Загрязнение атмосферы. Средства защиты атмосферы

Атмосфера является одним из необходимых условий возникновения и существования жизни на Земле. Она участвует в формировании климата на планете, регулирует ее тепловой режим, способствует перераспределению тепла у поверхности. Часть лучистой энергии Солнца поглощает атмосфера, а остальная энергия, достигая поверхности Земли, частично уходит в почву, водоемы, а частично отражается в атмосферу.

В современном состоянии атмосфера существует сотни миллионов лет, все живое приспособлено к строго определенному ее составу. Газовая оболочка защищает живые организмы от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Атмосфера предохраняет Землю от падения метеоритов. В атмосфере распределяются и рассеиваются солнечные лучи, что создает равномерное освещение. Она являйся средой, где распространяется звук. Из-за действия гравитационных сил атмосфера не рассеивается в мировом пространстве, а окружает Землю, вращается вместе с ней.

Основной (по массе) компонент воздуха - азот. В нижних слоях атмосферы его содержание составляет 78,09%. Самый активный в биосферных процессах газ атмосферы - кислород. Содержание его в атмосфере составляет около 20,94%. Важная составляющая часть атмосферы - диоксид углерода (СО₂), который составляет 0,03% ее объема. Он существенно влияет на погоду и климат на Земле. Содержание диоксида углерода в атмосфере не постоянно. Он поступает в атмосферу из вулканов, горячих ключей, при дыхании человека и животных, при лесных пожарах, потребляете растениями, хорошо растворяется в воде. Количество растворенного углекислого газа в океане 1,3 10¹⁴т.

В небольших количествах в атмосфере содержится оксид углерода (СО). Инертных газов, таких как аргон, геля криптон, ксенон, также немного. Из них больше всего- аргона - 0,934%. В состав атмосферы входят также водород и метан. Инертные газы попадают в атмосферу в процессе непрерывного естественного радиоактивного распада урана, тория , радона.

В верхних слоях стратосферы расположен в небольшой концентрации озон. Поэтому эту часть атмосферы часть называют озоновым экраном. Общее содержание озона в атмосфере невелико - 2,10%, но он отражает до 5% ультрафиолетовых лучей, что предохраняет живые организмы от их губительного действия. Задерживая до 20% инфракрасных излучений, достигающих Земли, озон повышает утепляющие действия атмосферы. На формирование озонового экрана влияет наличие в стратосфере хлора, оксидов азота, водорода, фтора, брома, метана, обеспечивающих фотохимические реакции разрушения озона.

Помимо газов в атмосфере имеются вода и аэрозоли. В атмосфере вода находится в твердом (лед, снег),жидком (капли) и газообразном (пар) состоянии. При конденсации водяных паров образуются облака. Полное обновление водяных паров в атмосфере происходит за 9-10 суток.

В атмосфере также встречаются вещества и в ионном состоянии - до нескольких десятков тысяч в 1 см³ воздуха.

Загрязнителем атмосферы может быть любой физический агент, химическое вещество или биологический вид (в основном микроорганизмы), попадающие в окружающую среду, или образующиеся в ней в количестве выше естественных.

Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияет на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и сооружения.

По происхождению загрязнения делят на природные, вызванные естественными, часто аномальными процессами в природе, и антропогенные, связанные с деятельностью человека.

Загрязнители атмосферы разделяют на механические, физические и биологические.

Механические загрязнения - пыль, зола, фосфаты, свинец, ртуть. Их источники - вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары, Они образуются при сжигании органического топлива и в процессе производства строительных материалов, которое дает до 10% всех загрязнений. Большое количество загрязнений поступает в атмосферу при работе цементной промышленности, при добыче и обработке асбеста, работе металлургических заводов и др.

К физическим загрязнениям относят тепловые (поступление в атмосферу нагретых газов); световые (ухудшение естественной освещенности местности под воздействием искусственных источников света); шумовые (как следствие антропогенных шумов); электромагнитные (от линий электропередач, радио и телевидения, работы промышленщ установок); радиоактивные, связанные с повышением уровнем поступления радиоактивных веществ в атмосферу.

Биологические загрязнения в основном являются следствием размножения микроорганизмов и антропогенной, деятельности (теплоэнергетика, промышленность, транспорт, действия вооруженных сил).

Самыми распространенными токсичными веществам загрязняющими атмосферу, являются оксид углерода СО, диоксид серы SO₂ оксид азота N0₂, углекислый газ CO₂, углеводороды СН и пыль.

Основной загрязнитель атмосферы оксидом углерода - транспортно-дорожный комплекс. Из 35 млн тонн вредных выбросов комплекса - 89% приходится на выбросы автомобильного транспорта и дорожно-строительного комплекса. На долю автомобилей приходится 25% сжигаемого топлива, один автомобиль за время своего существования выбрасывает до 10 т СО; (всего в мире около 700 млн автомобилей). Отработанные газы содержат более 200 вредных соединений, в том числе и канцерогенных.

Нефтепродукты, продукты износа шин и тормозных накладок, сыпучие и пылящие грузы, хлориды, используемые в качестве антиобледенителей дорожных покрытий, загрязняют придорожные полосы и водные объекты.

Существенное значение имеет загрязнение атмосферы асфальтобетонными заводами, так как выбросы этих предприятий содержат канцерогенные вещества. Эксплуатируемые в настоящее время в России асфальтосмесительные установки разной мощности выбрасывают в атмосферу от 70 до 300 тыс. т взвешенных веществ в год. Выборочное обследование показало, что очистное оборудование ни на одной из них не работает эффективно вследствие конструктивного несовершенства, неудовлетворительного технического состояния и неполного проведения регламентного обслуживания. На подвижных дорожных объектах, обеспечивающих строительство, ремонт и содержание дорог общего пользования, ежегодно выбрасывается 450 тыс.т пыли, сажи и других вредных веществ.

Значительным поставщиком оксида углерода, пыли, сажи является металлургическая промышленность (оксида углерода около 2,2 млн тонн), энергетические комплексы (пыли около 2 млн тонн), цветная металлургия более 300 тыс тонн СО и почти столько же пыли, нефтедобывающая промышленность (600 тыс тонн СО)

Оксид углерода препятствует переносу кислорода, отчего наступает кислородное голодание организма. Продолжительное вдыхание оксида углерода может оказаться смертельным для человека.

Пыль. Загрязняющие вещества проникают в организм через органы дыхания. Суточный объем вдыхаемого воздуха для одного человека составляет 6-12 м³. При нормальном дыхании с каждым вдохом в организм человека поступает от 0,5 до 2 л воздуха.

Вредные воздействия разнообразных и пылевидных промышленных выбросов на человека определяются количеством загрязняющих веществ, поступающих в организм, их состоянием, составом и временем воздействия.

Наличие пыли в атмосфере, помимо вышеуказанных отрицательных последствий, уменьшает поступление к поверхности Земли ультрафиолетовых лучей. Наиболее сильное влияние загрязнений на здоровье человека проявляется в период смогов. В это время ухудшается самочувствие людей, резко возрастает число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.

Диоксид серы, серный ангидрид и другие серные соединения поражают дыхательные пути. Основными их поставщиками являются черная (300 тыс тонн) и цветная металлургия (более 1 млн тонн), газовая промышленность и нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика (до 2, 4 млн тонн).

Растворение диоксида серы в атмосферной влаге приводит к кислотным дождям, которые воздействуют на леса, почвы, здоровье человека. Особенно распространены кислотные дожди в районах Южной Канады, Северной Европы, на Урале, прежде всего в районе Норильска.

Загрязнение атмосферы промышленными выбросами существенно усиливает эффект коррозии. Кислотные газы способствуют коррозии стальных конструкций и материалов. Диоксид серы, оксиды азота, гидрохлорид при соединении с водой образуют кислоты, усиливая химическую и электрохимическую коррозию, разрушают органические материалы (резину, пластмассы, красители). На стальные конструкции отрицательно действуют озон и хлор. Даже незначительное содержание нитратов в атмосфере вызывает коррозию меди и латуни.

Аналогично действуют и кислотные дожди: снижают плодородие почв, отрицательно воздействуют на флору и фауну, сокращают сроки службы- электрохимических покрытий, особенно хромоникелевы красок, снижается надежность работы машин и механизмов, под угрозой находятся более 100 тыс. используемых видов цветного стекла.

Разрушительное воздействие промышленных загрязнений зависит от вида вещества. Хлор наносит урон органам зрения и дыхания. Фториды, попадая в организм человека через пищеварительный тракт, вымывают кальций из костей и снижают содержание его в крови. Опасны для вдыхания пары или соединения тяжелых металлов. Вредны для здоровья соединения бериллия.

Опасны даже в малых концентрациях в атмосфере альдегиды. Альдегиды оказывают раздражающее воздействие на органы зрения и обоняния, являются наркотиками, разрушающими нервную систему.

Атмосферные загрязнения могут оказывать на здоровье человека малое влияние, но могут привести к полной интоксикации организма.

Одной из серьезных проблем, связанных с загрязнением атмосферы, является возможное изменение климата от воздействия антропогенных факторов, которые вызывают непосредственное воздействие на состояние атмосферы, связанное с повышением или понижением температуры и влажности воздуха.

Экологи предупреждают, что если не удастся уменьшить выброс в атмосферу углекислого газа, то нашу планету ожидает катастрофа, связанная с повышением температуры вследствие так называемого парникового эффекта . Сущность этого явления заключается в том, что ультрафиолетовое солнечное излучение достаточно свободно проходит через атмосферу с повышенным содержанием СО₂ и метана СН₄. Отражающиеся от поверхности инфракрасные лучи задерживаются атмосферой с повышенным содержанием СО₂, что приводит к повышению температуры, а следовательно, и к изменению климата. Анализ наблюдений за последние 100 лет свидетельствует, что самыми тяжелыми были 1980, 1981, 1983, 1987 и 1988 гг.

В Северном полушарии поверхностная температура в настоящее время на 0,4 0С выше, чем в 1950-1980 гг. В будущем предполагается дальнейший рост температуры, например на 2-4 ⁰ С к 2050 г.

Поэтому за счет таяния ледников и полярных льдов в ближайшие 25 лет ожидается повышение уровня Мирового океана на 10 см.

Уже в начале XXI в. ученые прогнозируют повсеместные цунами, тайфуны, наводнения. А в XXII в. потепление составит 5...10°С и станет необратимым, возможно, вызвав последний великий потоп. Таким образом, те изменения климата, которые были малозаметны в XX в., могут стать гибельными для человечества в XXII в.

Колебания климата влияют на состояние и жизнедеятельность человека. При изменении температуры воздуха и осадков изменяются распределения водных ресурсов, условия развития человеческого организма.

К антропогенным процессам относится и разрушение озонового слоя Земли. Озоновый слой, максимум концентрации которого находится на высоте 10...25 км в тропосфере, предохраняет жизнь на Земле от смертельных ультрафиолетовых излучений. Разрушают его оксиды азота, особенно хлор-фторуглероды, которые в природных системах практически отсутствуют, но человек усиленно добавляет их в атмосферу:

- работой холодильников на фреоне и аэрозольных установках;

выделением N0 в результате разложения минеральных удобрений;

полетами самолетов на большой высоте и запусками ракетоносителей спутников (выброс оксидов азота и паров воды);

ядерными взрывами (образования оксидов азота);

процессами, способствующими проникновению в стратосферу соединений хлора антропогенного происхождения.

Изменение толщины озонового слоя всего на 1% увеличивает интенсивность ультрафиолетового излучения на 2%, а риск <glossary:wordРиск> заболеваний раком кожи - на З...6%. Ультрафиолетовое излучение особо воздействует на фитопланктон, расположенный в поверхностном слое Мирового океана, а также на культурные растения. Масштабы уничтожения озонового слоя таковы, что над некоторыми регионами, например Австралией, Антарктидой и др., образовались озоновые дыры; тенденция к уменьшению слоя озона фиксируется для всех географических районов Земли.

Загрязнения атмосферы вредно сказываются и на растениях. Разные газы оказывают различное влияние на растения, причем восприимчивость растений к одним и тем же газам неодинакова. Наиболее вредны для них сернистый газ, фтористый водород, озон, хлор, диоксид азота, соляная кислота.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что если даже не учитывать других факторов, таких как загрязнение воды и почвы в атмосфере имеется достаточно вредных веществ, концентрацию которых необходимо контролировать.

Наибольшая загрязненность наблюдается в индустриальных регионах: около 90% выбросов вредных веществ (ВВ) приходится на 10% территории суши (Северная Америка, Европа, Восточная Азия), особенно на крупные города, где по многим ВВ превышены предельно допустимые концентрации. Примерно 20% человечества дышит воздухом, в котором концентрация ВВ превышает предельно допустимые концентрации.

Химическая нагрузка на одного жителя России за время жизни (60 лет)

Химическая нагрузка - общее количество вредных и токсичных веществ, которые попадают в организм человека за время его жизни.

В нашей стране впервые были разработаны и внедрены с 1939 года в практику природоохранной деятельности нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в воздухе населенных пунктов, исходя из гигиенических требований. В действующие нормативы включены болеее 2500 различных веществ, которые могут содержаться в продуктах питания, воздухе почве, воде. Они периодически пересматриваются и в настоящее время мы используем санитарные нормы СН 245-71.

ПДК - это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает вредного воздействия, включая отдаленные последствия, а также не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Эта величина носит законодательный характер. В РФ ПДК <glossary:wordПДК> соответствует самым низким значениям, которые рекомендованы ВОЗ. Устанавливаются два значения: максимальная разовая в пределах 20 - 30 минут и среднесуточная величина ПДК.

Максимальная разовая доза ПДК <glossary:wordПДК> не должна приводить к неприятным рефлекторным реакциям человеческого организма (насморк, неприятный запах), а среднесуточная - к токсичному, канцерогенному и мутагенному воздействию.

Для регулирования выбросов ВВ в биосферу используются индивидуальные для каждого вещества и предприятия нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ), которые учитывают количество источников высоту их расположения, распределение выбросов во времени и в пространстве и другие факторы (ГОСТ 17.2.3.02-78)

ПДВ - предельное количество вредного вещества, разрешаемое к выбросу от данного источника, которое не создает концентрацию около Земли , опасную для людей, животного и растительного мира

Значение ПДВ <glossary:wordПДВ> (г/с) для продуктов сгорания рассчитывается по следующей формуле

Для нагретого выброса:

ПДВ= ПДК <glossary:wordПДК> ( /A F m n.

Для холодного выброса:

ПДВ= 8ПДК .

Если несколько источников выбросов:

ПДВ= ПДК ,

где V_c - суммарный объемный раствор газовой смеси

V_c =V₁+ V₂ + V_3…

V₁ - объем газа выбрасываемый каждым источником. (м³/с);

Н - высота источника выброса над поверхностью(м);

ΔТ - разность температур выбрасываемого газа и воздуха (градус С)

А -коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ;

F - коэффициент скорости оседания вредных веществ в воздухе;

m,n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовой смеси из устья источника;

D - диаметр устья источника.

Методика расчета ПДВ <glossary:wordПДВ> изложена в СН 369 -74. При расчете учитываются фоновые концентрации вредных веществ в воздухе С_ф и концентрация от источников загрязнений С, сумма которых должна быть меньше или равна ПДК:

ПДК≤С +С_ф

При совместном присутствии в воздухе нескольких веществ с разными ПДК <glossary:wordПДК> и разными концентрациями суммарная концентрация должна удовлетворять следующему соотношению:

В соответствии с ГОСТ 17.2.3.02-78 для каждого промышленного предприятия устанавливается ПДВ <glossary:wordПДВ> вредных веществ в атмосферу при условии, что выбросы ВВ от данного источника в совокупности с другими источниками не создадут концентрацию превышающую ПДК.

Соблюдение этих требований достигается локализацией вредных веществ в месте их образования, отводом из помещения или оборудования, а также рассеиванием а атмосфере. Если при этом концентрация выбросов вредных веществ в атмосфере превышает ПДК, то применяют очистку выбросов от вредных веществ в аппаратах очистки, установленных в выпускной системе. Наиболее распространены вентиляционные, технологические и транспортные выпускные системы.