Оценка загрязнения атмосферы

·    ВВЕДЕНИЕ.

На всех стадиях  своего развития человек был тесно  связан с окружающим миром. Но с тех  пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство  человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и  сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Развитие современной  экономической  базы  городов сопровождается повышением концентрации, кооперирования, комбинирования, интенсификации производственного  процесса промышленных предприятий. Следствием стремительного роста производства, характеризующегося многоотходной технологией, является загрязненность атмосферы. Масштабы загрязненности весьма значительны: поступление техногенной тепловой энергии в атмосферу 8 Т Вт/год. Это дает среднюю для земной поверхности плотность тепловыделения, равную 0,016% всей  поглощаемой солнечной энергии. Выброс углекислого газа –20 млрд. т/год (приблизительно 0,7 % углекислого газа, содержащегося в атмосфере). Выброс двуокиси серы- 200 млн. т/год (более чем в два раза превышает естественное поступление в атмосферу серы в форме газообразных соединений). Выброс фреонов – 1 млн. т/год, выброс свинца – 0,4 млн. т/год, более чем на два порядка превышает поступление из естественного источников. За последние сто лет выбросы углекислого газа в атмосферу возросли в 20 раз.

·     ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Источники загрязнения.

Наличие предприятий, выделяющих вредные выбросы, даже при  высокой эффективности очистных установок (до 97-98 %) существенно влияет на состояние атмосферного воздуха  городов. В сельской местности загрязненность атмосферы в 10 раз, а в промышленных городах в 150 раз выше, чем над  океаном. Очаги ярко выраженного  загрязнения связаны с зонами промышленных районов крупных городов  и городских агломераций.

Основные источники  загрязнения  - энергетические установки, промышленные производства, транспорт (особенно автомобильный), коммунально-бытовой сектор, сельское хозяйство. Значимость тех или других источников загрязнения воздуха различна в разных странах и городах, она меняется от уровня научно-технического прогресса, стратегии взаимодействия техники и природы, уровня благоустройства населенных мест и многих других социально-экономических  факторов.

К числу основных промышленных источников загрязнения  относятся предприятия черной и  цветной металлургии, комплексы  химических, нефте - и сланцеперерабатывающих  предприятий по производству строительных материалов. Поскольку на современном этапе развитие процессов урбанизации  за крупным промышленным производством сохраняется определяющая роль основного градообразующего фактора, проблема загрязнения атмосферы - одна из основных  проблем охраны окружающей среды.

Загрязнение воздуха  имеет многообразные вредные  последствия. Воздействия эти могут  быть различны в зависимости  от вида загрязнителя, его концентрации в воздухе, длительности и периодичности  воздействия.

Оценка  состояния воздушного бассейна.

Оценка состояния  воздушного бассейна, прежде всего, включает определение потенциальной опасности  его загрязнения в зависимости  от природно-климатических факторов конкретной территории города или района, определяющих способность атмосферы  рассеивать и адсорбировать вредные  примеси. Это зависит от характера  турбулентного обмена и скорости ветра, наличия туманов, рельефа  местности и других факторов. Неблагоприятный  характер рассеивания вредных веществ  наблюдается, в частности, при наступлении  температурных инверсий. Инверсии представляют собой такое состояние атмосферы, при котором температура в  приземном слое воздуха растет, а  не падает, как это бывает в обычных  условиях. При этом нижняя менее  нагретая поверхность инверсионного  слоя вследствие большей плотности, играет роль экрана, от которого факел  загрязняющих веществ отражается к  земле и распространяется на большие  расстояния.

Значительное  повышение уровня загрязнения воздушного бассейна, как правило, наблюдается  при застоях воздуха (сочетание  слабых ветров  с приземными инверсиями  температуры) и штилях (низкие скорости ветра  в градации от 0 до 1 м/с). Такие метеорологические условия характерны, например, для районов горных долин, где имеет место скопление более плотного и холодного воздуха в приземном слое, часто наблюдается высокая устойчивость состояния воздушных масс. В случае расположения в долинах промышленных предприятий с вредными выбросами, создаются опасные условия загрязнения атмосферы. Положительную роль в очищении атмосферы играют интенсивное перемешивание воздушных масс, которое может складываться на фоне повышенных скоростей ветра и других факторов, а также осадки, обеспечивающие вымывание примесей из атмосферы.

Сочетание метеорологических  параметров, обуславливающих тот  или иной уровень загрязнения  воздушного бассейна (концентрации примесей в приземном слое воздуха) для  источников с фиксированными параметрами  выбросов принято характеризовать  величиной так называемого «потенциала  загрязнения воздуха» (ПЗА)     

В процессе оценки загрязнения воздушного бассейна города определяются: основные источники вредных  выбросов в воздушный бассейн (промышленные и энергетические объекты, автотранспорт) и их характеристики; районы города с уровнем загрязнения атмосферного воздуха сверх нормативного; социально-экономическая  оценка уровня загрязнения атмосферы.

Для характеристики основных источников вредных выбросов в воздушный бассейн по данным инвентаризации (формы статистической отчетности «2ТП-воздух») определяется количественный и качественный состав вредных выбросов, рассчитывается годовой  валовый выброс всех вредных веществ промышленными, энергетическими и транспортными источниками в целом по городу, дается ретроспективный анализ выбросов за 5-10 лет. Оценка загрязнения атмосферного воздуха города и его отдельных районов базируется на расчетных методах определения концентрации вредных веществ и их соединений в приземном слое атмосферного воздуха и установлении ареалов их распространения на территории, прилегающей к источникам выбросов. В России с 1987 г. введен в действие Общесоюзный нормативный документ, регламентирующий усовершенствованную методику расчета загрязнения воздушного бассейна и принцип его санитарно-гигиенической оценки.

При оценке загрязнения  атмосферы на расчетный срок учитываются  не только количество выбрасываемых  вредных веществ при существующих объемах промышленного производства, но и предполагаемый рост его мощностей и объемов, возможные варианты очистки, данные об изменении социально-экономических показателей и инфраструктуры города или района. В последние годы широко используются унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА), например программы типа «эфир», которые позволяют описать вклад в загрязнение до 1000 и более источников загрязнения. Результаты загрязнения воздушного бассейна, полученным на ЭВМ, представляют собой изолинии равных концентраций отдельных веществ или групп. Путем графического совмещения схем распределения концентраций отдельных веществ или групп на территории города составляется итоговая карта районирования городских территорий по загрязнению воздушного бассейна. Такие карты выполняются на опорной схеме города в масштабе 1:25000. На карте выделяют территории со сверхнормативным уровнем загрязнения, а также показывают места расположения основных источников вредных выбросов.

Уровни загрязнения  воздушного бассейна в ходе проведения расчетов могут быть описаны либо в натуральных показателях- концентрациях  вредных веществ (мг/м3), либо в нормированных  показателях, характеризующих кратность  превышения ПДК. Поскольку на отдельных  участках территории города концентрации вредных веществ могут в несколько  раз превышать нормативы ПДК, вводят дополнительную оценку загрязнения  по степеням опасности для здоровья населения. Используется условный индекс «Р», характеризующий степень опасности  загрязнения для одного компонента или для суммы вредных веществ  с учетом кратности превышения ПДК  и класса опасности вещества.

Приоритет в области  разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого  или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а  также санитарно-бытовых условий  жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической  Обсерватории. Чтобы по результатам  наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно  допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены  ПДК, а также во сколько раз  наибольшее значение было выше ПДК. Среднее  значение концентрации за месяц или  за год сравнивается с ПДК длительного  действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние  загрязнение воздуха несколькими  веществами, наблюдаемые в атмосфере  города, оценивается с помощью  комплексного показателя - индекса  загрязнения атмосферы (ИЗА). Для  этого нормированные на соответствующие  значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью  несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а  затем суммируют. Максимальные разовые  концентрации основных загрязняющих веществ  были наибольшими в Норильске (оксиды азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения  воздуха основными загрязняющими  веществами находится в прямой зависимости  от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение  воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается  очень высокий уровень загрязнения  воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

Результатом оценки может явиться выделение на территории города зон с «допустимым», «слабым», «умеренным» и «сильным» уровнем  загрязнением. При определении факторов, обуславливающих то или иное состояние  атмосферного воздуха, принимаются  во внимание особенности планировки и застройки города в целом и его отдельных элементов (ориентация и профили улиц, формирующие аэрационный  режим на городской территории, влияние открытых, застроенных и озелененных пространств на характер движения и турбулентный режим воздушных потоков и др.).

Аэрозольное загрязнение.

Аэрозольное загрязнение  атмосферы Аэрозоли - это твердые  или жидкие частицы, находящиеся  во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в  ряде случаев особенно опасны для  организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере  аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между  собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли  ежегодно поступает около 1 куб.км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже. 

Основными источниками  искусственных аэрозольных загрязнений  воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные  частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического  состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб.м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает.