А.И. Сафонов
Техноэкология. Курс лекций
Донецк: ДонНУ, 2014. – 107 с.
2. Загрязнение атмосферы промышленными предприятиями
2.1. 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.2.2). Основными источниками
взвеси являются промышленные трубы, транспорт и открытое сжигание топлива. Мы
можем наблюдать такие взвеси в виде смога или дымки.
Таблица 2.2
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
|
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.
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.2.3).
Таблица 2.3
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.
|