Лекция №4 Основные компоненты – загрязнители атмосферы

Лекция №4
Основные компоненты – загрязнители атмосферы
Природные органические вещества. Наличие растительной и животной
жизни на земле – основная причина присутствия в атмосферном воздухе
таких веществ как метан, этан, ацетилен, пропан, бутан, пенен. Часть из них
(метан) ответственны за климатические изменения; другие участвуют в
образовании смогов и важнейших радиальных процессов.
Концентрация метана (фоновая) составляет 1600 млрд-1 (1600*10-9), но его
концентрация постоянно увеличивается. Например, 20 лет назад его
концентрация была 1460*10-9, причем над нефтяными месторождениями,
над газовыми и каменноугольными провинциями, над районами с
сейсмической и тектонической активностью концентрация составляет
5000*10-9.
К техногенным загрязняющим веществам относят:
 СО – газ без цвета и запаха, живет до 4 месяцев, затем окисляется до
СО2. 80% угарного газа поступает от машин. При концентрации угарного
газа <100‰, при экспозиции от 1 до 3 недель отрицательных воздействий
на жизнедеятельность человека не выявлено. СО – кровяной яд, который
лишает ткани кислорода. Угарный газ соединяется с гемоглобином и
получается карбоксигемоглобин (СОН6). При содержании СОН6 от 2 до 5%
наблюдается воздействие на нервную систему, нарушается зрение и другие
психомоторные
функции.
При
содержании
>5%
наблюдается
функциональное изменение сердечной и легочной деятельности. При
содержании 10 - 80% - головные боли, утомление, спазмы и в конечном
итоге смерть. У животных при повышении концентрации угарного газа до
40 мг/м3 наступает смерть.
 Оксиды серы (SO и SO3). SO2 – негорючий бесцветный газ с резким
запахом, который ощущается при концентрации 0,3‰. Он хорошо
растворим в воде с образованием H2SO3. Его физиологическое воздействие
– поражение верхних дыхательных путей. SO3 во влажном воздухе образует
H2SO4.
Таблица
Концентрация в %
0,03
0,037-0,092
Экспозиция
среднегодовая
среднесуточная
0,11-0,19
0,19
среднегодовая
среднесуточная
0,3
0,52
Средняя за 8 ч
среднесуточная
Результат воздействия
Хроническое поражение растительности
Учащается проявление отрицательных респираторных
симптомов и болезни легких
Возрастает вероятность респираторных заболеваний
При небольших концентрациях взвешенных частиц
возрастает вероятность смерти
Видимое поражение древесных культур
Сильно возрастает вероятность смерти
 Оксиды азота. NО – бесцветный газ, кислородом воздуха окисляется до
NO2. NO2 – бурый стабильный газ, ухудшает видимость, придает воздуху
коричневый оттенок. Образует HNO3. NO2 в 5 раз токсичнее SO2. Уже при
концентрации 0,01‰ у детей до трех лет наблюдается рост заболеваний
бронхитом.
 Хлор – желто-зеленоватый газ с запахом, хорошо растворим в воде,
применяется в качестве окислителя. При взаимодействии с водой
образуется хлороводород. Хлор и хлороводород раздражают верхние
дыхательные пути человека.
Степень токсичности основных атмосферных загрязнителей для
сельскохозяйственных культур.
С/х культура
SO2
NOх
HCl
Зерновые и кукуруза
+
+
+++
Крестоцветные, подсолнечник, картофель
+
+
+
Свекла
+
+++
+
Кормовые, бобовые
+++
+++++
+++
Ягодные
+++++
+++++
+++
Виноград
+++
+++++
+++++
Хвойные
+++++
+++++
+++++
Лиственные
+++
+++
+++
+ - степень токсичности слабая; + + + - степень токсичности средняя;
+ + + + + - степень токсичности сильная
К вредным примесям приоритетным для замеров качества воздушной среды
относят: этилен, аммиак, сероводород, фтористый водород, углекислый газ,
пары ртути.
Озоноразрушающие галогенсодержащие соединения.
Галогенсодержащие производные углеводородов являются одной из
наиболее интенсивно изучаемых групп органических компонентов
атмосферы. Фреоны поступают в атмосферу в основном из антропогенных
источников, но имея большое время жизни, они стали постоянными
компонентами атмосферы. Их обнаруживают повсеместно и называют
глобальными загрязняющими веществами.
В таблице приведены данные о содержании летучих галогенводородов,
включая фреоны в атмосфере городов.
Вещества
Метилхлорид
Винилхлорид
Дихлорфторметан
Хлороформ
Дихлордифторметан
Фтор-3-хлорметан
Тетрахлорметан
Тетрахлорэтилен
3-фтор-3-хлорэтан
1,2-дибромэтан
фоновая
480-640
<5
2-58
8-21
230-320
130-200
95-135
15-89
16-25
<3
Концентрация (10-12)
в атмосфере городов
480-770
10-1200
-----13-225
270-2400
130-6000
95-1400
53-3700
16-4200
2-200
Органические персистентные вещества
Персистентными называются вещества, обладающие нежелательной
химической устойчивостью в окружающей среде.
Ксенобиотики – вещества, которые прямо или косвенно порождены
человеческой деятельностью и не присущи биоте.
Благодаря большому времени жизни, достигающему иногда десятки лет,
персистентные вещества оказываются во всех географических зонах и во
всех средах. Главным переносчиком на большие расстояния оказывается
воздушная среда. Даже при малых парциальных давлениях паров
загрязняющих веществ они обнаруживаются в повышенных концентрациях
в таких регионах как Арктика и Антарктика. Жидкие и твердые
аэрозольные частицы играют при таком переносе исключительно важную
роль, так как ксенобиотики перемещаются на частицах аэрозоля в
адсорбированном состоянии.
В процессах переноса очень важную роль играет такое свойство как
липофильность (жирорастворимость), которая позволяет объяснить
концентрирование ксенобиотиков в живых организмах (жировых тканях) и
малополярных средах. Водная среда чужда этим веществам. Таким образом
все они обладают высокими значениями константы распределения между
октанолом и водой (КO/W). КO/W – характеризует важные токсикологические
свойства веществ, так как вещества, обладающие высоким значением КO/W,
способны концентрироваться в трофических цепях. Результирующие
коэффициенты концентрирования в трофических цепях могут достигать
значения 107 (ПХБ – полихлорированный бифенил).
Показатели качества атмосферного воздуха
Основными показателями качества, характеризующими воздействие на
природную среду, являются, во-первых, критические нагрузки – потоки
массы в единицу времени в объект окружающей среды.
Таблица: Критерий загрязнения атмосферного воздуха по веществам,
влияющим на наземную растительность и вредные экосистемы.
Параметры
Чрезвычайная
Показатель
Норма
Время воздействия
Экологическое
экологическая
бедствие
ситуация
Критические нагрузки для лесных и водных экосистем, г/м2 * год
1. Соединения
>5
3-5
< 0,32
серы
2. Соединения
>4
2–4
< 0,28
азота
3. Ионы
> 300
200 - 300
< 20
водорода
Критические уровни для наземной растительности, мкг/м3
1. SO2
> 200
100 – 200
< 20
Среднегодовое
2. NO2
> 300
200 – 300
< 30
Среднегодовое
Долговременное
3. HF
> 20
10 – 20
<2
воздействие
4. Озон
> 1500
1000 – 1500
< 150
Максимальное за час
5. Озон
> 600
400 – 600
< 60
Среднее в течение 3 ч
6. Озон
> 500
300 - 500
< 50
Среднее с 9 – 16 ч
Во-вторых, критические уровни концентрации загрязняющих веществ, то
есть максимальные значения выпадений концентраций в атмосферном
воздухе, которые не приводят к вредным воздействиям на структуры и
функции экосистемы в долговременном плане.
Основные критерии опасности загрязнения воздуха основаны на санитарногигиеническом нормативе, то есть ПДК вредных примесей. Для оценки
степени кратковременного воздействия примеси на организм применяют
максимальные разовые ПДК, которые относят к 20 – 30 минутному
интервалу времени. Согласно действующим положениям для некоторых
ингредиентов можно суммировать их вредное воздействие. Главное при
охране качества воздуха, если присутствуют n компонентов ингредиентов с
концентрацией Ci, то нужно, чтобы соблюдалось соотношение:
Уровень загрязнения атмосферы обычно описывается набором статических
характеристик для ряда измеряемых вредных веществ. Для оценки степени
загрязнения атмосферы средние или максимальные концентрации веществ
нормируются на величину средней или максимальной концентрации для
большого региона или же на санитарно-гигиенический норматив (ПДК).
Такие нормированные характеристики называют индексом загрязнения
атмосферы (ИЗА). В практике используется большое количество различных
индексов, некоторые основаны на таких косвенных показателях как
коэффициент прозрачности, единица видимости. Но все многообразие ИЗА
можно разделить на:
1. Единичные индексы загрязнения атмосферы одной примесью;
2. Комплексные показатели загрязнения атмосферы несколькими
веществами.
К единичным ИЗА относят коэффициент выражения концентрации примеси
в единицах ПДК:
Этот индекс используется как критерий качества атмосферного воздуха
отдельными примесями. Еще к этой группе относится повторяемость
концентраций примесей в воздухе выше заданного уровня по одному посту
или несколько за год:
где m – число превышений;
n – число наблюдений за рассматриваемый период.
Также используется индекс загрязнения атмосферы отдельной примесью.
Он учитывает класс опасности вещества:
где Qr – среднегодовая концентрация примеси;
Ki –константа для различных классов опасности по приведению степени
вредности SO2;
ПДКсс – среднесуточная ПДК.
Класс опасности
1
2
3
4
Ki
1,7
1,3
1
0,9
Расчет ИЗА основан на предположении, что на уровне ПДК все вредные
вещества характеризуются одинаковым влиянием на человека, а при
дальнейшем увеличении концентрации степень их вредности увеличивается
с различной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества. Это
показатель используется для характеристики вклада отдельных примесей в
общий уровень загрязнения атмосферы за данный период и для сравнения
степени загрязнения атмосферы различными веществами. На практике он
используется чаще, чем другие показатели.
К комплексным индексам относят комплексный индекс загрязнения
атмосферы (КИЗА). Это количественная характеристика уровня
загрязнения атмосферы, создаваемая веществами в атмосфере города.
КИЗА приоритетными веществами:
Нормирование выбросов
В соответствии с нормативными документами в России устанавливаются
предельно допустимые выбросы (ПДВ) и временно согласованные выбросы
(ВСВ).
ПДВ – количество выбросов от отдельных источников, при которых в
районе их расположения с учетом действия окружающих источников
концентрация примесей не превышает ПДК. В случаях, когда установление
ПДВ по объективным причинам невозможно, предусматривается поэтапное
снижение выбросов и определение ВСВ. Таким образом, мощность выброса
М:
М = ПДВ,
М = ВСВ, когда
где См – максимальная концентрация от источника;
Сф – фоновая концентрация.
И См, и Сф принимаются для неблагоприятных метеоусловий.
Нормирование примесей в атмосферном воздухе
Примеси, поступающие в атмосферу, оказывают различное токсическое
воздействие на организм человека (канцерогенное, мутагенное, в виде запаха
и др.) Эти обстоятельства вызвали необходимость устанавливать для
загрязняющих веществ санитарно-гигиенические нормативы, основной
характеристикой которых является допустимая концентрация веществ.
Санитарно-гигиенические нормативы устанавливаются в интересах охраны
здоровья человека и сохранения генетического фонда некоторых популяций
растительного и животного мира. Гигиеническое нормирование охватывает
также производственную и жилищно-бытовую сферу жизни человека.
Для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают два нормативных
значения: предельно допустимую концентрацию в воздухе рабочей зоны
(ПДКр.з.) и предельно допустимую концентрацию в атмосферном воздухе
ближайшего населенного пункта (ПДКа.в.)
ПДКр.з. это концентрация вредных химических веществ(в воздухе на уровне
двух метров от пола), которая при работе не более 41 часа в неделю в
течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у
работающих и их детей.
ПДКа.в.. это предельная концентрация вредных химических веществ,
которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него
вредного воздействия, включая отдаленные последствия на окружающую
среду в целом.
Обычно ПДКр.з. > ПДКа.в. На территории предприятия содержание
примесей принимают равным 0,3ПДКр.з. Трехкратное снижение нормы
содержания примесей в воздухе на территории предприятия по сравнению с
ПДКр.з. вызвано тем, что этот воздух используется для вентиляции
производственных помещений (приточная вентиляция). Поэтому он должен
быть более чистым.
Для воздуха населенных пунктов установлены два вида ПДК:
 максимально разовая ПДК (ПДКм.р.) - с целью предупреждения
негативных рефлекторных реакций (ощущение запаха, световой
чувствительности глаз и т.п.) при кратковременном воздействии
примесей;
 среднесуточная ПДК (ПДКс.с.) - для предупреждения
общетоксического, канцерогенного, мутагенного и других видов
воздействия примеси на организм человека; в этом случае
концентрация вредных веществ определяется в пробах,
отобранных в течение 20-30 минут.
В воздухе населенных пунктов с населением более 200 тыс. человек и в
курортных зонах концентрация вредных веществ с учетом рассеивания не
должна превышать 80 % от ПДКм.р.
На практике имеет место следующее неравенство (см. табл.1):
ПДКр.з > ПДКм.р. > ПДКс.с.
(1)
Наибольшая концентрация С любого вредного вещества в приземном слое
воздуха за пределами санитарно-защитной зоны СЗЗ предприятия не должна
превышать максимальной разовой предельно допустимой концентрации:
С≤ ПДКм.р.
(2)
При одновременном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ,
обладающих однонаправленным действием, их безразмерная суммарная
концентрация должна удовлетворять условию:
С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2+ … + Сn / ПДКn ≤ 1,
(3)
где С1, С2, …, Сn . концентрация вредных веществ в атмосфере в одной и той
же точке местности, мг/м3; ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn . максимальные разовые
предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосфере, мг/м3
Эффектом однонаправленного действия (суммации) обладает ряд
вредныхвеществ: SO2 и NO2, SO2 и H2S, сильные минеральные кислоты
(серная, соляная, азотная), озон, формальдегид и другие (более 30
наименований веществ в различной их комбинации друг с другом).
Для вредных веществ, ПДК которых не утверждены Министерством
здравоохранения, определены (обычно на 3 года) ориентировочные
безопасные уровни воздействия (ОБУВ). Таких веществ в настоящее время
более 1300 наименований.
При проектировании предприятий в районах, где атмосферный воздух уже
загрязнен выбросами от других, ранее построенных и действующих
предприятий, необходимо нормировать их выбросы с учетом уже
присутствующих в воздухе примесей. Их содержание рассматривается в
качестве фоновой концентрации Сф. Если имеется несколько источников
выбросов вредных веществ, то требования к качеству воздуха определяются
следующим образом:
на территории предприятия
для воздуха населенного пункта
где Сi . концентрация вредного вещества, поступающего от i-го источника;
Сmi . наибольшая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе
населенного пункта от i-го источника; N . число источников, через которые
данное вредное вещество поступает в воздушный бассейн.
Если в атмосферном воздухе присутствуют выбросы нескольких веществ,
обладающих эффектом суммации, то необходимо переходить к
безразмерным концентрациям. Условия санитарных норм будут выполнены,
если: