1.3. Виды и источники загрязнения окружающей среды

Загрязнение окружающей среды — это процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов, оказы­вающих негативное воздействие. Существуют три этапа загряз­нений: физическое (солнечная радиация, электромагнитное из­лучение и т.д.), химическое (аэрозоли, тяжелые металлы и т.д.), биологическое (бактериологическое, микробиологическое). Ка­ждый тип загрязнения имеет характерный и специфичный для него источник загрязнения — природный или хозяйственный объект, являющийся началом поступления вещества-загрязни­теля в окружающую среду. Различают природные и антропоген­ные источники загрязнения.

Чтобы обеспечить свое существование, человечество должно иметь пищу, воду, кров, одежду и т.д. Все это с неизбежностью предполагает образование различного рода отходов, которые по­ступают в окружающую среду. Во избежание ненужного, а порой и непоправимого ущерба, наносимого природной среде, такое воздействие на среду должно тщательно планироваться. При этом следует сочетать удовлетворение потребностей человека за счет природы с активной защитой природной среды от послед­ствий человеческой деятельности. Как правило, эти цели не ис­ключают друг друга, хотя в некоторых случаях приходится при­нимать компромиссные решения. Например, количество отхо­дов, приходящихся на типичный американский город с населением 1 млн человек, является поразительным (рис. 1.1). Ежедневно в городскую канализацию поступает 80% количества воды, которое приходится на одного жителя (0,6 т); образуется 150т сажи, зольной пыли и других загрязнителей воздуха и 2000 т твердых отходов.

Рис. 1.1. Основные входные (вода, пища, топливо) и выходные (сточные воды, твердые отходы, загрязнители воздуха) потоки города

Теоретически в условиях города возможно избежать загряз­нения окружающей среды: получать чистую воду из сточных вод, а на иле сточных вод выращивать сельскохозяйственную продукцию. Даже СО₂ и Н₂O, выделяемые при дыхании, можно было бы превратить с помощью растений и водорослей в угле­воды и кислород. Однако согласно законам термодинамики та­кое изолированное существование веществ не может продол­жаться бесконечно долго.

Любая деятельность человека оказывает воздействие на сум­марные ресурсы Земли. Казалось бы, в результате такой дея­тельности ресурсы Земли должны иссякнуть. Однако не следует забывать, что Земля постоянно получает приток новой энергии, источником которой является Солнце.

Таким образом, деятельность человека причиняет ущерб ок­ружающей среде независимо от его добрых намерений и задача состоит в том, чтобы сделать последствия этой деятельности наименее пагубными.

Загрязнения окружающей среды (ОС) можно классифицировать (рис. 1.2) на физические (шум, вибрации, различные виды излуче­ний) и химические (различные вещества: в воздухе — это токсич­ные газы и пары, в воде и почве — ионы тяжелых металлов).

Рис. 1.2. Антропогенные загрязнения ОС

Энергетические установки.

Много загрязняющих веществ поступает в атмосферный воздух от энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензине, керосине, дизельном топливе, ма­зуте, угле и др.). Количество этих веществ определяется составом, массой сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транс­портные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и тепло­вые электрические станции (ГЭС). Доля загрязнений атмосферы от газотурбинных двигательных установок (ГГДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку их применение в городах и крупных промышленных центрах ограничено. В местах активного использования ГГДУ и РД (аэродромы, испытательные станции, стар­товые площадки) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих источников, сопоставимы с загрязнениями от ДВС и ТЭС, обслужи­вающих эти объекты.

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в энергоустановках,— нетоксичные диоксид углерода и водяной пар. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, несгоревшие частицы твердого топлива и т. п.

При сжигании твердого топлива в котлах ТЭС образуется большое количество золы, диоксида серы, оксидов азота. Например, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5...6,0 % серы и 30...50 % золы. Материальный баланс современной угольной ТЭС показан на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Материальный баланс современной угольной ТЭС мощностью 1000 МВт с эффективностью очистки выбросов от твердых веществ 0,99:

1 — электрофильтр; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 —генератор; 5 — конденсатор

Перевод котлов на жидкое топливо (мазут) существенно уменьшает образование золы, но практически не снижает выбросы диоксида серы, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат 2 % и более серы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании мазута, содержат, кроме того, оксиды азота, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. Так же, как и при сгорании твердого топлива, отходящие газы содержат соединения тяжелых металлов. При сжигании природного (неочищенного) газа в дымовых выбросах содержатся оксиды азота.

Исследования показывают, что вблизи электростанции, выбрасы­вающей в сутки 280...360 т диоксида серы, максимальные концентрации его с подветренной стороны на расстоянии 200...500, 500...1000 и 1000...2000 м составляют соответственно 0,3...4,9 , 0,7...5,5 и 0,22...2,8 мг/м³.

Автомобильный транспорт также является источником загрязнения атмосферы. Так как число автомобилей непрерывно возрастает (в 1990 г. в мире эксплуатировали 420 млн. автомобилей, а в 2010 г. их число достигнет 520 млн.), особенно в крупных городах, то растет и валовой выброс вредных продуктов в атмосферу. Автотранспорт относится к движущимся источникам загрязнения, широко встречающимся в жи­лых районах и местах отдыха.

Токсичными выбросами ДВС являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает ~ 45 % углеводородов от их общего выброса.

Исследования состава отработавших газов ДВС показывают, что в них содержится несколько десятков компонентов, основные из кото­рых приведены в табл. 6.1. Диоксид серы образуется в отработавших газах в том случае, когда сера содержится в исходном топливе (дизель­ное топливо).

Анализ данных, приведенных в табл. 1.2, показывает, что наиболь­шей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большого выброса оксида углерода, оксидов азота, углеводородов и др. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных. Сажа может дли­тельное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увели­чивая время воздействия токсичных веществ на человека.

Таблица 1.2.

Состав отработавших газов ДВС

Компонент	Объемная доля компонента, %		Примечание
	карбюраторные ДВС	дизельные
Азот	74...77	76...78	Не токсичны
Кислород	0,3...8	2...18
Пары воды	3,0...5,5	0,5...4,0
Диоксид углерода	5,0...12,0	l,0...10,0
Водород	0...5,0	—
Оксид углерода	0,5...12,0	0,01...0,50	Токсичны
Оксиды азота (в пересчете на NO2)	До 0,8	0,0002...0,5
Углеводороды	0,2...3,0	0,009...0,5
Альдегиды	До 0,2 мг/л	0,001...0,09 мг/л
Сажа	0...0,04 г/м3	0,01...1,1 г/м3
Бенз(а)пирен	10...20 мкг/м3	До 10 мкг/м3

Состав отработавших газов ДВС зависит от режима работы двига­теля. У двигателя, работающего на бензине, при неустановившихся режимах (разгоне, торможении) нарушаются процессы смесеобразова­ния, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов. В дизелях с уменьшением нагрузки содержание токсичных компонен­тов в отработавших газах уменьшается, а при работе на режиме максимальной нагрузки возрастает за счет роста выбросов оксида углерода и углеводородов.

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния авто­мобилей и особенно от двигателя — источника наибольшего загрязне­ния. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4... 5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70% свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40% остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концент­рация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине:

Концентрация свинца в бензине, г/л	0,15	0,20	0,25	0,50
Концентрация свинца в воздухе, мкг/м3	0,40	0,50	0,55	1,00

Исключить поступление высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой этилированного бензина неэтилированным.

Выхлопные газы ГТДУ содержат такие токсичные компоненты, как оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания сущест­венно зависит от режима работы двигателя. Высокие концентрации оксида углерода и углеводородов характерны для ГТДУ на пониженных режимах (при холостом ходе, рулении, приближении к аэропорту, заходе на посадку), тогда как содержание оксидов азота существенно возрастает при работе на режимах, близких к номинальному (взлете, наборе высоты, полетном режиме).

Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами с ГТДУ непрерывно растет, что обусловлено повышением расхода топ­лива до 20...30 т/ч и неуклонным ростом числа эксплуатируемых самолетов. Отмечается влияние ГТДУ на озоновый слой и накопление углекислого газа в атмосфере.

Наибольшее влияние на условия обитания выбросы ГТДУ оказы­вают в аэропортах и зонах, примыкающих к испытательным станциям.