А.Е. Аствацатуров
Инженерная экология Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2006
Глава 4. Загрязнение атмосферы от промышленных предприятий
4.1. Основные источники загрязнения атмосферы
Различают природные (естественные) и антропогенные
(искусственные) источники загрязнения. К природным источникам
относятся: пыльные бури, пожары, различные аэрозоли растительного, животного
или микробиологического происхождения и т.п. Антропогенные выбросы в
атмосферу ежегодно составляют более 19 млрд. т, из них более 15 млрд. т
углекислого газа, 200 млн. т оксида углерода, более 500 млн. т углеводородов,
120 млн. т золы и др.
На территории Российской Федерации, например, в
1991г., выбросы загрязняющих веществ в воздушную среду составили около 53 млн.
т, в том числе промышленностью – 32 млн. т (61%), автотранспортом 21 млн. т
(39%). В одном из крупных регионов страны, Ростовской области, выбросы
загрязняющих веществ в атмосферный воздух в 1991 и 1996 гг. составили соответственно
944,6 тыс. т и 858,2 тыс. т в том числе:
|
в 1991 г.
|
в 1996 г.
|
твердые вещества
|
112,6 тыс. т
|
81,6 тыс. т
|
диоксид серы
|
184,1 тыс. т
|
133,0 тыс. т
|
оксид углерода
|
464,0 тыс. т
|
467,1 тыс. т
|
оксид азота
|
94,3 тыс. т
|
99,4 тыс. т
|
углеводороды
|
79,3 тыс. т
|
70,1 тыс. т
|
летучие орг. соед.
|
8,0 тыс. т
|
4,4 тыс. т
|
прочие
|
3,3 тыс. т
|
2,6 тыс. т.
|
Более половины от общего объема
составляют выбросы от автотранспорта. Загрязнения в основном получаются в виде
побочных продуктов или отходов при добыче, переработке и использовании ресурсов,
а также могут представлять собой одну из форм вредных выбросов энергии,
например, избыточного тепла, шума и радиации.
Большинство естественных загрязнений (например,
извержение вулкана, сжигание угля) рассеиваются по обширной территории, и их
концентрация, зачастую, снижается до безопасной (за счет разложения,
растворения и рассеивания). Антропогенные загрязнения воздуха возникают на
урбанизированных территориях, где большие количества загрязнителей
концентрируются в небольших объемах воздуха.
Наиболее опасными и широко распространенными
считаются следующие восемь категорий загрязнителей:
1) взвеси – мельчайшие
частицы вещества во взвешенном состоянии;
2) углеводороды и
другие летучие органические соединения, находящиеся в воздухе в виде паров;
3) угарный газ (СО) –
чрезвычайно ядовит;
4) оксиды азота (NOx)
– газообразные соединения азота и кислорода;
5) оксиды серы (SO2
диоксид) – ядовитый газ, опасный для растений и животных;
6) тяжелые металлы
(медь, олово, ртуть, цинк и т.д.);
7) озон и другие
фотохимические окислители;
8) кислоты
(преимущественно серная и азотная).
Рассмотрим, что это за загрязнители и как они
образуются.
В крупных городах можно встретить
два основных вида источников загрязнителей: точечные, например, труба
ТЭЦ, дымовая труба, выхлопная труба автомобиля и т.д. и неточечные –
поступающие в атмосферу с обширных источников.
Различают твердые, жидкие и
газообразные вещества, загрязняющие окружающую среду.
Твердые – образуются при
механической обработке материалов или их транспортировке, при сжигании и
тепловых процессах производства. К ним относятся пыль и взвеси, образующиеся:
первые – при добыче, переработке и транспортировке сыпучих материалов,
различных технологических процессах и ветровой эрозии; вторые – при открытом
сжигании отходов и из промышленных труб в результате самых различных технологических
процессов.
Жидкие загрязняющие
вещества – продукт химических реакций, конденсации или распыления жидкости в
технологических процессах. Основными жидкими загрязнителями являются нефть и
продукты ее переработки, загрязняющие атмосферу углеводородами.
Газообразные загрязнители
образуются в результате химических реакций, электрохимических процессов,
сжигания топлива, реакций восстановления. Наиболее распространенными загрязнителями
в газовом состоянии являются: оксид углерода СО, диоксид углерода СО2,
оксиды азота NO, N2O, NO2, NO3,
N2O5,
диоксид серы SO2, соединения хлора и фтора.
Рассмотрим наиболее опасные, широко
распространенные загрязнители. Каковы они и в чем их опасность?
1. Пыль и взвеси –
это взвешенные в воздухе тонкие частицы, например, дыма и сажи (табл.4.2).
Основными источниками взвеси являются промышленные трубы, транспорт и открытое
сжигание топлива. Мы можем наблюдать такие взвеси в виде смога или дымки.
По дисперсности, т.е. степени измельченности различают пыль:
-
крупнодисперсную – с частицами размером более 10 мкм, оседающую в
неподвижном воздухе с возрастающей быстротой;
-
среднедисперсную – с частицами от 10 до 5 мкм, медленно оседающую в неподвижном
воздухе;
-
мелкодисперсную и дым – с частицами размером 5 мкм, быстро
рассеивающуюся в окружающей среде и почти не оседающую.
Таблица 4.2
Основные источники
загрязнения атмосферного воздуха
Группа
|
Аэрозоли
|
Газообразные выбросы
|
Котлы и промышленные печи
|
Зола,
сажа
|
NO2, SO2, а также CO,
альдегиды (HCHO), органические кислоты, бензапирен
|
Автомобильные двигатели
|
Сажа
|
CO,
NO2,
альдегиды, углеводороды неканцерогенные, бензапирен
|
Нефтеперерабатывающая промышленность
|
Пыль,
сажа
|
SO2, H2S, NH3, NОx, CO, углеводороды, кислоты, альдегиды, канцерогенные вещества
|
Химическая промышленность
|
Пыль,
сажа
|
В зависимости от процесса (H2S, CO,
NH3),
кислоты, органические вещества, растворители, летучие сульфиды и др.
|
Металлургия и коксохимия
|
Пыль,
оксиды
|
SO2, CO,
NH3, NOX, фтористые и цианистые соединения, органические
вещества, бензапирен
|
Горная промышленность
|
Пыль,
сажа
|
В зависимости от процесса (CO, фтористые
соединения, органические вещества)
|
Пищевая промышленность
|
|
NH3, H2S,
смеси органических соединений
|
Промышленность строительных материалов
|
Пыль
|
CO,
органические соединения
|
Пыль, способная некоторое время
находиться в воздухе во взвешенном состоянии, называется аэрозоль, в
отличие от осевшей пыли, называемой аэрогель. Мелкодисперсная пыль
представляет для организма наибольшую опасность, поскольку она не задерживается
в верхних дыхательных путях и может проникнуть глубоко в легкие. Кроме того,
тонкая пыль может быть проводником в организм человека различных ядовитых
веществ, например, тяжелых металлов, которые на пылинках могут проникать
глубоко в дыхательные пути.
Можно привести и другие примеры: комбинация
двуокиси серы с пылью раздражает кожу и слизистые оболочки, с повышением концентрации
- приводит к нарушениям дыхания и болям в груди, а при очень высоких
концентрациях, значительно превосходящих ПДК, вызывает смерть от удушья.
В машиностроительных предприятиях, особенно в цехах
горячей и холодной обработки металлов, в воздушную среду рабочих зон выделяется
много пыли, токсических и раздражающих газов. Современный стандарт
устанавливает ПДК для вредных веществ около 1000 видов. По степени воздействия
на организм вредные вещества подразделяют на четыре класса:
1-й – вещества чрезвычайно
опасные;
2-й – вещества высоко опасные;
3-й – вещества умеренно опасные;
4-й – вещества малоопасные.
Класс опасности веществ
установлен в зависимости от норм и показателей (табл.4.3).
Таблица
4.3
Классы опасности и
пределы уровня загрязнения
Наименование
показателя
|
Норма для класса опасности
|
1-го
|
2-го
|
3-го
|
4-го
|
Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных
веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м3
|
Менее 0,1
|
0,1-1,0
|
1,1-10
|
Более 10
|
Средняя смертельная концентрация в воздухе, мг/м3
|
Менее 500
|
500-5000
|
5000-50000
|
Более 50000
|
Предельно допустимые концентрации
вредных веществ в воздухе рабочей зоны – это концентрации, которые при
ежедневной 8-часовой (кроме выходных дней) работе или при другой продолжительности
(но не более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа не вызывают
заболеваний или отклонений в состоянии здоровья.
Предельно допустимая концентрация представляет
первичный стандарт, являющийся критерием загрязнения, это максимальный уровень
загрязнения, который человек может переносить без ущерба для здоровья, плюс
10-15% как запас прочности.
2. Углеводороды – это
органические соединения углерода и водорода. В технике и промышленности они
используются в качестве энергоносителей, например, природный газ, пропан,
бензин, растворители для красок и чистящих средств и др. Среди особо опасных
углеводородов важное место занимает бензапирен – составная часть выхлопных
газов автомобилей и выбросов в атмосферу от угольных печей.
3. Угарный газ. При полном
сгорании топлива и отходов, представляющих собой органические соединения,
образуются углекислый газ и вода:
CH4+2O2=CO2+2H2O.
В случае полного сгорания
выбрасывается в воздух двуокись углерода, называемая также углекислым газом (СО2)
при неполно окисленном углероде – угарный газ (СО).
Двуокись углерода – бесцветный
газ со слабым запахом образуется при дыхании живых организмов, а также при
сжигании угля, нефти и газа на тепловых станциях, в котельных и т.п. В
небольшом количестве углекислый газ не опасен, но в очень больших дозах он
приводит к смерти. Содержание СО2 в воздухе постоянно растет, что
связано с все более увеличивающимся количеством сжигания угля и нефти. За последние
100 лет содержание двуокиси углерода в воздухе увеличилось примерно на 14%.
Рост содержания углекислого газа в воздухе способствует повышению температуры
на Земле, так как слой углекислого газа создает мощный экран, не пропускающий в
космос тепло, излучаемое Землей, что нарушает естественный теплообмен между
планетой и окружающим ее пространством. Это так называемый парниковый,
или оранжерейный, эффект.
Окись углерода (СО) – не
полностью окисленный углерод, так называемый угарный газ. СО – ядовитый газ, не
имеющий цвета и запаха. Вдыхание угарного газа блокирует поступление кислорода
в кровь, приводит к кислородному голоданию тканей с последующим наступлением
обморока, паралича дыхательных путей и смерти.
4. Оксиды азота (NOx) – газообразные соединения веществ,
вырабатываемые микроорганизмами; также могут образоваться в продуктах сгорания
топлива в автомобильных двигателях, в химической промышленности, например, при
производстве азотной кислоты. При высоких температурах горения часть азота (N2) окисляется, образуя монооксид (NO), который в воздухе, вступая в реакцию с кислородом, окисляется
до диоксида (NO2) и/или тетраоксида (N2O4).
Оксиды азота способствуют возникновению
фотохимического смога, образованного из продуктов реакции между окислами азота
и ненасыщенными углеводородами под активным действием ультрафиолетового
излучения Солнца.
Оксиды азота раздражают органы дыхания, слизистые оболочки,
особенно легких и глаз, а также отрицательно действуют на мозг и нервную
систему человека.
5. Двуокись серы или так
называемый сернистый газ (SO2) – остро
пахнущий, бесцветный газ, раздражающий дыхательные пути человека и животных,
особенно в среде тонкой пыли. Основными источники загрязнения воздуха двуокисью
серы являются горючие ископаемые, сжигаемые в энергетических установках.
Топливо и отходы, которые при сгорании попадают в воздух, содержат серу
(например, в угле от 0,2 до 5,5% серы). В процессе сгорания сера окисляется с
образованием SO2. Двуокись серы наносит
серьезный ущерб окружающей среде – у растений под действием SO2
происходит частичное отмирание хлорофилла, что пагубно действует на
сельскохозяйственные урожаи, лесные деревья, водоемы, выпадая в виде так
называемых кислотных дождей.
6. Тяжелые металлы,
загрязняя окружающую среду, приносят огромный вред человеку и природе. Свинец,
ртуть, кадмий, медь, никель, цинк, хром, ванадий – постоянные компоненты
воздушной среды крупных промышленных центров. Примеси тяжелых металлов могут содержать
уголь, а также различные отходы.
Примеры: там, где используется в качестве
дополнителя в бензин тетраэтилсвинец с целью дешевого предотвращения стука
двигателей (в ряде стран такой способ добавки запрещен) воздух значительно
загрязняется свинцом. Высвобождаясь с выхлопными газами, этот вредный тяжелый
металл, остается в воздухе и, прежде чем осесть, переносится ветром на большие
расстояния.
Другой тяжелый металл – ртуть, попадая из
загрязненного воздуха в воду в процессе биоаккумуляции в озерах, попадает в
организмы рыб, что создает серьезную опасность отравления человека по пищевой
цепочке.
7. Озон и различные
активные органические соединения, которые образуются в процессе химических
взаимодействий оксидов азота с летучими углеводородами, стимулируемых лучами
солнца. Продукты этих реакций называются фотохимическими окислителями.
Например, под действием солнечной энергии диоксид азота распадается на монооксид
и атом кислорода, который, соединяясь с О2, образует озон О3.
8. Кислоты,
преимущественно серная и азотная, которые образуют кислотные дожди.
Какие же объекты источников загрязнения атмосферы
составляют главную опасность здоровью планеты?
Основными загрязнителями воздуха в индустриальных
странах являются автомобили и другие виды транспорта, промышленные предприятия,
тепловые электростанции, крупные комплексы военной промышленности и атомной
энергетики.
Автотранспорт загрязняет воздух
городов окисью углерода и азота, углеводородами и другими вредными веществами.
Ежегодные выбросы автомобилей в России в начале 90-х годов составили 36 млн. т
или 37% от общего объема выбросов (около 100 млн. т/год), в том числе: оксиды
азота – 22%, углеводороды – 42%, окиси углерода – около 46% (наибольший объем
выбросов от автомобилей отмечен в Москве – более 840 тыс. т/год).
Сейчас в мире несколько сотен миллионов только
личных автомобилей, почти половина из них – около 200 млн. - на американском
континенте. В Японии из-за ограниченной территории на единицу площади
приходится почти в 7 раз больше автолюбителей, чем в США. На совести автомобиля
– этой "химической фабрики на колесах" – более 60% всех вредных
веществ в городском воздухе. Выхлопные газы автомобиля содержат около 200
веществ, приносящих вред здоровью и природе. В них присутствуют несгоревшие или
неполностью разложившиеся углеводороды топлива. Количество углеводородов резко
увеличивается, если двигатель работает на малых оборотах или при увеличенной
скорости, например, при старте на перекрестках у светофоров. В момент нажатия
на педаль акселератора выделяется большое количество несгоревших частиц (в
10-12 раз больше чем при нормальном режиме). Кроме того, в несгоревших
выхлопных газах двигателя при нормальном режиме содержится около 2,7% окиси
углерода, количество которого увеличивается при снижении скорости примерно до
3,9-4%, а на тихом ходу – до 6,9%.
Выхлопные газы, в том числе окись углерода,
углекислый газ и многие другие выбросы двигателей, тяжелее воздуха, поэтому все
они скапливаются у земли, отравляя человека и растительность. При полном
сгорании топлива в двигателе часть углеводородов превращается в сажу,
содержащую различные смолы. Особенно при неисправности двигателя за автомобилем
тянется черный шлейф дыма, содержащий полициклические углеводороды и в том
числе бензапирен. В выхлопных газах содержатся также оксиды азота, альдегиды,
обладающие резким запахом и раздражающим эффектом, соединения неорганического
свинца.
Черная металлургия – один из
крупных источников загрязнения атмосферы пылью и газами. В процессе выплавки
чугуна и переработки его на сталь выбросы пыли в расчете на 1 т предельного чугуна
составляют 4,5 кг, сернистого газа – 2,7 кг и марганца – 0,5-0,1 кг.
Существенную роль в загрязнении
атмосферы играют выбросы мартеновских и конверторных сталеплавильных цехов.
Выбросы мартеновских печей в основном содержат пыль из триокиси железа (76%) и
триокиси алюминия (8,7%). При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали
выделяется 3000-4000 м3 газов с концентрацией пыли около 0,6-0,8 г/м3.
В процессе подачи кислорода в зону расплавленного металла образование пыли
значительно увеличивается, достигая 15-52 г/м3. Одновременно
происходит выгорание углеводорода и серы, в связи с чем в выбросах мартеновских
печей содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа в расчете на
1 т выдаваемой стали.
Процесс получения стали в
конверторных печах характерен выбросом в атмосферу дымовых газов, состоящих из
частиц окислов кремния, марганца и фосфора. В составе дыма содержится до 80 %
окиси углерода, а концентрация пыли в отходящих газах составляет около 15 г/м3.
Выбросы цветной металлургии содержат технические
пылевидные вещества: мышьяк, свинец, фтор и др., поэтому представляют собой
серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды. В процессе
производства алюминия электролизом в атмосферу выбрасывается большое количество
газообразных и пылевидных фтористых соединений. Для получения 1 т алюминия
расходуется от 33 до 47 кг фтора (в зависимости от мощности электролизера),
более 65 % которого попадает в атмосферу.
Предприятия химической промышленности относятся к
группе наиболее опасных источников загрязнения атмосферы. Состав их выбросов
весьма разнообразен и содержит много новых, чрезвычайно вредных веществ. Мы
мало знаем о потенциально вредном воздействии 80 % этих веществ на людей,
животных и природу. К основным выбросам предприятий химической промышленности
относятся окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак,
органические вещества, сероводород, хлористые и фтористые соединения, пыль от
неорганических производств и др.
Топливно-энергетический комплекс (тепловые
электростанции, теплоэлектроцентрали, котельные установки) выделяет в
атмосферный воздух дым, образующийся при сгорании твердого и жидкого топлива.
Выбросы в атмосферный воздух от использующих топливо установок содержат
продукты полного сгорания – окислы серы и зола, продукты неполного сгорания – в
основном окись углерода, сажа и углеводороды. Общий объем всех выбросов весьма
значительный. Например, тепловая электростанция, потребляющая ежемесячно 50
тыс. т угля, содержащего примерно 1% серы, ежедневно выбрасывает в атмосферу 33
т серного ангидрида, который может превратиться (при определенных метеорологических
условиях) в 50 т серной кислоты. За одни сутки такая электростанция производит
до 230 т золы, которая частично (около 40-50 т в день) выбрасывается в
окружающую среду в радиусе до 5 км. Выбросы тепловых станций, сжигающих нефть,
почти не содержат золы, однако выделяют в три раза больше серного ангидрида.
Воздушные загрязнения нефтедобывающей,
нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество
углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов.
|