Источники загрязнения атмосферы

Существует два источника загрязнения атмосферы: природный и антропогенный. К загрязнениям природного характера относятся: пыль(космического, вулканического, почвенного, растительного происхождения, частички морской соли); туман, дым и газы лесных и степных пожаров; газывулканического происхождения, продукты выветривания горных пород и цветения растений. Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями природным экосистемам, за исключением некоторых катастрофических явлений. Так, при мощных вулканических извержениях частицы золы, пепла и пыли могут подниматься на высоту до 20 кми выше. Например, извержение вулканов Кракатау (Индонезия) в 1883г. и Катмай (Аляска) в 1912г. сопровождалось выбросом 18-20км³ пеплового материала, который снизил приток солнечной радиации на 10-20%, что вызвало в северном полушарии понижение среднегодовой температуры воздуха на 0,5ºС. Аналогичные последствия могут возникнуть также в результате крупных лесных пожаров (например, в Зап.Сибири в 1915г. на площади 1,5млн. км²). Уровень загрязнения атмосферы природными источниками является фоновым и несущественно изменяется со временем.

Вулканы служат также огромным источником не только пыли, но и таких газов, как SO₂ , CO₂, HCl и HF. Эти газы вступают в реакции в стратосфере с образованием других веществ из которых важнейшим является H₂SO₄, вырабатываемая косвенным путём из вулканических источников. Чрезвычайный интерес представляет обнаружение в составе газов вулканов галогенсодержащих соединений, особенно фреонов, считавшихся исключительно антропогенными загрязнениями атмосферы. Установлено, что фреоны относятся к природным компонентам атмосферы и фоновое содержание их в атмосфере до начала промышленного производства определялось вулканической деятельностью.

Под атмосферной пылью понимают взвешенные в воздухе твёрдые частицы с диаметром более 1мкм. Эти частицы трудно классифицировать химически, так как они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы самого различного происхождения, в том числе и цветочную пыльцу растений. Частицы более 10 мкм быстро оседают, от 5 до 0,1 мкм образуют устойчивые аэрозоли, а частички менее 1мкм ведут себя подобно газам.

В отличие от атмосферной пыли аэрозоли содержат не только твёрдые, но и жидкие частицы, образованные при конденсации паров или при взаимодействии газов. Жидкие капельки могут содержать и растворенные в них вещества.

Атмосферный воздух над океаном включает мельчайшие кристаллы солей магния, натрия, калия, кальция, образующиеся в результате высыхания в воздухе брызг воды.

Атмосферная пыль способствует конденсации водяных паров, а, следовательно, и образования осадков. Кроме того, она поглощает прямую солнечную радиацию и защищает организм от солнечного излучения.

Атмосферная пыль и газы антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов; зола, сажа и газы - при переработке минерального сырья, при сжигании топлива в промышленных, бытовых и котельных установках, двигателях внутреннего сгорания; ряд химических продуктов – при взаимодействии газов, среди этих продуктов особую роль играют сульфаты (см. разд. 8.6.2.).

Сравнительные данные о количестве ежегодных выбросов в атмосферу показывают (табл. 8.1), что природные поступления газов и пыли составляют значительно большую часть, чем антропогенные. Это является вполне закономерным, так как природные потоки являются частью биогеохимических круговоротов элементов.

Таблица 8.1 - Соотношение глобальных годовых выбросов природного и

антропогенного происхождения в атмосферу.

¹⁾ В том числе метан; ²⁾ В том числе 20 млн. SO ₂; ³⁾ Только SO₂;

Незначительные по объёму антропогенные выбросы со временем возрастают и могут вызвать нарушение газового баланса и неблагоприятные экологические последствия. Так, антропогенные выбросы SO₂уже давно превысили природные и являются одной из основных причин кислотных дождей.

Сравнение природного и антропогенного поступления в биосферу металлов – вследствие эрозии и деятельности горнодобывающей промышленности – дает по сравнению с табл. 8.1 совершенно иную картину: для 11 металлов показано, что антропогенные перемещения металлов существенно больше чем, естественная эрозия.

Что касается наиболее вредных веществ, то их источниками почти на 100% является промышленность: для мышьяка – 87%, ртути – 95,3%, а пестицидов, фреонов, диоксинов,ПАУ – около 100%.

Из всей массы загрязняющих веществ, которые поступают в атмосферу от антропогенных источников, 90% составляют газообразные вещества и лишь 10% - жидкие и твердые вещества.

Конечно, в первую очередь локальное воздействие сказывается в месте выброса загрязнителей. Поэтому когда говорят о загрязнении, следует различать локальные (местные) значения и средние (всеобщие). Известно, что общее загрязнение в атмосфере распределяются крайне неравномерно:

в сумме 98,9%

1% - над сельской местностью

0,1% - над океанами.

Именно поэтому последствия загрязнения сказываются прежде всего в городах, в которых сконцентрированы промышленные предприятия и автотранспорт.

Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (ТЭС и АЭС), черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтеперерабатывающая промышленность, автотранспорт, производство стройматериалов, угольная и химическая промышленность.

Состав антропогенных выбросов насчитывает десятки тысяч веществ, выявление и идентификация которых иногда затруднительна. Однако обычные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в большом количестве и называемые поэтому многотоннажными, сравнительно немногочисленны.

В первую очередь, это главные загрязнители атмосферы – диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, углеводороды и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ. Кроме того, в атмосфере городов и поселков наблюдается ещё более 70 наименований загрязнителей, среди которых – аммиак, хлор, сероводород, соединения фосфора и свинца, формальдегид, хлористый и фтористый водород, сероуглерод, радионуклиды и др.

Главные загрязнители атмосферы распределяются между основными источниками выбросов следующим образом, %:

диоксид серы: энергетика – 70, промышленность – 28, автотранспорт – 2;

оксид углерода: автотранспорт – 84, промышленность – 12, энергетика – 4;

углеводороды: автотранспорт – 63, промышленность – 37;

оксиды азота: энергетика – 53, автотранспорт – 42, промышленность – 5.

Рассмотрим основные антропогенные источники загрязнения атмосферы и пути сокращения вредных выбросов.

Тепловые электростанции, сжигающие органическое ископаемое топливо, выбрасывают в атмосферу продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, сажа, углеводороды) сгорания. Объём энергетических выбросов очень велик и зависит от вида и качества топлива, а также типа топочных агрегатов. В среднем в топливной теплоэнергетике на 1т условного топлива выбрасывается около 150 кг загрязнителей (1т условного топлива эквивалентна 1т каменного угля, или 2,5 т бурого угля, или 0,7 т нефти, или 800-850 м³ природного газа). Так, современная ТЭС мощностью 2,4 млн. кВт расходует в сутки до 20 тыс т угля и отправляет атмосферу за это время более 1000 т отходов.

Перевод ТЭС на мазут снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. С точки зрения экологии наиболее перспективно применение природного газа, который в 3 раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в 5 раз меньше, чем уголь. В мировом топливном балансе на природный газ приходится около 25%(в России - 45%).

Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на атомных электростанциях – радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Топливный энергетический цикл АЭС предусматривает добычу урановой руды и выделения из неё урана, переработку этого сырья на ядерное топливо (обогащение урана), использование топлива в ядерных реакторах, химическую регенерацию отработанного топлива, обработку и захоронение радиоактивных отходов. Все перечисленные операции сопровождаются опасным радиоактивным загрязнением окружающей среды.

Чёрная и цветная металлургия. Металлургические процессы основаны на восстановлении металлов из руд, в которых они содержатся преимущественно в виде окислов или сульфидов, с помощью термических и электролитических реакций, например:

(8.1)

(8.2)

электролиз (8.3)

Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь сопровождаются выбросом в атмосферу пыли и различных газов. Так, в расчете на 1т получаемого чугуна выбросы составляют, кг: пыли -4,5; диоксида серы – 2,7; марганца – 0,5-1. Вместе с доменным газом в атмосферу выбрасываются в небольших количествах мышьяк, фосфор, свинец, сурьма, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества.

Значительно загрязняют атмосферу выбросы мартеновских и конвертерных сталеплавильных цехов. При бескислородном процессе на 1т мартеновской стали выделяется 3-4 тыс м³ газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м³, 60 кг СО и 3 кг SO₂. При подаче кислорода в зону расплавленного металла пылеобразование многократно увеличивается, достигая 15-52 г/м³. Дымовые газы конвертерного процесса содержат оксид углерода – 80%, оксиды кремния,

фосфора, марганца; концентрация пыли достигает 17 г/м³. Выбросы агломерационных фабрик содержат пыль и диоксид серы (до 190кг SO₂ на 1т руды).

Коксохимическое производство загрязняет атмосферу пылью и смесью летучих соединений, образующихся в процессе коксования угля, среди которых особенно токсичны аммиак, пиридиновые основания, фенол, цианистый водород, сероводород, ПАУ, в том числе 3-4 бензпирен.

Предприятия цветной металлургии загрязняют атмосферный воздух диоксидом серы (75% от суммарного выброса), оксидом углерода (10,5%) и пылью (10,4%). Выбросы содержат токсичные пылевидные вещества: мышьяк, свинец, цинк, медь, хром, кадмий, - и поэтому они особо опасны. При получении металлов электролизом образуется большое количество газообразных и фтористых соединений.

Промышленность строительных материалов. Производство цемента и других вяжущих, стеновых материалов, асбестоцементных изделий, строительной керамики, тепло- и звукоизоляционных материалов, строительного и технического стекла сопровождается выбросами в атмосферу пыли и взвешенных веществ (57,1% от суммарного выброса), оксида углерода (21,4%), диоксида серы (10,8%) и окислов азота (9%). Кроме того, в выбросах присутствуют сероводород, формальдегид, толуол, бензол, ксилол, пятиокись ванадия.

Химическая промышленность. Выбросы этой отрасли, хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности, представляют значительную угрозу для человека и всей биоты.

Технологии химической промышленности со всеми её отраслями (базовая неорганическая химия, нефтегазохимия, оргсинтез, лесохимия, фармакологическая химия, микробиология и др.) содержат множество существенно незамкнутыхматериальных циклов. Основными источниками вредных эмиссий являются процессы производства неорганических кислот и щелочей, синтетического каучука, минеральных удобрений, ядохимикатов, пластмасс, красителей, моющих средств, растворителей, переработка нефти. Список газообразных отходов огромен: оксид углерода (28% от суммарного выброса в атмосферу), диоксид серы (16,3%), окислы азота (6,8%), аммиак (3,7%), бензин (3,3%) и др. В выбросах присутствуют также сероуглерод, сероводород, ароматические углеводороды, ацетон, хлор, дихлорэтан, этилацетат, серная и соляная кислоты, соединения фосфора и ртути.

8.3.1. Загрязнение воздуха автомобилями

В промышленно развитых странах основным источником загрязнения атмосферы является автотранспорт, парк которого непрерывно растёт. Если в 1900г на планете насчитывалось около 6 тыс. автомобилей, то в настоящее время численность мирового парка составляет около 900 млн единиц, из которых 80% приходится на легковые автомобили. Ежегодный прирост составляет 8 – 10%. Из всего количества нефти, добываемой в мире, более 45% сжигается всеми видами транспорта.

В крупных городах выбросы транспорта превышают выбросы промышленных предприятий: Киев, Львов, Москва – более 80%, Санкт-Петербург – 70%, Одесса, Харьков – 60%, Днепропетровск – 35%, Ужгород, Ялта – 90%.

Динамика развития автотранспортных средств, количество которых увеличивается в 5 раз быстрее населения планеты, позволяет достаточно обоснованно прогнозировать дальнейшее ухудшение состояния городского атмосферного воздуха.

Выхлопные газы автомашин содержат более 500 органических соединений. Кроме компонентов топлива, в состав газов входят оксиды азота, серы, углерода, альдегиды, кетоны, ненасыщенные соединения, фенол, сажа, ПАУ и их кислород- и азотпроизводные, соединения свинца. Сравнительно недавно в автомобильных выхлопах обнаружены диоксины. Количество основных компонентов газов значительно меньше (табл.8.2).

Таблица 8.2- Состав отработавших газов автомашин, % по объёму

Особо токсичными являются следующие компоненты: оксиды азота, серы, углерода, альдегиды, ПАУ и их производные, сажа, 3,4-бензпирен. К большинству бензинов добавляют в качестве антидетонирующей присадки тетраметил- или тетраэтилсвинец в количестве 80 мг/л. При движении автомашины 25-80% этого свинца выбрасывается в атмосферу, осаждается на землю, попадает в поверхностные воды. До 90% всего свинца, содержащегося в атмосфере, имеет «автомобильное» происхождение. За рубежом и в Украине (с 2003г.) реализация этилированного бензина запрещена законом, но это не означает, что использование такого бензина прекратилось.

В среднем при пробеге 15000 км за год автомобиль выделяет в атмосферу более 1т загрязнений, в том числе:оксид углерода – 600-800 кг, углеводороды – до 200 кг, оксиды азота – 30-40 кг, свинец– 0,8 кг, 3,4-бензпирен – 0,2г.

Количество и состав отработавших газов существенно зависят от типа и режима работы двигателя и качества топлива. Так, максимальные количества СО и углеводородов (особенно, 3,4-бензпирена) образуются во время режимов торможения, разгона и холостого хода, доля которых в условиях города может достигать 70-80% от общего времени работы автомобиля. Повышенное содержание СО в выхлопных газах приводит к превышению в крупных городах ПДК по СО в 20-30 раз.

Существенное влияние на состав и токсичность выхлопных газов оказывает состав топлива. В отработавших газах присутствуют более 40 ПАУ, проявляющих канцерогенное и мутагенное действие. Наибольшей токсичностью среди них обладает 3,4-бензпирен, являющийся сильнейшим канцерогеном (см. раздел 7.2). Вклад бензпирена в общее загрязнение воздуха среди канцерогенных веществ достигает 75-80%.Если принять токсичность СО, действие которого на организм человека изучено наиболее полно, за единицу, то относительная токсичность других компонентов выхлопных газов составляет:

углеводороды - 0,63 диоксид азота – 75

(неароматические) формальдегид – 100

оксид азота - 41 свинец - 4470

сажа - 60 3,4-бензпирен – 3^. 10⁶

Таким образом, токсичность бензпирена значительно превышает токсичность остальных компонентов выхлопных газов и топлива, однако содержание этого опасного соединения в автомобильных выхлопах не регламентируется. Концентрация бензпирена в выхлопных газах возрастает с повышением содержания ароматических углеводородов в исходном бензине.

В промышленных регионах и крупных городах с интенсивным автомобильным движением среднегодовая концентрация бензпирена превышает ПДК в 4-7 раз, а максимальная концентрация бензпирена фиксируется на уровне 13-21 ПДК. Группа российских учёных недавно установила статистически достоверную высокую заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с концентрацией бензпирена в 2-7 раз выше ПДК. По данным ВОЗ, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания вызывают более 70% детских болезней. Статистика свидетельствует, что в структуре онкологических болезней населения страны доля заболеваний раком лёгких постоянно растёт. Так, в Днепропетровске доля болезней органов дыхания превышает все остальные и составляет 3500 случаев на 10 тыс. населения.

Основными методами снижения токсичности выхлопных газов, кроме совершенствования конструкции двигателя, являются улучшения качества бензинов и каталитическая очистка газов. В странах ЕЭС принята экологическая программа и установлены нормы на выбросы автотранспорта Евро-1, Евро-2, Евро-3 и с 2005года - Евро-4. Требования последнего стандарта предусматривают ограничение содержания в бензине таких токсичных компонентов как бензола (0,1%), суммы ароматических углеводородов (30%), серы (30 ppm) а также выбросов оксидов азота и углерода, углеводородов.Аналогичные стандарты США и Японии являются ещё более жесткими. Принятие законов о чистом воздухе и поэтапное ужесточение стандартов привело к тому, что за последние 20 лет уровень выбросов токсичных компонентов зарубежными автомашинами снизился в 10-15 раз.

Отечественные стандарты на бензин существенно уступают зарубежным. В частности, максимальное содержание бензола может достигать 5%, а общее содержание ароматических углеводородов вообще не регламентируется. В результате одна и та же марка бензина, выпускаемая разными НПЗ, может иметь различный компонентный состав. Так, содержание ароматических углеводородов в отечественных бензинах АИ -92,95 колеблется в пределах 26-60%, а бензола – 2-10%. Особенно высоким уровнем ароматизации характеризуются выпускаемые некоторыми коксохимическими заводами компаунд-бензины, для получения которых наряду с некондиционным нефтяным сырьем используют каменноугольный бензол и его гомологи. В таких «бензинах» содержание бензола достигает 26-33% а сумма ароматических углеводородов – 76-78%. О крайнем неблагополучии на рынке бензинов свидетельствует и тот факт, что 25% продукции автозаправочных станций Украины не отвечают качественным показателям, а 50% - не имеют сопроводительных документов, подтверждающих качество продукции.

В практике передовых зарубежных стран очистка отходящих газов автомобилей осуществляется в каталитических нейтрализаторах, снижающих токсичность выхлопных газов в 6иболее раз. На катализаторах обезвреживания (платина, родий или палладий на Al₂O₃) протекают реакции окисления СО и углеводородов до СО₂ и восстановления оксидов азота доN_2. Общая стоимость катализаторов, используемых в автомобильных дожигателях, в настоящее время составляет более 30%от общей стоимости производимых в мире катализаторов. Эксплуатация нейтрализаторов требует обязательного использования высокооктановых сортов бензина, не содержащих антидетонационных добавок на основе свинца, которые отравляют дорогой катализатор.

Во всем мире большое внимание уделяется альтернативным решениям проблемы снижения токсичности двигателей, прежде всего поиску новых видов топлива. К ним относятся: газовое топливо (метан, пропан, бутан), позволяющее снизить выбросы канцерогенных соединений в 100 раз; спиртовое топливо (метиловый и этиловый спирт и их смеси с бензином); водород, единственным продуктом горения которого являются водяные пары. Всемирная ядерная организация предполагает, что в 2010г. в мире будет несколько сотен миллионов водородных автомобилей, а к 2050г. водород полностью вытеснит бензин и солярку. Радикальным решением проблемы загрязнения атмосферы логично считать также переход на электромобили, не загрязняющие и не подогревающие воздух.