Экология атмосферы. 
Теоретические основы защиты окружающей среды

Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, паров, частиц твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на растения, животных, человека, климат, материалы, здания и сооружения.

Оптимальные для жизни и деятельности человека условия окружающей среды (и ее важнейшего компонента — атмосферного воздуха) находятся в определенных, относительно узких пределах. Увеличение или уменьшение границ этих пределов означает качественное изменение условий жизни человека.

Источники загрязнения атмосферы

Загрязнители атмосферы, так же как и других объектов природы, разделяют на механические, физические и биологические. К механическим относят вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии.

К физическим загрязнениям относят:

тепловые, возникающие в результате повышения температуры атмосферы (поступление в атмосферу нагретых газов);

световые, происходящие при ухудшении естественной освещенности местности под воздействием искусственных источников света;

шумовые, являющиеся следствием возникновения антропогенных шумов;

электромагнитные, вызванные изменением электромагнитных свойств среды (от линий электропередач, радио, телевидения, работы некоторых видов промышленных установок);

радиоактивные, связанные с повышением уровня поступления радиоактивных веществ в атмосферу.

Качество воздуха ухудшается также из-за присутствия в нем носителей неприятных запахов.

Биологические загрязнения в основном являются следствием размножения микроорганизмов и антропогенной деятельности. Источники антропогенного загрязнения атмосферы — теплоэнергетика, промышленность, транспорт, деятельность вооруженных сил (в том числе и в мирное время).

Выбросы в зависимости от состава вредных веществ согласно ГОСТ 17.2.1.01−76 подразделяются по их агрегатному состоянию на четыре класса: I — газообразные и парообразные; 2 — жидкие; 3 — твердые; 4 — смешанные. По химическому составу они делятся на группы, а в зависимости от размера частиц — на подгруппы. Например, твердые выбросы подразделяются на четыре подгруппы с размерами частиц, мкм: менее 1; 1…10; 10…50 и более 50.

К распространенным вредным веществам относятся аэрозоли различного происхождения — пыль, туман, дым; соединения углерода (оксид, диоксид и др.); соединения серы (сероводород, диоксид серы и др.); соединения азота (аммиак, оксиды азота и др.); галоиды (хлор, фтор, бром и их соединения); фосфор и его соединения (фосфористый водород и др.); мышьяк и его соединения (мышьяковистый водород и др.); цианистые соединения (цианистый водород, соли цианистой кислоты и др.); тяжелые и редкие металлы (свинец, ртуть, марганец, цинк, кобальт, хром, ванадий и др.); углеводороды ароматического ряда (бензол, толуол, ксилол); углеводороды жирного ряда (бензины и др.); спирты жирного ряда (метиловый, этиловый и др.); простые эфиры и др.

В атмосферу Земли ежегодно поступает 150 млн т различных аэрозолей; 220 млн т диоксида серы; 450 млн т оксида углерода; 75 млн т оксидов азота. В год на каждого жителя Земли приходится в среднем 300 кг выбросов в атмосферу.

После попадания в атмосферу загрязнения не остаются в неизменном виде; в процессе перемещения в пространстве, турбулентной диффузии происходят их физические изменения. В результате химических реакций образуются новые соединения. Наиболее распространенный в атмосфере химический процесс — окисление веществ кислородом воздуха: диоксид серы окисляется в триоксид, оксид азота — в диоксид, альдегиды — в органические кислоты, ненасыщенные углеводороды — во многие другие вещества.

Даже небольшое содержание диоксида азота в атмосфере может привести к образованию больших количеств атмосферного кислорода и озона, поэтому он играет важную роль в формировании смога. Смог характеризует такое состояние атмосферы, когда снижается видимость и резко возрастает уровень загрязнений. Он отрицательно сказывается на самочувствии и здоровье людей.

Ряд химических реакций в атмосфере приводит к образованию кислот, что связано с повышением кислотности дождей. Основным источником образования кислотных дождей в атмосфере является диоксид серы, выбрасываемый в результате антропогенной деятельности в больших количествах. При окислении он превращается в серную кислоту и гидросульфаты, оксиды азота — в азотную кислоту. Наибольшее количество диоксида серы выбрасывают энергетические предприятия, а оксиды азота в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами при работе двигателей внутреннего сгорания.

Основными источниками загрязнения внешней воздушной среды являются:

промышленные предприятия, в первую очередь химические, нефтехимические и металлургические заводы;

теплогенерирующие установки (тепловые электростанции, отопительные и производственные котельные);

транспорт, в первую очередь автомобильный.

На выбросы энергетических объектов приходится около 60, транспорт 20…25, промышленность 15…20%.

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности людей сопровождаются выделением в воздух помещений и в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. Вредные вещества поступают в воздух помещений также в результате жизнедеятельности людей и животных.

Источники загрязнения воздушного бассейна подразделяются на источники выделения и источники выбросов вредных веществ в атмосферу. Источником выделения вредных веществ называется технологический агрегат (установка, устройство, аппарат и т. п.), выделяющий в процессе эксплуатации вредные вещества; источником выбросов — устройство (труба, аэрационный фонарь, вентиляционная шахта и т. п.), посредством которого осуществляется выброс вредных веществ в атмосферу.

Промышленные производства и технологическое оборудование, являющиеся источниками загрязнения атмосферы, делятся на четыре группы:

имеющие условно чистые выбросы, в которых концентрация вредных веществ не превышает гигиенических норм;

имеющие дурно пахнущие выбросы;

содержащие нетоксичные вещества;

имеющие выбросы, содержащие канцерогенные, токсичные или ядовитые вещества.

Источники загрязнения атмосферы бывают точечные (труба, автомобиль и т. п.), линейные (газопроводы) и поверхностные. Попадать в атмосферу вредные вещества могут на разных стадиях производства (добыча, транспортирование, дробление, измельчение, помол и т. п.), различным образом: из-за негерметичности оборудования, при погрузочно-разгрузочных работах, с открытых складов.

На предприятиях имеют место организованные (через трубы, вентиляционные шахты и т. п.) и неорганизованные выбросы (через фонари и проемы в цехах, от мест погрузки и разгрузки транспорта, из-за утечек в коммуникациях и др.). Неорганизованные выбросы составляют от 10 до 26% общего количества выбросов в атмосферу. Количество наиболее распространенных видов вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу от стационарных источников по ряду городов России, дано в табл. 2.1.

Загрязнение окружающей среды выбросами двигателей внутреннего сгорания представляет в последние годы все большую опасность из-за возросшей угрозы здоровью человека и окружающей среде. Современный образ жизни и развитое производство тесно связаны с автомобильным транспортом.

Таблица 2.1. Выбросы вредных веществ в атмосферный воздух от стационарных источников в ряде городов России, тыс. т/год.

Автомобильный транспорт получил широкое распространение, имея ряд достоинств: относительно высокую скорость движения по усовершенствованным дорогам; хорошие проходимость и маневренность; возможность экономичной перевозки мелких партий грузов; менее высокие капитальные вложения в строительство автодорог по сравнению с железнодорожным транспортом. В начале XX в. на нашей планете насчитывалось 6 тыс. автомобилей. К. 1998 г. число транспортных средств с бензиновым двигателем во всем мире превысило 1,5 млрд. Протяженность автомобильных дороге асфальтовым покрытием только в Европе и Северной Америке достигла почти 10 млн км. По ним ежегодно перевозится 16 млрд т грузов.

В связи со значительным увеличением автомобильного парка постоянно возрастает его роль в загрязнении атмосферного воздуха. Легковой автомобиль выбрасывает оксида углерода СО до 3 м³/ч, грузовой — до 6 м³/ч (3…6 кг/ч). Только за один час автомобили мира выбрасывают в атмосферу 600 тыс. т оксидов углерода. Оксид углерода в повышенных концентрациях обнаружен на значительной высоте, а также в рабочих и жилых помещениях высотных домов, на улицах с интенсивным автомобильным движением.

В общем балансе загрязнения атмосферы антропогенными источниками транспортные средства являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды, прежде всего воздушного бассейна, такими токсикантами, как монооксид углерода, оксиды азота, свинец, углеводороды и др. Так, в 1990 г. их выбросы в мире составили, млн т: углеводороды — 39, монооксиды углерода — 231, диоксид углерода — 3969, оксиды азота — 32. Примерно 60% загрязнения атмосферы приходится на автотранспорт. На другие виды транспорта приходится небольшая часть загрязнений атмосферы. В загрязнении атмосферного воздуха крупных городов мира доля автомобильного транспорта варьирует, %: 88…97 СО, 31…33 NO_x, 63…95 углеводородов. До 70% весьма токсичных соединений свинца, содержащихся в этилированном бензине, также попадают в атмосферу. Токсичными выбросами автомобилей, кроме отмеченных выше выхлопных газов, являются также картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. В целом в выбросах транспортно-энергетических установок содержится 1200 химических компонентов, включая весьма токсичный бенз (а)пирен.

Автотранспорт существенно загрязняет также воду (нефть, масла, растворители) и почву (нефть, нефтепродукты, цветные металлы и резина как следствие истирания деталей автомашин и покрышек). На месте масляных пятен в течение 20 лет ничего не растет, полоса шириной 50… 100 м по обе стороны от дорог является зоной деградации почвенно-растительного покрова с избытком тяжелых металлов (10…20 ПДК) и дефицитом биогенных элементов.

Выхлопные газы и сильные колебания почвы от автомобилей ускоряют процесс старения зданий, приводят к деградации придорожной растительности. В районах с узкими улицами и высокими домами большая концентрация оксида углерода рассеивается медленно и вызывает хронические отрвления людей, длительное время находящихся в этих районах, особенно на перекрестках (регулировщиков уличного движения, уличных торговцев и т. д.).

Основные экологические беспокойства связаны с высокой токсичностью выхлопных газов и неудовлетворительными шумовыми характеристиками автомобилей. Пробег в 1000 км для каждого легкового автомобиля сопровождается потреблением значительного количества кислорода и выбросом из выхлопной трубы до 40 кг веществ, загрязняющих атмосферу. В отработанных газах автомобилей присутствуют окиси углерода, диоксид серы, сажа, соединения свинца, окислы азота, бензпирен и другие вещества — десятки компонентов, некоторые из них канцерогенны. Они вызывают кислородное голодание, нарушение функций центральной нервной системы, раздражение слизистых оболочек глаз, носа.

Причинами значительных выбросов в атмосферу являются отсутствие или недостаточная эффективность систем локализации источников выделения газов и пыли и пылеулавливающих устройств; конструктивные недостатки производственного и транспортного оборудования, их техническая неисправность и недостаточная герметичность; неправильное ведение технологических процессов и др.