Загрязнение окружающей среды

     Высокая опасность химических и биохимических  производств заключается в потенциальной  возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных  веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

     В настоящее время в приземной  атмосфере находятся многие десятки  тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося  роста промышленного и сельскохозяйственного  производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных  оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и  микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бензопирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

     Основные  загрязнители воздуха жилых помещений  – пыль и табачный дым, угарный  и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

     Для атмосферы характерна чрезвычайно  высокая динамичность, обусловленная  как быстрым перемещением воздушных  масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в  ней физико-химических реакций. Атмосфера  рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится  под воздействием многочисленных и  изменчивых антропогенных и природных  факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые  в атмосферу, характеризуются высокой  реакционной способностью. Пыль и  сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые  металлы и радионуклиды и при  осаждении на поверхность могут  загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

     Выявлена  тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной  атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и  меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены  как присутствием их минеральных  фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так  и сорбцией сажей, глинистыми частицами  газообразных соединений типа галогенидов  олова.

     Время «жизни» газов и аэрозолей  в атмосфере колеблется в очень  широком диапазоне (от 1 – 3 минут  до нескольких месяцев) и зависит  в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия  реакционно- способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).

     Оценка  и тем более прогноз состояния  приземной атмосферы являются очень  сложной проблемой. В настоящее  время ее состояние оценивается  главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических  химических веществ и другие нормативные  показатели качества воздуха приведены  во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное  и другие воздействия) учитываются  их распространенность и способность  к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.

     Наиболее  чутким и надежным индикатором состояния  приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени  и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу  показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые  не улавливаются прямыми измерениями  или расчетными данными по пылегазовыбросам.

     К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы  крупных промышленно – урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности  быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны  способы оценки содержания в атмосфере  аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться  на выработку таких способов и  в отношении других загрязняющих веществ.

     Прогноз состояния приземной атмосферы  осуществляется по комплексным данным. К ним, прежде всего, относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.

     Химическое  загрязнение атмосферы

     Под загрязнением атмосферы следует  понимать изменение ее состава при  поступлении примесей естественного  или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним  относятся диспергированные твердые  частицы, выбрасываемые в атмосферу  и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

     К основным загрязнителям атмосферы  относятся углекислый газ, оксид  углерода, диоксиды серы и азота, а  также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние  на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

     Основной  вклад в высокий уровень загрязнения  воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии  и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и  котельные.

     Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые  вместе с дымом выбрасывают в  воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают  в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и  мышьяка; химические и цементные  заводы. 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 признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

     Основными вредными примесями пирогенного  происхождения являются следующие:

     а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых 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. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.

     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. Пирометаллургические предприятия  цветной и черной металлургии, а  также ТЭС ежегодно выбрасывают  в атмосферу десятки миллионов  тонн серного ан гидрида.

     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 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 шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в  атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.

     е) Соединения фтора. Источниками загрязнения  являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики. стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие 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, хлорсодержащие 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 тяжелых  металлов и ядовитых газов. Так, в  расчете на I т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и  редких металлов, смоляных веществ  и цианистого водорода.

     Объем выбросов загрязняющих веществ в  атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в год.

     Аэрозольное загрязнение атмосферы

     Из  естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают  сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются  на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в  атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

     К естественным источникам относят пыльные  бури, вулканические извержения и  лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере  аэрозолей. Несмотря на то, что время  пребывания в тропосфере аэрозолей  исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней  температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3С0. Не меньшую  опасность для атмосферы и  биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

     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  в таблице 1 .

     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. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).