Воздушной среды

Классификация источников и видов загрязнения атмосферного воздуха. Загрязнение от автотранспорта. Загрязнение воздуха в помещениях. Принципы санитарно-гигиенического нормирования атмосферных загрязнений. Последствия загрязнения атмосферы для человека, флоры и фауны, а также материальных объектов городской среды. Мероприятия по охране атмосферного воздуха.

 

Экологические проблемы городов, главным образом наиболее крупных из них, связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия.

Значение качества воздуха на жизнедеятельность организмов трудно переоценить. Чистый воздух состоит из невзаимодействующих между собой газов: азот - 78,08%, кислород – 20, 95%, СО₂ – 0,033%, аргон – 0,94% и остальные газы (водород, инертные газы и др.). В результате загрязнений состав и концентрация газов в атмосфере может меняться. Важно сознавать, что загрязнение атмосферы не одна, а множество примесей к основным компонентам воздуха. Загрязнители атмосферы подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные – это выбросы, непосредственно поступающие в атмосферу от различных источников. Это в значительной мере продукты сжигания угля, газа, бензина и др. жидкого топлива, а также отходов (бумаги, пластика и др.). Первичным источником загрязнения является дым, в котором содержатся взвеси. Вторичные – это продукты, образующиеся при химических взаимодействиях первичных загрязнителей в атмосфере. Они часто бывают более токсичными и опасными, чем первичные.

Основными источниками загрязнения городской воздушной среды являются: автотранспорт, топливно-энергетический комплекс, промышленность, коммунально-бытовое хозяйство.

В городской воздушной среде можно выделить 8 наиболее опасных загрязнителей атмосферы:

1. Взвеси и пыли. Представляют собой крошечные частицы и капли, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Мы наблюдаем их в виде дыма или смога. Взвеси могут переносить другие загрязнители, растворенные или адсорбированные в них или приставшие к их поверхности.

2. Углеводороды и другие органические соединения. Эта группа включает в себя бензин, растворители и растворы органических веществ, находящиеся в атмосфере в виде паров. Большинство органических веществ окисляется О₃, О₂ и О. Продуктами окисления являются альдегиды и пероксиацилнитраты (ПАН), которые являются очень вредными веществами, раздражающими глаза, затрудняющими дыхание.

3. Оксиды углерода, и в первую очередь, угарный газ СО.

4. Оксиды азота: окись и двуокись азота, которые присутствуют также и приземном слое атмосферы в результате происходящих фотохимических реакций.

5. Оксиды серы (в основном SO₂).

6. Кислоты (H₂SO₄ и HNO₃).

7. Свинец и другие тяжелые металлы.

8. Озон и другие фотохимические окислители.

Оценка уровня загрязнений: источник загрязнения, объем пространства рассеяния и механизм удаления загрязнителей. Пороговый уровень загрязнения. Предельно допустимые концентрации (ПДК), предельно допустимые выбросы (ПДВ) и другие показатели качества воздушной среды. Комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА).

Для санитарной оценки воздушной среды используют следующие показатели:

ПДКр.з.- это ПДК химического вещества в воздухе рабочей зоны мг/м³. Эта концентрация при ежедневной (кроме выходных) работе в пределах 8 часов, но не более 40 часов в неделю, в течение всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья. Рабочей зоной считается пространство высотой 2 метра над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих.

ПДКа.в.- это максимальная концентрация в атмосфере, которая при воздействии на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния (в т.ч. последствия и на окружающую среду) мг/м³.

ПДКм.р.- эта максимальная разовая концентрация (мг/м³).При вдыхании в течение 30 мин. не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДКс.с.- среднесуточная концентрация в атмосферном воздухе населенных мест мг/ м³. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при долгом (годы) вдыхании.

Кк. - коэффициент кумуляции – это отношение концентрации, вызывающей токсический эффект при однократном воздействии, к суммарной концентрации вещества, вызывающей этот же эффект при длительном воздействии.

Для оценки санитарно-гигиенического состояния работы предприятий используется показатель ПДВ. ПДВ (т/год) – предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в атмосферу, при котором обеспечивается соблюдение санитарно-гигиенических нормативов в воздухе населенных мест при наиболее неблагоприятных условиях для рассеивания. Строгое соблюдение величины ПДВ, устанавливаемого для каждого предприятия, обеспечивает выполнение санитарных нормативов и является сегодня одним из наиболее действенных средств охраны воздушного бассейна.

Поступление в атмосферный воздух продуктов техногенеза увеличивает концентрацию в нем токсичных веществ часто до уровней, опасных по биологическому действию для человека, животных и растений.

Оценивая степень загрязнения воздуха, измеренные значения концентраций вредных примесей сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют общее число случаев и максимальное превышение ПДК. Средние значения концентраций за определенный промежуток времени (месяц, год) сравнивают со среднесуточным значением ПДК, характеризующим допустимый уровень загрязнения длительного действия.

На живые организмы в условиях загрязненной атмосферы одновременно действуют все находящиеся в воздухе токсичные компоненты, причем их совместное влияние может усиливать отрицательное воздействие каждого из них в отдельности. Эффектом суммации обладают диоксид серы и диоксид азота, оксид углерода, фенол и ряд других ассоциаций токсичных веществ. Состояние атмосферного воздуха, загрязненного несколькими веществами, оценивается с помощью комплексного показателя – индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).

Выделяются следующие группы мероприятий по охране воздушного бассейна: технологические, архитектурно-планировочные, санитарно-технические, инженерно-организационные.

Технологические мероприятия включают в себя:

• создание малоотходных технологических процессов на основе разработки принципиально новых технологий и технологических средств, комплексного использования сырья и утилизации отходов производства, повышение эффективности работы газопылеулавливающих установок, организации ТПК с замкнутой системой материального баланса вещества, включая отходы производства;
• замену местных котелен на централизованное тепло от крупных ТЭЦ и ТЭС;
• замену топлива: предпочтительнее топливо с меньшим количеством продуктов сгорания (вместо угля и мазута – природный газ);
• предварительную очистку сырья и топлива от вредных примесей, в частности снижение содержания серы в топливе;
• электрофикацию производства, транспорта и быта, замену пламенного нагрева электрическим;
• использование трубопроводов, гидро- и пневмотранспорта для пылящих материалов;
• замену прерывистых технологических процессов непрерывными.

Самой действенной мерой охраны атмосферного воздуха является строительство предприятий, работающих по принципу малоотходной технологии, с замкнутыми технологическими процессами, с исключением выбросов в атмосферу от сопутствующих цехов и производств (абгазов, хвостовых газов). Одним из перспективных направлений газоочистки является применение системы каталитического дожигания для очистки паров растворителей красок, содержащих органические и неокисленные вещества: эфиры, углеводороды, толуол, ксилол и др. воздух, загрязненный парами, вентилятором подается в теплообменник, нагревается там до 350°С за счет тепла очищенного воздуха, затем поступает в гонку-нагреватель, где в результате сжигания природного газа температура его повышается до 450°С. Далее в контактном аппарате в присутствии катализатора загрязненные вещества окисляются до углекислого газа и паров воды. Очищенный воздух (степень очистки 99%) охлаждается в теплообменнике и выбрасывается в атмосферу.

Немалое практическое значение имеют и профилактические мероприятия, заключающиеся в улучшении условий сжигания топлива, в совершенствовании конструкций фильтров и другого газопылеулавливающего оборудования, герметизации технологических линий и т. д.

На строительной площадке в результате работы автотранспорта и других меха­низмов зачастую значительно повышается концентрация загрязнений. Необходимо пе­реводить на электропривод электросварочные аппараты, грузоподъемные меха­низмы, компрессоры, насосы, сваебойные агрегаты, средства малой механизации, бульдозеры экскаваторы, ныне работающие в основном на двигателях внутреннего сгорания.

Архитектурно-планировочные мероприятия.

В эту группу входит комплекс приемов, включающий зонирование территории города, борьбу с природной запыленностью, рациональное размещение предпри­ятий, организацию санитарно-защитных зон, планировку жилых районов, озелене­ние населенных мест.

Согласно требованиям СН 245-71, в целях снижения вредного влияния выбра­сываемых в атмосферу пыли и газов на здоровье людей промышленные предпри­ятия, загрязняющие воздух, надо располагать вдали от жилых массивов, с подвет­ренной стороны и отделять санитарно-защитными зонами. В санитарно-защитной зоне высаживаются деревья и кустарники, создаются лесопарки. В этих зонах можно располагать склады, гаражи, пожар­ные депо, прачечные и др.

В зависимости от вредности выбрасываемых веществ и степени их возможной очистки каждое промышленное предприятие относится к тому или иному классу. В соответствии с классом устанавливают следующие размеры санитарно-защитных зон: 1 класс - 1000 м; II класс - 500; III класс - 300; IV класс - 100; V класс - 50 м.

Новые города делятся на зоны: селитебные (жилые), где зеленые насаждения должны составлять 30%, промышленные (в том числе ТЭС), коммунально- складские (в том числе гаражи, автопарки и др.), внешнего транзита (порты, вокза­лы, аэродромы).

Зеленые насаждения в городах, промышленных зонах и санитарно-защитных зонах очищают воздух от газов, обо­гащают его кислородом. Очень важно озеленение санитарно-защитных зон. На расстоянии 500 м от
предприятия при отсутствии озеленения загрязнение воздуха SO, H2S в 2 раза ниже, чем у источника загрязнения, а при наличии озеленения в 3-4 раза ниже. При озеленении санитарной зоны между деревьями следует высаживать кустарники. Вертикальное озеленение вьющимися растениями не только украшает здание, но и удлиняет срок его службы.

Санитарно-технические мероприятия

Эта группа включает специальные меры по защите воздушного бассейна с по­мощью очистных сооружений. Для очистки промышленных выбросов использу­ются различные конструкции очистных сооружений, которые отличаются принци­пом работы, эффективностью.

Очистка выбросов от пыли

Для очистки выбросов от пыли применяются пылеулавливающие аппараты: пы-леосадочные камеры, циклоны, матерчатые фильтры, мокрые скрубберы, электро­фильтры.

Очистка выбросов от газов и аэрозолей осуществляется на основе следующих технологических процессов: абсорбции, адсорбции; каталитического сжигании и термического обезвреживания, окисления, озонирования. К технологическим методам очистки оксидов азота относят:

· сжигание топлива с малыми избытками воздуха, что позволяет снизить количество образовавшихся оксидов N на 15%;

· ступенчатое сжигание топлива (снижение оксидов азота на 30%);

· использование специальных горелок (снижение на 50%);

· рециркуляция продуктов сгорания в топку до 25 – 30% (это снижает выбросы NOx на 25 – 40%);

· комплексное использование специальных горелок и усовершенствованное ступенчатое сжигание (снижение выбросов на 80%). Основным методом очистки дымовых газов от оксидов азота является пропускание продуктов сгорания через адсорбент, поглощающий 96 – 97% оксидов азота. В настоящее время разработаны и внедрены дешевые адсорбенты в виде полукокса, получаемого из бурого угля.

Очистка выбросов от АЭС. На АЭС в помещениях, где расположены ядерные реакторы, кроме обще-обменной приточно-вытяжной вентиляции имеется местная специальная вентиляционная вытяжная система для отсоса воздуха из реактора. Удаляемый воздух очищают от аэрозолей тканевыми фильтрами-поглотителями. Для уменьшения активности инертных газов, выбрасываемых в атмосферу, их выдерживают в спец. емкостях- газгольдерах (там они распадаются, образуя новые радиоактивные аэрозоли с меньшей активностью, которые улавливаются фильтрами). Иногда вместо газгольдеров применяют адсорберы, где одновременно с выдержкой (радиоактивным распадом радиоактивных газов) происходит химическая адсорбция газов. Затем воздух из системы специальной вентиляции выбрасывается в трубу. Количество ожидаемых радиоактивных выбросов подсчитывается в предположении нарушения определенного режима.

Борьба с загрязнениями от автомобильных выбросов

Основным источником углеводородов СО, оксидов азота, приводящих к повышению приземного содержания О₃ и пероксиацилнитратов, признаны выхлопные газы транспортных средств. Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жите­ли болеют раком в 3 - 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.

Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (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 этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности вы­деляет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бен­зине. Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.

Кратко охарактеризуем основные направления решения проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды автотранспортом.

Совершенствование двигателя внутреннего сгорания. Это технически вполне реальное направление может снизить удельное по­требление топлива на 10—15%, а также уменьшить объемы выбросов на 15—20%. В частности, это каталитический преобразователь, включенный в систему выпуска до глушителя. В нем располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытые тончайшим слоем платинового катализа стали. Когда выхлопные газы проходят через него, катализатор стимулирует окисление углеводородов и СО до СО₂. Бесспорно, что этот путь может стать весьма эффективным в самое ближайшее вре­мя, поскольку не требует серьезных перестроек ни в автомобилестроении, ни в сис­теме обслуживания и эксплуатации автомобиля. Здесь следует лишь учесть то, что реальный экологический эффект этих мероприятий не столь высок, как представляется на первый взгляд, поскольку, например, снижение объемов выбросов угарного газа в значительной мере восполняется увеличением выбросов оксидов азота. К сожалению, проблема уменьшения выбросов оксидов азота пока не решена. Разработанные технологии уменьшения выбросов этих оксидов привели к увеличению расхода топлива (и уменьшению КПД ДВС), а значит и увеличению размера автомобиля.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топливо. Существующий многолетний опыт эксплуатации автомобиля на пропан-бутановых смесях показывает высокий экологический эффект. В автомобильных выбросах резко снижается количество угарного газа, тяжелых металлов и углеводо­родов, однако уровень выбросов окислов азота остается достаточно высоким. Кроме того, применение газовых смесей пока возможно лишь на грузовых автомобилях и требует налаживания системы газозаправочных станций, поэтому возможности дан­ного решения в настоящее время еще ограничены.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топливо часто рек­ламируется как чуть ли не идеальное решение проблемы, однако при этом часто за­бывают, что окислы азота образуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объемов водорода связаны с большими техническими трудностями, небезопасны и весьма накладны в экономическом отношении. В городе, насчитывающем несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водорода, одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения громадных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью заправочных станций, то такой город был бы весьма небезопасен для его жителей. Даже если предположить, что будет найдено экономически приемлемое решение проблемы хранения водорода (в том числе в самих автомобилях) в связанном состоянии, то эта проблема, по на­шему мнению, едва ли будет перспективной в ближайшие десятилетия.

Замена автомобиля электромобилем также весьма интенсивно рекламируется в популярной литературе, однако в настоящее время она столь же мало реальна,
как и предыдущее предложение. Во-первых, даже самые совершенные аккумуляторы наряду со значительным собственным весом, ухудшающим параметры автомобиля, требуют для своей зарядки энергии в несколько раз больше, чем ее затрачивает при равной работе обычный автомобиль. Тем самым электромобиль, являясь самым расточительным, в энергетическом отношении, средством транспорта, снижая загрязнение среды в месте своей эксплуатации, резко увеличивает его в месте производства энергии. Во-вторых, производство аккумуляторов требует значительного количества ценных цветных металлов, дефицит которых растет едва ли не быстрее, чем дефицит нефти и газа. И, в-третьих, электромобиль, практически «чистый» для городской улицы, не является таковым для самого автомобилиста, поскольку при работе аккумуляторов происходит постоянное выделение многих токсичных веществ, которые неизбежно попадают в салон электромобиля. Даже если предположить, что все вышеуказанные проблемы были бы технически разрешены, следует учесть, что на перестройку всей автомобильной промышленности, смену автопарка, перестройку систем обслуживания и эксплуатации транспортных средств потребовались бы не один десяток лет и несколько десятков, если не сотен миллиардов долларов. Поэтому аккумуляторный автомобиль едва ли сможет стать перспективным решением проблемы загрязнения окружающей среды автотранспортом.

Помимо разобранных выше существуют десятки других технических реше­ний, многие из которых доводятся до опытных образцов. Среди них есть как беспер­спективные, например автомобиль с маховиковым аккумулятором, который может хорошо двигаться лишь по идеально ровной и прямой дороге - в противном случае гироскопический эффект маховика будет серьезно мешать управлению, так и доста­точно перспективные «гибридные» конструкции. Среди последних весьма любо­пытна идея грузового троллейбуса с аккумулятором для межлинейных передвиже­ний, реализация которой, при условии совершенствования токоприемников и рекон­струкции токоприводов, может резко уменьшить загрязнение воздушного бассейна, в особенности в центрах городов.

Инженерно-организационные мероприятия

В том случае, когда существующие методы очистки не обеспечивают санитар­ных норм, прибегают к инженерно-организационным мероприятиям. Снижение интенсивности движения транспорта на отдельных перегруженных городских ма­гистралях, увеличение высоты труб, через которые осуществляются газопылевые выбросы в атмосферу, повышение скорости движения газов по этим трубам и пр. – все это относится к инженерно-организационным мероприятиям.

Загрязнения автотранспортом зависят от организации дорожного движения; они возрастают при торможении, на малых оборотах движения и т. д. Эта проблема решается путем развязки пересечения дорог в разных уровнях, создания на дорогах «зеленой волны», прокладки трассы дорог в выемках.

Разработаны новые системы регулирования уличного движения, которые сводят к минимуму возможность образования пробок, потому что, ос­танавливаясь, а затем набирая скорость, автомобиль выбрасывает в несколько раз больше вредных веществ, чем при равномерном движении.

Охрана атмосферного воздуха

Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды. Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» охватывает проблему. Он обобщил тре­бования, выработанные в предшествующие годы и оправдавшие себя на практике. Например, введе­ние правил о запрещении ввода в действие любых производственных объектов (вновь созданных или реконструированных), если они в процессе эксплуатации станут источниками загрязнений или иных отрицательных воздействий на атмосферный воздух. Получили дальнейшее развитие правила о нормировании предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном возду­хе.

Государственным санитарным законодательством только для атмосферного воздуха были установлены ПДК для большинства химических веществ при изолированном действии и для их комбинаций, в том числе синергетиков.

Гигиенические нормативы - это государственное требование к руководителям предприятий. За их выполнением должны следить органы государственного санитарного надзора Министерства здравоохранения и Государственный комитет по экологии.

Большое значение для санитарной охраны атмосферного воздуха имеет выявление новых ис­точников загрязнения воздушной среды, учет проектируемых, строящихся и реконструируемых объ­ектов, загрязняющих атмосферу, контроль за разработкой и реализацией генеральных планов горо­дов, поселков и промышленных узлов в части размещения промышленных предприятий и санитарно-защитных зон.

В Законе «Об охране атмосферного воздуха» предусматриваются требования об установлении нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Такие нормативы устанавливаются для каждого стационарного источника загрязнения, для каждой модели транспорт­ных и других передвижных средств и установок. Они определяются с таким расчетом, чтобы совокупные вредные выбросы от всех источников загрязнения в данной местности не превышали норма­тивов ПДК загрязняющих веществ в воздухе. Предельно допустимые выбросы устанавливаются с учетом предельно допустимых концентраций.

Очень важны требования Закона, относящиеся к применению средств защиты растений, мине­ральных удобрений и других препаратов. Все законодательные меры составляют систему профилак­тического характера, направленную на предупреждение загрязнения воздушного бассейна.

Закон предусматривает не только контроль за выполнением его требований, но и ответствен­ность за их нарушение. Специальная статья определяет роль общественных организаций и граждан в осуществлении мероприятий по охране воздушной среды, обязывает их активно содействовать госу­дарственным органам в этих вопросах, так как только широкое участие общественности позволит реализовать положения этого закона. Так, в нем сказано, что государство придает большое значение сохранению благоприятного состояния атмосферного воздуха, его восстановлению и улучшению для обеспечения наилучших условий жизни людей - их труда, быта, отдыха и охраны здоровья.

Антропогенные процессы загрязнения воздушного бассейна в большинстве случаев поддаются управлению. Экологическая практика в России и за рубежом показала, что ее неудачи связаны с неполным учетом негативных воздействий, неумением выбрать и оценить главные факторы и последствия, низкой эффективностью использования результатов натурных и теоретических экологических исследований при принятии решений, недостаточной разработанностью методов количественной оценки последствий загрязнения приземной атмосферы и других жизнеобеспечивающих природных сред.

Во всех развитых странах приняты законы об охране атмосферного воздуха. Они периодически пересматриваются с учетом новых требований к качеству воздуха и поступления новых данных о токсичности и поведении загрязняющих веществ в воздушном бассейне. Улучшение качества воздуха на территории России имеет важное социально-экономическое значение. Это обусловлено многими причинами, и, прежде всего, неблагополучным состоянием воздушного бассейна мегаполисов, крупных городов и промышленных центров, в которых проживает основная часть квалифицированного и трудоспособного населения.