Multi-point monitoring of PM10, PM2.5, and PM1.0 at a combined-cycle power plant: field agreement between four co-deployed electrostatic monitors

نادراً ما يكون الهواء فارغاً. فحتى في الأيام الصافية، يحمل في طياته تعليقاً من الجسيمات الصلبة والسائلة الدقيقة، تتراوح من الغبار الخشن إلى السخام المجهري. هذه الجسيمات، المعروفة باسم الهباء الجوي (الأيروسولات)، ليست مجرد مصدر إزعاج؛ بل هي خطر صحي وتهديد ميكانيكي. فعند استنشاقها، يمكن لأصغر الأجزاء أن تخترق أعماق الرئتين، بينما يمكن للأجزاء الأكبر أن تسد الآلات الدقيقة للمحركات الصناعية. بالنسبة للعاملين في محطات الطاقة، حيث تسحب التوربينات الضخمة كميات هائلة من الهواء لتوليد الكهرباء، فإن معرفة مقدار هذا الغبار الموجود بالضبط، وحجم هذه الجسيمات، هو مسألة تتعلق بالسلامة والكفاءة. فإذا كان الهواء متسخاً جداً، تتعطل الآلات، مما يؤدي إلى فقدان القدرة واستهلاك المزيد من الوقود. وإذا كان الهواء متسخاً جداً بالنسبة للأشخاص الذين يعملون حولها، فإن صحتهم تكون في خطر. ومع ذلك، لعدة عقود، كان قياس هذا الغبار في الوقت الفعلي في عدة نقاط داخل موقع صناعي واحد أمراً صعباً ومكلفاً، وغالباً ما كان يقتصر على موقع واحد فقط.

في محطة دورة مركبة للطاقة في مقاطعة ساموت براكان في تايلاند، سعى باحث إلى تغيير ذلك. فقد نشر أربعة أجهزة مراقبة متطابقة ومصنوعة خصيصاً في مواقع مختلفة عبر المنشأة لمراقبة الهواء باستمرار لأكثر من أربعة أشهر. كان هدفهم مزدوجاً: معرفة ما إذا كانت هذه الأجهزة الجديدة ومنخفضة التكلفة قادرة على تتبع مستويات الغبار التي تهدد توربينات المحطة، ومعرفة ما إذا كانت أربع آلات متطابقة، موضوعة في نفس المنطقة العامة، ستتفق مع بعضها البعض. وكانت الإجابة التي وجدوها دقيقة ومتفاوتة. فقد عملت الآلات بشكل جيد بما يكفي لإظهار الصورة الكبيرة لكيفية تغير الهواء بمرور الوقت، لكنها لم تتفق تماماً على الأرقام الدقيقة من يوم لآخر. ويشير هذا الاكتشاف إلى أنه بينما يمكن لشبكة من هذه المستشعرات أن تخبر مدير المحطة متى يصبح الهواء متسخاً بشكل عام، إلا أنه لا يمكن الوثوق بها بعد لإخباره بدقة مدى اتساخ زاوية واحدة من المحطة مقارنة بغيرها دون فحص دقيق ومتقاطع.

استخدم الباحث نوعاً معيناً من المستشعرات يعتمد على الكهرباء بدلاً من الضوء أو الوزن لعد الجسيمات. في هذه الأجهزة، يتم سحب الهواء وتمريره عبر غرفة حيث تُعطى الجسيمات شحنة كهربائية صغيرة، تماماً كما يكتسب البالون شحنة ساكنة عند فركه بالشعر. وبمجرد شحنها، يتم فصل الجسيمات حسب الحجم باستخدام مبدأ فيزيائي بسيط: الجسيمات الأثقل تصطدم بجدار وتتوقف، بينما تستمر الأخف وزناً في الحركة. ثم يتم التقاط الجسيمات المشحونة المتبقية على مرشح (فلتر)، ويتم قياس الشحنة الكهربائية التي تتركها لحساب كتلتها الإجمالية. هذه الطريقة سريعة وقوية ويمكن بناؤها في وحدة مدمجة يمكن أن تعمل دون مراقبة لشهور. وقد قام الباحث بتكييف تصميم موجود، كان قد تم اختباره سابقاً في منجم فحم، لقياس ثلاثة أحجام محددة من الغبار: الجسيمات الأكبر التي تترسب بسرعة، والمتوسطة التي تبقى معلقة لفترة أطول، والجسيمات الأكثر دقة (دون الميكرون) التي يصعب التقاطها ولكنها الأكثر قدرة على الوصول إلى أعمق أجزاء الرئة.

تم تركيب أربع وحدات من هذه الوحدات في مأوى في محطة الطاقة، حيث وُضع كل منها ليقوم بأخذ عينات من الهواء من جزء مختلف من الموقع. وقفت إحداها بالقرب من قاعة التوربينات الرئيسية، وأخرى بجانب فتحات سحب الهواء، وثالثة بالقرب من رصيف نقل الوقود، والرابعة عند المحطة الكهربائية الفرعية. وعملت هذه الوحدات بشكل مستمر من فبراير إلى يونيو 2020، حيث سجلت البيانات كل ساعة. غطت هذه الفترة نهاية موسم الجفاف في تايلاند، وهو وقت ينتشر فيه الضباب الإقليمي الناتج عن الحرق الزراعي غالباً فوق البلاد، قبل وصول الأمطار لتنظيف الهواء. وسجلت أجهزة المراقبة بيانات في 92 إلى 100 بالمائة من الأيام، مما وفر نظرة عالية الدقة على جودة الهواء داخل حدود المحطة.

أظهرت النتائج نمطاً موسمياً واضحاً. كانت مستويات الغبار في أعلى مستوياتها في فبراير، حيث وصلت متوسطات الجسيمات الكبيرة يومياً إلى 160 ميكروغرام لكل متر مكعب، وبلغت ذروة الجسيمات الدقيقة أكثر من 110 ميكروغرام لكل متر مكعب. ومع مرور الأشهر واقتراب الموسم المطير، انخفضت المستويات بشكل عام، رغم أن الجسيمات الدقيقة أظهرت ارتفاعاً طفيفاً ومؤقتاً في مايو قبل أن تنخفض مرة أخرى. تطابق هذا النمط مع الاتجاهات الإقليمية الأوسع لموسم الجفاف، مما يشير إلى أن الهواء داخل المحطة كان متأثراً إلى حد كبير بالطقس والمناظر الطبيعية المحيطة بدلاً من عمليات المحطة نفسها. كما لاحظ الباحث أن مستويات الغبار لم تتغير بشكل كبير بين أيام الأسبوع وعطلات نهاية الأسبوع، مما يشير أكثر إلى أن الهواء كان يتشكل بفعل العوامل الإقليمية بدلاً من الإيقاع اليومي لنوبات عمل المحطة.

ومع ذلك، فإن أهم نتيجة للدراسة تتعلق بالاتفاق بين الآلات الأربع. نظرًا لأن جميع الوحدات الأربع كانت متطابقة وتأخذ عينات من نفس الكتلة الهوائية العامة، توقع الباحث أن تقدم أرقاماً متطابقة تقريباً كل يوم. وبدلاً من ذلك، وجدوا أن الآلات غالباً ما تختلف. ففي أي يوم معين، قد تسجل إحدى الوحدات مستوى غبار أعلى بثلاث مرات من وحدة مجاورة، أو أقل من ثلث ما سجلته وحدة أخرى. لم يكن هذا الاختلاف ناتجاً عن خلل في آلة واحدة؛ فقد أظهرت جميع الوحدات الأربع تباينات متشابهة. ولم يكن أيضاً بسبب اختلاف الهواء في كل موقع؛ إذ كانت الاختلافات كبيرة وعشوائية للغاية بحيث لا يمكن تفسيرها بالتباينات الصغيرة في الرياح أو المصادر المحلية.

خلصت الدراسة إلى أن عدم الاتفاق كان بسبب سلوك الأجهزة نفسها بشكل مختلف قليلاً بمرور الوقت. وبينما كانت الآلات ممتازة في تتبع الاتجاه العام — أي إظهار متى يصبح الهواء أنظف أو أكثر اتساخاً — إلا أنها لم تكن موثوقة بما يكفي لمقارنة التركيز الدقيق في نقطة معينة مقابل نقطة أخرى في نفس اليوم. فإذا نظر مدير المحطة إلى البيانات من آلة واحدة فقط، فقد يحصل على تقدير سيء لجودة الهواء الحقيقية في ذلك الموقع. ولكن إذا قام بمتوسط البيانات من الآلات الأربع، يصبح التقدير أكثر موثوقية، حيث يلتقط الحالة الحقيقية للهواء بدرجة عالية من الثقة.

هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لكيفية استخدام مثل هذه التكنولوجيا. تثبت الدراسة أن شبكة من أجهزة المراقبة الكهروستاتيكية منخفضة التكلفة يمكن أن توفر رؤية مستمرة ومتعددة النقاط لجودة الهواء، وهو أمر كان مستحيلاً في السابق دون معدات معقدة وباهظة الثمن. يمكن لهذه الأجهزة تتبع الدورات الموسمية للتلوث بنجاح وتنبيه المشغلين إلى فترات ارتفاع حمولة الغبار التي قد تضر بالتوربينات أو تضر بالعمال. ومع ذلك، فإن الدراسة تنفي أيضاً فكرة إمكانية استخدام هذه الآلات لتحديد الفروق الدقيقة بين موقعين دون عملية معايرة صارمة. وقد أكد الباحث أنه قبل أن يمكن استخدام هذه الأجهزة لاتخاذ قرارات حاسمة بشأن صيانة المرشحات أو سلامة العمال، يجب اختبارها جنباً إلى جنب مع أدوات مرجعية قياسية وفحصها مع بعضها البعض بانتظام لتصحيح عيوبها الفردية.

كما سلطت البيانات الضوء على فجوة في معايير السلامة الحالية. فقد تجاوز متوسط مستويات الغبار المسجلة في المحطة، وخاصة الجسيمات الدقيقة، المبادئ التوجيهية الصحية التي وضعتها منظمة الصحة العالمية والحكومة التايلاندية بشكل متكرر. ورغم أن هذه المستويات كانت بعيدة جداً عن الحدود الخاصة بالغبار الصناعي الذي قد يسبب ضرراً فورياً لرئات العمال، إلا أنها كانت مرتفعة بما يكفي للإشارة إلى أن العمال في الهواء الطلق في المحطة كانوا يستنشقون هواءً غير صحي وفقاً للمعايير الحديثة. لم تقيس الدراسة كمية الغبار التي استنشقها كل عامل بالفعل، لكنها قدمت أول سجل مستمر للبيئة التي يعملون فيها، مظهرة أن الهواء كان، خلال معظم فترة الحملة، أعلى باستمرار من حدود السلامة الموصى بها.

في نهاية المطاف، يمثل هذا البحث خطوة عملية نحو الأمام في مجال النظافة الصناعية والمراقبة البيئية. فهو يوضح أنه من الممكن بناء شبكة من المستشعرات التي تراقب الهواء على مدار الساعة في منشأة كبيرة، وتلتقط الرقصة المعقدة للغبار والطقس. لكنه يعمل أيضاً كتذكير بأنه في العلم، لا يعني امتلاك المزيد من نقاط البيانات تلقائياً الحصول على المزيد من الاتفاق. لقد عملت الآلات، لكنها لم تتحدث بصوت واحد. ولكي تكون البيانات مفيدة حقاً، يجب على المشغلين البشريين أن يفهموا أن القيمة تكمن في المتوسط الجماعي، وليس في القراءة المحددة لأي جهاز بمفرده. هذا الاستبصار سيوجه عمليات النشر المستقبلية، مما يضمن أنه عندما تُستخدم هذه المستشعرات لحماية العمال والآلات، فإنها تُستخدم بطريقة تحترم حدودها وتستفيد من نقاط قوتها.