3.Свойства наиболее распространенных загрязняющих веществ.

Состав атмосферного воздуха. Воздух довольно однороден по составу, практически отсутствует его дифференциация по природным зонам и секторам. Чистый и сухой воздух включает 78,08% азота, 20,95% азота, 0,93% аргона, 0,033% углекислого газа, 0,01 % приходится на остальные компоненты: неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, водород, оксиды азота, метан, хлор и др. Содержание водяных паров изменяется от 0,01% до 4%, значительным колебаниям подвержено также содержание твердых частиц (аэрозолей).

Азот в газообразном состоянии растениям недоступен и для большинства организмов безразличен, хотя и является важным биоэлементом (кларк в живом веществе 0,3%). Несмотря на то, что азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот и необходим для питания высших растений, усваивать они способны только связанный азот. За многие миллионы лет эволюции в природе не выработалось механизма усвоения газообразного азота, кроме связывания его клубеньковыми бактериями, азотобактериями, сине-зелеными водорослями, для которых он является источником питания.

Кислород как широко распространенный, химически активный газ играет решающую роль в формировании условий миграции всех других элементов, в Т.Ч. в процессах биологического окисления, обеспечивающих организмы энергией.

Углекислый газ играет важнейшую роль в обеспечении связывания и накопления солнечной энергии в биосфере путем фотосинтеза, с образованием сложных органических соединений растениями. На синтез 1 тонны органических соединений потребляется 1,5-1,8 т углекислого газа, при этом высвобождается 1,1-1,3 т кислорода. Полный обмен углекислого газа в атмосфере происходит за 300-500 лет, в поверхностных слоях океана - за 5-25 лет, в глубоких слоях - за 200-1000 лет. Содержание углекислого газа возросло за счет сжигания органического топлива с 0,029% в середине XIX века до 0,035% в настоящее время (проблема парникового эффекта).

Инертные газы являются продуктами радиоактивного распада в недрах Земли и относятся к числу биологически индифферентных. Исключение составляет радон, будучи радиоактивным, он вносит существенный вклад в природный радиационный фон и его аномалии.

Большинство веществ, загрязняющих атмосферу вследствие антропогенных выбросов, присутствует в атмосфере и за счет естественных источников (так, некоторые растения могут выделять углеводороды, бактерии - серосодержащие соединения, при грозах образуются оксиды азота и т.д.), Т.е. для большинства загрязнителей существует естественный фон.

Трансформации состава атмосферного воздуха, обусловленные загрязнением, происходят как вследствие естественных причин, так и под воздействием деятельности человека. Атмосферные выбросы разделяются по следующим признакам:

- по условиям выброса - на организованные, Т.е. осуществляемые через специально предназначенные технические устройства; дымовые трубы, выхлопные трубы автомобилей, и неорганизованные: через вентиляционные фонари, окна, с пылящих поверхностей, что сложнее поддается контролю и очистке;

- по температуре вещества в выбросах - на холодные, с температурой, существенно не отличающейся от температуры окружающего атмосферного воздуха, вследствие чего не происходит их подъема, и горячие., для которых характерен значительный вертикальный подъем и, вследствие этого, перенос на более значительные расстояния;

- по составу - на твердые, жидкие и газообразные. Последние преобладают как по объему, так и по количеству веществ, достигающему многих тысяч. При этом различают так называемые основные вещества­ загрязнители, на которые приходится 85% всей массы загрязнений: диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, пыль, и специфические вещества, среди которых наиболее распространены летучие органические соединения, углеводороды, фенол, формальдегид сероводород, сероуглерод и др.

- по токсичности различают 4 класса опасности загрязняющий веществ: l-й класс - чрезвычайно опасные (ПДКрз ниже 0,1 мг/м ), например бенз(а)пирен, свинец, ртуть, 2-й класс - высокоопасные (ПДКрз 0,1-1 мг/м ), например, хлор, хлористый водород, сероводород, диоксид азота, 3-й класс - умеренно опасные (ПДI{рз 1-1 О мг/м ); диоксид серы, сажа, пыль, 4-й класс - малоопасные (ПДКрз выше 1 О мг/м ), например, оксид углерода, аммиак, бензин.

Источники загрязнения атмосферы подразделяются:

- по происхождению: на естественные и техногенные (промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, коммунально­бытовые);

- по размерам: на точечные, линейные и площадные;

- по положению относительно поверхности Земли: на низкие (до 50 м)

и высокие (более 50 м);

- по подвижности: на стационарные и передвижные.

Зависимость загрязнения от климатических факторов. Уровень загрязнения атмосферы зависит не только от интенсивности поступления загрязняющих веществ (поллютантов ), но и от скорости процессов движения воздуха, осаждения и трансформации загрязняющих веществ, в т.ч. самоочищения, что по-разному проявляется в разных синоптических ситуациях. При высоких и горячих выбросах максимум приземных концентраций формируется на определенном расстоянии от места выброса. В среднем это расстояние равно 10-кратной высоте источника для холодных выбросов и 20-кратной для горячих. На практике оно прямо зависит от скорости ветра.

Наиболее сильное загрязнение (при равных выбросах) обычно связано с антициклональными условиями, причем опасна не только анти­циклональная ситуация, но и безградиентное или малоградиентное барическое поле, которое наблюдается в отрогах и перемычках высокого давления, на гребнях и седловинах, а также в размытых циклонических полях. Такая метеорологическая ситуация характеризуется штилями и слабыми ветрами, устойчивой стратификацией атмосферы и приземными инверсиями, при которых загрязнения рассеиваются в малом объеме воздуха, ниже слоя инверсии. Наоборот, циклонические условия наиболее благоприятны для рассеяния примесей. Интенсивность процессов самоочищения от загрязняющих веществ прямо зависит от температур и количества атмосферных осадков. При этом, помимо радиационного баланса, большую роль играет ультрафиолетовая радиация, проникающая в приземные слои атмосферы и вызывающая фотохимические реакции окисления. Атмосферные осадки способствуют вымыванию загрязняющих веществ из атмосферы. Ветровой режим определяет условия переноса загрязняющих веществ: при застоях воздуха вследствие штилей и слабых ветров происходит накопление загрязняющих веществ вблизи источников, приводящее к росту локальных концентраций. Влияние рельефа на загрязнение атмосферы проявляется косвенно, через микроклиматические особенности. Наиболее высокие уровни загрязнения формируются в слабо продуваемых межгорных котловинах и долинах, где часты застои воздуха, температурные инверсии. Сочетание естественных факторов, обусловливающих высокий уровень загрязнения, образует потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Степень реализации потенциала загрязнения атмосферы зависит от наличия и мощности источников загрязнения. Величина ПЗА отражает повторяемость неблагоприятных метеоусловий (ИМУ): мощность и интенсивность температурных инверсий, застоев воздуха, слабых ветров, туманов. Поскольку состояние атмосферы претерпевает как внутри- так и межгодовые изменения, различают соответственно метеорологический и климатический потенциал загрязнения атмосферы. Первый создается на относительно короткое время, при неблагоприятных метеоусловиях, второй отражает повторяемость и степень выраженности ПМУ. По величине климатического ПЗА на территории бывшего СССР было выделено 5 зон: 1) низкого ПЗА (северо-запад Европейской части), 2) умеренного ПЗА (север, северо-восток, центр, юго-запад Европейской части, Белоруссия и север Украины, север Западной Сибири), 3) повышенного ПЗА (юг Украины, Нижнее Поволжье Северный Кавказ, большая часть Урала, юг Западной Сибири, север Казахстана, частично Камчатка и Сахалин), 4) высокого ПЗА (Южный Урал, большая часть Восточной Сибири, юг Казахстана, Средняя Азия и Закавказье), 5) очень высокого ПЗА (Северо-восток Сибири, межгорные котловины Сибири и Средней Азии).

Наиболее распространенные загрязняющие вещества атмосферы

Оксид углерода (СО), известный также под бытовым названием "угарный газ", - самое распространенное вещество, загрязняющее атмосферу. Его глобальный выброс оценивается (по состоянию на 1988 год) в 380 млн. т, из этого количества 270 млн. т образуется при использовании бензина, 35 млн. т- при произведственных процессах, 15 млн. т - при сжигании угля, 15 млн. т- при сжигании дров и других "некоммерческих" видов топлива, 15 млн. т- при лесных пожарах. Антропогенное происхождение имеет 60-90% всего оксида углерода, поступающего в атмосферу. Попадая в организм, оксид углерода образует прочное соединение с гемоглобином и блокирует снабжение жизненно важных органов кислородом.

Поскольку основным источником оксида углерода в атмосферы является автомобильный транспорт, борьба с этим видом загрязнений ведется путем совершенствования конструкций автомобилей и организации автомобильного движения. Известно, что, в зависимости от качества регулировки двигателя, содержание оксида углерода в выхлопных газах может изменяться в пределах от долей процента до 10%, В связи с этим устанавливаются и контролируются, в Т.Ч. С использованием административных мер, стандарты на содержание оксида углерода в выхлопах. Совершенствование организации движения, с уменьшением числа остановок перед светофорами, также позволяет значительно снижать загрязнение воздуха городов данным веществом, поскольку максимальное выделение его происходит при работе двигателя на холостом ходу. Замена угля и других традиционных видов топлива на газ и другие источники энергии, ведет в т.ч. к сокращению выбросов оксида углерода. Благодаря применению указанных мер, глобальный выброс оксида углерода в последние годы сокращается.

Диоксид серы (S0₂) - второе по общей массе загрязняющее вещество.

Его глобальный годовой выброс от техногенных источников составляет 145 млн. т, что близко к поступлению в атмосферу от естественных источников (главным образом, вулканических выбросов)- 140 млн. т в год. Техногенный выброс диоксида серы на 70% обусловлен сжиганием угля и на 16% ­сжиганием жидкого топлива (мазута, нефти), остальное приходится на промышленные выбросы. В атмосфере диоксид серы сохраняется несколько часов и в связи с этим является локальным или региональным загрязнителем. Диоксид серы в атмосфере вступает в реакции с водяным паром, приводящие к образованию серной и сернистой кислот. Это один из основных источников формирования кислотных атмосферных осадков. Диоксид серы оказывает раздражающее воздействие на верхние дыхательные пути и легкие, способствуя развитию легочных заболеваний.

Сокращение выбросов диоксида серы в энергетике достигается за счет вытеснения угля и мазута газовым топливом. Промышленные сбросы диоксида серы, главным образом в цветной металлургии, удается сократить путем организации их улавливания и переработки, с получением серной кислоты и/или элементарной серы. Благодаря применению указанных мер, глобальные выбросы диоксида серы в последние годы в большинстве стран заметно сократились.

Оксиды азота (NO ) образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах. Окисление азота происходит как в естественных условиях, при грозах, пожарах, вулканических извержениях, так и в технических устройствах, прежде всего двигателях внутреннего сгорания. 95% техногенных выбросов оксидов азота приходится на энергетику и транспорт, 5% - на химическую, металлургическую и другие отрасли промышленности. Непосредственно из азота и кислорода воздуха образуется монооксид азота (NO), в воздухе он быстро окисляется до диоксида азота (N0₂). Техногенный выброс оксидов азота (15-20 млн. т) на порядок меньше объема образования их естественным путем, но антропогенное загрязнение сконцентрировано на сравнительно небольших территориях Оксиды азота сохраняются в атмосфере в среднем около 3 суток. Их вывод из атмосферы связан с образованием азотной кислоты и происходит при выпадении кислотных дождей. Вместе с тем, реакции с участием оксидов азота играют важную роль в питании почвы азотистыми соединениями. Оксиды азота участвуют также в реакциях, разрушающих атмосферный озон, и в образовании фотохимического смога.

Оксиды азота оказывают раздражающее воздействие на носоглотку, слизистые оболочки глаз, способствуют развитию отека легких. Длительное воздействие оксидов азота способно снижать устойчивость организма к инфекции, вызывать хронические заболевания легких.

Борьба с загрязнением атмосферы оксидами азота затруднена множественностью источников, а также в связи с тем, что исходные вещества (азот и кислород) содержатся непосредственно в воздухе. Интенсивность образования оксидов азота уменьшается при снижении температуры горения, но это влечет за собой рост выбросов продуктов неполного сгорания топлива, в т.ч. оксида углерода, полициклических ароматических углеводородов. Для предотвращения таких побочных эффектов применяют ступенчатое сжигание топлива на электростанциях, каталитические нейтрализаторы в автомобильных двигателях. Однако эффект от снижения удельных выбросов оксидов азота, приходящихся на 1 автомобиль, перекрывается увеличением числа автомобилей. Глобальные выбросы оксидов азота к настоящему времени удалось лишь в лучшем случае стабилизировать.

Твердые взвешенные частицы (аэрозоль) поступают в атмосферу от множества как естественных, так и техногенных источников. Естественными источниками являются процессы дефляции, волнение на поверхности водоемов, вулканические выбросы, выделение пыльцы растений. Техногенное образование аэрозолей связано с усиленной дефляцией на пахотных и других нарушенных землях, выбросами тепловых электростанций, предприятий стройиндустрии, металлургических и других заводов, погрузочно-разгрузочными операциями, работой транспорта. Согласно существующим оценкам, одновременно в атмосфере находится примерно 50 млн. т взвешенных частиц, за год эта масса обновляется 100 раз.

Таким образом, годовая эмиссия твердых частиц Достигает 5 млрд. т, причем вклад естественных и техногенных источников примерно равнозначен.

Присутствующие в атмосфере твердые частицы весьма разнообразны как по размерам, так и по химической природе, агрегатному состоянию. По размерам аэрозольные частицы подразделяются на тонко дисперсные (менее 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1-1 мкм), грубодисперсные (крупнее 1 мкм). С размерами частиц связана их высота подъема, продолжительность пребывания в атмосфере и дальность переноса. Тонкодисперсные частицы выполняют роль ядер конденсации, служат зародышами капель атмосферных осадков.

Химическая природа твердых частиц разнообразна. Среди них представлены силикаты и алюмосиликаты, сульфаты, вода, органические соединения, твердый углерод (сажа) и др. При нормировании загрязнения атмосферного воздуха твердыми частицами, среди них различают пыль нетоксичную (вещество 3-го класса опасности) и ряд веществ, обладающих повышенной опасностью.

Силикатные и другие твердые частицы способны оказывать коррозирующее воздействие на дыхательные пути, способствовать развитию силикозов. Особую опасность представляют асбестовые волокна, обладающие сильным канцерогенным действием, а также высокотоксичные металлсодержащие аэрозоли, в т. ч. с участием свинца, кадмия, ртути, бериллия и др., пестициды. Ряд органических веществ обладает свойствами аллергенов, в их числе пыльца цветущих растений, белково-витаминные концентраты.

Охрана атмосферного воздуха от загрязнения твердыми частицами включает значительное число направлений и конкретных методов. Снижение выделения аэрозолей в промышленности достигается с помощью технически несложных очистных сооружений - волокнистых фильтров, пылевых камер, при высокой запыленности рабочей зоны пользуются индивидуальными средствами защиты. В горнодобывающей промышленности снижение пылевыделения достигается с помощью использования современных технологий добычи и транспортировки, пылеподавления в процесс е добычи, рекультивации отработанных отвалов. Защита сельскохозяйственных земель от дефляции (ветровой эрозии) достигается путем создания лесозащитных полос, применения почвозащитных агрономических приемов: безотвально вспашки, подбора севооборотов и культур, маневра сроками обработки почв.

Углеводороды - общее название обширного класса соединений весьма разнообразных как по происхождению, так и по степени эколого­гигиенической опасности. В зависимости от химической природы, наличия примесей, класс опасности углеводородов изменяется от 4-го (бензин нефтяной малосернистый) до l-го (З,4-бенз(а)пирен и другие полициклические ароматические углеводороды). Особая опасность 3,4­бен(з)аnирена и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) связана с их высокой канцерогенностью. Образование ПА У происходит при неполном сгорании топлива и термической обработке органического сырья, при температурах 400-600 градусов. Такие условия образования определяют множественность локальных источников образования ПАУ. Ими являются многие процессы в металлургии и теплоэнергетике, асфальтовые заводы, двигатели внутреннего сгорания, отопительные печи, металлорежущие станки с охлаждением органическими эмульсиями, тлеющий мусор, горящие папиросы. Такая множественность источников ПАУ определяет их широкое распространение и осложняет защиту. Тем не менее, за счет перевода теплоэнергетики на газовое топливо, совершенствования технологических процессов и двигателей внутреннего сгорания, концентрации и выбросы ПАУ в последние годы значительно снизились.