Читать книгу Дышите мной и наслаждайтесь. Информационно-познавательное пособие - В. И. Романов - Страница 3

Человек загрязняет атмосферу тысячелетиями, и проблема загрязнённого – испорченного воздуха существует столько же времени, сколько существует сам человек. На первых этапах развития человечества это был дымный воздух костров, на которых готовилась пища и согревались соплеменники. Затем при переходе к земледелию массово сжигали леса и топили печи древесиной, выбрасывали отходы жизнедеятельности на дворы и улицы, держали скотину в жилищах и буквально утопали в нечистотах. Впоследствии, когда перешли на отопление жилищ углём, отравленным пылью и вредоносными газами воздухом дышали многие поколения наиболее цивилизованных стран и народов Европы.

Приземный слой воздуха с высоты нескольких десятков километров смотрится как узкая размытая газовая пелена над планетой.

Грязный и вонючий, насыщенный миазмами в виде вредных испарений, дыма, пыли и болезнетворных бактерий, воздух сопровождал человека на всех этапах его «победоносного» покорения природы. Так было вплоть до начала девятнадцатого века, однако эти локальные загрязнения атмосферного воздуха не сопровождались ещё серьёзными последствиями. У человека, как биологического объекта, вырабатывалась переносимость к относительно слабым негативным воздействиям загрязнённого воздуха. Ситуация радикально изменилась в двадцатом и начале двадцать первого века, когда появились чуждые природе вещества и продукты (ксенобиотики), а выбросы загрязняющих веществ приняли массовый истребительный характер.

Промышленная революция и урбанизация привели к значительному усилению загрязнения воздуха. Развивалась химическая промышленность, в связи с чем стали выбрасываться в атмосферу неизвестные ранее вещества. За последние сто лет засорение окружающей среды усилилось токсичными выбросами. За это время в атмосферу Земли попало, по подсчетам учёных, более миллиона тонн кремния, полтора миллиона тонн мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Ещё больше было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы.

Только в США за год выбрасывается в воздух более 200 миллиардов тонн различных загрязнителей. Причём большинство выбрасываемых и вредных веществ могли бы быть использованы как ценное промышленное сырьё. Например, из оксида серы (IV), выделившегося вместе с дымами тепловых электростанций, можно было бы получать более половины производимой сейчас серной кислоты. Огорчительнее же всего то, что запасы выбрасываемых элементов не бесконечны и рассеивание их по поверхности планеты наносит экономический ущерб не только для ныне живущих, но и будущих поколений; ведь рассеянные элементы навсегда потеряны для промышленности, так как выбыли из естественного кругооборота элементов.

За последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры и новые производства замечательных товаров и изделий, рост которых остановить невозможно, да и никто не пытается.

Всё это результат великих изобретений и завоеваний человека, имеющих, однако, свою оборотную негативную сторону. Рассмотрим эту проблему применительно к источникам загрязнения атмосферного воздуха – кто и чем портит воздух, которым мы дышим, то есть воздух в относительно тонком приземном слое атмосферы.

Основные источники поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух условно можно подразделить на природные и искусственные. Они приводят к выделению в воздух как газообразных веществ, так и твёрдых частиц (пыль, зола и др.). Естественные источники – это вулканы, пыльные бури, выветривание, лесные пожары, процессы разложения растений и животных. Эти источники загрязнений атмосферы всегда существовали, и человечество к ним адаптировалось и приспособилось. Антропогенные или искусственные источники постоянно растут и изменяются по составу. Рассмотрим их подробнее по литературным данным [4–9].

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства удобрений и промышленного сырья.

Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные продукты.

Все промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный промышленный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды или трубы, что позволяет применять для очистки от загрязняющих веществ соответствующие установки. Неорганизованный промышленный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушений герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта, а также при авариях.

Неорганизованные выбросы характерны для очистных сооружений, хвостохранилищ, золоотвалов, участков погрузочно-разгрузочных работ, сливно-наливных эстакад, резервуаров и других объектов.

Основными вредными примесями пирогенного (связанного с горением) происхождения являются следующие [4]:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твёрдых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. тонн в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса.

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а также теплоэлектростанции ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями они подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шёлк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет около 20 млн. т в год.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений – фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжёлых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. изготовляемого чугуна выделяется 2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, большое количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

З) Озон. Возникает при химических реакциях в промышленных и транспортных выбросах преимущественно во время тёплой солнечной погоды.

Опасность токсичных соединений серы, хлора, фтора и азота широко обсуждалась в научной, научно-популярной [4] литературе и в публицистике, об озоне в приземном воздухе пишут значительно меньше. К традиционным, существовавшим в нашей стране много лет экологическим проблемам прибавилась еще одна – проблема тропосферного (приземного) озона [1]. Этот вопрос, по нашему мнению настолько важен и актуален, что его обсуждению посвящён отдельный раздел нашей книги (раздел 1.4.).

Об опасностях озона и его очистительных свойствах в наших жилищах при использовании воздухоочистителей можно прочитать в разделе книги, посвящённом воздуху кондиционируемых помещений (раздел 2.5.).

Отмечается [4], что воздух является важнейшим компонентом окружающей среды и его загрязнение не ограничивается ощущаемыми органами обоняния и зрения относительно крупными частицами пыли и сажи, а также дурно пахнущими веществами типа сероводорода или метилмеркаптана. Значительно вреднее – не ощущаемые нами органические газообразные соединения и аэрозоли, попадающие в атмосферу с выбросами при обычной работе многих промышленных предприятий и транспорта, а особенно при авариях на них. Именно эти продукты наносят здоровью наиболее ощутимый вред.

При штатных и аварийных выбросах в непосредственной окрестности предприятий и мест скопления работающего автотранспорта, а при определенном состоянии атмосферы, и на больших удалениях от них появляются опасные химические вещества иногда более токсичные, чем в исходных выбросах.

Например, над промышленным объектом воздушный объём образно можно представить гигантским химическим реактором, в котором происходят многие сотни нерегистрируемых химических реакций [4]. Особенно активен такой реактор при наличии «запирающих» подъём воздуха температурных инверсионных воздушных слоев над объектом. В его различных частях одновременно возникают, перемещаются и трансформируются сотни веществ и соединений, скорости химических превращений которых определяются локальными значениями параметров атмосферы. Подобные атмосферные «химические реакторы» работают тем интенсивнее, чем выше температура воздуха, больше солнечная инсоляция и меньше облаков. В солнечную безветренную погоду опасные химические вещества в газовой и аэрозольной форме могут подолгу висеть в приземном слое, не рассеиваясь над источником загрязнений.

При дожде и ветре токсиканты способны перемещаться на большие расстояния, приводя к региональным и глобальным загрязнениям; таким образом токсичному воздействию современных промышленных объектов и автотранспорта оказывается подверженным практически каждый житель страны. С полным правом можно считать XXI век – веком развития транспорта всех видов, подавляющее большинство которого являются мощными загрязнителями атмосферы опасными химическими веществами. Автомобили ежегодно выбрасывают в атмосферу порядка 280 млн. т окиси углерода, более 56 млн. т углеводородов и более 28 млн. т окиси азота. Автотранспорт вносит огромный отрицательный "вклад" в состояние атмосферы (см. Таблицу 1.1).

На долю автомобильного транспорта приходится 60 % общемировых выбросов оксида углерода, 40 % – углеводородов; в непромышленных регионах на них приходится 60 – 80 % всех техногенных выбросов, при этом до 50 % этих выбросов (для бензиновых двигателей) составляет оксид углерода (так, концентрация СО у края автотрассы составляет до 30 мг/куб. м).

Там, где применяется этилированный бензин, т. е. в бензин добавляется тетраэтилсвинец для улучшения "октанового числа", на 50-100 м по обе стороны автотрасс имеет место отравление воздуха и почвы свинцом (превышение ПДК в 3–5 раз). К настоящему моменту в выхлопных газах автомобилей идентифицировано около 400 канцерогенных "микроингридиентов", в том числе бензапирен.

Таблица № 1.1.

Выброс в атмосферу (г/км пути) опасных химических веществ от автомобиля средней изношенности

С выхлопными газами в воздух поступает более 200 вредных примесей: углекислый, угарный, сернистые газы, окислы азота, разные углеводороды, альдегиды, соединения свинца, хлора, брома и пр. По оценкам специалистов при сгорании 1 л бензина расходуется 10 – 12 тыс. л воздуха, а при среднем годовом пробеге автомобиля в 15 тыс. км он выбрасывает из выхлопной трубы 3,4 т смертельно ядовитого углекислого газа [7].

На территории России наибольшее количество выбросов от автотранспорта фиксируется в Москве (801 тыс. т в год), Санкт-Петербурге (244 тыс. т в год), Краснодаре (150 тыс. т в год). Общая эмиссия от автотранспорта в 1990 г. составила 21 млн. т, т. е. более 60 % выбросов от стационарных источников. При этом, на первом месте стоят окислы углерода (16,8 млн. т). Весьма значительны и объемы выбрасываемых углеводородов (3,2 млн. т) и оксидов азота (1 млн. т) [5]. В г. Москве воздух более всего загрязнен формальдегидом: средняя концентрация по городу составила 4 – 6 ПДК, максимальная – более 15 ПДК. Наивысшие значения этих ядов были обнаружены в районах с интенсивным движением автотранспорта в сухую безветренную погоду летом. Концентрации пыли и двуокиси азота превышают допустимые значения в каждом четвёртом – каждом третьем городе [9].

У большинства легкового и грузового автомобильного, а также у железно-дорожного транспорта трущиеся поверхности тормозных колодок содержат ядовитый асбест. Тормозные колодки меняют в среднем один раз в год. В каждой колодке – не менее 500 г асбеста, который за год стирается наполовину, т. е. переходит в воздух в виде крайне токсичной асбестовой пыли. Она имеет ПДК 0,15 мг/куб. м и способна вызвать рак лёгких. В развитых странах мира существует очень жёсткое нормирование автомобильных выбросов. Например, введённые в Европе в 1996 г. нормы "Евро-2", заставили автозаводы не только оснастить свои автомобили патронами-поглотителями или "дожигателями" выхлопных газов, но и усовершенствовать весь цикл сжигания моторного топлива, а также применять безасбестовые тормозные колодки. В нашей стране законодательные вопросы экологии автомобиля урегулированы ещё недостаточно.

По прогнозам специалистов, эмиссия в воздушный бассейн от автотранспорта в пределах России будет повышаться, поскольку в ближайшие годы предполагается довольно значительное увеличение автопарка. Кроме того, в нашей стране до сих пор используется низкооктановый бензин типа А-76, который в развитых странах из-за высокой токсичности его выбросов уже вышел из употребления. Кое– где до сих пор используется присадка свинца в качестве антидетонатора жидкого топлива.

Из года в год в нашей стране растёт парк современных летательных аппаратов – самолётов, вертолётов, ракет, выбросы которых стократно превышают автомобильные, поэтому воздействие их на атмосферу становится значительнее и ощутимее. Летательными аппаратами в воздух выбрасывается особенно много окиси углерода при работе в форсажном режиме – взлете и посадке. Каждый рейс пассажирского самолёта буквально «выжигает» из атмосферы несколько тонн кислорода, выбрасывая в неё до двух тонн СО₂ и в значительных количествах ядовитые комплексы NО_х и С_хН_у.

В связи с проблемой уменьшения озонового слоя и обнаружения озоновых "дыр", все больше появляется сообщений о влиянии на стратосферу сверхзвуковых самолётов, которые выделяют множество окислов азота, резко уменьшая содержание озона в атмосфере.

Промышленные предприятия являются, очевидно, вторым по массовости источником поступления ядовитых веществ в атмосферу. Заводы чёрной металлургии выбрасывают в воздух различные газы и пыль. Выброс пыли в расчёте на 1 т изготовленного чугуна составляет 4,5 кг, сернистого газа-2,7 кг, марганца-0,5 – 0,1 кг. В выбросах доменного процесса содержатся соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, редких металлов, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества.

Значительным источником загрязнения воздуха являются агломерационные фабрики. Во время агломерации происходит выгорание серы из пиритов. Сульфидные руды содержат до 10 % серы, а после агломерации её остается менее 0,2 – 0,8 %. Выброс сернистого газа при агломерации составляет 190 кг на 1 т руды [6,7].

Мартеновский и конверторный сталеплавильные процессы выбрасывают при подаче кислорода в расплавленный металл 25 – 52 г/м пыли на 1 т стали, до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа. При коксовании 1 т угля образуется 300 – 320 куб. м коксового газа, в состав которого входят: водород – 50 – 62 % (объёмных); метан – 20–34 %; окись углерода – 4,5 – 4,7 %; углекислый газ – 1,8 – 4,0 %; азот – 5 – 10; углеводороды – 2,0 – 2,6 % и кислород – 0,2 – 0,5 %. Основная масса этих выбросов при производстве улавливается, но 6 % попадает в атмосферу. Иногда в силу технологического нарушения режима работы коксовых батарей в атмосферу выбрасываются значительные объёмы неочищенного газа [7].

Предприятия цветной металлургии выбрасывают в атмосферу сернистый и углекислый газ, окись углерода и пыли окислов разных металлов. При получении металлического алюминия электролизом с отходящими газами от электролизных ванн в атмосферный воздух выделяется значительное количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. В частности, 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 [6].

Цементная промышленность "поставляет" в атмосферу особенно много пыли при измельчении клинкера (обожженной сырьевой смеси для изготовления цемента) в шаровых мельницах, в дробилках с сушильной установкой; химическая и нефтеперерабатывающая отрасли дают разнообразный спектр загрязнителей.

При производстве серной кислоты из пиритов происходит выброс токсичных пылей пирита и мышьяковистых соединений, а также серного ангидрида. При производстве из сульфидов меди и цинка загрязнителей меньше, но есть газы с соединениями серы. Производство азотной кислоты поставляет окислы азота. Производство бумаги сопровождается выбросами меркоптанов (тиолов), копоти, сернистого ангидрида, сероводорода и др. От подобных выбросов страдают не только работники предприятий, но и жители ареалов в окрестностях опасных производств.

В настоящее время общее мировое количество поступающих в атмосферу антропогенных загрязнителей и токсикантов огромно и оценивается следующими величинами (в миллионах тонн) [4]:

– сернистый ангидрид – более 110;

– окиси углерода – более 140;

– окислы азота – около 40;

– углеводороды – около 20;

– взвешенные частицы – более 25.

Значительная доля выбросов приходится на капиталистические и развивающиеся страны. Страны Восточной Европы (Польша, Чехия и Словакия) и страны СНГ выбрасывают большое количество сернистого ангидрида, что связано с использованием низкосортных серосодержащих углей на тепловых электростанциях.

Особой загрязнённостью отличаются крупные промышленные центры. По оценкам специалистов, концентрации вредных газов и пыли в воздухе среднего города в 150 раз, а в сельской местности в 10 раз выше, чем над океаном. Степень загрязнённости воздуха в каком-либо конкретном городе зависит не только от количества вредных выбросов, но и от способности атмосферы рассеивать и переносить последние. Антициклональная погода над населенными пунктами и образование температурных инверсий способствуют концентрации вредных газов. Это характерно для Якутска, Верхоянска, Владикавказа и других городов.

Высокая загрязнённость воздушного бассейна над промышленно развитыми странами в результате глобальной циркуляции атмосферы сказывается на территории соседних государств. В процессе перемещения в атмосфере выбросы окислов серы и азота, а также летучих углеводородов превращаются в серную и азотную кислоты, соли и озон. Они выпадают на землю иногда за тысячи километров от источника выброса. Исследования результатов данных осадков показали, что ими наносится огромный вред растительности, почве, водным ресурсам, животным и др.

Над территорией России загрязнённость атмосферы остается высокой, несмотря на то, что начиная с 1989 г. по 1991 г. происходило снижение выбросов от стационарных источников на 4 – 7 % ежегодно, в 1991 г. общая эмиссия в атмосферу составила около 32 млн. т вредных веществ, и в последующие годы не было увеличения промышленного производства. При этом выбрасывается наибольшее количество диоксида серы (9,2 млн т), оксида углерода (7,6 млн. т) и твёрдых веществ (6,4 млн. т).

В последнее время всё более массовый характер приобретают выбросы вредных веществ из свалок и захоронений. Это связано как с увеличением их количества (с учётом несанкционированных – до сотен тысяч), так и составом мусора. В основном это фрагменты и бывшие в употреблении изделия из пластмасс, сжигание которых отравляет воздух.

Обычно весной и осенью, когда идёт массовая уборка городских улиц и дворов, заводских территорий, парков и скверов, повсюду возникают ядовитые клубы дыма горящих помоек и свалок мусора. И никому невдомёк, что при горении бытовых отходов выделяются опасные для здоровья вещества. При сгорании древесностружечных плит в атмосферу могут попасть 15 различных компонентов, в том числе фенол и формальдегид. Не менее опасно, когда горят рубероид, битум, полиэтиленовая плёнка. Горящий мусор выделяет огромное количество токсичных веществ, которые напрямую попадают в лёгкие человека. В ходе горения мусора образуются опасные канцерогены, которые наносят вред здоровью человека. Они вызывают раковые опухоли.

Помимо онкологии, горящий мусор может вызвать такие «мелочи», как хроническое воспаление верхних дыхательных путей, аллергическую реакцию у детей, склонных к бронхиальной астме, кожные высыпания, подавление иммунитета. При этом пожары на помойках по воздействию могут быть опаснее, чем мусоросжигательные заводы.

Химические вещества, выделяемые при горении, опасны не только своим общеядовитым действием. Зачастую они вызывают такие сразу незаметные биологические эффекты, как мутагенность (стойкие изменения наследственных структур клетки); тератогенность (аномалии, пороки развития и уродства человека); гонадотропность (воздействие на переднюю долю гипофиза, вырабатывающего гормоны, оказывающие действие на развитие и функцию половых желез); канцерогенность (способность вызывать злокачественную опухоль).

При сжигании мусора и отходов химических производств, при получении гербицидов, глубокой очистке графита, бензинов образуется страшнейший яд – диоксин, который по токсичности не уступает стрихнину и кураре. В химическом отношении диоксин весьма инертен, чем объясняется высокая стойкость его на местности. Отравление человека диоксином в малых дозах может проявиться даже через несколько лет, однако возможны и острые отравления.

Выяснилось, что при сжигании полимеров – пластиковых бутылок, пакетов, игрушек и пр., содержащих в своём составе хлор, возникают не только диоксины, но и фураны. При уничтожении хлорорганического мусора возникают токсичные, ядовитые компоненты: хлорпроизводные диоксинов и фуранов.

Диоксинами и фуранами называют большую группу токсичных веществ, основу в молекулах которых составляют два шестичленных углеродных кольца, связанных между собой в определенных местах кислородными «мостиками». В органической химии известно 210 подобных соединений, но всё дело в хлоре. Если в диоксинах и фуранах атомов хлора нет, то эти вещества токсичны не больше, чем, например, бензин, однако при замещении в кольцах атомов водорода на атомы хлора образуются опасные для природы и человека диоксины и фураны (около 20 соединений). Их токсичность разновелика. Тем не менее, на протяжении двух последних десятилетий вкупе они-то и привлекают внимание экологов и других специалистов, ратующих за нашу безопасность. Опасны все пластмассы, содержащие хлор, и при их сгорании образуются диоксины и фураны. Зола, оставшаяся после сжигания мусора, тоже токсична. Поэтому сжигание даже небольшого количества мусора может привести неблагоприятным воздействиям на людей и окружающую среду.