Мониторинг загрязнения воздуха

Разработка системы мониторинга загрязнения воздуха в местах расположения животноводческих комплексов с использованием беспилотных воздушных судов.

Промышленная технология на животноводческих комплексах неизбежно связана с высокой концентрацией скота, а следовательно, и с большим количеством выделений. Из животноводческих помещений в атмосферу поступает аммиак, сероводород, углекислый газ, меркаптан

Довольно высокая и опасная для человека концентрация этих выбросов распространяется на расстоянии 100-150 метров от помещений и сохраняется до 500 метров.

Для человека эти газы далеко не безвредны т.к. содержат спектр органических и химических соединений, вызывающих головные боли, интоксикацию, общее ухудшение самочувствия, снижающие защитные функции организма. Естественные микробиологические процессы начинают разрушать навоз с образованием летучих продуктов распада практически немедленно после дефекации животного.

Не обходима система мониторинга, обработки , анализа  и  борьбы с негативным воздействием на окружающую среду в местах размещения животноводческих комплексов

1. Научная составляющая инновационного проекта
1.1. Средства мониторинга:
Для проведения мониторинга воздушной среды предлагается использовать комплексы на базе малогабаритных БЛА вертолетного или самолетного типа, оснащённые навесным оборудованием, таким как: цифровой фотоаппарат, видеокамера и газоанализатор.  Предлагаемая система мониторинга с использованием БЛА, позволит оперативно и с высокой точностью определять уровни загрязнения атмосферы на различных высотах и строить 3-хмерные модели загрязнения атмосферного воздуха, что позволит повысить эффективность наблюдений при снижении себестоимости проводимых работ.

1.2. Функциональное назначение
Система мониторинга загрязнения воздуха в местах размещения животноводческих комплексов,  с использованием беспилотной авиационной системы (БАС), будет обеспечивать автоматизацию сбора и анализа информации о концентрациях в воздушном пространстве аммиака, сероводорода, меркаптана (по метилмеркаптану), выполнять автоматическую интерпретацию полученных данных в виде 3D моделей или построения полей концентрации загрязнения атмосферного воздуха.
Анализ обработанных системой данных позволит осуществлять  планирование развития животноводческой отрасли.

1.3.  Результат 
•Организация дистанционного мониторинга больших территорий без непосредственного участия человека с использованием беспилотных летательных аппаратов.
•Производство измерений, которые позволят получать количественные и качественные характеристики состояния окружающей природной среды с полным перечнем контролируемых параметров.
•Выявление причины изменения  показателей состояния атмосферы и оценка последствия таких изменений, а также определение корректирующих мер в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигают.
•Прогноз изменения состояния качества атмосферы населенных пунктов,  которые находятся под влиянием изменений выбросов вредных веществ. Проведение воздухоохранных мероприятий на объектах животноводства. Планирование природоохранных мероприятий.
•Обеспечение системы управления природоохранной деятельностью своевременной и достоверной информацией о состоянии окружающей среды в местах размещения животноводческих комплексов.

2. Основные потребительские качества и параметры системы мониторинга.

Для эффективного использования газоанализатора, на этапе подготовки, производится планирование замкнутого маршрута полета по «расходящейся спирали», либо «змейкой». Целью полета является наискорейший облет набора точек, местоположение которых задано с учетом ветра и местонахождения обследуемого объекта

Разрабатываемый газоанализатор представляет из себя герметичный блок, который предназначен  для решения задач дистанционного мониторинга атмосферы. Газоанализатор устанавливается на внешней подвеске БПЛА и питается от системы электропитания летательного аппарата.

В состав мониторингового комплекса входит.

Бортовое оборудование БПЛА состоящее из  штатного пилотажно-навигационного комплекса, бортовых средств дистанционного управления БПЛА и разрабатываемого блока газоанализатора.
Средства приёма и обработки полученных результатов измерений.
Наземная часть оборудования обеспечения полётов БПЛА.

Методы и способы решения поставленных задач для получения ожидаемых характеристик

Для решения  задачи регистрации концентраций аммиака NН3, сероводорода H2S и меркаптана (по метилмеркаптану) CH3SH -  применены электрохимические преобразователи концентрации  (сенсоры) предназначеные для преобразования массовой концентрации искомого газа в величину электрического сигнала, прямо пропорциональную содержанию газа в  воздухе (газовой смеси) контролируемой зоны, позволяющий произвести регистрацию и визуально отобразить этот сигнал.

Процесс взятия пробы воздуха заключается в следующем: блок управления через заданные промежутки времени переключает электромагнитные клапаны, которые направляют пробу воздуха к нужному сенсору, через сенсор необходимое количество воздуха прокачивается миниатюрной помпой. 

После окончания взятия пробы измерительный блок производит измерение  изменившихся вольтамперометрические свойств сенсора. Результат оцифровывается и запоминается в энергонезависимом устройстве хранения информации.

Диапазоны измерений концентраций газов будут выбраны при подборе конкретных марок газовых сенсоров с учетом требований ГН 2.1.6.695-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест»

4. Научная новизна и обоснование предлагаемых  решений

Новизну проекта определяют следующие разработанные и теоретически обоснованные положения:
Система   мониторинга загрязнения воздуха сельскохозяйственными предприятиями животноводческого профиля позволит создать  модель расчета концентраций загрязняющих веществ, в приземном слое атмосферы, в зоне влияния выбросов животноводческих предприятий, с учетом их технологических особенностей и  фактических метеорологических условий.
Система обработки результатов измерений реализованная в виде специализированного программного продукта, позволит проводить моделирование, анализ и отображение данных о загрязнении атмосферы,  обеспечит высокую информативность и эффективность использования результатов измерений.

Предлагаемая система анализа позволяет быстро и эффективно производить измерения концентраций загрязняющих веществ на разных высотах с заданной дискретностью, а разработанное программное обеспечение, с использованием методов математического моделирования,  даст возможность производить оценку и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха.  

Полученные, в результате обработки измерений, данные позволят локализовать источники загрязнения, оценить уровни концентраций вредных веществ над источником загрязнения, а также  в районе размещения близлежащих населенных пунктов, что позволит  эффективно планировать развитие животноводческой отрасли.