Загрязнение атмосферного воздуха

Тема 6. Загрязнение атмосферного воздуха Атмосфера Атмосфера (от греч. ..... – пар и ...... – шар) – это газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы составляет 5,15·1015 т. Состав атмосферы (об.%): Азот – 78,084, Кислород – 20,964, Аргон – 0,934, Углекислый газ – 0,034, Неон – 0,0018, Гелий – 0,000524, Криптон – 0,000114, Водород – 0,00005, Водяной пар: – 0,2 в полярных широтах, – 2,6 у экватора, Озон – 0,001 – 0,0001 в стратосфере, – 0,000001 в тропосфере, Метан – 0,00016 и др. Строение атмосферы Атмосфера подразделяется на слои в соответствии с их высотой и температурой. Самый близкий к поверхности Земли слой до высоты 8– 10 км в полярных и 16–18 км в тропических широтах называется тропосферой. Тропосфера содержит 80 % всей массы атмосферного воздуха, ~90 % имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере происходят глобальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. С увеличением высоты температура понижается до –60 °C и более. Выше располагается стратосфера, верхняя граница которой соответствует высоте 50–55 км. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона. Озон поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что вызывает разогрев стратосферы: температура в этом слое сначала остается постоянной, а затем начинает повышаться с высотой и достигает 0 °C (10 °C над экватором). На высоте более 50 км начинается мезосфера – зона, где температура опять понижается до –80 °C и более. Экологические функции атмосферы Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле и выполняет следующие защитные экологические функции: 1. Терморегулирующие – предохраняет Землю от резких колебаний температуры, способствует перераспределению тепла у поверхности, участвует в формировании климата. 2. Жизнеобеспечивающие – участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере благодаря наличию жизненно важных элементов (кислород, углерод, азот). 3. Защитные – защищает живые организмы от губительных УФ, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязнений на поверхности земли и т.д. Однако в современных условиях возможности природных систем атмосферы серьезно подорваны, и атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции. качество атмосферного воздуха - совокупность физических, химических и биологических свойств атмосферного воздуха, отражающих степень его соответствия гигиеническим нормативам качества атмосферного воздуха и экологическим нормативам качества атмосферного воздуха Под загрязнением атмосферного воздуха понимается любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Вредное (загрязняющее) вещество - химическое или биологическое вещество либо смесь таких веществ, которые содержатся в атмосферном воздухе и которые в определенных концентрациях оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду По происхождению загрязнения делятся на естественные (вызванные природными процессами) и антропогенные (связанные с выбросами загрязняющих веществ в процессе деятельности человека). Основные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К естественным относятся: извержение вул­канов, пыльные бури, лесные и степные пожары, туманы, частицы морской воды, тонкий песок пустынь и пыль от эрозии почвы, различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Естественные источ­ники загрязнений носят либо распределенный, либо кратко­временный стихийный характер и мало влияют на общий уровень загрязнения. Основные загрязнители атмосферного воздуха Главными и наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются антропогенные. Мировое хозяйство еже­годно выбрасывает в атмосферу более 15 млрд. т углекислого газа, 200 млн. т оксида углерода, более 500 млн. т углеводородов, 120 млн. т золы и др. Общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу составляет более 19 млрд. т. В целом по Российской Федерации общий объем выбросов от стационарных и автомобильных источников за 2013 год составил- 31,9 млн тонн. Автомобильный и ж/д транспорт – 43% от всех выбросов. Основными источниками выбросов является автомобильный транспорт и др.топливосжигающие устройства (котельные, печи ….). Основными загрязнителями атмосферного воздуха, образующимися как в процессе хозяйственной деятельности человека, так и в результате природных процессов, являются оксиды азота NOx, диоксид серы SO2, твердые частицы – аэрозоли, пыли. Их доля составляет 98 % в общем объеме выбросов вредных веществ. Помимо этих основных загрязнителей, в атмосфере наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ: формальдегид, фенол, бензол, соединения свинца и других тяжелых металлов, аммиак, сероуглерод и др. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе представляет собой количество загрязняющего вещества в воздушной среде, которое при постоянном или временном воздействии на человека не влияет на его здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства. ПДК устанавливаются на основе комплексных исследований и постоянно контролируются органами Госкомсанэпиднадзора. В нашей стране действует > 500 – для атмосферного воздуха. Для нормирования содержания вредных веществ в атмосферном воздухе установлены два норматива – разовая и среднесуточная ПДК. ПДКм.р. – максимально разовая ПДК – это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна вызывать при вдыхании его в течение 30 мин рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др.). ПДКс.с. – среднесуточная ПДК – это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании. Для производственных помещений установлен норматив ПДК рабочей зоны (ПДКр.з.). Классификация выбросов вредных веществ в атмосферу по агрегатному состоянию · газообразные (SO2, NOx, CO, углеводороды и др.); · жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей); · твердые (сажа, органическая и неорганическая пыль, смолистые вещества, свинец и его соединения и др.). Все источники антропогенного воздействия разделяются на стационарные и передвижные. Все источники, относящиеся к конкретной производственной территории хозяйствующего субъекта, являются стационарными источниками выброса вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух, в том числе: Передвижные источники выбросов - источники с организованным или неорганизован­ным выбросом загрязняющих веществ в атмосферный воздух в процессе его передвижения в окружающей среде. Выбросы от стационарных источников в 2013 г. составили – 18,45 млн тонн (222 кг на душу населения) Стационарные ИЗА можно разделить на: а) организованные источники выбросов (источники с организованным выбросом) ис­точники выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух через специ­ально сооруженные технические устройства; б) неорганизованные источники выбросов (источники с неорганизованным выбросом) - источники выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух в виде не­направленных потоков газа, в том числе в результате нарушения герметичности оборудова­ния (неплотности оборудования), отсутствия или неудовлетворительной работы оборудова­ния по удалению (сбору) газа в местах загрузки, выгрузки, хранения сырья, материалов, про­дукции и иных веществ; в)точечные источники выбросов - организованные источники выбросов, из которых за­грязняющие вещества поступают в атмосферный воздух из установленного отверстия; г)линейные источники выбросов - источники выбросов, из которых выбросы загряз­няющих веществ поступают в атмосферный воздух по установленной линии; д)площадные источники выбросов - неорганизованные источники выбросов, из которых выбросы загрязняющих веществ поступают в атмосферный воздух с установленной ограни­ченной поверхности (площади); Экологические последствия загрязнения атмосферы К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся: 1) потепление климата (парниковый эффект); 2) нарушение озонового слоя; 3) выпадение кислотных дождей; 4)ухудшение здоровья Парниковый эффект Парниковый эффект – это повышение температуры нижних слоев атмосферы Земли по сравнению с эффективной температурой, т.е. температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Наблюдаемое в настоящее время изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины ХХ века, большинство ученых связывают с накоплением в атмосфере так называемых парниковых газов: СО2, СН4, хлорфторуглеродов (фреонов), озона, оксидов азота и др. Парниковые газы атмосферы, и в первую очередь СО2, пропускают внутрь большую часть солнечного излучения (коротковолнового λ = 0,4–1,5 мкм), но препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли (λ = 7,8–28 мкм). В связи со сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд т условного топлива) концентрация СО, в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет содержание фреонов хлорфторуглеродов). На 1—1,5 % в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделение крупным рогатым скотом и др.). Расчеты показывают, что в 2005 г. среднегодовая температура на 1,3 °C выше, чем в 1950–1980 г.г., а к 2100 г. будет на 2–4 °C выше. Экологические последствия такого потепления могут быть катастрофическими. В результате таяния полярных льдов, горных ледников уровень Мирового океана может повыситься на 0,5–2,0 м к концу XXI века, а это приведет к затоплению приморских равнин более чем в 30 странах, заболачиванию обширных территорий, нарушению климатического равновесия. Баланс полярного оледенения нарушится, если потепление превысит 5 °C. В декабре 1997 г. на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем 160 стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО2. Киотский протокол обязывает 38 индустриально развитых стран сократить к 2008–2012 г.г. выбросы СО2 на 5 % от уровня 1990 г.: • Европейский союз должен сократить выбросы СО2 и других тепличных газов на 8 %, • США – на 7%, • Япония – на 6 %. Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран (пока это относится только к тридцати восьми странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы), получает разрешение на выброс определенного количества тепличных газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях эти страны или компании смогут купить право на дополнительные выбросы у тех стран или компаний, выбросы которых меньше выделенной квоты. аким образом, предполагается, что главная цель – сокращение выбросов тепличных газов в следующие 15 лет на 5 % будет выполнена. В качестве других причин, вызывающих потепление климата, ученые называют непостоянство солнечной активности, изменение магнитного поля Земли и атмосферного электрического поля. Нарушение озонового слоя Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого УФ-излучения. Растения под влиянием сильного УФ-излучения теряют способность к фотосинтезу, наблюдается увеличение заболевания раком кожи у людей, снижение иммунитета. Под «озоновой дырой» понимается значительное пространство в озоновом слое атмосферы с заметно пониженным (до 50 %) содержанием озона. Первая «озоновая дыра» была обнаружена над Антарктидой в начале 80-ых г.г. ХХ века. С тех пор результаты измерений подтверждают уменьшение озонового слоя на всей планете. Предполагают, что это явление имеет антропогенное происхождение и связано с повышением содержания хлорфторуглеродов (ХФУ) или фреонов в атмосфере. Фреоны широко применяются в промышленности и в быту в качестве аэрозолей, хладоагентов, растворителей. Фреоны – это высокостабильные соединения. Время жизни некоторых фреонов составляет 70–100 лет. Они не поглощают солнечное излучение с большой длиной волны и не могут подвергнуться его воздействию в нижних слоях атмосферы. Но, поднимаясь в верхние слои атмосферы, фреоны преодолевают защитный слой. Коротковолновое излучение высвобождает из них атомы свободного хлора. Атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном: CFCl3 + hν > CFCl2 + Cl, Cl + O3 > ClO + O2, ClO + O > Cl + O2. Таким образом, разложение ХФУ солнечным излучением создает цепную реакцию, согласно которой 1 атом хлора способен разрушить до 100000 молекул озона. Разрушать озон способны и другие химические вещества, например, четыреххлористый углерод CCl4 и оксид азота N2O: О3 + NO> NO2 + О2, N2O + O3 = 2NO + O2. Кислотные дожди Кислотные дожди образуются в результате промышленных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. Чистая дождевая вода имеет слабокислую реакцию рН = 5,6, так как в ней легко растворяется СО2 с образованием слабой угольной кислоты Н2СО3. Кислотные осадки имеют рН = 3–5, максимальная зарегистрированная кислотность в Западной Европе – рН = 2,3. Оксиды серы поступают в воздух ~ 40 % от естественных источников (вулканическая деятельность, продукты жизнедеятельности микроорганизмов) и ~ 60 % – от антропогенных (продукт сжигания ископаемых видов топлива, содержащих серу, на тепловых электростанциях, в промышленности, при работе автотранспорта). Естественными источниками соединений азота являются грозовые разряды, почвенная эмиссия, горение биомассы (63 %), антропогенными – выбросы автотранспорта, промышленности, тепловых электростанций (37 %). Основные реакции в атмосфере: 2SO2 + O2 > 2SO3 SO3 + H2O > H2SO4 2NO + O2 > 2NO2 4NO2 + 2H2O + O2 > 4HNO3 Опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при их попадании в водоемы и почвы, что приводит к уменьшению рН среды. От значения рН зависит растворимость алюминия и тяжелых металлов, токсичных для живых организмов. При изменении рН меняется структура почвы, снижается ее плодородие. Мероприятия по охране атмосферного воздуха ОБЩИЕ Для защиты атмосферы от негативного антропогенного воздействия используются следующие основные меры. 1. Экологизация технологических процессов: 1.1. создание замкнутых технологических циклов, малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных веществ; 1.2. уменьшение загрязнения от тепловых установок: централизованное теплоснабжение, предварительная очистка топлива от соединений серы, использование альтернативных источников энергии, переход на топливо повышенного качества (с угля на природный газ); 1.3.уменьшение загрязнения от автотранспорта: использование электротранспорта, очистка выхлопных газов, использование каталитических нейтрализаторов для дожигания топлива, разработка водородного транспорта, перевод транспортных потоков за город. 2. Очистка технологических газовых выбросов от вредных примесей. 3. Рассеивание газовых выбросов в атмосфере. Рассеивание осуществляется с помощью высоких дымовых труб (высотой более 300 м). Это временное, вынужденное мероприятие, которое осуществляется вследствие того, что существующие очистные сооружения не обеспечивают полной очистки выбросов от вредных веществ. 4. Устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения. Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – это полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства. Ширина СЗЗ устанавливается в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ (50–1000 м). Архитектурно-планировочные решения – правильное взаимное размещение источников выбросов и населенных мест с учетом направления ветров, сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др. Очистка технологических газовых выбросов от вредных примесей. Оборудование для очистки выбросов: 1) устройства для очистки газовых выбросов от пылей (зола, сажа и т.д) и аэрозолей жидкостей (туман); 2) устройства для очистки выбросов от газо-и парообразных примесей (NO, NO2, SO2, SO3 и др.) Устройства для очистки технологических выбросов в атмосферу от пылей и аэрозолей жидкостей. 1. Сухие пылеуловители (циклоны) Сухие пылеуловители предназначены для грубой механической очистки от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы – оседание частиц под действием центробежной силы и силы тяжести. Широкое распространение получили циклоны различных видов: одиноч ные, групповые, батарейные. На схеме (рис. 16) изображена упрощенная конструкция одиночного циклона. Пылегазовый поток вводится в циклон через входной патрубок 2, закручивается и совершает вращательнопоступательное движение вдоль корпуса 1. Частицы пыли отбрасываются под действием центробежных сил к стенке корпуса, а затем под действие силы тяжести собираются в пылевой бункер 4, откуда периодически удаляются. Газ, освободившись от пыли, разворачивается на 1800 и выходит из циклона через трубу 3. 2. Мокрые пылеуловители (скрубберы) Мокрые пылеуловители характеризуются высокой эффективностью очистки от мелкодисперсной пыли размером до 2 мкм. Работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель под действием сил инерции или броуновского движения. Запыленный газовый поток по патрубку 1 направляется на зеркало жидкости 2, на котором осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Затем газ поднимается навстречу потоку капель жидкости, подаваемой через форсунки, где происходит очистка от мелких частиц пыли. 3. Фильтры Предназначены для тонкой очистки газов за счет осаждения частиц пыли (до 0,05 мкм) на поверхности пористых фильтрующих перегородок (рис. 18). По типу фильтрующей загрузки различают тканевые фильтр (ткань, войлок, губчатая резина) и зернистые. Выбор фильтрующего материала определяется требованиями к очистке и условиями работы: степень очистки, температура, агрессивность газов, влажность, количество и размер пыли и т.д. 4. Электрофильтры Электрофильтры – эффективный способ очистки от взвешенных частиц пыли (0,01 мкм), от масляного тумана. Принцип действия основан на ионизации и осаждении частиц в электрическом поле. У поверхности коронирующего электрода происходит ионизация пылегазового потока. Приобретая отрицательный заряд, частицы пыли движутся к осадительному электроду, имеющему знак, противоположный заряду коронирующего электрода. По мере накопления на электродах частицы пыли падают под действием силы тяжести в сборник пыли или удаляются встряхиванием. Способы очистки от газо- и парообразных примесей 1. Очистка от примесей путем каталитического превращения. С помощью этого метода превращают токсичные компоненты промышленных выбросов в безвредные или менее вредные вещества путем введения в систему катализаторов (Pt, Pd, Vd): · каталитическое дожигание СО до СО2; · восстановление NОx до N2. 2. Абсорбционный метод основан на поглощении вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом). В качестве абсорбента, например, используют воду для улавливания таких газов как NH3, HF, HCl. 3. Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов – твердых тел с ультрамикроскопической структурой (активированный уголь, цеолиты, Al2O3). Адсорбенты широко используются в противогазах и респираторах. Принципы нормирования загрязнения атмосферного воздуха Критерием качества атмосферного воздуха установлена ПДК (предельно-допустимая концентрация). Смотри выше: ПДК м.р., ПДК с.с. Наибольшая концентрация каждого вредного вещества в приземном слое воздуха населенных мест не должна превы­шать ПДК м. р. Для вредных веществ безопасная концентрация в окружающей среде определяется следующим выражением: С ≤ ПДК – Сф, где С – фактическая концентрация вредного вещества; Сф – фоновая концентрация вредного вещества. При содержании в воздухе нескольких загрязняющих веществ, обладающих суммацией действия (синергизмом), например, диоксидов серы и азота; озона, и формальдегида, сумма их концентраций не должна превышать при расчете единицы: С1/ПДК1, + С2/ПДК2 +....+ Сп/ПДКп < 1, где С1 C2...Cn — фактические концентрации вредных веществ в воздухе или воде; ПДКр ПДК2...ПДКп — максимально разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ, которые установлены для их изолированного присутствия, мг/м3. В целях улучшения состояния атмосферного воздуха, предотвращения и снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для каждого предприятия устанавливаются нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ). Предельно допустимый выброс является научно-техниче­ским, санитарно-техническим нормативом, устанавливаемым для каждого конкретного источника загрязнения атмосферы из условия, что выбросы загрязняющих веществ от него и всей совокупности источников города или другого населенного пункта с учетом их рассеивания и превращения в атмосфере, а также перспектив развития предприятий, не создадут приземных концентраций, превышающих установленные нор­мативы качества воздуха (ПДК м. р.). Для одного или группы предприятий, расположенных в одном районе, при невозможности немедленного достижения ими значения ПДВ, по согласованию с органами Минприроды устанавливается график поэтапного (с указанием продолжи­тельности) снижения выбросов. Для каждого этапа устанав­ливаются допустимые (временно согласованные) величины выбросов (ВСВ) на уровне, не превышающем величины выбросов лучших отечественных производств, достигнутых в предэтапном году. Для проектируемых и реконструируемых предприятий непревышение ПДВ является обязательным условием. Порядок и методы установления ПДВ промышленных предприятий определяются соответствующими стандартами и другими нормативными документами. Проект нормативов ПДВ должен содержать план по снижению выбросов в атмосферу. Нормативы ПДВ пересматриваются в случае изменения мощности, технологии производства или режима работы предприятий, но не реже одного раза в 5 лет. Выброс загрязняющих веществ в атмосферу стационарными источниками допускается в каждом случае на основании разрешения уполномоченных природоохранных органов, которое выдается действу­ющим предприятиям в соответствии с нормативами ПДВ.