1. Обзор литературы

1. Характеристика основных источников и видов загрязнения атмосферы и их влияния на окружающую среду, здоровье населения.

Воздух тропосферы – это физическая смесь газов, состоящая из постоянных составляющих; переменных примесей природного происхождения; загрязнений, вносимых деятельностью человека [24].

Атмосфера является средой для размещения газообразных отходов производства. В процессе жизнедеятельности человека, работы различных предприятий происходит загрязнение воздушного бассейна.

Загрязнение атмосферы – изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей [29].

Примесь в атмосфере - это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащее в ее постоянном составе.

Загрязняющее воздух вещество – это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения [29].

Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

Первичная смесь в атмосфере – примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства [29.]

Вторичная примесь в атмосфере – 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 [29].

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обусловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), являющиеся результатом деятельности человека.

К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха относят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержение вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками: [13]

● пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

● туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

● газы вулканического происхождения;

● продукты растительного, животного, бактериального происхождения.

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенными) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

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

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационарными, когда координата источника выброса не изменяется во времени, и передвижными (нестационарными), когда координата источника выброса изменяется во времени [22].

Источники выбросов в атмосферу подразделяются на: точечные, линейные и площадные. Каждый из них может быть затененный и незатененный.

Точечные источники – это загрязнения, сосредоточены в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы.

Линейные источники имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы [28].

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

Незатененные, или высокие, источники расположены в недеформированном патоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнение на высоту, превышающую 2.5 высоты расположенных по близости зданий и других препятствий.

Затененные источники расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого препятствия [28].

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

Из организованного источника загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.

Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ 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 и сыпучих материалов и другие площадные источники [28].

Загрязняющие атмосферу вещества поступают в твердом, жидком и газообразном состоянии. По происхождению их можно разделить на химические, физические, механические и биологические [24].

Из химических примесей основными являются: оксид углерода СО; соединения серы (SO₂₎; соединения азота NO_x; углеводороды C_mH_n; промышленная пыль [4, 6].

Оксид углерода (СО) – самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Попадает он в атмосферу с выхлопными газами автотранспорта (6% от общего объема), выбросами промышленных предприятий, при сжигании твердых отходов, пожарах. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,02 мг/м³. Основная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Содержание СО в воздухе крупных городов колеблется в пределах 1-250 мг/м³, при среднем значении 20 мг/м³. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концентрация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организме человека, а концентрация более 750мг/м³ – к смерти. CO – исключительно агрессивный ядовитый газ, без цвета и запаха, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Состояние организма при дыхании воздухом, содержащим угарный газ, характеризуется данными приведенными в табл. 1. [4, 7].

Таблица 1. Действие угарного газа на организм человека

Содержание карбоксигемоглобина, %	Симптомы
0,4 – 2	Ухудшение остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени
2 – 5	Нарушение психомоторных функций головного мозга
5 – 10	Изменение деятельности сердца и легких
10 – 80	Головные боли, сонливость, спазмы, нарушение дыхания, смертельные исходы

Степень воздействия CO на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека. Например, при тяжелой физической работе отравление наступает в 2 – 3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина – процесс обратимый, через 3 – 4 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза. Время пребывания CO в атмосфере составляет 2 – 4 месяца [4, 37].

Соединения серы в атмосферу воздуха выбрасываются в виде SO₂, SO₃, H₂S и CS₂. Среди них преобладает сернистый газ - SO₂, ядовитый, бесцветный с острым запахом. На его долю приходится до 95 % от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 78 % выбросов SO₂ образуется при сжигании угля, мазута – порядка 15 %, при переработке сернистых руд, при горении горнорудных отвалов [30, 31].

Вызывает у человека кашель, насморк, головокружение. При длительном воздействии может вызвать удушье, бронхит, возможные поражения печени и кровеносной системы. Воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется, прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей, под их влиянием происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи, с чем ухудшается фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает [31, 34].

При концентрации диоксида серы 20 – 30 мг/м³ раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SO₂ хвойные леса. При концентрации SO₂ в воздухе 0,23 – 0,32 мг/ м³ в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2 – 3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрации SO₂ 0,5 – 1 мг/ м³. В атмосфере сернистый газ окисляется до серного ангидрида - SO₃. Этот газ вступает во взаимодействие с парами и превращается в серную кислоту. При низкой влажности воздуха кислотная аэрозоль может длительное время находится во взвешенном состоянии, при высокой влажности оседает в виде тумана. Кроме этого сернистый газ и серный ангидрид под действием солнечной радиации взаимодействуют с углеводородами, аммиаком и могут адсорбироваться на поверхности твердых частиц, образуя сложные комплексы [36].

Сероводород (H₂S) и сероуглерод(CS₂) поступают в воздух в меньших объемах. Главными источниками выбросов являются предприятия по изготовлению искусственных материалов, нефтепромыслы, нефтеперерабатывающие и коксохимические заводы. Эти газы обладают резким раздражающим запахом и высокой токсичностью для живых организмов [42, 44].

Основной техногенный источник выбросов углеводородов (C_mH_n – пары бензина, метан, пентан, гексан) – автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50 % от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/ м³ возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле [31].

Соединения азота представлены в атмосфере оксидом (NO), диоксидом (NO₂), ангидридами (N₂O₃), закисью (N₂O₅) и аммиаком (NH₃). Источниками поступления этой группы соединений являются транспорт, предприятия по производству минеральных удобрений, красителей, искусственных волокон, красок и лаков, сельскохозяйственные производства. Особенностью этой группы загрязнителей является то, что под действием энергии солнечного луча они распадаются с образованием озона, перекисей и азотной кислоты. Кроме этого, соединения азота, серы, продукты их распада совместно с органическими примесями и твердыми частицами при участии ультрафиолетовых лучей образуются ядовитые комплексы, обладающие канцерогенностью и вызывающие мутации у живых организмов. Эти сложные химические комплексы называют фотооксидантами. Сюда относят органические нитраты и нитриты, перооксиацетилнитраты (ПАНы), пероксибензоилнитраты (ПБН), пероксипропионилнитраты (ППН), альдегиды, фенолы, эпоксиды. В условиях безветрия, при высокой температуре воздуха эти соединения образуют фотохимическую дымку или туман различной окраски. Кроме этого, в атмосферу в больших объемах поступают и такие газы, как стирол, ацетон, изопрен, метан, дивинил и др. Их выбросы носят локальный характер [17].

Оксиды азота (NO_x) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NO_x обычно подразумевают сумму NO и NO₂. Основные источники выбросов NO_x: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи [17].

NO₂ – газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NO_x с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NO₂ в атмосфере – около 3 суток [16].

К химическому загрязнению относится и промышленная пыль. Основными источниками ее поступления являются тепловые электростанции, работающие на угле, обогатительные фабрики, металлургические и нефтеперерабатывающие заводы, металлообрабатывающие и машиностроительные предприятия, бытовые свалки, транспортные средства, производство строительных материалов Пыль этих источников имеет сложный химический состав. В ней обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший углерод, сажа, смола), оксиды металлов (таких, как Fe, Mg, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, As, Cd, Cr), пестициды, цемент, асбест. Еще больше разнообразия имеет органическая пыль, представленная алифатическими и ароматическими углеводородами [39, 21].

Частицы, взвешенные в воздухе, различны по происхождению и химическому составу. Пыль образуется в результате работы промышленности, сжигания топлива, работы транспорта, выбросов твердых отходов. Из-за неполного сгорания топлива образуется сажа – нетоксичный порошок, на 90 – 95% состоящий из углерода. Сажа – хороший адсорбент тяжелых углеводородов, в том числе бензоперена, способного вызывать рак. Кроме сажи в воздух выбрасываются частички золы и окислов металлов, которые при взаимодействии с кислотой в атмосфере образуют сульфаты металлов, способны к проникновению в дыхательные пути [39].

Размер пылинок колеблется от сотых долей до нескольких десятков мкм. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе – 7 – 8 мкм. Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, поглощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Основная масса пыли вымывается из атмосферы осадками [20].

Частицы вызывают следующие эффекты: приводят к загрязнению поверхностей, требующему дополнительных затрат на очистку; становятся центром коррозии; влияют на погоду являясь ядрами конденсации пара; отражают солнечную энергию; вызывают респираторные инфекции, в экстремальных ситуациях – смерть; вызывают рак в случаях, когда сажа сорбирует бензоперен. Это сочетание загрязнений обнаруживается во многих промышленных городах Беларуси [20].

Выбросы, содержащие примеси в виде частиц пыли, дыма, тумана или пара, называются аэрозолями. Общее число разновидностей загрязняющих атмосферу аэрозолей составляет несколько сотен [40].

Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в результате следующих процессов:

механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование, резание);

● тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);

● транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, перемешивание);

● износ и разрушение веществ (тормозные колодки автомобиля, абразивный круг заточного станка) [40].

Пыль, содержащаяся в атмосфере, классифицируется по времени и форме ее образования:

● первичное пыление – пыль, образующаяся в результате, какого – либо естественного или антропогенного процесса и выбрасываемая в атмосферу;

● вторичное пыление – пыль, образуемая в атмосфере из находящихся в ней жидких и газообразных веществ в результате химических или физических преобразований;

● поверхностное пыление – переход пыли, сформировавшейся на поверхности земли, в атмосферу [40].

К механическим загрязнителям атмосферы относятся механические частички почвы, кварца, гипса, шпата, которые попадают при проведении сельскохозяйственных работ в результате ветровой эрозии. В воздухе возле льнозаводов обнаруживаются частички костры; возле мукомольных заводов – частички муки. Эти загрязнения носят локальный характер. Их присутствие в приземном слое может вызвать аллергические эффекты, бронхиты, астмы [18].

Биологическое загрязнение атмосферы связано с увеличением численности патогенных организмов, пыльцы растений, спор грибов. Источниками поступления являются мясокомбинаты, бойни, кожевенные заводы, маслозаводы, элеваторы. Так, в зерновой пыли содержатся споры различных грибков, в том числе лучистого грибка – возбудителя актиномикоза [18].

Физическое загрязнение. Линии электропередач, радио и телепередающие устройства, теплоцентры в условиях современного города являются источниками физического загрязнения атмосферы. В настоящее время уровень электромагнитных полей на отдельных территориях превышает уровень естественного поля в сотни раз [18].

Шум – одна из форм физического загрязнения окружающей среды, к которой живые организмы трудно приспосабливаются. В связи с этим электромагнитное и шумовое воздействия в настоящее время рассматриваются как серьезные загрязнители биосферы, которые требуют измерения, регуляции и ограничения [19].

В зависимости от агрегатного состояния загрязняющие вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии [24].

Твердые загрязняющие вещества образуются при объемном пиролизе (термическом разложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислорода). Твердые частицы включают нерастворимые (сажа, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, соединения свинца) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, альдегиды, лак) вещества [10].

Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении или разливе жидкостей, в результате химических и фотохимических реакций. Конденсация паров происходит в результате охлаждения их окружающим атмосферным воздухом. В зависимости от точки плавления сконденсированные пары при низких температурах могут переходить в твердые частицы [18].

Газообразные загрязняющие вещества образуются в результате химических реакций окисления, восстановления, замещения, разложения, а также в процессе электролиза, выпаривания, дистилляции [18].

Наибольшую часть газообразных выбросов составляют продукты окисления, образовавшиеся в процессе горения. При окислении углерода образуется CO и CO₂, при окислении серы – SO₂, азота - NO и NO₂.

При неполном сгорании в результате неполного окисления образуются альдегиды и органические кислоты [28, 16].

Разделяют также источники образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ по отраслям промышленности.

Тепловые электростанции. Ожидаемое в ближайшее десятилетие истощение запасов природных ресурсов предусматривает расширение доли использования твердого топлива, в особенности углей и сланцев низкого качества. Эти виды топлива имеют пониженную теплотворную способность, повышенные зольность и содержание серы. Отсюда следует, что в энергетике намечается тенденция увеличения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. При сжигании углей средняя запыленность дымовых газов составляет 10 – 50 г/м³ [18].

Химический состав пыли (золы) зависит от месторождения угля, толщины пласта, содержания в угле пустой породы. Пыль состоит из SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂O и содержат микропримеси соединений ванадия, ртути, мышьяка, радиоактивные и канцерогенные вещества. Дисперсный состав пыли зависит от способа помола и марки угля. Размер частиц колеблется от 5 до 60 мкм [18].

В состав дымовых газов входит SO₂, образующийся в результате окисления серы, которая содержится в угле в пределах от 0,3 до 8 %. Концентрация SO₂ в дымовых газах зависит от содержания серы в угле, коэффициента избытка воздуха в топке котла, технологии сжигания и определяется по материальному балансу [18].

Оксида азота NO_x образуются при высоких температурах в топке котла в результате взаимодействия азота и кислорода, содержащихся в воздухе. Концентрация NO_x в дымовых газах зависит от максимальной температуры в топке [18].

Дымовые газы содержат CO, который образуется в результате неполного сгорания топлива [11].

При сжигании мазута запыленность дымовых газов составляет 20 – 50 мг/ м³. Также как при сжигании угля, происходит образование и выброс NO_x и CO.

При сжигании природного газа выбросов золы не происходит, выбросы соединений серы незначительны [11].

Вредные примеси продуктов сгорания по происхождению классифицируют на 3 группы:

● примеси, образование которых зависит от состава топлива: SO₂, зола, V₂O₅;

● примеси, образование которых зависит от технологии сжигания: NO_x, CO, бензоперена;

● другие источники, не связанные со сжиганием: пыли золоотвалов, испарение углеводородов при хранении и перевозке жидкого топлива [11].

Добыча минерального сырья осуществляется в шахтах или открытых разработках. Источниками загрязнения атмосферы являются терриконы, отвалы, открытые разрезы, участки погрузки, разгрузки и транспортировки сыпучих материалов. Выбросов в атмосферу происходит в результате поверхностного пыления. Тлеющие угольные отвалы и терриконы выделяют в атмосферу газы, содержащие CO, CO₂, SO₂, H₂S, NO_х. При проведении взрывных работ образуется пылегазовое облако, содержащее пыль измельченной породы, CO,NO_x [19].

Черная металлургия. Предприятия черной металлургии оказывают крайне негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха. Основными источниками образования и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ являются следующие технологические процессы: подготовка сырья, производство, производство кокса, доменное производство, производство стали, производство проката. В доменном производстве имеют место выбросы в атмосферу продуктов сгорания из доменной печи в процессах выпуска чугуна, охлаждения шлака [19].

Цветная металлургия. Существенный вклад в загрязнение воздушного бассейна предприятиями цветной металлургии вносят заводы по производству алюминия. Удельный выброс загрязняющих атмосферу веществ: соединение фтора – до 20 кг/т; сернистые соединения – до 10 – 12 кг/т; смолистые вещества – до 11 кг/т; пыли – 30 – 85 кг/т. [18].

Машиностроение. На машиностроительных предприятиях основными источниками загрязнения атмосферы являются следующие виды производства: сварка и тепловая резка металла; литейное производство; механическая обработка металлов; нанесение лакокрасочных покрытий [18].

Строительная промышленность. Производство кирпича включает: добычу, дробление, просеивание сырьевых компонентов, формование кирпича, резку, сушку и обжиг.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу составляют:

- частицы мелкодисперсной сухой глины и ее примесей при погрузочно-разгрузочных работах, транспортировке, дозировке, хранении;

- выбросы из печей от сгорания топлива, озоления и испарения примесей, находящихся в глине, зависящие от вида топлива, примесей, рабочих температур в печи.

Они содержат аэрозоли, CO,NO_x, SO₂, фториды. Средний удельный объем выбросов – 30 – 40 кг/т кирпича [18].

Переработка нефти и хранение нефтепродуктов. Основные процессы, являются источниками загрязнения атмосферы:

● каталитический крекинг;

● каталитический гидрокрекинг;

● обогрев аппаратов;

● сжигание в факеле;

● складирование и хранение

Склады нефтепродуктов являются одним из наиболее распространенных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Они сосредоточены на автозаправочных станциях, в автотранспортных предприятиях, гаражах, постах технического обслуживания автомобилей [14].

Химическая промышленность, производство минеральных удобрений. На химических предприятиях производится более 70 000 видов готовой продукции. Вместе с побочными продуктами производстве используется 500 – 600 тыс. химических соединений. Часто в качестве сырья для получения химических продуктов используются отходы других производств. Основные выбросы химических предприятий: аэрозоли, оксиды серы, оксиды азота, углеводороды, оксид углерода [19].

Большинство выбросов аэрозолей в химической промышленности образуются в процессах дробления, размола, разложения, погрузки, упаковки и транспортировки готовой продукции. Производство серной кислоты – основной источник выбросов оксидов серы; производство аммиака – оксидов азота; пластмасс – углеводородов; газовой сажи – оксида углерода. Главным загрязняющим атмосферу веществом при производстве удобрений являются аэрозоли, содержащие соединения азота, фосфора и фтора. Выбросы при производстве мочевины содержат твердые частицы – до 150 кг/т, аммиак – до 14 кг/т, формальдегид – до 10 кг/т. [19].

Деревообработка. При деревообработке в воздух выделяются: при механической обработке древесины – опилки, стружка, шлифовальная пыль; при горячем прессовании, склеивании и сушке шпона – пары формальдегида, фенола, аммиака; при отделке изделий – пары ароматических углеводородов [19].

Складирование и сжигание бытовых отходов. Источниками загрязнения воздушного бассейна служат: мусорные свалки и мусоросжигательные заводы, где мусор сжигается в специальных котельных установках с утилизацией тепла. С продуктами сгорания в атмосферу попадают пыль в количестве 150 – 250 мг/м₃, SO₂ – 50 – 200 мг/м₃, HCI – 200 – 1000 мг/м₃, CO – до 0,3 %, альдегиды и органические кислоты – 0,3 – 1,5 %, канцерогенные вещества – 6,5 – 7 мг/т мусора, присутствуют следы HF и диоксинов [32].

Пищевая промышленность. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на предприятиях пищевой промышленности существенно меньше, чем в других видах производств. Выбросы обусловлены обработкой сухих сыпучих продуктов и их термической обработкой [18].

Автомобильный транспорт. В автомобиле существует три вида выбросов загрязняющих веществ: отработанные газы двигателей, картерные газы, топливные испарения. Наиболее объемными из них являются отработанные газы. Основными токсичными компонентами отработанных газов являются оксид углерода, оксиды азота, несгоревшие углеводороды, диоксид серы, сажа, соединения свинца, полициклические ароматические углеводороды, бензоперен. Токсичность выбросов двигателей внутреннего сгорания обусловлена адсорбированными на поверхности частиц углерода полициклическими ароматическими углеводородами, из которых многие являются канцерогенами. При использовании этилированных сортов бензина в атмосферу попадают тетраэтилсвинец и другие его соединения, являющиеся сильно действующими токсичными веществами [3, 18].