Источники загрязнения атмосферы

Источником загрязнения атмосферы могут быть любой физический агент, химическое вещество или биологический вид (в основном микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или образующиеся в ней в количестве выше естественных. Под атмосферным загрязнением понимают присутствие газов, паров, частиц, твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и сооружения.

По происхождению загрязнения делят на природные, вызванные естественными, часто аномальными, процессами в природе, и антропогенные, связанные с деятельностью человека.

На антропогенные загрязнения приходится большая доля в загрязнении атмосферы. Они связаны с развитием производственной деятельности человека и подразделяются на локальные и глобальные. Локальные загрязнения связаны с городами и промышленными регионами. Глобальные загрязнения влияют на биосферные процессы на Земле и распространяются на огромные расстояния, так как воздух находится в постоянном движении. Глобальные загрязнения атмосферы усиливаются из-за того, что вредные вещества из нее попадают в почву, водоемы, а затем снова поступают в атмосферу.

Источники загрязнения атмосферы разделяют на механические, физические и биологические. Механические загрязнения – пыль, фосфаты, свинец, ртуть, образующиеся при сжигании органического топлива и в процессе производства строительных материалов. Физические загрязнения – тепловые, световые, шумовые, электромагнитные, радиоактивные. Биологические загрязнения являются следствием размножения микроорганизмов и антропогенной деятельности.

Распространенные токсичные вещества, загрязняющие атмосферу:

1) оксид углерода (образуется при лесных пожарах, окислении терпенов и др.);

2) диоксид серы (образуется при вулканических извержениях, окислении серы и сульфатов, рассеянных в море; сжигании топлива в промышленных установках);

3) оксид азота (его источниками являются лесные пожары; автотранспорт, теплоэлектростанции);

4) углеводороды (его источники – лесные пожары, природный метан и природные терпены; автотранспорт, сжигание отходов, холодильная техника, химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы);

5) пыль (возникает в результате вулканических извержений, пылевых бурь, лесных пожаров; сжигания топлива в промышленных установках и т. п.).

Наиболее опасным результатом загрязнения являются смоги. Смог появляется при неподвижном воздухе, когда, с одной стороны, отсутствуют горизонтальные ветры, а с другой — распределение температуры по высоте атмосферы таково, что отсутствует вертикальное перемешивание атмосферных слоев. Перемешивание, или конвекция, воздуха в тропосфере происходит за счет того, что по мере движения вверх от земли через каждые 100 метров температура снижается на 0,6°С. Па высоте 8—18 км изменение температуры меняет знак, то есть наступает потепление. Такое явление называется инверсией. При определенных условиях инверсия температуры наблюдается уже в нижних слоях тропосферы и ведет к прекращению перемешивания воздуха выше уровня инверсии. Иногда в зимние месяцы можно наблюдать местонахождение инверсии между загрязненным нижним слоем воздуха и верхним прозрачным слоем.

Смоги бывают двух типов. Смог, называемый лондонским, наблюдается в туманную безветренную погоду. Весь дым не уносится ветром, а задерживается туманом и остается над городом, производя тяжелое действие на здоровье людей. В Лондоне в дни таких сильных смогов было отмечено повышение смертности. Замена твердого топлива газообразным значительно уменьшает задымление.

Второй тип смогов — фотохимический, появляется в больших южных городах в безветренную ясную погоду, когда скапливаются окислы азота, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей. Эти соединения под действием солнечного излучения проходят цепь химических превращений. Основными компонентами фотохимического смога являются: озон, двуокись азота NО2 и закись азота N20. Скапливаясь в больших количествах, эти вещества и продукты их распада под действием ультрафиолетового излучения вступают в химическую реакцию с находящимися в атмосфере углеводородами СхНх. В результате образуются химически активные органические вещества пероксилацилнитраты (ПАН), которые оказывают вредное влияние на организм человека: раздражают слизистую оболочку, ткани дыхательных путей и легкие, эти соединения обесцвечивают зелень растений. Вредное воздействие на окружающую среду и организм человека оказывает избыток в смоге озона, обладающего сильным окислительными свойствами.

Углеводороды в смоге частично имеют естественное происхождение. Метан выделяется при разложении и гниении растений. Другие углеводороды выделяются в результате работы нефтеперегонных заводов, двигателей внутреннего сгорания.

На долю автотранспорта приходится до 50% общего объема атмосферных выбросов техногенного происхождения, в состав автомобильных выбросов входит более 170 токсичных компонентов. Вблизи дорог с высокой интенсивностью автомобильного движения наблюдаются более или менее отчетливые воздействия на почву, растения и животных. Очень опасными загрязнителями биосферы являются окислы азота. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 150 млн. тонн окислов азота, половина из которых выбрасывается тепловыми электростанциями и автомобилями, а другая половина образуется в результате процессов окисления, происходящих в биосфере. Сильно ухудшает видимость на улицах города перекись азота — газ желтого цвета, придающий коричневатый оттенок воздуху. Этот газ поглощает ультрафиолетовые лучи, производя фотохимическое загрязнение.

Окись азота при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота, которая в результате реакции с атмосферным водяным паром (радикалом гидроксила воды) превращается в азотную кислоту. Двуокись азота NO2, раздражает органы дыхания, вызывает кашель, при больших концентрациях - рвоту, головную боль.

Азотная кислота может долго оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется, и при больших концентрациях может вызвать отек легких.

Капли облаков конденсируются на частицах аэрозолей и молекулах серной и азотной кислоты. При выпадении осадков промывается слой атмосферы между облаком и землей. Так образуются кислотные дожди. Их появление вызвано значительным накоплением окислов серы и азота в атмосфере.

Самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: оксид углерода СО, диоксид серы SO₂, оксиды азота NO_х, углеводороды С_nH_m и пыль.

Примерный относительный состав вредных веществ в атмосфере больших промышленных городов, %: СО - 45, SO₂ - 18, С_nН_m - 15; пыль - 12; NO_х-10.

Кроме СО, S0₂, NO_х, C_nH_m и пыли в атмосферу выбрасывается и ряд других более токсичных веществ. Так например, заводы электронной промышленности в вентиляционных выбросах содержат пары плавиковой серной, хромовой и других минеральных кис.лот, органические растворители и т. п. В настоящее время более 500 вредных веществ загрязняют атмосферу и их количество все увеличивается.

Согласно ГОСТ 17.2.1.01-76 выбросы в атмосферу классифицируются:

1) по агрегатному состоянию вредных веществ в выбросах на газообразные и парообразные (SO2) CO, NOX, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, растворы жидких металлов и солей, органические соединения); твердые (канцерогенные вещества свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие);

2) по массовому выбросу (т/сут) на шесть групп: 1 - менее 0,01 вкл.; 2 - св. 0,01 до 0,1 вкл.; 3 - св. ОД до 1,0 вкл.; 4 - св. 1,0 до 10 вкл.; 5 - св. 10 до 100 вкл.; 6 - св. 100.

В зависимости от размера частиц (мкм) жидкие выбросы делятся на подгруппы: супертонкий туман - до 0,5 вкл.; тонкодисперсный туман - св. 0,5 до 3; грубодисперсный туман - св. 3 до 10 и брызги - св. 10. Твердые выбросы делятся на 4 подгруппы (1 - до 1 вкл.; 2 - св. 1 до 10 вкл.; 3 - св. 10 до 50 вкл.; 4 - св. 50).

Таблица 3 - Основные примеси атмосферы и их источники приведены

Примеси	Основные источники	Среднегодовая концентрация в воздухе, мг/м3
естественные	антропогенные
Твердые частицы (зола, пыль и др)	Вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары и др	Сжижаные топлива в промышленных и бытовых установках	В городах 0,04-0,4
SO2	Вулкан и ческие извержения, окисление серы и сульфатов, рассеянных в море	То же	В городах до 1,0
NOx	Лесные пожары	Промышленность, автотранспорт, теплоэлектростанции	В районах с развитой промышленностью до 0,2
СО	Лесные пожары, выделения океанов, окисление терпенов	Автотранспорт, промышленные энергоустановки, черная металлургия	В городах от 1 до 50
Летучие углеводы	Лесные пожары, природный метан, природные терпены	Автотранспорт, дожигание отходов, испарение нефтепродуктов	В районах с развитой промышленностью до 3,0
Полициклические ароматические углеводы	-	Автотранспорт, химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы	В районах с развитой промышленностью до 0,01

Нормирование примесей атмосферы. Примеси, поступающие в атмосферу, оказывают различное токсическое воздействие на организм человека.

Оксид углерода СО. Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином крови, который становится неспособным переносить кислород к тканям). Поскольку оксид углерода - бесцветный газ и не имеет запаха, это делает его особенно опасным. Первичные симптомы отравления оксидом углерода (появление болей в голове) возникают при концентрациях СО около 200-220 мг/м³ при длительности воздействия в течение 2-3 ч. При несколько больших концентрациях СО появляется ощущение пульса в висках, головокружение. При наличии в воздухе оксидов азота токсичность СО возрастает, поэтому допустимые концентрации СО в воздухе должны быть снижены приблизительно в 1,5 раза.

Оксиды азота NO_x (NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅). Основной выбрасываемый оксид NO₂ не имеет цвета и запаха, очень ядовит, раздражающе действует на органы дыхания человека. Особенно опасны оксиды азота в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов автомашин, образуют фотохимический туман - «смог». Отравление оксидами азота начинается легким кашлем. При повышении концентрации NO_x возникает сильный кашель, рвота, иногда головная боль. При контакте оксидов азота с влажной поверхностью легких образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что приводит к отеку легких. При многочасовом воздействии переносимы концентрации не выше 70 мг/м³. При концентрации оксидов азота 10-20 мг/м³ ощущается запах. При 3 мг/м³ не наблюдается никаких явлений. Оксиды азота взаимодействуют со многими материалами, разрушая их.

Диоксид серы SO₂. Бесцветный газ с острым запахом; уже в малых концентрациях (20-30 мг/м³) создает неприятный вкус во рту; раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути, при концентрациях около 50 мг/м³ образуя последовательно Н₂SО₃ и H₂SO₄. Порог запаха составляет 3-6 мг/м³.

В природе наиболее чувствительны к SО₂ хвойные и лиственные леса, так как SO2 накапливается в листьях и хвое. При содержании SO₂ в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м³ происходит усыхание сосны за 2-3 года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания хвои. Аналогичные изменения у лиственных деревьев возникают при концентрации SO₂ около 0,5-1,0 мг/м³.

Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях снижают активность, вызывают головную боль, головокружение и т. п. Так, при вдыхании в течение 8 ч паров бензина в концентрации около 600 мг/м³ возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Особую опасность представляют собой канцерогенные вещества - непосредственный контакт с ними живой ткани может привести к возникновению злокачественной опухоли. Наиболее опасно попадание этих веществ в органы дыхания. Из организма канцерогенные вещества не выводятся. К канцерогенным веществам относится бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂), который образуется в процессах пиролиза угля и углеводородных топлив (при температуре более 600° С), обнаруживается в саже, дымовых газах и отработавших газах автомобилей.

Альдегиды (главным образом формальдегид). При воздействии на человека вызывают раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Запах формальдегида отмечается при концентрации 0,2 мг/м³. Длительное пребывание в атмосфере с концентрацией формальдегида от 1,0 до 9,5 мг/м³ приводит к раздражению слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, а при содержании формальдегида до 20-70 мг/м³ отмечается головная боль, слабость, потеря аппетита, бессоница, сильное раздражение слизистых оболочек глаз.

Атмосферная пыль различного происхождения и химического состава. Постоянно присутствует в атмосфере. При неполном сгорании топлив образуется сажа, которая представляет собой высокодисперсный нетоксичный порошок, на 90-95% состоящий из частиц углерода. Сажа обладает большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пирену, что делает сажу весьма опасной для человека.

Источником атмосферной пыли является зола, образующаяся при сгорании топлив и в определенных количествах уносимая в атмосферу отходящими газами. В золе содержатся углерод, углеводороды в виде смол и масел и неорганические соединения.

Дисперсный состав пылей и туманов определяет их проникающую способность в организм человека, устойчивость пылевых выбросов в атмосфере и почти всегда является решающим фактором при выборе средств и способов защиты атмосферы от пылевых выбросов и туманов. Особую опасность для человека представляют токсические тонкодисперсные пыли с размером частиц 0,5-10 мкм, поступающие в атмосферу с вентиляционными выбросами и легко проникающие в органы дыхания.

Характерные размеры частиц некоторых видов твердых и жидких примесей атмосферы приведены ниже:

Таблица 4 - Характерные размеры частиц некоторых видов твердых и жидких примесей атмосферы

Вид примеси	Размер частиц, мкм	Вид примеси	Размер частиц, мкм
Природный туман	1-14	Масляный туман	0,03-1,0
Табачный дым	0,01-0,1	Промышленный дым	<1,0
Земляная пыль	1-100	Промышленная пыль	0,01-4000
Бактерии	1,0-10	Возгоны	1-5

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей. Основной физической характеристикой примесей атмосферы является концентрация - количество вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях, обычно в мг/м³. Концентрация примесей определяет физическое, химическое и другие виды воздействия вещества на окружающую среду и относится к основным параметрам при нормировании допустимых концентраций примеси в атмосфере.

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере населенных пунктов регламентированы списком Министерства здравоохранения СССР № 1892-78 от 1 августа 1978 г. с дополнениями № 2063-79 от 11 октября 1979 г. и № 2394-81 от 7 мая 1981 г., в соответствии с которым установлены класс опасности вещества, допустимые максимальная разовая и среднесуточная концентрация примесей Приоритет научного обоснования уровней допустимого содержания примесей в атмосфере принадлежит советским ученым и прежде всего В. Я. Рязанову.

ПДК - это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного действия, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом.

Если вещество оказывает на окружающую природу вредное действие в меньших концентрациях, чем на организм человека, то при нормировании исходят из порога действия этого вещества на окружающую природу.

Максимальная разовая ПДК - основная характеристика опасности вредного вещества. Она устанавливается с целью предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном воздействии атмосферных примесей. Среднесуточная ПДК - для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Концентрации вредных веществ определяются по пробам, отобранным в течение 20-30 мин. Регламент отбора проб воздуха в селитебных зонах определен ГОСТ 17.2.3.01-77.

Наибольшая концентрация С каждого вредного вещества в приземном слое не должна превышать максимальной разовой предельно допустимой концентрации, т. е. С ПДКмакс. При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, их безразмерная суммарная концентрация должна удовлетворять условию

С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ +... + С_n/ПДК_n ≤ 1, (39)

где С₁ С₂,..., С_n - концентрация вредных веществ в атмосфере в одной и той же точке местности, мг/м³; ПДК₁, ПДК₂,..., ПДК_n - максимальные разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, мг/м³.

Эффектом однонаправленного действия (суммации) обладает ряд вредных веществ, например диоксиды серы и азота; диоксид серы и сероводород; сильные минеральные кислоты (серная, соляная, азотная); этилен, пропилен, бутилен, амилен; озон, диоксид азота, формальдегид и др. Например, высоту труб современных ТЭС рассчитывают из условия, что концентрации SO₂ и NO_x в приземном слое атмосферы удовлетворяют условию С_SO2/ПДК_SO2+С_NOx/ПДК_NOx ≤ 1. В табл. 5 приведены допустимые концентрации некоторых наиболее характерных веществ, загрязняющих атмосферу в городах и населенных пунктах. Для сравнения приведены предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, регламентированные в ФРГ. В США максимальные ПДК (часовая норма) вредных веществ составляют, мг/м³: по пыли - 0,12, по S0₂ - 0,75. Наибольшие различия в ПДК относятся к оксидам азота, по которым в ряде стран нормы вообще отсутствуют. Только в РФ (начиная с 1966г.) при нормировании учитывается суммарное воздействие оксидов SO_x и NO_x.

Таблица 5 - Допустимые концентрации веществ, загрязняющих атмосферу

Вещество
максимальная разовая	средне-суточная
NO2	0,085	0,085
CO	5,0	3,0
Пыль	0,15-0,5	0,05-0,15
Сажа	0,15	0,05
SO2	0,5	0,05
H2S	0,008	0,008
Бензин		1,5
Бенз(а) пирен	-	0,1 мкг/100 м3
HNO3	0,40	0,15

Предельно допустимые выбросы (ПДВ). В соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02-78 для каждого источника загрязнения атмосферы устанавливается предельно допустимый выброс вредных веществ из условия, что выбросы вредных веществ от данного источника и совокупности источников города или другого населенного пункта с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК для населения, растительного и животного мира. Расчет ПДВ ведут в соответствии с СН 369-74. Если на территории предприятия действует несколько мелких одиночных источников выбросов (например, вентиляционные выбросы, выбросы от энергетических установок и т. п.), то устанавливают суммарный ПДВ для предприятия или объекта.

При установлении ПДВ для источника загрязнения атмосферы необходимо учитывать значения фоновых концентраций вредных веществ в воздухе Сф от остальных источников загрязнения, действующих в данной местности. В этом случае необходимо выполнять условие С + С_ф ≤ ПДК. Контроль ПДВ ведут измерением концентраций примесей в течение 20 мин, а также в среднем за сутки, месяц, год.

СНиП 11-33-75 регламентируют допустимое содержание пыли в выбросах С_в (мг/м³) вентиляционного воздуха промышленных предприятий:

а) при объемном расходе воздуха более 15000 м³/ч С_в=100 К₂;

б) при объемном расходе воздуха 15000 м³/ч и менее С_в=(160-4Q_v)K₂, где Q_v - объемный расход воздуха, тыс. м³/ч;

К₂ - коэффициент, принимаемый в зависимости от ПДК пыли в воздухе рабочей зоны производственного помещения:

Таблица 6 - Коэффициент, принимаемый в зависимости от ПДК пыли в воздухе рабочей зоны производственного помещения

ПДК, мг/м3	К<2	К2-4	К4-6	К>6
К2	0,3	0,6	0,8	1,0

Нормирование содержания СО в отработавших газах ДВС, работающих на бензине, ведется в соответствии с ГОСТ 17.2.2.03-77. Содержание СО контролируется на режиме холостого хода при двух частотах вращения коленчатого вала двигателя: минимальной n _мин.х.х и повышенной, равной 0,6 номинальной частоты холостого хода, т. е. 0,6 n_HOM.X.X. Объемная доля СО в отработавших газах не должна превышать 1,5 и 1,0% соответственно для указанных режимов.