Крутиков В.Н., Брегадзе Ю.И., Круглов А.Б. (ред.) Контроль физических факторов окружающей среды, опасных для человека

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 5.3. Сравнение тонкой фракции пыли по Йоханнесбургскому соглашению

и соглашению о вдыхаемой (альвеолярной) фракции по стандарту ИСО

7708:1995

По документам TRGS и VDI 2265 фракция вдыхаемой пыли соответствует

количеству пыли, которое отбирается пробоотборником при скорости всасывания

1,25 м/с ± 10 %. При скорости воздуха в окружающей среде 1 м/с и более высокой

рекомендуется отбирать пробы с помощью пробоотборника с кольцевой щелью в

горизонтальном положении, отбор проб соответственно этому определению

относительно легко осуществим.

В США Управление по охране окружающей среды (ЕРА) использует разделение

частиц пыли на три фракции: РМ

, РМ

и РМ

[30], очень схожее со стандартом

ИСО 7708:1995, а предельно допустимые концентрации для минеральных и

неметаллических аэрозолей могут выражаться и в единицах счетной концентрации.

В России действует также гравиметрический метод определения массовой

концентрации взвешенных частиц пыли - ГОСТ 17.2.4.05-83 [4], устанавливающий

определение разовых и среднесуточных концентраций частиц пыли в диапазоне

0,04...10 мг/м

, без ограничений на дисперсный состав. Методическими указаниями

МУ 4436-87 [11], используемыми в Руководстве Р 2.2.755-99 для оценки

показателей вредности и опасности аэрозолей [14], задан верхний предел размеров

частиц преимущественно фиброгенного действия. Существует мнение, что лучшим

показателем вредности пыли является не массовая или счетная концентрация, а

удельная величина поверхности (м

/м

) частиц.

5.3. Нормирование параметров аэрозольного

воздействия

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

411

Нормирование величин, характеризующих воздействие аэрозолей, обусловлено

показателями вредности и опасности самого воздействующего фактора,

механизмами осаждения частиц (инерционными, седиментационными или

диффузионными), а также имеющимися методами и приборами для измерения

параметров аэрозоля.

Аэрозоли преимущественно фиброгенного воздействия относятся к

физическим, аэрозоли различных химических веществ, соединений, получаемые

химическим синтезом, в том числе некоторые вещества биологической природы

(антибиотики, витамины, гормоны, ферменты, белковые препараты) - к

химическим, а микроорганизмы-продуценты, живые клетки и споры,

содержащиеся в препаратах, патогенные микроорганизмы - к биологическим

вредным факторам [1].

При гигиенических исследованиях воздействия пыли прежде всего необходимо

решить вопрос о методе измерения параметров пыли, в частности, нужно ли

измерять счетную концентрацию (м

-3

) или массовую (мг/м

) и, как отмечалось

ранее, важно знать, в каком диапазоне размеров частицы оказывают наибольшее

воздействие. Перечень международных стандартов ИСО по контролю качества

воздуха насчитывает более 30 наименований, предусматривающих определение

фракционного состава воздуха, определение как массовой, так и счетной

концентрации отдельных компонентов загрязнителей различными методами:

гравиметрическим, электронной и оптической микроскопии, мембранной

фильтрации [26].

Установление предельных допустимых концентраций пыли - проблема особой

трудности, требующая обширного статистического материала и времени. В

атмосфере могут задаваться как предельно допустимые концентрации (ПДК), так и

ориентировочные безопасные уровни воздействия вредных веществ (ОБУВ),

выраженные в мг/м

. Нормы ПДК и ОБУВ для наиболее распространенных

загрязнителей приведены в табл. 5.1 [9].

Таблица 5.1

Нормы ПДК и ОБУВ

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

412

Среда Исследуемый параметр

ρ, 10

кг/

ПДК, мг/м

(максимальная

разовая)

ОБУВ,

мг/м

Пыль неорганическая с содержанием

диоксида кремния, %:

выше 70 (динас и др.) 2,6-3,2 0,16

70-20 (шамот, цемент затвердевший и

др.),

1,85-2,2 0,3

ниже 20 (доломит и др.) 1,85-2,2 0,5

Пыль асбестосодержащая [с

содержанием хризотил-асбеста до 10 %

(по асбесту)],

0,06 (среднесуточная)

асбест, асбестовый сланец 1,8 - 2,76

Пыль костной муки (в пересчете на

белок), кость слоновая

1,85 - 1,92 0,01

АТМОСФЕРА

Пыль стекловолокна,

стекло кварцевое техническое

1,8 - 2,0

1,18 - 2,2

0,06

В списке особо вредных аэрозолей содержатся также полициклические

ароматические углеводороды и другие органические соединения, сульфаты,

нитраты, соли других кислот и сотни других веществ. Анализ химического состава

аэрозолей представляет отдельную достаточно сложную задачу. Здесь перечислены

лишь основные методы, используемые для получения этих данных. Классическими

являются методы хроматографии и «мокрой химии», когда состав аэрозолей

определяют после осаждения аэрозольной пробы на фильтр. В последнее время

развиваются в основном оптические и рентгеновские спектроскопические и

спектрометрические методы: метод PIXE, ионно-лучевой, метод атомной масс-

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

413

спектроскопии, инфракрасной, флуоресцентной и фотоакустической

спектроскопии и ряд других.

Исследование атмосферы с целью определения ее загрязненности различными

видами микроорганизмов является необходимым звеном санитарно-

эпидемиологических мероприятий, проводимых в рамках общей программы

контроля за состоянием окружающей среды. Регулярный мониторинг проводится в

различных природных и урбанизированных условиях.

Наиболее существенным источником микробного загрязнения окружающей

среды являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, предприятия

пищевой промышленности и предприятия, использующие в технологическом

процессе различные биологические штаммы-продуценты. В загрязненном воздухе

рабочей зоны таких предприятий возможно наличие высоких концентраций (до 10

микробных клеток в 1 м

) различных видов микроорганизмов, являющихся

источником возникновения ряда гнойно-воспалительных и инфекционно-

аллергических заболеваний органов дыхания человека. Большое значение имеет и

контроль микробной загрязненности воздуха в медицинских учреждениях,

например, в инфекционных больницах, родильных домах, в детских дошкольных и

образовательных учреждениях и т.д. Контроль за микробной загрязненностью

атмосферы особенно актуален для городов-мегаполисов, характерной чертой

которых является наличие многочисленных зон скопления людей, таких как

транспорт, обслуживающие учреждения, места отдыха и так далее, в которых

создаются благоприятные условия для быстрого распространения воздушно-

капельных инфекций. Таким образом, разработка методов и соответствующего

приборного оборудования для экспресс-анализа воздушной и водной сред,

позволяющих на общем фоне загрязнения определять его биологическую

составляющую и, по возможности, идентифицировать видовую принадлежность,

является чрезвычайно актуальной проблемой. Данный вывод подтверждается

резким увеличением в 90-е годы числа научных публикаций, посвященных данной

теме.

5.4. Общая характеристика методов и приборов

измерения параметров запыленности воздуха

Измерение дисперсных параметров пыли является трудной технической задачей,

что обусловлено тем, что пыль является сложной многопараметрической системой

[17]. Методы измерения параметров пыли можно разделить на две основные

группы: методы, основанные на предварительном осаждении, и методы без

предварительного осаждения. [23].

Основным преимуществом методов первой группы является возможность

измерения массовой концентрации. К недостаткам следует отнести цикличность

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

414

измерения, высокую трудоемкость, низкую чувствительность, что обусловливает

длительность пробоотбора до нескольких часов при измерении малых

концентраций. Для методов первой группы используют приборы предварительного

осаждения, которое может быть осуществлено путем седиментации или

инерционного осаждения частиц с помощью термо- или электропреципитатора.

При этом размеры частиц могут быть определены по скорости их осаждения,

например, оптическим методом. Если частицы электрически заряжены, то их

скорость и размер могут быть определены по скорости их движения в

электрическом поле. Определение концентрации частиц производится либо путем

счета частиц визуально, либо с применением современных средств (видеокамера,

фотография).

В качестве базового для определения массовой концентрации частиц принят

метод прокачивания аэрозоля через фильтр с помощью отсасывающего

компрессора.

Основной проблемой при использовании методов, основанных на

предварительном осаждении частиц, является получение представительной пробы.

Эффективность этих методов зависит от условий отбора проб и

неопределенностей, вносимых пробоотборным устройством и связанных с

неизбежными искажениями внутри прибора. Кроме того, выполнение условий

изокинетичности в общем случае невозможно из-за непостоянства скорости

аэродисперсной среды. Условия изокинетичности выполняются только в случае

равенства по величине и направлению скорости всасывания аэрозоля в прибор и

внешней скорости течения.

Первыми приборами, разработанными для отбора проб аэрозоля, были

инерционные, которые появились в конце XIX - середине XX веков. Типичными

приборами такого типа являются импакторы и импиджеры, конифуги, термо- и

электропреципитаторы с автоматическим исследованием частиц

фотоэлектрическими методами.

Один из перспективных методов измерения концентрации пыли -

пьезоэлектрический, при котором возможны два варианта использования:

изменение частоты колебаний пьезокристалла при осаждении на его поверхность

пыли и за счет электрических импульсов, возникающих при соударении частиц

пыли с пьезокристаллом. Применяют также радиоизотопные и фотоэлектрические

методы, основанные на определении концентрации осевшей на фильтре пыли по

изменению коэффициента поглощения радиационного или оптического излучения

до и после осаждения частиц аэрозоля на фильтр.

Свободными от недостатков методов измерения с предварительным осаждением

частиц аэрозоля являются приборы без предварительного осаждения частиц.

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

415

Эти приборы используют в основном оптические и электрические методы

измерения параметров аэрозоля. По сравнению с другими методами,

применяемыми для этих целей, оптические методы обладают рядом преимуществ:

они быстродействующие, не вносят искажений в исследуемый объект и не

изменяют его свойства, дают возможность проведения дистанционных измерений

[25].

Оптические методы измерения основаны на использовании свойств рассеянного

и поглощенного в аэрозольной среде оптического излучения. Наибольшее

распространение получили:

методы, основанные на измерении поглощения оптического излучения

аэрозолем;

методы, основанные на измерении параметров индикатрисы рассеянного

излучения; в том числе:

метод счета частиц по измерению интенсивности рассеянного излучения.

Метод, основанный на измерении коэффициента поглощения оптического

излучения, является наиболее простым. Согласно закону Бугера-Бэра (при

предположении однократности рассеяния) коэффициент поглощения слоя

аэрозолей длиной L равен

I / I

= exp-[f(d)NL], (5.3)

где I

- интенсивность зондирующего излучения, I - интенсивность излучения,

прошедшего слой аэрозоля, N - счетная концентрация частиц, f(d) - сечение

экстинкции частиц аэрозоля, предположительно сферической формы, и при

условии, что

где d - диаметр частиц аэрозоля, λ - длина волны зондирующего излучения.

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

416

Таким образом, данный метод позволяет определить оптическое сечение частиц

и может применяться при известном диаметре частиц d для определения объемной

концентрации частиц. При измерении полидисперсной среды обычно производят

калибровку приборов другими методами, например, гравиметрическими.

Применение данного метода измерения предполагает или знание дисперсного

состава аэрозолей, или постоянства его дисперсного и физико-химического состава

в процессе эксплуатации прибора при его предварительной калибровке.

Индикатриса рассеянного излучения является более информативным

параметром и позволяет определить функцию распределения частиц по размерам,

счетную концентрацию частиц, объемную концентрацию частиц в рамках

определенных модельных представлений о форме частиц (например, сфера).

Обычно используют так называемый метод малоуглового рассеяния [28],

использующий явление дифракции Фраунгофера на сферах.

Индикатриса рассеяния I(β) в приближении Фраунгофера может быть записана в

виде

, (5.4)

где с - нормирующий множитель, β - угол рассеяния,

, I

, λ - интенсивность и длина волны зондирующего излучения, - функция

распределения частиц по ρ, J

(ρβ) - функция Бесселя 1-го рода первого порядка.

При определении f(ρ) по текущим значениям индикатрисы решение уравнения

(5.4) имеет вид [18]

(5.5)

где

I(β) = Θ(β) - Θ(∞);Θ(β) = β

´ I(β) / I

;

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

417

(x) = -2pY

(x) ´ [2xJ

(x) - J

(x)] - 4, (5.6)

где Y

(х) - функция Неймана, J

(x) - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка.

При справедливости допущения о кусочно-постоянном характере f(ρ) уравнение

(5.4) может быть трансформировано в систему линейных уравнений, которая затем

решается с помощью компьютера [18]. Значение нормирующего множителя с и

величина счетной концентрации N определяются с помощью закона Бугера-Бэра.

На этом принципе измерения построены приборы фирмы Malvern (Англия),

Frich (Германия) и МИД-5 (Россия).

Для измерения малых концентраций частиц аэрозолей широко используются

счетчики частиц, основанные на измерении интенсивности рассеянного частицей

света. При этом в момент измерения в освещаемом объеме счетчика находится

только одна частица. Импульсы рассеянного света регистрируются

фотоприемником и поступают на амплитудный анализатор или аналогово-

цифровой преобразователь. Таким образом, определяется не только счетная

концентрация частиц, но и их дисперсный состав, объемная концентрация. К

приборам этой серии необходимо отнести счетчики фирмы Hiac-Royco (США),

АЗ-5, ПК.ГТА 0,3-002, ПКЗВ-906, «Монитор-93Б» (Россия).

Параметры счетчика частиц в существенной степени зависят от угла рассеяния,

под которым регистрируется свет. Обычно в счетчиках используют углы рассеяния

равные 90° или близкие к 0°. Счетчики с углом 0° целесообразно применять для

регистрации частиц, коэффициент преломления которых изменяется в широких

пределах, поскольку в области малых углов определяющую роль играет

дифракционная составляющая, которая мало зависит от материала частиц.

Однако счетчики аэрозольных частиц обладают существенным недостатком,

связанным с необходимостью отбора пробы из потока частиц, что влечет за собой

неизбежные неопределенности измерения дисперсного состава и счетной

концентрации.

Электрические методы измерения параметров аэрозоля можно подразделить на

индукционный, контактно-электрический, емкостной и пьезоэлектрический.

В основу индукционного метода положено определение наведенного на

электроде камеры заряда, возникающего при движении через камеру заряженных

частиц. Величина заряда является мерой массовой концентрации частиц аэрозоля.

Наибольшее распространение получил метод зарядки пылевых частиц коронным

разрядом. При этом поток частиц сигнала пропускают через зарядную камеру,

состоящую из цилиндра и расположенной по его оси коронирующей иглы или

нити, а затем направляют в измерительную камеру, в которой и измеряется заряд,

приобретенный частицами. Хотя приборы, построенные по этому принципу, могут

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

418

иметь довольно простую конструкцию, однако им присущи и недостатки,

связанные с особенностями работы с высоковольтной аппаратурой, а также

погрешности, обусловленные неопределенностью значения величины заряда,

приобретенного частицами аэрозоля в неоднородном электрическом поле.

Контактно-электрический метод основан на способности частиц аэрозоля

электризоваться при соприкосновении с твердым телом. При этом основными

элементами прибора являются электризатор, где происходит зарядка пылевых

частиц, и токосъемный электрод, которому частицы передают свой заряд. В этом

случае величина тока в цепи токосъемного электрода зависит от концентрации

частиц. Очевидно, что величина заряда существенно зависит от физико-

химического состава вещества пыли, а также влажности и температуры воздуха.

Методу присущи также и неопределенности, обусловленные пробоотбором.

Емкостной метод основан на изменении емкости конденсатора при введении

частиц аэрозоля между его пластинами. Параметры измерительного средства на его

основе в существенной степени зависят от физических свойств частиц аэрозоля - их

проводимости и диэлектрической проницаемости. Поэтому пользоваться этим

методом целесообразно при неизменных физических параметрах частиц аэрозоля с

предварительной калибровкой прибора на его основе.

Пьезоэлектрический метод измерения концентрации частиц аэрозоля основан

на возникновении электрических импульсов на электродах пьезокристалла при

соударении частиц аэрозоля с кристаллом, причем амплитуда электрических

импульсов будет зависеть от массы частицы, ее размеров и скорости соударения с

пьезокристаллом. Поэтому приборы, построенные по такому методу, должны

обладать системой пробоотбора со всеми присущими ей недостатками, или

пьезоэлемент должен помещаться в движущийся с известной скоростью аэрозоль.

Приборы, используемые для контроля микробного загрязнения воздуха, можно

разделить на два основных типа: первый, связанный с предварительным отбором

проб и последующим их анализом с использованием современных биофизических

методов индикации белковых субстратов [21], и второй, основанный на явлении

флюоресценции белков в поле возбуждающего ультрафиолетового (УФ)

излучения.

Первый тип приборов для контроля микробиологического загрязнения воздуха

основан на инерционном, седиментационном методах и методе фильтрации.

Метод инерционного осаждения и метод осаждения под действием

центробежных сил используются в пробоотборниках-импакторах. Эти методы

основаны на осаждении частиц - носителей микроорганизмов на поверхность

питательной среды. Затем подложку с питательной средой инкубируют в течение

заданного времени. Для роста колоний бактерий ее выдерживают при температуре

от 30 до 35 °С обычно в течение 48 ч. Дополнительная инкубация в течение 72 ч

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

419

при температуре от 20 до 25 °С обеспечивает рост грибков. Инерционный метод

основан на осаждении частиц микробного аэрозоля из воздушного потока на

поверхность питательного агара с последующим инкубированием

(проращиванием) осевших микроорганизмов в термостате. Через определенное

время микроскопические частицы аэрозоля дают на поверхности агара видимые

глазом колонии микроорганизмов (колониеобразующие единицы - КОЕ), число

которых можно подсчитать под микроскопом визуально или с помощью

современной видеотехники.

Несмотря на разнообразие конструкций, во всех приборах-пробоотборниках

инерционного типа частицы аэрозоля при набегании на препятствие (поверхность

агара или жидкости) в силу инерции не огибают препятствие, а продолжают

прямолинейное движение до столкновения с препятствием (импакция). Приборы,

действующие по принципу инерционного осаждения на твердые поверхности -

импакторы, бывают щелевыми, с ситовыми решетками, центрифужного типа

(ротационные). В первых аэрозоль входит в щель и далее попадает на

вращающуюся чашку Петри с агаром (отечественный прибор: модель 818 - прибор

Кротова, зарубежный BIAP SLITSAMPLER - Швеция). Во вторых аэрозоль

проходит через решетку с калиброванными отверстиями, диаметр которых

рассчитан на инерционное осаждение частиц массой больше заданной. Обычно это

частицы размером более 5 мкм. В каскадных импакторах используют несколько

ступеней (каскадов) с последовательным увеличением скорости прохождения

аэрозоля через отверстия с меньшим, чем в предыдущей ступени, диаметром.

Таким путем удается осаждать аэрозольные частицы размером от 5 до 10 мкм и

получить распределение частиц аэрозоля по фракциям (импактор Андерсена,

импактор Мея и др.) В ротационных импакторах осаждение аэрозольных частиц

происходит за счет центробежной силы также на поверхность агара.

Импакторы позволяют определять число аэрозольных частиц, содержащих то

или иное количество микроорганизмов, находящихся в пробе воздуха

определенного объема.

В импинжерах осаждение аэрозольных частиц, содержащих микроорганизмы,

происходит в жидкости (обычно это физиологический раствор - 0,9 %-ный раствор

NaCl в дистиллированной воде). В жидкости частицы деагрегатируются, в итоге

получается микробная суспензия. Последующий посев суспензии на чашки Петри

и инкубирование в термостате также дает рост колоний, однако здесь каждая

колония формируется из одной микробной клетки, а не из агрегированных клеток,

как это происходит в импакторах. Таким образом, импинжер дает представление о

количестве микробных клеток в отобранной пробе воздуха (или в единичном

объеме). Отметим, что в импинжерах происходит значительная гибель клеток при

контакте с физиологическим раствором.

При выборе того или иного пробоотборника нужно принимать в расчет

величину (объем) отбираемой пробы, которая должна быть достаточно

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

420