Оценка экологического состояния атмосферы в промышленной зоне

 

Рис.1.2. Поведение загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу

 

В зависимости от промышленной специализации города в его атмосфере  повышается концентрация той или  иной примеси. Главными источниками  техногенного загрязнения атмосферы  являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы.

Ряд отраслей промышленности оказывает наиболее ощутимое негативное воздействие на состояние воздушного бассейна республики.

Топливно-энергетический комплекс является самым мощным источником поступления загрязняющих веществ в атмосферу – 40% общих выбросов. В процессе переработки и сжигания минерального топлива происходит образование наибольших масс твердых частиц, углекислого газа, окислов серы и азота, а также целого ряда окислов металлов. Черная металлургия – следующий по интенсивности источник загрязнения атмосферы [2].

Характер загрязнения  воздуха вокруг конкретного предприятия  определяется применяемой технологией производства, структурой производимой продукции, оснащенностью очистными сооружениями. Сгорание угля, нефти, газа по различным причинам редко бывает полным. Поэтому промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу значительное количество твердых несгоревших частиц и вредных газов [2,10].

Выбросы  промышленных предприятий представлены двумя группами. В одну из них входят неорганизованные выбросы, которые происходят вследствие неплотностей в аппаратуре и коммуникациях, неумело организованного транспортирования материалов, складирования сырья и т.д. К другой группе относятся организованные выбросы. Их источники – дымовые трубы, воздушки, вентиляционные системы и др. [10].

В то же время имеются  усредненные оценки загрязнения  при производстве единицы продукции. Так выплавка 1 тыс. т стали связана с выбросом в атмосферу 40 тонн пыли, сернистого ангидрида и 50 т окиси углерода; выработка 1 млн. кВт/ч электроэнергии на ТЭС связана с выбросом 10 т золы и 15 т сернистого ангидрида; при производстве серной или азотной кислоты на каждые 1 тыс. т продукта в атмосферу выбрасывается до 20 т окислов азота и сернистого ангидрида [2].

При сжигании всех видов  топлива образуются и затем поступают  в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые содержатся в атмосфере в естественных условиях и не оказывают вредного воздействия на человека. По этой причине данные газы не относятся к загрязняющим атмосферу веществам, хотя на их долю приходится большая часть всех выбросов антропогенного происхождения [11].

В больших городах и  густонаселенных пунктах первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к транспорту, прежде всего к автомобильному. Главная составная часть автомобильных выхлопов – оксид углерода, углеводороды и весьма ядовитый свинец, который добавляется в бензин со специальными активированными присадками. Причем 40% частиц свинца, выбрасываемого автомобилем, имеет диаметр менее 5 мкм, они способны длительное время находится во взвешенном состоянии и проникать с воздухом в организм животных и человека [2,10].

Вредные газа выделяет и авиационный транспорт. По уровню производимого загрязнения один сверхзвуковой лайнер приравнивают к 7 тыс. легковых автомобилей. Один реактивный самолет перелетающий через Атлантический океан, потребляет за 8 ч. полета такое количество кислорода, которое продуцируют за то же время 25 тыс. га лесов [10].

Загрязнение атмосферы наносит  значительный ущерб народному хозяйству.

Территория республики кроме  собственных источников загрязнения  окружающей среды загрязняется вредными примесями, выбрасываемыми в атмосферный воздух в соседних странах. Доля этих примесей в общем количестве загрязняющих веществ в атмосфере значительно выше, чем вклад собственных источников загрязнения.

Согласно прогнозам Национальной академии наук Беларуси, к 2020 г. на территории республики должен снизиться уровень фонового загрязнения атмосферы, но существенно вырастет уровень загрязнения атмосферы городов оксидами азота в связи со значительным увеличением потребления автомобильного топлива [12].

 

1.2.1 Газы

При загрязнении атмосферы газами действуют три фактора: эмиссия (выброс) вредных веществ, трансмиссия (перенос) вредных веществ и иммиссия (ввод) вредных веществ в организмы и ткани растений.

При выбросе газов необходимо учитывать высоту расположения выходного отверстия над поверхностью земли, скорость выброса, общее количество газа, его температуру и скорость распространения. Распространение газов в основном определяется их растворимостью в воде и способностью к химическому взаимодействию с компонентами атмосферы. Кроме этого, перенос связан с метеорологическими условиями и особенностями земной поверхности. Направление переноса выбросов определяется направлением ветра, а высота подъемов выбросов – его скоростью [16].

Углерода оксид (СО), называемый в быту угарным газом, – самая распространенная и наиболее значительная (по массе) примесь атмосферы. В естественных условиях содержание СО в атмосфере очень мало: оно колеблется от сотых долей до 0,2 млн^-1. В атмосферу оксид углерода попадает в составе вулканических и болотных газов, в результате лесных и степных пожаров, выделения микроорганизмами, растениями, животными и человеком. Большое количество СО образуется в нефтяной промышленности и на химических предприятиях (крекинг нефти, производство формалина, углеводородов, аммиака и др.) [5,11].

Еще одним немаловажным источником оксида углерода является табачный дым. Высока концентрация оксида углерода в угольных шахтах, на углеподающих трассах. Оксид углерода образуется при неполном сгорании топлива в печах и двигателях внутреннего сгорания. Важным источником поступления СО является автомобильный транспорт [5].

Непрерывное выделение СО наряду с его относительно длительным нахождением в атмосфере должно было бы привести к большему увеличению концентрации СО в воздухе, чем это наблюдается фактически. Такому накоплению СО препятствуют высшие растения, водоросли и особенно микроорганизмы. Высшие растения в определенной степени могут связывать СО с помощью аминокислоты серина, возможно также окисление СО в СО₂ [16].

Оксид углерода чрезвычайно  ядовит. При поступлении оксида углерода в организм нарушается способность крови доставлять кислород к тканям, вызываются спазмы сосудов, снижается иммунологическая активность человека. СО нарушает фосфорный, азотистый, углеводный обмен.

Чрезвычайная опасность  СО, отсутствие у него цвета и запаха, а также очень слабое поглощение его активированным углем обычного противогаза делают этот газ особенно опасным [5].

Серы диоксид, или сернистый ангидрид (SO₂) – второе (по массе) загрязняющее атмосферу вещество. SO₂ антропогенного происхождения образуется при сгорании угля (70% антропогенных выбросов) и нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химико-технологических процессах. Большая часть антропогенных выбросов SO₂ связана с энергетикой и промышленностью.

Время пребывания диоксида серы в атмосфере в среднем  исчисляется двумя неделями. Этого  времени мало для того, чтобы газ  мог распространиться в глобальном масштабе. Поэтому в соседних географических районах в атмосфере может наблюдаться большое различие концентраций диоксида серы.

В атмосфере диоксид серы претерпевает ряд химических превращений, важнейшие из них – окисление и образование кислоты. Большое значение имеет окисление с помощью радикалов ОН^*. При этом возможна реакция с озоном:

SO₂+O₃=SO₃+O₂.

Во влажной атмосфере  образуется серная кислота. В насыщенной парами воды фазе диоксид серы сначала образует сернистую кислоту, которая с озоном и пероксидом водорода дает серную кислоту:

H₂SO₃^–+O₃=SO₄^2–+H⁺+O₂

HSO₃^–+H₂O₂= SO₄^2–+H⁺+H₂O [16].

Сероводород и сероуглерод поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, коксохимические, нефтеперерабатывающие, также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида [6].

Азот образует смесь различных  оксидов, но лишь азота оксид NO и азота диоксид NO₂ имеют значение как атмосферные загрязнители.

Оксиды азота играют основную роль в образовании фотохимического  «смога», влияют они  и на разрушение озонового слоя, ведут также к  образованию кислых дождей. Загрязнение атмосферы оксидами азота в целом сравнительно невелико. Но в районах с развитой химической промышленностью имеются локальные зоны повышенного содержания NO и NO₂ в воздухе.

Азота оксид  – бесцветный газ, образующийся в малых количествах  в цилиндрах двигателей внутреннего  сгорания, работающих на бензине и  дизельном топливе, при взаимодействии О₂ с N₂. В дальнейшем он окисляется кислородом до двуокиси азота NO₂ [14].

Азота диоксид – устойчивый газ желтого цвета, в большинстве случаев придающий воздуху в городах коричневатый оттенок, ядовитый, с неприятным запахом, является также сильным коррозионно-активным агентом. Под влиянием ультрафиолетовой радиации NO₂ разрушается, переходя в NO. Разрушение NO₂ происходит также при температуре выше 600 ˚С, что объясняет более высокое содержание NO по сравнению с содержанием NO₂ в выхлопных газах автомобилей [14,16].

Диоксид азота сохраняется  в атмосфере в среднем около  трех суток. При взаимодействии с  водяным паром он превращается в  азотную кислоту и другие нитраты. В отличие от серной азотная кислота может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Пары азотной кислоты поглощаются в атмосфере каплями облаков или частицами аэрозоля [14,16].

Образование оксидов азота  в процессах сжигания связано  с окислением атмосферного азота и, в меньшей степени, с окислением органических соединений азота, содержащихся в топливе. С повышением температуры количество оксидов азота значительно увеличивается. Основным источником выбросов оксидов азота, не связанных с сжиганием топлива, является производство азотной кислоты [14].

Углеводороды, опасность появления которых связана с тем, что они являются промежуточными продуктами в процессе образования озона, поступают в атмосферу при сжигании топлива и при переработке нефтепродуктов, в процессе производства пластмасс, красителей, пищевых добавок, парфюмерных продуктов, смол, пигментов, пестицидов, а также при переработке каучуков.  Кроме того, многие углеводороды выделяются в процессе роста и размножения растений. По оценкам ученых из природных источников во всем мире ежегодно выделяется 117 млн. т углеводородов, а из антропогенных источников – 100 млн. т. Однако, углеводороды, присутствующие в атмосфере городов, в основном представляют собой продукты сгорания [4].

При неполном сгорании происходит к тому же образование (синтез)  опасных  канцерогенных циклических углеводородов. Особенно много канцерогенных (вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя путем хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно добиться некоторого снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из первых мест среди источников загрязнения атмосферы канцерогенными веществами [16].

Углеводороды подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц [6].

Источниками загрязнения соединениями фтора являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений фтороводорода. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами [6].

Соединения хлора поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере они встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов [6].

 

1.2.2. Жидкие аэрозоли

 

Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Они распространены в приземном слое, тропосфере и стратосфере. Время их жизни различно: от нескольких часов до многих лет. Частицы попадают в атмосферу с Земли в готовом виде, но значительная часть их образуется в результате химических реакций между газообразными,  жидкими и твердыми веществами, включая пары воды [14].

Аэрозоли разделяются  на:

• первичные (выбрасываются  из источников загрязнения);

• вторичные (образуются в атмосфере);

• летучие (переносятся на далекие расстояния);

• нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пыле-, газовыбросов).

По агрегатному состоянию  и размерам частиц дисперсионной  фазы, аэрозоли делят на туманы –  системы с жидкой дисперсионной  фазой (размер частиц 0,1–10 мкм), пыли –  системы с твердыми частицами  размером больше 10 мкм и дымы, размеры  твердых частиц которых находятся  в пределах 0,001–10 мкм [4].