Загрязнение атмосферы

испытаниях ядерного оружия, металлургия и горячая металлообработка,

различные химические производства, в том числе переработка нефти и газа,

угля.

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение

приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах,

промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных

средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на

угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад

автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-

50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются

катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в

атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие

расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств заключается

в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно

токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать

эпидемии среди населения и животных.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы –

вулканическая и флюидная активность Земли. Специальными исследованиями

установлено, что поступление загрязняющих веществ с глубинными флюидами в

приземной слой атмосферы имеет место не только в областях современной

вулканической и газо-термальной деятельности, но и в таких стабильных

геологических структурах, как Русская платформа. Крупные извержения

вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о

чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные

(извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено

тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные

количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с

высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному

шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных

вулканических извержений достигает нескольких лет. В ряде случаев из-за

наличия в воздухе большой массы рассеянных тонкодисперсных твердых

аэрозолей здания, деревья и другие предметы на поверхности Земли не давали

тени. Необходимо отметить, что в снеговых выпадениях многих районов

Европейской России эколого-геохимическим картированием выявлены аномально

высокие концентрации фтора, лития, сурьмы, мышьяка, ртути, кадмия и других

тяжелых металлов, которые приурочены к узлам сочленения активных глубинных

разломов и имеют, вероятно, природное происхождение. В случае сурьмы,

фтора, кадмия, такие аномалии имеют значительный размер.

Малоизученным, но важным в экологическом отношении природным

процессом глобального масштаба являются фотохимические реакции в атмосфере

и на поверхности Земли. Особенно это касается сильно загрязненной приземной

атмосферы мегаполисов, крупных городов и промышленных центров, в которых

часто наблюдаются смоги.

Следует учитывать воздействие на атмосферу космических тел в виде

комет, метеоритов, болидов и астероидов. Тунгусское событие 1908 года

показывает, что оно может быть интенсивным и иметь глобальный масштаб.

Природные загрязнители приземной атмосферы представлены главным

образом оксидами азота, серы, углерода, метаном и другими углеводородами,

радоном, радиоактивными элементами и тяжелыми металлами в газообразной и

аэрозольной формах. Твердые аэрозоли выбрасываются в атмосферу не только

обычными, но и грязевыми вулканами.

Специальными исследованиями установлено, что интенсивность

аэрозольных потоков грязевых вулканов Керченского полуострова не уступает

таковой «спящих» вулканов Камчатки. Результатом современной флюидной

активности Земли могут быть сложные соединения типа предельных и

непредельных полициклических ароматических углеводородов, сульфида

карбонила, формальдегида, фенолов, цианидов, аминов. Метан и его гомологи

зафиксированы в снеговом покрове над месторождениями углеводородов в

Западной Сибири, Приуралье, на Украине. В урановой провинции Атабаска

(Канада) по высоким концентрациям урана в хвое черной канадской ели

обнаружена Уолластоунская биохимическая аномалия размером 3000 кв. км,

связанная с поступлением в приземной слой атмосферы урансодержащих газовых

эманаций по глубинным разломам.

При фотохимических реакциях образуются озон, серная и азотная

кислоты, разнообразные фотооксиданты, сложные органические соединения и

эквимолярные смеси сухих кислот и оснований, атомарный хлор. Фотохимическое

загрязнение атмосферы заметно возрастает в дневное время и в периоды

солнечной активности.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки

тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду

продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства

появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные.

Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме

крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные

органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды,

вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном

бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод.

Тяжелые металлы, находящиеся в приземной атмосфере Подмосковья,

преимущественно в газообразном состоянии, и поэтому их нельзя уловить

фильтрами. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей,

кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже

сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами

обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также

сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим

элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят

акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а

неорганических – тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы

(угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест.

Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный

неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан,

толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие

расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный

реестр потенциально токсичных химических веществ.

Основные загрязнители воздуха жилых помещений – пыль и табачный дым,

угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы,

инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств,

микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма

может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

По данным изучения пузырьков газа во льдах Антарктиды, содержание

метана в атмосфере увеличилось за последние 200 лет. Измерения в начале

1980-х годов содержания угарного газа в воздушном бассейне штата Орегон

(США) в течение 3,5 лет показали, что оно возрастало в среднем на 6 % в

год. Имеются сообщения о тенденции повышения в атмосфере Земли концентрации

углекислого газа и связанной с ней угрозы парникового эффекта и потепления

климата. В ледниках вулканического района Камчатки обнаружены как

современные, так и древние канцерогены (ПАУ, бенз(а)пирен и др.). В

последнем случае они имеют, по-видимому, вулканическое происхождение.

Закономерности изменений во времени атмосферного кислорода, имеющего

наиболее важное значение для обеспечения жизнедеятельности, изучены слабо.

Обнаружено возрастание в атмосфере оксидов азота и серы зимой в связи

с увеличением объемов сжигания топлива и более частым образованием смогов в

этот период.

Результаты режимного опробования снеговых выпадений в Подмосковье

свидетельствуют как о синхронных региональных изменениях их состава во

времени, так и о локальных особенностях динамики химического состояния

приземной атмосферы, связанных с функционированием местных источников

пылегазовыбросов. В морозные зимы в снеговом покрове увеличивалось

содержание сульфатов, нитратов и соответственно кислотности снеговой воды.

Снеговая вода начального периода зимы отличалась повышенным содержанием

сульфат-, хлор- и аммоний - ионов. По мере выпадения снега к середине

зимнего периода оно заметно (в 2 – 3 раза) снижалось, а затем снова и резко

(до 4 – 5 раз для хлор – иона) увеличивалось. Такие особенности изменения

химического состава снеговых выпадений во времени объясняются повышенной

загрязненностью приземной атмосферы при первых снегопадах. По мере усиления

ее «промытости» загрязненность снегового покрова уменьшается, снова

увеличиваясь в периоды, когда снега выпадает мало.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность,

обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и

вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием

протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается

сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием

многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и

аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной

способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных

пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на

поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм

человека через органы дыхания. Аэрозоли разделяются на первичные

(выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в

атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие

(отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и

тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.)

имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях

рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных

частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома,

кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция;

бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия;

бария, цинка, марганца и меди. Литий, мышьяк, висмут часто не

сопровождаются повышенными содержаниями других микроэлементов. Высокие

концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием

их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов

топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений

типа галогенидов олова. Выявленные особенности пространственно-временного

распределения загрязняющих веществ следует учитывать при интерпретации

наблюдательных данных о загрязнении воздуха.

Время «жизни» газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень

широком диапазоне (от 1 – 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в

основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и

присутствия реакционно-способных компонентов (озон, пероксид водорода и

др.). Поэтому в трансграничных переносах загрязняющих веществ участвуют

главным образом химические элементы и соединения в виде газов, не способных

к химическим реакциям и термодинамически устойчивых в условиях атмосферы.

Вследствие этого борьба с трансграничными переносами, являющимися одной из

наиболее актуальных проблем защиты качества воздуха, сильно затруднена.

Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются

очень сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным

образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических

веществ и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во

многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме

токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и

другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к

аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного

подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за

слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие

учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния

приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов

наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно

оценить его состояние в крупных промышленно –урбанизированных центрах. В

качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно

использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов

радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась

хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в

воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов

в городах.

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы

является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за

сравнительно длительный период времени и позволяющий установить

местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В

снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются

прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.

Снегохимическая съемка дает возможность оценить запасы загрязнителей в

снеговом покрове, а также «мокрую» и «сухую» нагрузки на окружающую среду,

которые выражаются в определении количества (массы) выпадений загрязняющих

веществ в единицу времени на единицу площади. Широкому применению съемки

способствует то, что основные промышленные центры России находятся в зоне

устойчивого снегового покрова.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы

крупных промышленно – урбанизированных территорий относится многоканальное

дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в

способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие

площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в

атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет

надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих

веществ.

Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным

данным. К ним прежде всего относятся результаты мониторинговых наблюдений,

закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере,

особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного

бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других

факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в

отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения

приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении

этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный

результат применения таких моделей – количественная оценка риска

загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической

точки зрения.

Состав и расчет выбросов загрязняющих веществ.

Окружающий человека атмосферный воздух непрерывно подвергается

загрязнению. Воздух производственных помещений загрязняется выбросами

технологического оборудования или при проведении технологических процессов

без локализации отходящих веществ. Удаляемый из помещения вентиляционный

воздух может стать причиной загрязнения атмосферного воздуха промышленных

площадок и населенных мест. Кроме того, воздух промышленных площадок и

населенных мест загрязняется технологическими выбросами цехов, выбросами

ТЭС, транспортных средств и других источников.

Воздух жилых помещений загрязняется продуктами сгорания природного

газа и других топлив, испарениями растворителей, моющих средств,

древесностружечных конструкций и т. п., а также токсичными веществами,

поступающими в жилые помещения с приточным вентиляционным воздухом. В

летний период года при средней наружной температуре 20 С0 в жилые помещения

проникает около 90 % примесей наружного воздуха, а в переходный период при

температуре 2,5 С0 – 40 %. Номенклатура токсичных примесей в воздухе

производственных помещений и в технологических выбросах промышленного

объекта определяется совокупностью технологических процессов, видом

используемого сырья и материалов, характеристиками применяемых машин и

оборудования.

Масса выброса i-го загрязняющего вещества:

mi = mудi Пk(1 – (), (1)

где mудi – удельное выделение i -го загрязняющего вещества на единицу

продукции; П – расчетная производительность технологического процесса

(агрегата и т. п.); k – поправочный коэффициент для учета особенностей

технологического процесса; ( – эффективность средств очистки выбросов в

долях единицы; при отсутствии средств очистки ( =0.

В процессах нагрева и обработки металла в кузнечно-прессовых цехах

выделяются пыль, оксид углерода, диоксид серы и другие вредные вещества.

Общеобменная вентиляция кузнечно-прессового цеха выбрасывает в

атмосферу оксиды углерода и азота, диоксид серы. От пролетов с молотами

выбросы оксида углерода на 1 т мазута составляют 7 кг, диоксида серы – 5,2;

от пролетов с прессами и ковочными машинами – 3 и 2,2 кг.

Так, при травлении стали 20 в 15 %-ном растворе серной кислоты при

температуре 70 С0 выделяются пары и туман кислоты в количестве до 200, а

при травлении стали 10 в 20 %-ном растворе соляной кислоты – 26000 мг/(м2

мин).

Масса паров растворителей, выбрасываемых в атмосферу от окрасочного и

сушильного оборудования,

m = m1 k1 k2 k3 (1 – ((),

(2)

где m1 – расход лакокрасочных материалов, г/ч; k1– доля растворителей

в лакокрасочных материалах (при покрытии лаком в лакокрасочных машинах k1

равен 0,б и 0,8 соответственно для металлических и деревянных изделий); k2–

коэффициент, учитывающий количество выделяющегося растворителя из

лакокрасочного материала за время окраски и сушки (для камер окраски

распылением k2= 0,3, для сушильных установок 0,7); k3 – коэффициент,

учитывающий поступление паров растворителей в рабочую зону (обычно 2…3 %);

k3 = 0,975; (( - эффективность улавливания паров растворителей в системе

очистки вентиляционных выбросов (для гидрофильтров 0,3…0,35).

Масса выбросов аэрозоля от окрасочного оборудования с вентиляционным

воздухом в атмосферу

mа = m1 k4 k5 (1 – (а),

(3)

где k4 – доля лакокрасочных материалов, расходуемых на образование

окрасочного аэрозоля; зависит от способа распыления краски; k5–

коэффициент, учитывающий поступление окрасочного аэрозоля в рабочую зону;

обычно k5 = k3,; (а, – эффективность улавливания окрасочного аэрозоля

гидрофильтрами; обычно 0,92...0,98.

Много загрязняющих веществ поступает в атмосферный воздух от

энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензине,

керосине, дизельном топливе, мазуте, угле и др.). Количество этих веществ

определяется составом, массой сжигаемого топлива и организацией процесса

сгорания.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные

средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и тепловые электрические

станции (ТЭС). Доля загрязнений атмосферы от газотурбинных двигательных

установок (ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку

их применение в городах и крупных промышленных центрах ограничено. В местах

активного использования ГТДУ и РД (аэродромы, испытательные станции,

стартовые площадки) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих

источников, сопоставимы с загрязнениями от ДВС и ТЭС, обслуживающих эти

объекты.

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных

видов топлива в энергоустановках, – нетоксичные диоксид углерода и водяной

пар. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие

как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа,

углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, несгоревшие частицы

твердого топлива и т. п.

Автомобильный транспорт также является источником загрязнения

атмосферы. Так как число автомобилей непрерывно возрастает (в 1990 г. в

мире эксплуатировали 420 млн. автомобилей, а в 2000 г. их число достигнет

520 млн.), особенно в крупных городах, то растет и валовой выброс вредных

продуктов в атмосферу. Автотранспорт относится к движущимся источникам

загрязнения, широко встречающимся в жилых районах и местах отдыха.

Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы,

пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных

примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными

газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 %

углеводородов от их общего выброса.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе

отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и

особенно от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при

нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в

4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе

соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма

токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5