Лекция № 5. Загрязнение окружающей среды (атмосфера, литосфера). Виды. Источники. Способы утилизации отходов.

Цели:

1. Систематизация знаний о основных параметрах загрязнения атмосферы, литосферы

2. Формирование представлений о экологических последствиях загрязнения атмосферы, литосферы

3. Готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11);

Содержание Основные источники и объемы загрязнений. Ксенобиотики. Пути поступления химических веществ в организм человека. Условия действия химических веществ на живой организм. Международная деятельность в сфере охраны окружающей среды. Проблема отходов и возможные пути ее преодоления.

Интерактивная форма: Учебная дискуссия о антропогенном воздействии на химические процессы в атмосфере и литосфере.

Все проблемы сводятся к тому, что человек в процессе деятельности создает отходы, которые он не уничтожает и не умеет пустить в круговорот. Получение энергии в настоящее время – основная причина загрязнения среды. Нефть и природный газ используются во всех сферах человеческой деятельность. Ископаемые углеводороды стоят в первом ряду источников загрязнения, поскольку при их сгорании образуется большое количество отходов. Этимологически слово «загрязнение» означает осквернять, пачкать, марать, портить. Существует определение, которое опубликовано в 1965 году в докладе официальной комиссии Белого дома США: «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровня радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сельскохозяйственные ресурсы, через воду или другие биологические продукты (вещества). Они также могут воздействовать на человека, ухудшая физические свойства предметов, находящихся в его собственности, условия отдыха на природе и обезображивая ее сому». Дать классификацию загрязнений – дело не легкое, так как существуют многочисленные критерии, по которым ее можно осуществить, но не одна такая классификация не будет вполне удовлетворительной. Загрязняющие вещества можно сгруппировать по их природе – физической, химической, биологической и т.д. Можно рассматривать с медицинской точки зрения и изучать среду обитания или способ поражения человеческого организма - через пищу, при кожных контактах, при дыхании. На деле ни один из этих подходов не обеспечивает достаточно удовлетворительного результата, так как воздействие одного и того же вещества могут быть качественно различными. Ртуть, оказавшаяся в почве, затем попадает в атмосферу и воду, вместе с пищей она проникает в организм, при дыхании – в легкие и т.д. Ниже представлена классификация. В ней сделана попытка найти компромисс между различными точками зрения. Классификация основных типов загрязнений и вредных веществ Физические загрязнения Радиоактивные элементы (излучения). Нагрев (или тепловое загрязнение). Шумы или низкочастотная вибрация (инфразвук). Химические загрязнения Газообразные производные углерода и жидкие углеводороды. Моющие средства. Пластмассы. Пестициды и другие синтетические органические вещества. Производные серы. Производные азота. Тяжелые металлы. Фтористые соединения. Твердые примеси (аэрозоли). Органические вещества, подверженные брожению. Биологические загрязнения Микробиологическое отравление дыхательных и питательных путей (бактерии, вирусы). Изменение биоценозов из-за неумелого внедрения растительных или животных видов. Эстетический вред Нарушение пейзажей и примечательных мест грубой урбанизацией или малопривлекательными постройками. Строительство индустриальных центров в девственных или мало затронутых человеком биотопах. Рассеивание, циркуляция и накопление загрязняющих веществ в окружающей среде (биосфере) Выброс загрязняющих веществ в окружающую среду – явление сложное, не ограничивающееся внешней стороной, а именно выливанием отходов в реку или выходом разноцветных дымов из заводских труб. Ни одно вещество из тех, что выбрасывается человеком в биосферу, не остается на месте. В большинстве случаев они переносятся на значительные расстояния от места выброса. В результате переноса примесей в воздухе, воде, почве загрязняющие вещества постепенно рассеиваются по всей биосфере.

Но перенос и рассеивание загрязнений в биосфере обусловлено не только циркуляции атмосферы и движением воды в почвах и гидросфере. Любое соединение, загрязняющее естественную среду, может быть поглощено живыми организмами благодаря многогранным метаболическим процессам. Таким образом оно включается в трофические (пищевые) цепи, участвуют в круговороте веществ в биоценозе, оказывая вредное воздействие на многочисленные животные и растительные виды. Эффект разбавления загрязняющих веществ в воздухе и воде, которое длительное время практиковалось для снижения вредного их влияния, оказался в конце концов ограниченным. Многочисленные исследования показали, что, с одной стороны, живые организмы ускоряют распространение токсичных веществ, увеличивая таким образом площадь зараженных областей, с другой стороны, - они накапливают эти вещества в своем организме. Так, мигрирующая рыба, отравленная в прибрежной зоне, может стать добычей другого вида, который она отравит, когда окажется в районе, удаленном от берегов. Все живые существа обладают способностью накапливать в своем организме любые вещества, биологически слабо или совершенно не разрушающиеся. Организмы, аккумулирующие токсичные вещества, служат пищей другим животным, которые накопят их в своих тканях. Уровень накопления будет тем выше, чем меньше веществ при постоянстве остальных условий участвуют в обмене. Постепенно происходит заражение всей пищевой цепи экосистемы, начало которому положили первичные продуценты, «выкачивающие» загрязняющие вещества, рассеянные в биотопе. Хищники и человек, находящиеся в самом пищевой цепи, оказываются обладателями наиболее высокого уровня заражения. В Японии 110 человек погибли, а многие сотни стали инвалидами из-за отравления ртутью, которая содержалась в тканях рыб в 500 000 раз больше, чем в воде залива, в которую выбрасывались ртутьсодержащие отходы химического завода. Таким образом, загрязняя окружающую среду, человек, занимающий по отношению к другим живым существам место суперхищника, сталкивается с эффектом «бумеранга». Загрязнение атмосферы Восходящее к заре индустриальной цивилизации атмосферное загрязнение очень сильно возросло в последнее десятилетие во всех развитых странах. Рост промышленности и увеличение числа машин сопровождаются постоянным усилением выброса в воздух дыма, токсические газы и других загрязняющих агентов. Основные вещества, загрязняющие атмосферу, можно разбить на две группы – газы и твердые частицы. Газы составляют 90% общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ, а на долю твердых частиц приходится 10%. Атмосфера по вертикали делится на несколько слоев, в которых давление с высотой постепенно падает. Это тропосфера, стратосфера, мезосфера и ионосфера (или термосфера). Нас интересуют только два первых слоя наиболее низко расположенные и наиболее плотные. Они играют основную роль в глобальном загрязнении биосферы, поскольку именно в них происходит перенос загрязняющих веществ на большие расстояния от густонаселенных и индустриальных районов. Например, ДДТ обнаружен в снегах Антарктиды (в центральной ее части), на расстоянии многих тысяч километров от ближайшего населенного пункта, где могли употреблять этот инсектицид (Тасмания или юг Аргентины). Тропосфера – самый нижний слой атмосферы. В ней сосредоточено около 8/10 всей массы атмосферного воздуха. Температура воздуха быстро понижается с высотой вплоть до тропопаузы – верхней границы тропосферы. Над полюсами высота тропопаузы 9 км., над экватором 15 км. На уровне тропопаузы температура воздуха составляет -60ºС. От тропопаузы начинается стратосфера, простирающаяся до высоты около 50 км. В этом слое температура воздуха понижается до минимального для атмосферы значения -85ºС. Хотя озон встречается на всех высотах, но именно стратосфере концентрация его наибольшая. Здесь он образует озонный экран. Максимальная плотность озона достигается на высоте около 30 км. в экваториальных районах и 18 км. – над полюсами. Озонный экран, поглощающий большую часть ультрафиолетовой солнечной радиации, сыграл главную роль в эволюции биосферы, поскольку его защитное действие предопределило заселение континентов живыми организмами. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ВОЗДУХА

В зависимости от источника и механизма образования различают первичные и вторичные загрязнители воздуха. Первичные загрязнители воздуха представляют собой химические вещества, попадающие непосредственно в воздух из стационарных или подвижных источников. Вторичные загрязнители воздуха образуются в результате взаимодействия в атмосфере первичных загрязнителей между собой и с присутствующими в воздухе веществами (кислород, озон, аммиак, вода) под действием ультрафиолетового излучения. Часто вторичные загрязнители, например вещества группы пероксиацетилнитра-тов (ПАН), гораздо токсичнее первичных загрязнителей воздуха. Большая часть присутствующих в воздухе твердых частиц и аэрозолей является вторичными загрязнителями. С учетом токсичности и потенциальной опасности загрязнителей, их распространенности и источников эмиссии они были разделены условно на несколько групп [4]: 1) основные (критериальные) загрязнители атмосферы — оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды, твердые частицы и фотохимические оксиданты; 2) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ); 3) следы элементов (в основном металлы); 4) постоянные газы (диоксид углерода, фторхлорметаны и др.); 5) пестициды; 6) абразивные твердые частицы (кварц, асбест и др.); 7) разнообразные загрязнители, оказывающие многостороннее действие на организм, [нитроз-амины, озон, полихлорированные бифенилы (ПХБ), сульфаты, нитраты, альдегиды, кетоны и др. Все критериальные загрязнители относятся к первичным загрязнителям атмосферы. Оксиды азота образуются преимущественно при высокотемпературной фиксации азота и кислорода в силовых установках и двигателях внутреннего сгорания. Оксид азота образуется при электрических разрядах в атмосфере и присутствует в отработавших газах автомобилей. Ежегодно в атмосферу поступает около 5-107 т оксидов азота, из них 53% из антропогенных источников. В конечном итоге оксиды азота превращаются в атмосфере в нитраты. Диоксид серы образуется при сгорании топлива с высоким содержанием серы (каменный уголь, нефть). Источниками эмиссии этого токсичного газа являются стационарные источники горения, например ТЭС (85—95%), промышленные объекты [производство рафинированной нефти, удобрений, серной кислоты и нефтехимических продуктов (5—10%)], двигатели внутреннего сгорания ,(2—7%). Диоксид серы относят к главным и наиболее важным загрязнителям воздуха, опасным для животных и растений и участвующим в образовании фотохимического смога. Общая эмиссия диоксида серы в атмосферу составляет 8 -10? т в год, т. е. значительно превосходит поступление в атмосферу большинства других токсичных химических веществ, и постоянно возрастает пропорционально росту потребления энергии [1]. Оксид углерода — наиболее опасный и чрезвычайно распространенный из газообразных загрязнителей воздуха, токсичность которого обусловлена реакцией с гемоглобином крови. Образование СО происходит при неполном сгорании различного топлива. Естественным источником СО являются лесные пожары и фотохимическое превращение органических соединений в атмосфере. Около 25% СО антропогенного происхождения. Значительное количество (в США почти 40% всех загрязнений атмосферы) оксида углерода поступает в атмосферу городов и промышленных регионов с отработавшими газами автотранспорта. Средняя концентрация СО в атмосфере (около 10~5%) значительно увеличивается (до 3• 10—3 %) в районах автострад и в городах в часы пик [3J. Предполагается, что в будущем снизится загрязнение воздуха от стационарных источников такими токсичными веществами, как пыль и оксиды серы, углерода и азота. Однако большую опасность будут представлять газы и пары органических веществ и тяжелые металлы (свинец, кадмий, бериллий и др.). Концентрация углеводородов, выделяющихся в воздух из природных источников, немногим более 1 мг/м3. Ежегодная эмиссия углеводородов составляет 3- 108 т в год, причем 50% этого количества обусловлено работой транспорта, около 15% составляет выделение углеводородов при сгорании жидкого топлива в жилых районах и ТЭС, а 26% приходится на сгорание угля, мусора (в среднем на планете приходится уничтожать около 1 м3 отходов в год на человека) и испарение топлива и растворителей. В «усредненном» автомобильном выхлопе содержится около 400 мг/м3 парафиновых, 120 мг/м3 ацетиленовых, 200 мг/м3 ароматических и 300 мг/м3 олефиновых углеводородов [1]. Содержащиеся в атмосфере твердые частицы представляют собой пыль, песок, золу, сажу, вулканическую пыль и аэрозоли органической (высокомолекулярные соединения) и неорганической природы. Часто токсичность твердых частиц обусловлена адсорбцией на их поверхности таких опасных соединений, как ПАУ или нитрозамины. Фотооксиданты образуются в атмосфере при взаимодействии реакционноспособных углеводородов и оксидов азота под действием УФ-радиации. В конечном итоге образуются высокотоксичные вещества: пероксиацетилнитрат, пероксибензоилнитрат и др.). Уже при концентрации 0,2 мг/м3 эти соединения обладают резким лакриматорным действием, повреждают растения и разрушают резину. Еще более токсичны пероксибутил- и перок-сипропилнитраты. Соединения этой группы нестойки, особенно при повышенной температуре, и разлагаются с образованием более простых продуктов, например метилнитратов и диоксида углерода [3]. Оксиданты загрязняют воздушный бассейн большинства крупных городов мира, поскольку их образование связано с развитием промышленности и автотранспорта. Следующая группа загрязнителей — полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — могут быть как первичными, так и вторичными загрязнителями атмосферы и обычно адсорбируются на твердых частицах. Многие из ПАУ отличаются выраженным канцерогенным, мутагенным и тератогенным действием и представляют серьезную угрозу для человека. Основным источником эмиссии ПАУ являются ТЭС, работающие на нефти или каменном угле, а также предприятия нефтехимической промышленности и автотранспорта. Из нескольких миллионнов известных в настоящее время химических соединений лишь около 10000 были проверены на канцерогенную активность. В настоящее время установлено, что 1500 химических соединений, являющихся потенциальными загрязнителями атмосферы, обладают выраженными канцерогенными свойствами (ПАУ, нитрозамины, галогенуглеводороды и др.). Содержание ПАУ и других канцерогенных веществ, попадающих в атмосферу с выбросами промышленных предприятий, составляет в крупных индустриальных центрах около 80% от общего загрязнения окружающей среды. Следовые количества химических элементов представлены в атмосфере такими высокотоксичными загрязнителями, как мышьяк, бериллий, кадмий, свинец, магний и хром. Они обычно присутствуют в воздухе в виде неорганических солей, адсорбированных на твердых частицах. Около 60 металлов идентифицировано в продуктах сгорания угля. В дымовых газах ТЭС обнаружены ртуть, мышьяк, барий, бериллий, висмут, бром, кадмий, хлор, кобальт, медь, железо, фтор, свинец, марганец, сурьма, молибден, никель, селен, теллур, таллий, олово, титан, уран, ванадий, цинк и цирконий. Для большинства перечисленных элементов их выброс в атмосферу с дымовыми газами ТЭС составляет 3/4 от абсолютного уровня загрязнения воздуха всеми источниками эмиссии этих элементов. При этом максимальное количество загрязнителей попадает в атмосферу при сжигании угля. Но долю этого источника приходится более 95% твердых частиц, 85% оксидов серы, 70% оксидов азота и более 90% следов элементов от общего количества выбросов для всех ТЭС, работающих на угле, нефти и газе. Помимо продуктов сжигания нефти, свинец выделяется в воздух при извержении вулканов, с отработавшими газами автомобилей и в результате различных производственных процессов [15]. Ежегодно в воздушный бассейн в виде галогенидов попадает около 2-106 т свинца, а ежегодный прирост содержания ртути в окружающей среде промышленно развитых стран составляет 5%. Металлическая ртуть и свинец, а также их металлорганические соединения очень токсичны. Ртуть поступает в атмосферу при извержении вулканов и с выбросами химической, электронной и приборостроительной промышленности. Особенно токсичны и опасны для человека галогенсодержащие металлорганические соединения ртути, которые образуются из металлической ртути и ее неорганических солей под действием микроорганизмов. При сгорании различного топлива только в атмосферу ФРГ ежегодно попадает 40 т ртути, которая оседает на поверхности почвы и водоемов. Скапливаясь в атмосфере, загрязнители взаимодействуют друг с другом, гидролизуются и окисляются под действием влаги и кислорода воздуха, а также изменяют свой состав под воздействием радиации. Вследствие этого продолжительность пребывания токсичных примесей в атмосфере тесно связана с их химическими свойствами. Для диоксида серы этот период составляет 4 дня, сероводорода — два, оксида азота — пять, аммиака — семь дней, а СО и СН4 в силу своей инертности сохраняются неизменными в течение трех лет [5]. Велика продолжительность пребывания в воздухе малоактивных соединений следующей группы токсичности — постоянных газов (фреоны и диоксид углерода). Сжигание большого количества топлива, а также лесные пожары являются постоянным источником увеличения содержания СОг в атмосфере. Только в США ежегодно при сгорании ископаемого топлива выделяется в воздух 2-109 т диоксида углерода. Основным источником эмиссии фреонов (фторхлорметанов) являются рефрижераторные установки. Аккумулируясь в стратосфере, постоянные газы в результате цепных реакций разрушают слой озона, который защищает расположенные ниже слои атмосферы от солнечного излучения высокой энергии. В результате этого СОг, хотя и не является токсичным в обычном смысле этого слова, по мнению некоторых ученых, является причиной глобального изменения температуры атмосферы Земли, что приводит к изменению климата нашей планеты вследствие «тепличного» эффекта. Из пестицидов, которые обычно распыляют с самолетов, особенно токсичны фосфорорганические пестициды, при фотолизе которых в атмосфере образуются продукты еще более токсичные, чем исходные соединения. Так называемые «абразивные» частицы, к которым относятся диоксид кремния и асбесты, при респираторном проникновении в организм человека вызывают серьезные заболевания (например, силикозы). Загрязнения последнего класса, из которых наиболее важны сульфаты, нитраты и нитрозамины, являются продуктами реакций первичных загрязнителей атмосферы. Например, обладающие выраженной канцерогенной активностью нитрозамины, найденные, в частности, и в табачном дыме, образуются в атмосфере при взаимодействии аминов с оксидами азота. К потенциальным канцерогенам относят и такие широко распространенные загрязнители воздуха, как полихлорбифенилы, которые обычно добавляют к пестицидам для усиления действия ядохимикатов.

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Загрязнение природной среды промышленными выбросами оказывает вредное действие на людей и животных, на растения, почву, здания и со­оружения, снижает прозрачность атмосферы, повышает влажность воз­духа, увеличивает число дней с туманами, уменьшает видимость, вызывает коррозию металлических изделий.

Различают источники загрязнения природные — обусловленные естественными процессами (извержение вулканов, почвенная пыль, газы из минеральных источников, выклинивающихся на поверхность земли и др.) и антропогенные — возникшие в результате деятельности человека (теплоэлектроцентрали, работающие на твердом, жидком и газообразном топливе, бытовые топки, автотранспорт, металлургическая промышлен­ность, химические предприятия) [0-23]. Несомненно, последние — главная причина загрязнения природной среды.

Сильно загрязняют атмосферу органические вещества, содержащиеся в выбросах предприятий. Существует 2,5 млн химиче­ских соединений и ежегодно синтезируется 250 тысяч новых, из них 3000 обладает канцерогенным действием, 20—30 тысяч веществ вырабатывает химическая промышленность. По данным [86], в промышленности приме­няется более 50 тысяч вредных органических веществ и ежегодно синте­зируется более тысячи новых, но лишь ничтожная часть их проверяется на канцерогенность и мутагенность. В США многие из них беспрепятст­венно внедряются в промышленность, там ежегодно производится 6 мил­лиардов фунтов винилхлорида и 10 миллиардов фунтов этилендихлорида, канцерогенное действие которых на организм человека доказано [86]. Мно­гие пестициды оказывают канцерогенное, мутагенное, эмбрио- и гонадо-токсическое действие [0-79]. В крупных промышленных центрах канцеро­генные вещества составляют 80 % от общего загрязнения воздуха; осо­бенно много канцерогенных веществ содержится в выбросах нефтехими­ческих предприятий [И]. По данным [0-47], наиболее сильно загрязняется атмосферный воздух городов в США, Англии, Бельгии и других стран с

развитой промышленностью. При этом, как правило, в каждом из городов в воздухе содержатся десятки вредных веществ. В Лос-Анжелесе (США) в атмосферном воздухе обнаружено 60 вредных веществ (алканы, алкены, ацетилены, арены); они оказывают не только токсическое, но и фотохими­ческое действие [0-86].

По данным Всемирной организации здравоохранения в мировом про­мышленном производстве используется 600 тыс. токсических химических веществ и ежегодно к этому числу добавляется 3 тыс. новых; в США при­меняется в промышленности 64 тыс. вредных веществ [104].

ХАРАКТЕРИСТИКА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

В зависимости от агрегатного состояния выбросы делятся на классы, по химическому составу — на группы, по размеру частиц — на подгруппы.

По особенностям выбросов различают: смог — газообразные и твер­дые примеси в сочетании с туманом или аэрозольной дымкой, образую­щейся в результате их преобразования и вызывающие интенсивное загряз­нение атмосферы; фотохимический смог—образующийся в ре­зультате реакции между примесями в атмосфере под влиянием солнечной радиации; пыль (или дуст)—твердые частицы, образующиеся в газообразной среде при механическом измельчении твердых тел; дым — аэродисперсные системы из частиц с малым давлением паров и малой ско­ростью осаждения под действием гравитации при сгорании топлива на ТЭЦ до 40% твердого несгоревшего топлива. ; туман — капли жидкости, образующиеся в атмосферном воздухе при конденсации пара или распыле­нии жидкости; оксиданты — окислители, образующиеся в воздухе в присутствии оксидов азота и реакционных углеводородов.

Для обоснования необходимых мер по охране атмосферного воздуха от загрязнения органическими веществами необходимы аналитические ме­тоды контроля с чувствительностью не выше ПДК.

Вредные органические соединения при поступлении с вдыхаемым воз­духом оказывают токсическое, канцерогенное (вызывают злокачественные новообразования), мутагенное (влияют на наследственность), тератоген­ное (вызывают уродства у рождающихся детей) и аллергенное действие.

Токсическое действие обосновано наблюдениями на волонтерах и экс­периментами на животных и изучается в научно-исследова­тельских институтах и на гигиенических кафедрах медицинских инсти­тутов. Результаты этих исследований служат обоснованием для утвер­ждения ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе. Вместе с тем возникает необходимость обосновать токсическое действие на живой орга­низм при поступлении не только с вдыхаемым воздухом, но и суммарно, другими путями — с питьевой водой и пищей. Такие исследования дадут возможность установить предельно допустимую нагрузку токсиче­ского вещества при поступлении в организм всеми путями.

Например, для гептахлора при рекомендуемой в США ПДК с вдыхаемым воздухом 0,5 мг/м3 за 8 ч в организм поступает 7 мг, с питьевой водой при ПДК 0,0001 мг/л при потреблении в сутки 2 л воды в организм поступает 0,0002 мг и с пищей при рекомендуемой ПДК 0,0005 мг на 1 кг массы человека (в среднем 70 кг) в организм поступает 0,035 мг. Следовательно, в сутки в организм человека поступает гепта­хлора с вдыхаемым воздухом 7 мг, с питьевой водой 0,0002 мг (в 35 000 раз меньше) и с пищей — 0,035 мг (в 200 раз меньше). Такая же закономерность о значительном превышении суточного потребления с вды­хаемым воздухом по сравнению с питьевой водой и пищей приводится ав­тором и для других пестицидов.

Канцерогенное или бластомогенное действие на организм вредных ве­ществ при поступлении с вдыхаемым воздухом оказывают некоторые мно­гоядерные арены, ароматические амины, смолистые соединения, альдегиды и нитрозамины .

В крупных промышленных центрах, где размещены химические пред­приятия, канцерогенные вещества составляют до 80 % от общего коли­чества загрязнений атмосферного воздуха; большое количество канцеро­генных веществ выбрасывают в атмосферу нефтехимические предприя­тия .

При установлении опасности выявления злокачественных новообразо­ваний под влиянием вредных органических веществ при поступлении их в организм с вдыхаемым атмосферным воздухом нужно учитывать, что кан­церогенное действие многих веществ обнаруживается лишь через длитель­ный период после начала их действия. Между началом поступления в ор­ганизм человека некоторых канцерогенных веществ и появлением первых клинических признаков заболевания скрытый период действия составляет нередко 20 лет и более. Вот почему при наличии сведений о канцеро-генности химических соединений, выбрасываемых в атмосферу, необходимо либо полностью обезвреживать эти вещества, либо в процессе технологии производства заменять их безвредными.

Сведения о проверке на канцерогенность химических веществ необ­ходимо требовать от химиков-синтетиков при решении вопроса о приме­нении на практике синтезируемого вещества и при разработке технологи­ческой схемы его применения в производстве. Естественно, что заключе­ния о канцерогенной безопасности синтезируемых органических соединений должны давать специалисты-онкологи.

Мутагенное действие на организм оказывает ряд химических веществ: некоторые ароматические амины, в том числе и нитрозамины, альдегиды, галогензамещенные алканы и их производные, винилхлорид. Активные мутагены образуются вследствие реакции со­держащихся в атмосфере премутагенов, в частности 1,2-бензпирена и по­лициклических аренов, с озоном, диоксидом азота и нитросоединениями . Генетическая адаптация человека к поступлению в организм мутагенов из внешней среды невозможна и нужны меры против поступ­ления их во внешнюю среду; к числу мутагенов относятся и некоторые канцерогенные вещества, в том числе и 3,4-бензпирен.

Вместе с тем при изучении мутагенности веществ и при оценке лите­ратурных данных о их мутагенности следует принимать во внимание дозы и концентрации мутагенов, оказывающие вредное действие на организм. Если пороговая доза или концентрация намного выше токсической, то это служит недостаточным обоснованием для доказательств мутагенного дей­ствия вещества и исключения его из производства. В таких случаях мута­генез может быть вызван токсическим действием на гонады, как и на дру­гие жизненноважные органы и ткани. Аллергенное действие, вызванное повышенной чувствительностью орга­низма к воздействию химических веществ, оказывают многие органические соединения. Они вызывают либо общие заболевания (бронхиаль­ная астма и др.), либо болезни кожи (дерматит, экземы и др.).

Органические соединения, осаждаясь из промышленных выбросов, ока­зывают токсическое действие на микрофлору почвы и на растения. Наи­более вредны соединения, отличающиеся высокой стабильностью. Крите­рием стабильности вещества в почве служит период их полураспада (вре­мя, в течение которого снижается в почве, куда поступает токсическое вещество, концентрация его на 50 % по сравнению с исходным значением) и период полного исчезновения на 99 % .

Промышленные выбросы в атмосферу в дальнейшем под влиянием силы тяжести оседают на поверхность почвы и затем частично с поверх­ностным стоком поступают в водоемы, дополняя вредное действие сточ­ных вод, также содержащих вредные органические соединения. Рас­творимые в воде вредные органические соединения, попавшие на поверх­ность почвы с промышленными выбросами, фильтруются почвой и посту­пают в подземные воды. В меженный период при низком уровне воды в водоемах они стекают в поверхностные воды. Таким образом, промыш­ленные выбросы в атмосферу влияют на содержание вредных веществ в источниках водоснабжения.

Промышленные выбросы в городах вредно действуют на здания, па­мятники архитектуры и искусства, искажая внешний вид.

Описаны резкие изменения внешнего вида ценных памятников в го­родах в результате действия на них вредных выбросов в атмосферу.

Загрязнение атмосферного воздуха снижает прозрачность атмосферы и видимость, напряжение солнечной радиации, освещенность жилищ, по­вышает влажность воздуха, увеличивает количество туманов. Влияет на фотохимические реакции в воздухе и образует фотооксидан-ты, пыль, дым.

На степень природного и антропогенного загрязнения воздуха оказы­вают влияние климат и метеорологические факторы: температура воз­духа, температурные инверсии, направление и скорость ветра, степень вер­тикального смешения и рассеивание выбросов. Наиболее неблагоприятные условия рассеивания бывают в зимний период, когда часто бывают штили. Климат и ландшафт местности также оказывает влияние на за­грязнение воздуха.

Во многих городах и промышленных центрах в атмосферный воздух поступают вредные вещества ряда производств; в выбросах каждого из них содержатся несколько компонентов. В атмосферном воздухе промышленных городов обнаружено от 41 до 126 летучих органи­ческих веществ.

При совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких ве­ществ, обладающих суммацией действия, сумма их концентраций при расчете по приведенной формуле не должна превышать единицы

При комбинированном действии токсических веществ необходимо учи­тывать, что большинство из них обладает эффектом суммации действия. Эффектом суммации обладают следующие соеди­нения:

Ацетон, акролеин, фталевый ангидрид,

Ацетон и фенол,

Ацетон и ацетофенон,

Ацетальдегид и винилацетат,

Бензол и ацетофенон,

Валериановая, капроновая и масляная кислоты,

Озон, диоксид азота и формальдегид,

Оксид углерода (П), диоксид азота, формальдегид, гексан,

Изопропилбензол и гидроперекись изопропилбензола, сернистый ангидрид и фенол, сероводород и динил,

Сернистый ангидрид, оксид углерода (II), фенол и пыль конвер­торного производства,

2,3-Дихлор-1,4-нафтохинон и 1,4-нафтохинон,

Ацетон, фурфурол, формальдегид, фенол,

Уксусная кислота и уксусный ангидрид,

Фенол и ацетофенон,

фурфурол, метанол и этанол, гексахлоран и фозалон,

Фенол, сернистый ангидрид, оксид углерода (II) и диоксид азота, циклогексан и бензол,

Этилен, пропилен, бутилен, амилен,

1,2-Дихлорпропан, 1,2,3-трихлорпропан, тетрагидроэтилен

При совместном присутствии в атмосферном воздухе охраняются пре­дельно допустимые концентрации для каждого в отдельности: а) фталевого и малеинового ангидридов, 1-нафтохинона; б) сероуглерода и сероводо­рода. При совместном присутствии в атмосферном воздухе n-хлорфенил-изоцианата и m-хлорфенилизоцианата временно до разработки метода их раздельного определения, нормирование производится по наиболее токсич­ному веществу, т. е. n-хлорфенилизоцианату. В случае последовательного применения гексахлорана, фозалона и бутифоса сохраняются ПДК каж­дого в отдельности. Для вредных веществ, предельно допустимые кон­центрации некоторых утверждены, временные предельно допустимые кон­центрации этих веществ в каждом конкретном случае устанавливаются Министерством здравоохранения СССР.

Если в выбросах оказываются вещества, обладающие эффектом сум­мации вреднего действия или однонаправленным действием, степень очист­ки выбросов должна расчитываться на ПДК во столько раз меньше таб­личного, сколько таких веществ одновременно выбрасывается в атмосферу .

При оценке суммарного поступления вредных веществ в атмосферу каждого населенного пункта необходимо учитывать выбросы всех предприятий, расположенных в населенном пункте, а также выбросы от автотранспорта и естественные источники выбросов. Комбинированное дей­ствие токсических веществ в экспериментах изучалось лишь на 2—3 компонентах, а фактически в атмосферном воздухе их бывает десятки и сотни. На основании таких малокомпонентных опытов устанавливалась суммация действия и выведена формула для определения ПДК при комбинированном действии нескольких вредных веществ.

предприятий, расположенных в населенном пункте, а также выбросы от автотранспорта и естественные источники выбросов. Комбинированное дей­ствие токсических веществ в экспериментах изучалось лишь на 2—3 ком­понентах , а фактически в атмосферном воздухе их бывает десятки и сотни. На основании таких малокомпонентных опытов устанавливалась суммация действия и выведена формула для определения ПДК при ком­бинированном действии нескольких вредных веществ.

Желательно проверить эту закономерность и для отраслей промышлен­ности, содержащих в выбросах значительно больше химических соедине­ний (нефтехимическая промышленность, сульфатцеллюлозная, предприятия органического синтеза, синтетического каучука).

БОРЬБА С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Это без отходная технология производства, герметизация технологических процес­сов в самом производстве, утилизация вредных отходов и т. п. Рекомендо­ваны планировочные мероприятия, газоочистка и пылеулавливание, рас­сеивание токсических веществ в атмосфере путем строительства высоких труб, замена вредных веществ безвредными в процессе производства, при­менение мокрых способов обработки сырья вместо сухих. Большое зна­чение для создания безотходных производств и технологических мер сни­жения промышленных отходов имеют труды советских ученых Н. Н. Семе­нова, И. В. Петрянова-Соколова, Б. Н. Ласкорина, Н. М. Жаворонкова и др..

На ряде предприятий факельные газы используются для отопления зданий, а их избыток направляется на теплоцентраль. Выбросные газы производства битума полностью сжигаются при 700—750 °С в печи в течение 3 с. В производстве удобрений внедрены технологические схемы с рециркуляцией газов. В производстве красителей хлорированные углеводороды превращаются в хлор, используемый в технологическом процессе. Предприятия строят с подветренной стороны по отношению к жилым районам; установлены минимальные разрывы между промышлен­ными и жилыми районами, заложены между ними защитные зеленые зоны.

Методы извлечения вредных веществ из промышленных выбросов

Содержащиеся в промышленных выбросах органические вещества, осо­бенно во влажном состоянии, извлекаются при высоких концентрациях— каталитическим или термическим сжиганием, при малых концентрациях — адсорбцией; при очень малых концентрациях — адсорбцией с последующим сжиганием. В качестве адсорбентов используются активный уголь, активный кокс, активный оксид алюминия и др.

При разработке мер по извлечению вредных органических веществ из промышленных выбросов принята следующая терминология: неорганизованный промышленный выброс — промышленный вы­брос, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности или работа оборудования; организованный промышленный выброс — выброс, поступающий в атмосферу через специальные сооружения, очистка газа — отделение от газа или превращение в безвредное состояние загрязненного вещества; промышленная очистка газа — очистка газа с целью после­дующей утилизации или возврата в производство превращенного в без­вредное состояние продукта; санитарная очистка газа — очист­ка от остаточного содержания в газе загрязняющего вещества; степень счистки газа — отношение массы извлеченного из газа или прореагировавшего загрязняющего вещества к массе загрязняющего вещества, присутствующего в газе до очистки.

Пылеулавливание и газоочистка. Для улавливания пыли и газов из промышленных выбросов на предприятиях применяется механическая и мокрая газоочистка, скруббера, фильтрование газов через пористые мате­риалы, электрофильтрование. Для улавливания пыли применяются цик­лоны, мультициклоны, электрофильтры, а из отдельных тканей исполь­зуются лавсан, нитрон, полу­шерстяное сукно, стеклоткань, ультратонкое химическое во­локно, ткань Петрянова, винилпласт, пенополиуретан, стекло волокно.

По данным, эффект пылеулавливания составляет: циклоны — 84,2%, мультициклоны — 93,8 %, электрофильтры— 99,0%. разные фабричные фильтры — 99,7—99,9%; по данным [34], электрофильтры осаждают пыль диаметром в 50 и 5 мкм на 99 %, диаметром в 1 мкм на 86 %) фабричные фильтры осаждают пыль диаметрами 50, 5 и 1 мкм на 99%, циклоны — пыль диаметром в 50 мкм на 96%, 5 мкм на 73% и 1 мкм на 27 %. Наиболее совершенные электрофильтры осаждают пыль диаметром в 50 мкм на 100 %, 5 мкм на 99 % и 1 мкм на 98 %.

Для очистки промышленных выбросов от органических газов применяются скруббера, а также адсорбция разными веществами, фабричные фильтры разной конструкции. Скрубберами извлекаются отходящие газы с наивысшим эффектом 80—99 %. а в большинстве случаев до 99 % [0-52]. Эффект извлечения скрубберами для разных промышленных выбросов со составляет в случае сухих газов 60—96 %, влажных 70—99,9 %.

Спирты улавливаются из отходящих газов полностью в горизонтальных скрубберах с последующей адсорбцией активным углем. Синтетические жирные кислоты извлекаются из газовых выбросов на специальной

Амины, меркаптаны, спирты и кетоны извлекаются из промышленных выбросов горизонтальными скруб­берами с последующим удалением остатков активным углем .

Дурнспахнущие вещества, содержащиеся в выбросах предприятий пи­щевой промышленности, обезвреживаются в скрубберах, извлекаются ад­сорбцией и конденсацией, поглощаются различными химическими реаген­тами или сжигаются .

Для извлечения газов из промышленных выбросов применяются ад­сорбенты — активный уголь, силикагели, синтетические цеолиты, катализа­торы. Наиболее часто применяемый активный уголь адсорбирует вредные органические соединения и поглощает запахи.

В производстве бензола адсорбцией извлекается из отходящих газов 92 % органических веществ. Но в большинстве случаев активным углем адсорбируется не более 50 % органических веществ и примерно на­столько же снижается интенсивность запахов. На заводе по произ­водству копировальной бумаги содержащиеся в газообразных выбросах растворители (толуол, ксилол и др.) поглощаются фильтром из стекло­волокна за 60 мин и затем утилизируются в производстве на 95—98 % . На нефтехимических предприятиях меркаптаны и другие токсические и дурнопахнущие вещества извлекаются из газообразных выбросов на установке, состоящей из адсорбентов, фильтров и циклонов; извле­каются не только промышленные, но и вентиляционные выбросы.

Термическое и каталитическое сжигание. Сжигание органических ве­ществ промышленных выбросов проводится при 450—1200 °С, каталити­ческое сжигание (термический катализ) при 400 °С. Конструкция и объем печей рассчитаны на полное сжигание выбросных газов за 0,2—1,0 с. Сжигание органических веществ промышленных выбросов применяется на нефтехимических предприятиях, в производстве метилметакрилата, метанола и ряда других производств.

Каталитическое дожигание вредных органических соединений, содер­жащихся в промышленных выбросах в атмосферу, до диоксида углерода и воды, применяется довольно часто. Во всем мире ра­ботает 9000 установок по каталитическому сжиганию. Подчас за­траты на использование катализаторов из благородных металлов оправ­дываются длительным периодом их применения и высокой эффективностью очистки.

Рассеивание вредных выбросов в атмосфере. В ряде критических об­стоятельств — отсутствие безотходных методов производства и возмож­ности полной или значительной утилизации в процессе производства вред­ных веществ, техническая невозможность или высокая стоимость извлече­ния вредных веществ до необходимой степени; невозможность полной герметизации производства; невозможность удаления источников выброса от жилых районов — используют природные возможности рассеивания вредных веществ в атмосфере. Для лучшего рассеивания вред­ных веществ в атмосфере рекомендуют для мощных источников загрязне­ния строить высокие трубы (до 300—350 м). Эти меры, хотя и сни­жают концентрацию вредных выбросов на ближайших расстояние:: от источников выброса, но не защищают внешнюю среду от загрязнения, выбросы предприятий в атмосферу, содержащие токсические органи­ческие вещества, прослеживаются от источников загрязнения на расстоянии от 200 до 1000 км . На высоте до 2 км выбрасываемая в атмосферу большая часть загрязняющих веществ из промышленных районов цен­тральной части Великобритании и Центральной Европы переносится вет­ром на 1000 км и обнаруживается в Швеции и Южной Норвегии в приземном слое. В Рорвике (Швеция) при юго-западных ветрах (со стороны Великобритании и Центральной Европы) обнаружено 26 полициклических аренов в концентрациях в 13,8 раза больших, чем при северо-восточных ветрах — вне влияния этих загрязне­ний.

Строительство высоких труб для удаления вредных газов в верхние слои атмосферы увеличивает продолжительность превращения окислов га­зов в кислоты и осаждение образовавшихся кислот с атмосферными осад­ками на поверхность почвы происходит за тысячи километров от таких труб; кислотные осадки вредно действуют на сельскохозяйственные куль­туры, лесные массивы, ухудшают качество природных вод, вызывают кор­розию зданий. В озерах США, Канады и Европы после кислых дож­дей гибнут водные растения и рыба .

Радикальным методом защиты атмосферы от загрязнения служит не рассеивание выбросов высокими трубами, а ликвидация выбросов до их поступления в атмосферу.

Методы определения вредных веществ в атмосферном воздухе

Для определения органических вредных веществ в атмосферном воз­духе часто используют хроматографические методы, требующие неболь­ших затрат времени, имеющие высокую чувствительность и погрешность не более 10 %. Этими методами определяют эфиры, кетоны, спирты, аре­ны, другие углеводороды, жирные кислоты, низшие алифатические амины, низшие алифатические спирты, фенолы, карбонильные соединения. В смеси многоядерных аренов в атмосферном воздухе идентифицированы пирен, 1-метилпирен, 4-метилпирен, бензо[α]антрацен, бензоα[α]пирен, 3 изо­мера бензоперилена, антантрен, коронен .

Анализы проводятся в промышленных выбросах и атмосфере, как правило, периодически, хотя их следовало бы выполнять непрерывно. Пе­риодическое определение отличается для каждого соединения трудоем­костью и не может достаточно точно дать истинную картину содержания вредных веществ в течение суток, так как в промежутках между опреде­лениями могут иметь место как более высокие, так и более низкие кон­центрации определяемого соединения.

Менее трудоемки и более точны непрерывные автоматические методы определения. Такие определения дали возможность установить, что в Хью­стоне [штат Техас, США] по винилхлориду максимальная концентрация превышала минимальную более чем в 400 раз, а по углеводородам в 160 раз.

В настоящее время по некоторым веществам в СССР уже применяют­ся самопишущие автоматически действующие приборы для лабораторного контроля с одновременной записью метеорологических факторов. Такие приборы уже внедряются на предприятиях химической и других отраслях промышленности. Описано автоматическое многоканальное уст­ройство для отбора проб воздуха и по каждому каналу одновременно от­бираются 8 проб в течение 5—30 мин. Автоматически определяется в воздухе и суммарное содержание углеводородов без метана. Автоматически действующие приборы для непрерывного определение токсических веществ в атмосферном воздухе описаны во многих публи­кациях .

Ученым и инженерам нашей страны необходимо использовать пере­довой опыт советских и зарубежных авторов для конструирования при­боров автоматического непрерывного определения органических вредно действующих веществ в атмосферном воздухе и промышленных вы­бросах.

Правилами контроля качества воздуха населенных мест [ГОСТ 17.2.3.01—77] установлены 3 категории постов наблюдения: стационарный, маршрутный и передвижной (подфакельный). Регламентируется разме­щение постов, их число, программа и сроки наблюдения, методы контроля, местоположение и минимальное число стационарных постов. Результаты наблюдений должны быть разовые (20—30 мин), среднесуточные и сред­негодовые .

В дальнейшем необходимо изучать токсичность многих других, еще мало исследованных органических веществ для разработки методов охраны атмосферного воздуха и контроля за соблюдением законодательства по его охране.