1.3. Загрязнение атмосферы в результате хозяйственной деятельности человека

1.3.1. Основные промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха

В результате хозяйственной деятельности человека в атмосфере появляется большое количество ЗВ. Взаимодействие атмосферного воздуха с водой и почвой приводит к качественным и количественным изменениям всей биосферы в целом, ускоряя нежелательные изменения состава и структуры атмосферного воздуха, климата Земли. Наиболее сильные изменения климата и качества атмосферного воздуха наблюдаются в крупных городах. Высокая значимость антропогенного загрязнения требует более детального ознакомления с источниками загрязнения.

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия таких отраслей промышленности как энергетической, металлургической, производства стройматериалов, химической, нефтеперерабатывающей, производства минеральных удобрений.

В энергетике основным источником загрязнения атмосферного воздуха(ИЗАВ) являются тепловые электростанции, использующие до 80% всего добываемого топлива. При сжигании различных видов топлива в атмосферу поступает значительное количество токсичных веществ, среди которых выделяют следующие : твердые частицы(зола, пыль, сажа), оксиды серы(SO₂, SO₃), оксиды азота (NO, NO₂), монооксид углерода(СО), альдегиды(в основном формальдегид и акролеин), органические кислоты.

В качестве топлива применяются:

-твердые (угли, сланцы, торф, древесина, промышленные отходы);

-жидкие (мазут, нефтеотходы);

-газообразное (природный газ).

Топливо сжигают при температурах 1400 -1800 ⁰С в присутствии воздуха.

Рис. 1.2. Время пребывания тонкодисперсных частиц в атмосфере

Рис.1.3. Образование и гранулометрический состав пыли в атмосфере

Основными компонентами угля, древесины, мазута являются углерод, водород и кислород; в меньших количествах присутствуют сера и азот, а также другие вещества, например, соединения металлов. Природный газ перед использованием обычно очищают от содержащихся в нем соединений серы, что- бы предотвратить коррозию трубопроводов. Количество серосодержащих соединений в топливе зависит как от его типа, так и от места его добычи. Содержание серы в мазуте и угле может изменяться от долей процента до 5%. В мазуте сера практически полностью входит в состав органических соединений, в угле половина серы органическая, остальное -неорганическая сера, распределенная в виде мелких кристаллов пирита(FeS₂), сульфатов железа, магния, кальция и других металлов.

При сгорании топлива происходит окисление соединений водорода и углерода, сопровождающееся выделением тепла:

С + О₂ = СО₂ + 394 кДж/моль

Н₂ + 0.5 О₂ = Н₂О + 286 кДж/моль.

Если количества кислорода недостаточно для полного окисления углерода, протекает реакция

С + СО₂ = 2 СО - 111 кДж/моль.

Таким образом, при недостатке кислорода может выделиться большое количество оксида углерода; при этом, по сравнению с полным сгоранием топлива уменьшается количество выделяющегося тепла.

Сера , входящая в состав угля и мазута, также сгорает с образованием оксидов:

S + O₂ = SO₂.

В значительно меньшей степени в пламени протекает дальнейшее окисление:

SO₂ + O* = SO₃

или SO₂ + ½ O₂ = SO₃ + 85 кДж/моль

В составе оксидов на долю триоксида серы приходится только 1%.

В процессе горения топлив выделяются также оксиды азота, в основном монооксид азота. Источником его образования является частично азот, содержащийся в топливе(по данным различных исследователей окисляется 18 -80% связанного азота), частично азот воздуха, подаваемого в топку в качестве дутьевого.

Образование оксидов азота из воздуха связано со следующими реакциями:

O₂ = 2O*

N₂ + O* = NO + N* - 315 кДж/моль

N* + O₂ = NO + O* + 133 кДж/моль.

Монооксид азота, попадая в атмосферу медленно окисляется в диоксид азота:

2NO + O₂ = 2NO₂ + 188 кДж/моль

В состав оксидов азота входит : монооксид азота -90 -95%, диоксид азота -5 -10%. При горении природного газа, оксиды азота образуются только вследствие реакций с участием азота воздуха.

Количество оксидов серы в продуктах сгорания топлива зависит только от содержания серы в топливе; количество оксидов азота во многом определяется способом сжигания топлива и температурой пламени.

Образование аэрозолей при горении топлива зависит от содержания минеральных веществ в топливе и от полноты сгорания углерода. Около 60% общего количества аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу от промышленных источников, составляют твердые частицы, образующиеся при сжигании топлив.

В продуктах сгорания топлив присутствуют также полициклические ароматические углеводороды, а также канцерогеннные соединения, наиболее известным из которых является 3,4 -бенз(а)пирен(С₂₀Н₁₂); он образуется на стадии пиролиза угля и углеводородов при температуре более 600⁰С . Следует отметить, что перевод котлов на сжигание природного газа позволяет снизить выброс 3,4 -бензпирена в атмосферу в среднем в 10 раз. Электростанции, как правило, не создают зоны превышения ПДК по канцерогенным веществам. Такие зоны обычно характерны для предприятий коксохимии, металлургии, нефтепереработки, а также автомобильного транспорта.

Современная электростанция мощностью 2.4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т/сутки угля и выбрасывает в атмосферу 680 т/сутки оксидов серы, 60 -120 т/сутки твердых частиц, 120 т/сутки оксидов азота. При этом, в процессе сжигания топлива потребляется огромное количество кислорода. Расчеты показывают, что для сжигания 8 млрд т ископаемого органического топлива ежегодно требуется 22.4 млрд т кислорода.

В металлургии черные и цветные металлы, как правило, производят из оксидных или сульфидных руд при высокотемпературной обработке. В доменных процессах в качестве восстановителя используется металлургический кокс, получаемый из коксующихся каменных углей. В процессе коксования в атмосферный воздух поступают оксид углерода, аммиак, фенолы, фториды. Применение различных видов топлива в металлургических процессах приводит к образованию газообразных ЗВ, аналогичных тем, которые обнаруживаются при сжигании топлива. Предприятия черной металлургии загрязняют атмосферный воздух оксидом углерода, пылью, диоксидом серы, оксидами азота, фенолом, аммиаком, углеводородами, соляной и серной кислотами, цианидами и другими веществами. Основные источники выбросов и ЗВ приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Основные источники выбросов металлургических предприятий

Производство	Доля выбросов, %
	пыль	диоксид серы	монооксид углерода	оксиды азота
Агломерацион-ная фабрика	34.3	82.5	62.5	25.0
Коксовый цех	11.1	0.9	7.5	7.0
Доменный цех	1.7	1.6	2.7	-
Конверторный цех	8.3	0.6	0.4	-
Мартеновский цех	4.0	0.6	0.2	15.0
Прокатный цех	-	3.0	-	8.0
Ремонтный цех	1.1	0.2	4.3	-
Транспорт	0.3	0.3	5.0	-
Газовое хозяйство	-	-	7.5	-
Цех огнеупоров	2.7	0.2	0.1	-
Энергетические установки	36.9	7.5	-	40.0
Прочие	9.6	2.6	9.8	5.0

_{На 1 т передельного чугуна приходится 4.5 кг пыли, 0.7 кг диоксида серы, 0.1 -0.5 кг марганца, а также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, ртути, редких металлов.}

_{От предприятий нефтеперерабатывающей промышленности и нефтехимической промышленности в атмосферный воздух в больших количествах поступают углеводороды, диоксид серы, оксиды азота, сероводород, аммиак, хлор, фенолы, формальдегид, ацетон, бензол, толуол и другие вещества.}

_{Предприятия химической промышленности, производящих тысячи наименований различных изделий, выбрасывают в атмосферу огромный набор ЗВ, в том числе диоксид серы, монооксид углерода, оксиды азота, пыль, аммиак, сероводород, сероуглерод, хлориды и фториды, металлоорганические соединения, формальдегид и т. д.}

_{Предприятия целлюлозно -бумажной промышленности выбрасывают в атмосферный воздух диоксид серы, меркаптаны, органические сульфиды и дисульфиды, сероводород, хлор, метанол, оксиды азота и другие вещества.}

_{Машиностроительные предприятия выбрасывают в атмосферный воздух пыль, монооксид углерода, оксиды азота, пары и аэрозоли кислот и щелочей и другие соединения.}

_{К основным источникам загрязнения атмосферного воздуха предприятиями машиностроительного комплекса относятся литейное, гальваническое и окрасочное производства.}

_{Выплавка чугуна и стали в литейных производствах сопровождается образованием и выделением в атмосферу пыли, монооксида углерода, оксидов азота, фенолов и других ЗВ, выход которых определяется составом используемых сырьевых компонентов.}

_{Основными ЗВ при электрохимической обработке металлов являются аэрозоли и пары кислот и щелочей, аэрозоли металлов и их оксидов.}

_{При проведении окрасочных работ (в окрасочных камерах) выделяются окрасочный аэрозоль, пары растворителей (толуол, ксилол, сольвент, уайт -спирит, ацетон, этанол, бутилацетат и др.), ингредиенты органических и неорганических наполнителей (соли и оксиды титана, цинка, свинца, хрома и других металлов), а также составляющие пленкообразующих веществ (стирол, формальдегид и др.).}

_{В авиации основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются самолеты, а также вспомогательные службы: окраска деталей и корпусов, гальванические и аккумуляторные участки, ремонтные помещения и др. Сгорание углеводородных топлив в авиационных двигателях сопровождается образованием и выбросом в атмосферу оксидов азота, углеводородов, монооксида углерода, сажи и других ЗВ; состав и количество выбросов зависят от вида топлива и режима работы двигателя. В связи с переменным количеством выбросов ЗВ самолеты подразделяются на винтовые, турбовинтовые и реактивные. За час полета на высоте 18 -20 км сверхзвуковой самолет выбрасывает в среднем, около 80 т водяного пара, 70 т диоксида углерода, 4 т монооксида углерода. На примере международного аэропорта Гонолулу можно отметить, что ежедневный выброс ЗВ составляет: твердых частиц -2056 т, монооксида углерода -24.1 т, оксидов азота -27.2 т, углеводородов -10.1 т, диоксида серы -582 т. Серьезным источником загрязнения воздуха углеводородами являются процессы заправки и сливо-наливные операции.}

Различные виды морского и речного транспорта загрязняют атмосферный воздух монооксидом углерода, оксидами азота, углеводородами и сажей.

В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт. Отходящие газы двигателей содержат сложную смесь из более чем двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов и тетраэтилсвинец. ЗВ при эксплуатации подвижных транспортных средств поступают в воздух с отработанными газами, испарениями из топливных систем и при заправке, а также с картерными газами.

Значительное влияние на величину выбросов монооксида углерода оказывает режим движения машины. Минимальное количество СО выделяется при равномерной скорости движения автомобиля. В табл.1.7 приведены значения концентрации основных ЗВ, выделяющихся при различных режимах работы карбюраторного двигателя.

Таблица 1.7

Влияние режима работы двигателя на выход ЗВ

Режим работы двигателя	СО, % по объему	Углеводороды, мг/л	NOх, мг/л
холостой ход	4 - 12	2 - 6	-
принудительный холостой ход	2 - 4	8 - 12	-
средние нагрузки	0 - 1	0.8 - 1.5	2.5 - 4.0
полные нагрузки	2 - 4	0.7 - 0.8	4 - 8

В общем случае величина выбросов ЗВ с отработанными газами автотранспорта зависит от целого ряда факторов: соотношения в смеси воздуха и топлива, режима движения транспорта, технического состояния транспорта и др.; состав и объемы выбросов зависят также от типа двигателя (табл. 1.8).

Таблица 1.8

Состав выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей( в % по объему)

Компоненты	Двигатель
	карбюраторный	дизельный
1	2	3
азот	74 - 77	76 - 78
кислород	0.3 - 8.0	2 - 18
пары воды	3.0 - 5.5	0.5 - 4.0
диоксид углерода	5.0 - 12.0	1.0 - 10.0
монооксид углерода	5.0 - 10.0	0.01 - 0.5
оксиды азота	0.0 - 0.8	0.0002 - 0.5
1	2	3
углеводороды	0.2 - 3.0	0.009 - 0.5
альдегиды	0.0 - 0.2	0.001 - 0.009
сажа(г*м-3)	0.0 - 0.04	0.1 - 1.1
бенз(а)пирен(мкг*м-3)	до 20	до 10

Из табл. 1.8 видно, что выбросы большинства ЗВ при работе дизельных двигателей ниже, чем при работе карбюраторных двигателей.

В связи с тем, что выхлопные газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеивания значительно отличается от процесса рассеивания выбросов от высоких стационарных источников, ЗВ находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автотранспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей.

В районах развитого сельскохозяйственного производства наибольшую опасность представляют средства защиты растений, только 10% которых при распылении достигает цели; остальная масса разносится ветром и загрязняет атмосферу, почву и водные объекты.

Значительными источниками загрязнения атмосферы являются крупные животноводческие фермы, птицефабрики. Основными ЗВ, выбрасываемыми этими предприятиями, являются аммиак и его производные, сероводород, оксиды азота и др.

К антропогенным видам загрязнения атмосферного воздуха, кроме отмеченных выше, относятся так же радиоактивное и тепловое загрязнения. Различают радиоактивность естественную(природную) и искусственную(вызванную деятельностью человека). Естественные радиоактивные элементы, попадающие в атмосферный воздух, образуются, как вследствие радиоактивного распада урана, тория и актиния, находящихся в горных породах, так и при взаимодействии космического излучения в стратосфере с ядрами атомов химических элементов. Следует отметить, что все встречающиеся в природе элементы, атомные номера которых больше 83(висмут) -радиоактивны. Ежегодно в мире добывается около 10¹¹ т породы , содержащей естественные радиоактивные элементы. Около 70% радиоактивных веществ остается в отвалах, откуда ветром они разносятся на большие расстояния. В значительных количествах радиоактивные вещества (РВ) попадают в атмосферу при сжигании органического топлива, внесении в почву удобрений и выветривании из нее.

К стационарным источникам загрязнения атмосферного воздуха РВ относятся предприятия по переработке ядерных материалов и атомные электрические станции, а к передвижным -транспортные средства (корабли, ракеты). Атомные станции в случае аварии могут привести к загрязнению атмосферного воздуха стронцием -90, цезием -137, тритием, углеродом -14, иодом -129, криптоном -85 и другими радиоактивными элементами. Вероятность аварии на атомных станциях мала, но опасность при ее возникновении чрезвычайно велика.

Опасность воздействия РВ убывает со временем и зависит от периода полураспада изотопа. Наибольшую опасность представляют изотопы с большим периодом полураспада; изотопы, например цезий -137 и стронций -90, имеющие периоды полураспада, соответственно, 30 и 26 лет, являются весьма опасными.

В результате деятельности человека по использованию энергии атомного ядра в мирных и военных целях радиоактивное загрязнение атмосферы заметно увеличилось; загрязнение атмосферы от атомных станций незначительно в глобальном масштабе.

Загрязнение атмосферного воздуха в результате испытаний ядерного оружия носит глобальный характер, потому, что радиоактивные аэрозоли распространяются в пределах всей нижней атмосферы. В результате взрыва атомной бомбы образуется более 100 различных изотопов; наиболее опасные из них: стронций, углерод и иод.

1.3.2. Оценка вклада основных антропогенных источников загрязнения атмосферы

Вклад основных антропогенных источников в загрязнение атмосферного воздуха выглядит следующим образом (табл. 1.9):

Таблица 1.9

Оценка вклада в загрязнение атмосферы различных источников

Вид деятельности	Массовая доля в суммарном выбросе ЗВ за год, %
Все виды транспорта	50 - 60
Производство пара, тепла, электр. энергии	15
Местное отопление	10
Промышленные технологии	15 - 20
Сжигание отходов, сельское хозяйство	5

Естественно, что в зависимости от конкретных условий каждой отдельной страны вклад отдельных видов деятельности в уровень загрязнения будет различен.

В табл.1.10 приведены примерные количества выбросов ЗВ от основных групп источников в результате хозяйственной деятельности человека.

Таблица 1.10

Масса выбросов ЗВ от различных источников

Тип источника	Оценочные количества ЗВ в год,10-9 кг
	твердые	SOx	NOx	СО	СхНу	сумма
Транспорт	1.2	0.4	8.0	71.2	13.8	94.6
Сжигание топлива	6.0	22.0	7.5	1.9	0.7	38.1
Переработка сырья	5.9	7.2	0.2	7.8	3.5	24.6
Переработка отходов	1.2	0.1	0.7	4.5	1.4	7.9
Прочие	0.4	0.6	0.2	1.2	4.2	6.6
Сумма	14.6	30.3	16.6	86.6	23.6	172.8