Загрязнение воздуха

Воздушная среда

Естественной потребностью людей  является воздух. Город с населением 1 млн. человек нуждается примерно в 3 млн. т кислорода в год. Поступление его в атмосферу осуществляется за счет фотосинтеза, осуществляемого фитопланктоном Мирового океана и массивами лесов. Даже при интенсивном озеленении городской территории и наличии собственных водных объектов городские возможности воспроизводства кислорода существенно ниже потребности, которая может быть покрыта лишь за счет растительности и водной поверхности неурбанизированных пространств, общая площадь которых в 20-30 раз превышает городскую территорию.

Загрязнение атмосферы  – изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей.

Примесь в атмосфере  – это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе.

Загрязняющее воздух вещество – это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения. Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

Первичная примесь – примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства.

Вторичная примесь – это примесь в атмосфере, образовавшаяся в результате превращения первичных примесей.

Превращения примесей в  атмосфере – процесс, при котором примеси в атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влиянием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодействия между собой.

§1. Источники образования выбросов в атмосферу

Загрязнение атмосферы есть функция самых различных процессов, протекающих на земле – как естественных, так и антропогенных.

Естественное загрязнение имело  место и до появления человеческих цивилизаций. Целый ряд явлений  природы – лесные пожары, пыльные бури, извержения вулканов, газовые выделения из толщи земной коры – всегда будут характерны для некоторых районов планеты.

С увеличением популяции и концентрации населения в городах, индустриализацией  и развитием транспорта на естественное загрязнение наложились антропогенные выбросы.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воздуха, представленные главным образом выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообразием видов (рис. 1).

Источники выбросов промышленных предприятий  бывают стационарными (источники 1–6), когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 – автотранспорт). Кроме того, они подразделяются на точечные, линейные и площадные. Причем, каждый из них может быть затененным и незатененным.

Точечные источники  (на рис. 1 – 1, 2, 5, 7) – это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы. Линейные источники (3) имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы.

Рис. 1.

Источники загрязнения  атмосферы:

1 – высокая дымовая труба; 2 – низкая дымовая труба; 3 – аэрационный фонарь цеха; 4 – испарения с поверхности бассейна; 5 – утечки через неплотности оборудования; 6 – пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 – выхлопная труба автомобиля; 8 – направление движения потоков воздуха

Площадные источники  (4, 6). Здесь удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.

Незатененные (1), или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных поблизости зданий и других препятствий.

Затененные источники (2-7) расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого препятствия.

Источники выбросов загрязняющих веществ  в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные.

Из организованного источника (1, 2, 7) загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.

Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ (5, 6) образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и другие площадные источники.

По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подразделяют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактивное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, электромагнитные поля. К химическому – наличие химических веществ и их соединений.

Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 признакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и массовому расходу выброшенного вещества.

Загрязняющие вещества выбрасываются  в атмосферу в виде смеси пыли, дыма, тумана, пара и газообразных веществ. Наиболее распространенными загрязняющими веществами, поступающими в атмосферный воздух от техногенных источников, являются: оксид углерода СО; диоксид серы SO₃; оксиды азота NO_х, углеводороды С_хН_у, пыль.

Загрязнение химическими веществами имеет локальный характер. Выбросы вредных металлургических, химических и др. предприятий способны образовывать несвойственные естественной атмосфере токсичные соединения.

Состав промышленных и бытовых  выбросов города-миллионера весьма разнообразен и зависит от набора промышленных функций экономической базы города. Годовое количество газообразных выбросов и их состав представлены в таблице 1.

Таблица 1

Выбросы в атмосферу  города с населением 1 млн. человек

Компонент	Количество, тыс. т/год	Компонент	Количество, тыс. т/год
Вода (пар, аэрозоль)	10800	Аммиак	1,4
СО2	1200	Фториды	1,2
Сернистый ангидрид	240	Соединения свинца	0,5
СО	240	Бензапирен	0,08
Пыль	180	Мышьяк	0,031
СхНу	108	Уран (в составе пыли)	0,024
NxOy	60	Кобальт (в составе  пыли)	0,018
Органика (фенол, бензол, спирт, растворители, жирные к-ты…)	8	Ртуть	0,0084
Хлор, аэрозоли Н2SO4	5	Кадмий (в составе пыли)	0,0015
Сероводород	5	Бериллий (в составе  пыли)	0,0012

В городах, где отсутствуют объекты  горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, крупные теплоэлектростанции, работающие на угле, и другие мощные промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха, основным фактором негативного воздействия на состояние воздушного бассейна является автотранспорт. Эксплуатация транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания, приводит к выбросам в атмосферу продуктов сгорания, содержащих такие вредные вещества, как угарный газ, оксиды азота, соединения свинца, серы, сажа, бенз(а)пирен и ряд других компонентов (порядка 200 наименований). В настоящее время удельный вес автотранспорта в загрязнении воздуха вентральной части крупных городов достигает 70% и более.

Загрязнение воздушного бассейна автотранспортом почти всегда носит локальный характер и проявляется на небольшой высоте. Так, концентрации ЗВ от автотранспорта быстро уменьшаются по мере отдаления от транспортной магистрали, а при наличии достаточно высоких преград (например, в закрытых дворах) могут снижаться более чем в 10 раз.

Результатом загрязнения атмосферы  становится такое явление как смог. Смог – атмосферное явление, наступающее при совпадении определенных метеорологических условий и высокой степени загрязненности воздушного бассейна. Различают следующие виды смогов: фотохимический, лондонский и ледяной.

Фотохимический смог образуется в ясную солнечную погоду, при низкой влажности, температуре выше +30° С, полном отсутствии ветра и высокой загрязненности воздуха. При фотохимическом смоге наблюдается появление голубоватой дымки или беловатого тумана и связанное с этим ухудшение видимости. Основными химическими соединениями, обеспечивающими вышеперечисленные свойства смога, являются озонид углерода и пероксиацил-нитраты (ПАН), образующиеся в результате химических реакций находящихся в воздухе углеводородов с оксидами азота и углерода под воздействием солнечной радиации (фотохимический эффект).

Смог вызывает у людей  раздражение органов чувств, химически  действует как окислитель (усиливает  коррозию металлов, приводит к растрескиванию резины).

Лондонский  смог формируется при влажности воздуха около 100%, температуре 0°С, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов сгорания твердого и жидкого топлива (SO₂, сажа, NO_x и СО). Наблюдается чаще в осенне-зимний период, характерен для умеренных широт с влажным морским климатом.

Ледяной смог характерен для городов, расположенных в высоких (северных) широтах. Он образуется при температурах ниже – 30° С, полном штиле, высокой влажности воздуха и наличии мощных источников загрязнения атмосферы. При низкой температуре капельки водяного пара превращаются в кристаллики льда (размером 5-10 мкм) и повисают в воздухе в виде густого белого тумана, видимость уменьшается до 8-10 м. На кристалликах льда адсорбируются частички и молекулы пылегазовых выбросов. Утяжеляясь, кристаллики льда опускаются в приземный слой. Дыхание в таком тумане становится невозможным.

§2. Формирование состава атмосферного воздуха в населенных пунктах

Городские атмосферные выбросы  образуют вокруг городов ореолы загрязнений, простирающиеся на расстояния до 60 км от центра города.

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере

Рассеивание в атмосфере выбрасываемых  из дымовых труб и вентиляционных устройств загрязняющих веществ  подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс их рассеивания  существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов, расположение источников, рельеф местности. Распределение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере под факелом точечного источника показано на рис. 2.

Рис. 2.

Распределение концентрации загрязняющих веществ  в приземном слое атмосферы под  факелом точечного источника:

а – зона переброса факела; в – зона задымления; с – зона постепенного снижения уровня загрязнения; d – зона загрязнения неорганизованными выбросами

Зона задымления является наиболее опасной и не должна попадать на территорию селитебной застройки. Размеры  зоны задымления в зависимости от метеоусловий находятся в пределах 10-50 высот дымовой трубы. Внутри зоны переброса факела высокие концентрации загрязняющих веществ имеют место за счет неорганизованных выбросов.

Влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере.

Широко распространено мнение, что  с увеличением размера города возрастает и концентрация различных ЗВ в его атмосфере, однако в действительности, если рассчитывать среднюю концентрацию загрязнений на всю территорию города, то в многофункциональных городах с населением более 100 тыс. человек она находится примерно на одном и том же уровне и с увеличением размеров города практически не увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов выбросов, возрастающих пропорционально росту численности населения, расширяется и площадь городской застройки, которая и выравнивает средние концентрации загрязнения атмосферы.

Существенной особенностью крупных  городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его населения, в них неуклонно возрастает пространственная дифференциация загрязнений в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентраций загрязнения в периферийных районах, она резко увеличивается в зонах крупных промышленных предприятий и, в особенности в центральных районах. В последних, несмотря на отсутствие в них крупных промышленных предприятий, как правило, всегда наблюдаются повышенные концентрации ЗВ. Это вызывается как тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранспорта, так и тем, что температура атмосферного воздуха в них на несколько градусов выше, чем в периферийных. Это приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов, расположенных на ближней периферии.

Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация.

Ветер может оказывать различное  влияние на процесс рассеивания  примесей в зависимости от типа источника и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обусловливает уменьшение концентраций примесей у земли. Эта концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном слое формируются при некоторой скорости, которую называют "опасная".