальным. Он считает, что подобного рода зависимости могут быть основаны лишь на сложных имитационных математических моделях распространения различных токсичных компонентов от движущегося источника, хотя возможны и упрощенные расчеты по средним значениям концентрации токсических веществ в составе ОГ на базе данных по стендовым испытаниям.

Использование различной размерности для норм выбросов токсических веществ с ОГ автомобильным транспортом разных категорий вызывает, по мнению специалистов, необходимость приведения их к единым единицам измерения, например, характеризующим пробеговый выброс в граммах на километр. Таким образом появится возможность сравнения не только ездовых циклов, но и различных режимов движения (например, установившегося) или определения выброса токсичных компонентов с ОГ на контрольных режимах движения (скоростях) при оценке показателей топливной экономичности.

В цитируемой работе авторы отмечают также, что в стендовых условиях трудно оценивать токсичность большегрузных автомобилей. В то же время для оценки реальной экологической ситуации необходимо сравнивать разные автомобили в сопоставимых условиях, т. е. на реальном маршруте движения. Эта оценка в отличие от проводимой на стенде с беговыми барабанами достаточно сложна, так как требует создания передвижных быстродействующих и малогабаритных комплексов или приборов постоянного контроля выброса токсичных компонентов с ОГ автомобилей. Несмотря на то, что американские нормы вредных выбросов автотранспорта наиболее прогрессивны, в перспективе намечено их дальнейшее ужесточение и сближение значений американских и европейских стандартов по выбросам моделируемых соединений. Перспективные нормы вредных выбросов, по мнению авторов работы [16], представляют компромисс между необходимостью улучшения экологической обстановки и возможностью реализации уменьшения объемов выбросов вредных веществ с ОГ с помощью конструкционных усовершенствований двигателей, а также средств контроля. Отмечено, что наша страна приняла обязательства по выполнению правил ЕЭК ООН по уровню токсичности ОГ ДВС и введению соответствующих нормативов. Например, в соответствии с этим в 1990 г. подписан контракт "Дженерал Моторс" - ВАЗ, предусматривающий адаптацию систем американской фирмы к автомобилю ВАЗ с целью обеспечить соблюдение норм токсичности по углеводородам и оксидам азота в ОГ в соответствии с нормативами "США - 1993", так называемыми калифорнистскими, которые в 3 раза жестче прежних. Напомним, что нормы "США - 1993" будут введены в Америке в 1995 г. а потом в Европе [128]

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ

К приборам контроля ОГ автомобилей предъявляют, кроме возможности измерения микроконцентраций загрязняющих ингредиентов, требующих от методов контроля высокой селективности и низкого предела обнаружения, еще и специальные требования, связанные с особенностью их эксплуатации. Так как контроль ОГ проводится непосредственно у источников их выделения, то приборы контроля должны быть портативными, иметь автономное питание или возможность подключения к автомобильному аккумулятору, работать при низких температурах окружающей среды. Пробоотборные зонды должны обеспечивать неизменность состава отобранной пробы. Крайне желателен микропроцессор, позволяющий обрабатывать и запоминать аналитическую информацию с последующей выдачей на самостоятельную цифропечать или подключением к персональной ЭВМ.

Другое направление аналитического приборостроения, ориентированного на контроль ОГ автомобилей, связано с разработкой и выпуском приборов, используемых на производственных участках предприятий автомобилестроения, для контроля экологичности двигателя и других систем автомобиля, а также на станциях техобслуживания автомобилей для регулировки этих систем.

Основные физико-химические методы, принципы которых заложены в приборах и установках контроля ОГ автомобилей, приведены в табл. 1.

Спектральные методы. Спектральный недисперсионный (абсорбционный) метод основан на том, что вещества, молекулы которых состоят из атомов различных видов, могут определяться по измерению спектров поглощения в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) областях. В современных анализаторах для выделения нужной спектральной области используют обычно недисперсионные методы, т. е. без разложения излучения в спектр. Чаще всего применяют газовые фильтры в оптико-акустических недисперсионных абсорбционных инфракрасных анализаторах (НДИК), абсорбционные или интерференционные светофильтры в фильтровых фотометрах. Недисперсионный ИК-метод позволяет определять концентрации оксида углерода, углеводородов, оксидов азота, сернистого ангидрида и т. д.

Фотоколориметрические методы анализа - одна из разновидностей абсорбционного оптического анализа, т. е. анализа по поглощению излучения определяемого вещества. Принцип действия фотоколориметрических газоанализаторов основан на измерении интенсивности окраски цветного соединения, образующегося при взаимодействии определяемого компонента газовой смеси со вспомогательным реактивом в зависимости от среды, где происходит эта реакция, фотоколориметры делятся на жидкостные и ленточные. Существенными недостатками ленточных фотоколориметров являются большая погрешность, вызванная неравномерностью пропитки ленты и ее старением, а также сильная зависимость показаний от температуры. Поэтому ленточные фотоколориметры применяют в основном, как индикаторы и сигнализаторы наличия в воздухе токсичных веществ.

В жидкостных фотоколориметрах анализируемый воздух барботируют через раствор вспомогательного реагента. В результате воздействия этого реагента с исследуемыми за- грязнителями в растворе образуется окрашенное соединение. Интенсивность окрашивания пропорциональна концентрации определяемого компонента в воздухе и измеряется фильтровым фотометром.

В спектрофотометрических (дисперсионных) методах кроме недисперсионных оптических газоанализаторов состава атмосферы и вредных промышленных выбросов применяются сканирующие дисперсионные оптические спектрофотометры. Принцип их действия основан на сравнении поглощения двух монохроматических пучков. Один из этих пучков проходит через исследуемый образец, другой - через эталон. В качестве диспергирующего элемента, разлагающего излучение в спектр, могут быть использованы призмы, решетки и интерферометры.

Измерение загрязняющих газов спектрофотометрическими дисперсионными анализаторами производится по их спектрам поглощения в УФ, видимой и ИК областях. Достоинством дисперсионных анализаторов является возможность измерения нескольких компонентов одновременно на различных длинах волн.

Электрохимические методы подразделяются на кондуктометрические, кулонометрические и с электрохимическими преобразователями.

Кондуктометрические приборы работают по принципу поглощения анализируемого компонента газовой смеси соответствующим раствором и измерения электропроводности раствора. В зависимости от состава вспомогательного раствора и геометрии ячейки кондуктометрические газоанализаторы могут измерять такие газы, как оксиды серы, аммиак и т. д.

Для определения оксидов азота и других газов применяются кулонометрические газоанализаторы, в которых ток электродной реакции окисления (восстановления) определяемого компонента несет информацию о его концентрации. Метан очень чувствителен, но не селективен, что требует предварительной обработки газовой смеси и периодичной замены реактивов.

Чувствительный элемент газоанализатора с электрохимическим преобразователем представляет собой сложную систему с желеобразным электролитом, заполняющим пространство между чувствительным и счетным электродами. Верхний слой электролита отделен от прокачиваемого через прибор воздуха тонкой полупроницаемой мембраной прибора. Избирательность прибора обеспечивается материалом мембраны и электродов, составом электролита и величиной потенциалов на электродах

Хемилюминесцентный метод. Хемилюминесцентные приборы газового анализа применяются, в основном, для анализа оксидов азота и озона. В основу метода положено свойство оксида азота при взаимодействии с атомарным кислородом или озоном выделять квант света.

В результате взаимодействия анализируемой газовой смеси происходит реакция окисления с выделением света, который регистрируется высокочувствительным фотоумножителем. Величина сигнала, снимаемого с фотоумножителя, пропорциональна концентрации двуок- сида азота, ее предварительно преобразуют в оксид азота, а затем измеряют по описанной схеме.

Пламенно-ионизационный метод эффективен в газоанализаторах для определения со держания углеводородов. Метод заключается в измерении ионизационного тока между электродами, возникающего при введении в водородное пламя измеряемого компонента. Величина тока пропорциональна концентрации газа. Метод чувствителен, однако большая часть приборов позволяет определять только сумму углеводородов, тогда как очень часто важно знать содержание углеводородов за вычетом биологически неактивного метана. Для устранения влияния метана на показания прибора применяют двухканальные схемы с катализатором или хроматографическими колонками.

Пламенно-фотометрический метод используется при определении соединений серы и водорода. В водородном пламени различные сернистые соединения восстанавливаются до атомарной серы, а затем происходит образование молекул серы, часть из которых возбуждена. Излучение люминесценции лежит в области 350 - 450 нм. Так как в рекомбинации участвуют два атома серы, интенсивность пропорциональна квадрату концентрации атомов серы в анализируемом газе. Чувствительность метода порядка миллионных долей. Анализаторы весьма избирательны по отношению к серосодержащим веществам, но реагируют одинаково на новые соединения серы, т.е. измеряют полное содержание серы в пробе. Определение SO2 в окружающем воздухе пламенно-фотометрическим методом возможно потому, что концентрации других сернистых соединений на порядок или два меньше, чем SO2 и мешающее их влияние невелико.

Флуоресцентный метод успешно используется для анализа двуоксида серы. Принцип действия флуоресцентных приборов основан на измерении интенсивности излучения SO2, возбужденного УФ излучением. Линейность флуоресцентных приборов сохраняется от миллионных долей до их нескольких тысяч, обеспечивая широкий диапазон измерений. Кроме SO2, этим методом можно определять NO2 и СО.

Хроматографический метод. При хроматографическом разделении через хроматографическую колонку протекает газ-носитель, который вносит в нее анализируемую пробу. Разделение происходит благодаря адсорбции отдельных компонентов на активных центрах адсорбента или их растворения в закрепленной жидкой фазе (в случае газожидкостной хроматографии). Если на вход колонки подать смесь компонентов с различными физическими свойствами, то на выходе из нее смесь разделяется на отдельные зоны компонентов и можно зафиксировать эти зоны при помощи детектора пламенно-ионизационного, пламенно-фотометрического, электронного захвата детектора по теплопроводности и т. д.