Атмосфера и промышленность

Главные источники загрязнения атмосферы. Привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее в рассматриваемое время физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в индустриальных странах служат автомобили и другие виды транспорта и промышленные предприятия.

Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5-2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20% солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его.

Выбросы автотранспорта. Количество автомашин в мире ежегодно растет и к концу 2011 года достигло общей численности 1 миллиард. При этом ежегодный прирост производства всех видов автомобилей составляет около 65 миллионов и из них около 55 миллионов легковые автомобили. Сжигая огромное количество нефтепродуктов, они наносят ощутимый вред окружающей среде и здоровью населения. Один легковой автомобиль в среднем поглощает ежегодно 4 т кислорода и выбрасывает с выхлопными газами примерно 800 кг оксида углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Автомобильные выхлопные газы — смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды — несгоревшие или неполностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости при старте, т. е. во время заторов и у красного сигнала светофора. Именно в это время выделяется больше всего несгоревших частиц: примерно в 10 раз больше, чем при работе двигателя в нормальном режиме. В выхлопных газах двигателя, работающего на нормальном бензине и при нормальном режиме, содержится в среднем 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу — до 6,9%.

Оксид углерода и большинство других газовых выделений двигателей тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у земли. Ребенок, сидящий в коляске на тротуаре улицы с большим движением транспорта, вдыхает гораздо больше токсических веществ, чем мать, которая с ним гуляет. Оксид углерода соединяется с гемоглобином крови и мешает ему нести кислород в ткани организма.

В выхлопных газах содержатся также альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим действием. К ним относятся акролены и формальдегид; последний обладает особенно сильным действием. Оксид азота, содержащийся в автомобильных выбросах, играет большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе.

В выхлопных газах присутствуют неразложившиеся углеводороды топлива. Среди них особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности, гексан и пентен. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Особенно много сажи и смол образуется при технической неисправности мотора и в моменты форсирования двигателя. Стремясь получить так называемую “богатую смесь”, уменьшают соотношение воздуха и горючего. В этих случаях за машиной тянется хвост дыма, который содержит полициклические углеводороды и, в частности, бенз (а) пирен.

Промышленные загрязнения. Черная металлургия. Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь также сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Выброс пыли в расчете на 1 т передельного чугуна составляет 4,5 кг, сернистого газа — 2,7 и марганца — 0,5-0,1 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества.

Значительным источником загрязнения воздуха сернистым газом служат агломерационные фабрики. Во время агломерации руды выгорает из пиритов сера. Сульфидные руды содержат до 10% серы, а после агломерации ее остается лишь 0,2-0,8%. Таким образом выброс сернистого газа при агломерации примерно равен 190 кг на 1 т руды, т. е. одна ленточная машина дает около 700 т/сут сернистого газа.

Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы мартеновских и конверторных сталеплавильных цехов. При ведении мартеновского процесса пыль образуется из металлической шихты (стальной лом) при ее окислении, из шлака, руды, известняка и окалины, идущих на окисление примесей шихты, и из доломита, применяющегося для заправки пода печи. При кипении стали выделяются также пары оксидов шлака и металла, газ. Размеры частиц пыли не превышают 3 мкм. Преобладающая часть пыли мартеновских печей состоит из оксида железа - 67% и оксида алюминия — 8,7%. При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали выделяется 3000-4000м³ газов с концентрацией пыли в среднем 0,5 г/м³. В период подачи кислорода в зону расплавленного металла пылеобразование многократно увеличивается, достигая 15-52 г/м³. Плавление стали сопровождается выгоранием некоторых количеств углерода и серы, в связи с чем в отходящих газах мартеновских печей при кислородном дутье содержится до 60 кг оксида углерода и до 3 кг сернистого газа в расчете на 1 т готовой стали.

Главная особенность конверторного процесса - получение стали из жидкого чугуна без применения топлива. Сталь варят в конверторах емкостью 50, 100, 250 т и более путем продувания жидкого чугуна кислородом. Это обеспечивает выгорание нежелательных примесей (марганца, фосфора, углерода и др.), содержащихся в передельном чугуне. Получение конверторной стали носит циклический характер и при кислородном дутье длится 125-30 мин. Образующиеся дымовые газы состоят из частиц оксидов кремния, марганца и фосфора. В дыме содержится значительное количество оксида углерода — до 80%. Концентрация пыли в отходящих газах примерно 15 г/м³. Основная масса пыли (90%) состоит из частиц размером 0,2-1 мкм.

Современные заводы черной металлургии в большинстве случаев имеют цехи коксования углей и отделения по переработке коксового газа. Коксохимические производства загрязняют атмосферный воздух пылью и смесью летучих соединений. Процесс коксования заключается в термической, без доступа воздуха, обработке каменноугольной шихты при температуре 900-1100°С. При коксовании 1 т угля образуется 300-320 м³ коксового газа. В его состав входят: водород — 50-62% (объемных), метан — 20-34, оксид углерода — 4,5-4,7, диоксид — 1,8-4, азот — 5-10, углеводороды — 2-2,6 и кислород — 0,2-0,5%. Основная масса коксового газа улавливается и направляется на химическую переработку и утилизацию, около 6% газа поступает в атмосферу вследствие потерь во время загрузки и выгрузки печей и негерметичности аппаратуры. В некоторых случаях (при нарушении режима работы батарей коксования или вспомогательных отделений утилизации и др.) в атмосферу выбрасываются значительные количества неочищенного коксового газа.

Загрязнение воздуха пылью при коксовании углей сопряжено с подготовкой шихты и загрузкой ее в коксовые печи, с выгрузкой кокса в тушильные вагоны и мокрым тушением кокса. Мокрое тушение сопровождается также выбросом в атмосферу веществ, входящих в состав используемой воды.

Цветная металлургия. Она также служит источником загрязнения атмосферы пылью и газами. Выбросы цветной металлургии содержат токсические (поэтому особо опасные) пылевидные вещества, мышьяк, свинец и др.

При получении металлического алюминия электролизом с отходящими газами от электролизных ванн в атмосферный воздух выделяется значительное количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. При получении 1 т алюминия в зависимости от типа и мощности электролизера расходуется от 33 до 47 кг фтора, при этом около 65% его попадает в атмосферу.

Угольная промышленность. Источником загрязнения являются отвалы пустой породы или так называемые терриконники. Внутри терриконников вследствие самовозгорания длительное время идет горение угля и пирита, сопровождающееся выделением сернистого газа, оксида углерода (II), продуктов возгонки смолистых веществ.

Нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность. Воздушные выбросы этой промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурнопахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперабатывающих заводах происходит главным образом вследствие недостаточной герметизации оборудования.

Заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон, изопрен и др.

Промышленность строительных материалов. Производства цемента и строительных материалов также могут быть источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.

Химическая промышленность. К этой отрасли относится большая группа предприятий. Состав их промышленных выбросов весьма разнообразен, большинство химических соединений являются весьма токсичными для организма человека. К основным выбросам предприятий химической промышленности относятся оксид углерода, оксид азота, сернистый ангидрид, аммиак, пыль от неорганических производств, органические вещества, сероводород и сероуглерод, хлористые, фтористые соединения и др.

Источники загрязнения воздуха в сельских районах. В сельских районах основными загрязнителями воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, энергетические и теплосиловые предприятия, пестициды, применяемы в сельском хозяйстве. В районе расположения помещений для содержания скота и птиц в атмосферу могут поступать и распространяться на значительные расстояния аммиак, сероводород и другиедурнопахнущие газы.

К источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся склады, в которых происходит протравливание семян пестицидами, и поля, на которые в том или ином виде вносятся пестициды и минеральные удобрения, а также хлопкоочистительные заводы. При протравливании хлопковых семян гранозаном и меркузаном загрязнение воздуха прослеживается на значительное расстояние.

Применение пестицидов не должно сопровождаться поступлением их в атмосферу населенных пунктов в концентрациях, превышающих предельно допустимые. Запрещается авиахимическая обработка участков, расположенных ближе 1 км от населенных пунктов. Такие участки могут обрабатываться только при помощи наземной аппаратуры (за исключением аэрозольных генераторов) с использованием средне- и малотоксичных препаратов.

Если в воздухе населенного пункта количество пестицидов превышает среднесуточную предельно допустимую концентрацию, дальнейшее применение данного препарата вблизи населенного пункта в радиусе 1 км запрещается до тех пор, пока концентрация его в воздухе не станет вдвое ниже предельно допустимой. Если высокий уровень загрязнения пестицидами атмосферного воздуха населенного пункта обусловлен большой интенсивностью работы сельскохозяйственной авиации, следует временно перейти на использование наземной аппаратуры (кроме аэрозольных генераторов).

Не допускается обработка парков и зеленых насаждении в населенных пунктах и в радиусе 1 км вокруг них стойкими и высокотоксичными пестицидами, а также обладающими неприятным запахом (арсенат кальция, октаметил, метафос, хлорсмесь, пентахлорфенолят натрия, фосфамид и т. п.).

Влияние атмосферных загрязнений на окружающую среду и население. Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору и фауну, на различного рода сооружения, транспортные средства и др. На территорию Северной Швеции и Норвегии серы выпадает в 2-2,5 раза больше, чем выбрасывается в воздушный бассейн с этих территорий. В то же время во многих промышленных странах Западной Европы, в частности, в Великобритании и Голландии, отношение выпадений серы к выбросам составляет лишь 10-20%, а в ФРГ, Франции и Дании — 20-45%. Следовательно, остальная часть выбросов переносится воздушными потоками. Опасность выбросов сернистых соединений заключается, прежде всего, в их массовости, токсичности и сравнительно большом общем “сроке жизни”.

“Продолжительность жизни” сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика: от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси. Но он растворяется в каплях атмосферной влаги. В результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Следовательно, агрессивность выбросов возрастает. В конечном счете, переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос, в основном, происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости перемещения воздушных масс близки к 10 м/с. Поэтому дальность переноса сернистого газа 300-400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Еe обнаруживают и на расстоянии 1000-1500 км, где, в основном, завершается ее переход в сульфаты. Описанный процесс — упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернитого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами.

Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется, прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей. Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижаются качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких дозах и продолжительном воздействии растительность погибает.

Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.

В литературе имеются данные о связи конкретных уровней загрязнения атмосферы с легочной патологией. Так, в исследовании, выполненном в Чикаго, указывается на обострение хронического бронхита при разных уровнях загрязнения воздуха сернистым газом. Ниже приведена зависимость обострения хронического бронхита от уровня загрязнения воздуха сернистым газом (Carnaw and oth.):

Многие исследователи подчеркивают связь детской заболеваемости (в первую очередь, органов дыхания) со степенью загрязнения атмосферного воздуха сернистым газом. В Англии была проанализирована заболеваемость большой группы детей (3866 человек) с момента их рождения до 15 лет. Оказалось, что значительные подъемы в частоте респираторных заболеваний, как правило, наблюдались в те дни, когда уровни среднегодовых концентраций сернистого газа и дыма превышали 0,13 мг/м³.

Концентрация сернистого Процент обострении хронического газа мг/м3 бронхита (в человеко-днях)
0.13	13.0
0.26	17.1
0.39	18.7
0.52	18.2
0.66	18.6
0.78	22.1
0.78 и выше	26,5

Аналогичные данные относительно частоты обострении бронхиальной астмы приводит Zaidberd and oth. Согласно его исследованиям при загрязнении воздуха сернистым газом в концентрации до 0,049 мг/м³ показатель заболеваемости (в человеко-днях) взрослого населения Нашвилла (США) составлял 8,1%, при уровне загрязнения 0,150- 0,349 мг/м³ он был равен 12,0%, в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м³ он возрастал до 43,8%.

Японские исследователи также показали, что бронхиальной астмой наиболее часто заболевают в районах со значительным загрязнением атмосферного воздуха сернистым газом, причем? частота случаев астмы возрастает прямо пропорционально росту концентраций сернистого газа.

Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе не только угрозу здоровью людей, но и наносит большой экономический ущерб. Так, ядовитые вещества воздуха отравляют домашний скот во Флориде, обесцвечивают краску на стенах домов и корпусах автомашин в Линкольне (штат Мэн), под их влиянием гибнут сосны, растущие в 60 милях от Лос-Анджелеса, а также фруктовые сады в Техасе и Иллинойсе, шпинат на юге Калифорнии. За загрязнение воздуха американцы ежегодно расплачиваются миллиардами долларов.

Согласно оценкам Агентства по охране окружающей среды экономические потери от смертности и заболеваний в связи с загрязнением воздушной среды в США составляют ежегодно 6 млрд. долларов. Эта цифра включает и ущерб от утраты трудоспособности, а также расходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодно экономике страны в результате коррозии и разрушения материалов, гибели растений и сокращения урожайности сельскохозяйственных культур, оценивается в 4,9 млрд. долларов.

Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы в США составлял, по расчетам Агентства по охране окружающей среды, 16 млрд. долларов в год в 1990 годы.

 

 

11.4 Научные основы гигиенического нормирования атмосферных загрязнений

 

Крупнейшее достижение гигиенической науки и одно из важных завоеваний профилактического здравоохранения — гигиеническое нормирование. Оно стало органической частью научно-технического прогресса и из узкоспециальной проблемы переросло в проблему широкого социально-гигиенического значения.

В 1949 г. проф. В. А. Рязанов сформулировал основные критерии вредности атмосферных загрязнений:

1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.

2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации.

3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения.

Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений основывается на представлении о наличии порогов в действии загрязнений. При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду.

Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух, установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК. Максимально разовая ПДК. устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнений (до 20 мин), а среднесуточная - с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксического, канцерогенного, мутагенного и др.) влияния.

Максимальная разовая ПДК атмосферных загрязнений устанавливается в процессе наблюдений над людьми, которые кратковременно (5-20 мин) вдыхают воздух с малыми концентрациями изучаемого вещества. Максимальная концентрация, используемая в наблюдениях, не должна превышать ПДК, установленную для воздуха производственных помещений. Это служит гарантией безопасности для человека таких исследований.

Вначале определяют пороговую концентрацию по запаху. Затем устанавливают пороговые и подпороговые концентрщии по раздржающему действию на рецептивные зоны органов дыхания. Для выявления рефлекторных реакций применяют метод изменения темповой адаптации глаза, хронорефлексометрию и др. В 1960 г. К. А. Буштуева и другие использовали метод электроэнцефалографии.

Чтобы установить среднесуточные ПДК атмосферных загрязнений, проводят токсикологический эксперимент с целью изучения резорбтивного действия конкретного вредного вещества. В эксперименте моделируются условия контакта человека с изучаемым веществом. Опыты проводятся на белых крысах, морских свинках и других лабораторных животных. В специальных камерах животные подвергаются круглосуточному ингаляционному воздействию конкретного химического вещества в течение 3-4 месяцев. Для изучения состояния органов и систем организма используются разнообразные физиологические, биохимические, гистохимические, морфологические и другие показатели.

Большое значение придается изменениям высшей нервной деятельности животных под влиянием вдыхания токсических веществ. Для суждения о функциональном состоянии коры больших полушарий используются методы изучения условнорефлекторной деятельности, соотношения хроноксий мышц-антагонистов, скрытого времени рефлекса. В некоторых экспериментах проводится изучение активности холинэстеразы и других ферментов, соотношения белковых фракций в крови, содержания витаминов С, В₁, В₂ в органах и тканях, а также многих других высокочувствительных показателей. В последние годы получают широкое распространение методы изучения эмбриотоксического, гонадотоксического, аллергенного, бластмогенного действия атмосферных загрязнений. Накопленный материал свидетельствует о том, что при длительном действии малых концентраций атмосферных загрязнений в организме животных, прежде всего, развиваются неспецифические изменения со стороны центральной нервной системы, системы крови, ферментных систем и др.

В современных условиях атмосферный воздух населенных мест одновременно загрязняется многими веществами. В связи с этим, возникает необходимость изучения комбинированного действия атмосферных загрязнений. Если смесь вызывает эффект, равный пороговому при изолированном действии, и ее концентрация, выраженная в долях от индивидуальных порогов, равна единице, то характер комбинированного действия оценивается как проявление аддитивности (суммирования). Обнаружение порогового эффекта при концентрации смеси меньше единицы свидетельствует о потенцировании эффекта при комбинированном действии, а при суммарной концентрации, превышающей единицу, - о проявлении антагонизма.

Гигиенические нормативы, положенные в основу предупредительного санитарного надзора за охраной атмосферного воздуха, дают возможность надежно прогнозировать вероятность загрязнения воздуха в населенных пунктах в районах расположения промышленных объектов. Гигиенические нормативы установлены для более 2000 веществ и 33 комбинаций атмосферных загрязнений.

11.5 Мероприятия по снижению выбросов автотранспорта

 

Градостроительные мероприятия. Для защиты атмосферного воздуха от загрязнения выбросами автотранспорта большое значение имеют градостроительные мероприятия, направленные на снижение концентраций выхлопных газов в зоне пребывания человека. Они включают специальные приемы застройки и озеленение автомагистралей, размещение жилой застройки по принципу зонирования: в первом эшелоне застройки — от магистрали — размещаются здания пониженной этажности, затем дома повышенной этажности и в глубине застройки — детские и лечебно-оздоровительные учреждения. Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарниковыми посадками — три-четыре ряда и более. Важное значение имеет сооружение транспортных развязок на разных уровнях, магистралей-дублеров, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения автостоянок и гаражей.

Так как наибольший выброс продуктов неполного сгорания бензина происходит при задержках машин у светофоров, при стоянке с невыключенным мотором в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора, то необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. Для этого нужны. специальные автомобильные магистрали, не пересекающиеся с другими магистралями на одном уровне и движением машин или пешеходов. Необходимы переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки больших перекрывающихся потоков транспорта.

В Москве, например, в районе площади Маяковского после строительства подземного тоннеля для автомобилей содержание оксида углерода в воздухе снизилось в 6-10 раз. В будущем исторически сложившиеся радиальные магистрали города и Садовое кольцо будут превращены в магистрали непрерывного движения. Планируется строительство новых скоростных кольцевых магистралей с необходимыми транспортными развязками.

Организация движения городского транспорта. Любые вопросы организации движения надо рассматривать с точки зрения не только обеспечения безопасности, но и уменьшения токсичности выхлопных газов. Так, предельная скорость движения в городе установлена 60 км/ч. Именно на эту скорость у легковых автомобилей приходится минимум вредных выбросов. При резком увеличении или уменьшении скорости движения выброс возрастает более чем вдвое.

Электрический транспорт. Оздоровлению атмосферы способствует расширение перевозок пассажиров с помощью электрического транспорта (как наземного, так и подземного). Электрический транспорт избавляет население от лишнего шума и выхлопных газов. На периферии города целесообразно использование скоростных трамваев с обособленным полотном, пересекающимся с городскими магистралями на разных уровнях. Это позволит увеличить скорость трамвая до 32 км/ч (вместо 16-20 км/ч - обычной скорости наземного городского транспорта). Трамвай — вполне современный, удобный и экономичный транспорт. Сооружение 1 км пути скоростного трамвая обходится в 8-12 раз дешевле 1 км линии метро.