Антропогенное воздействие на атмосферу

1. Саратовский государственный технический университет. Кафедра геоэкологии и инженерной геологии. Курс «Инженерная экология»

Лекция 2
Антропогенное воздействие
на атмосферу

2. Состав и строение атмосферы

Атмосфера — газовая оболочка
Земли массой около 5,9•1015 т,
компоненты которой распределены
неравномерно. В зависимости от
температуры
можно
выделить
несколько зон, располагающихся на
различных высотах от Земли.
Самый близкий к поверхности Земли слой называется тропосферой. Его высота в средних широтах
составляет 10...12 км над уровнем моря, над экватором - 16...18 км и на полюсах 7...10 км. В тропосфере
температура воздуха изменяется с +40°С до -50°С, снижаясь на 0,6°С при подъеме на каждые 100 м. Выше
тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называется стратосферой. В стратосфере воздух
более разрежен и влажность его невысока. Температура в стратосфере до высоты 30 км остается постоянной
(около -50°С), затем повышается до +10°С (на отметке 50 км). В стратосфере сконцентрирована основная часть
атмосферного озона, который поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы. За
стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера. В мезосфере температура вновь понижается и на
высоте около 80 км она равна 70°С. За мезосферой расположена термосфера, не имеющая определенной верхней
границы. Температура в термосфере увеличивается и на высоте 500...600 км достигает +1600°С.

3. Состав и строение атмосферы

Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Под действием солнечного излучения
в атмосфере протекает множество физико-химических реакций. До высоты 400...600 км состав
атмосферы характеризуется показателями, приведенными в табл. На высоте более 600 км
начинает преобладать гелий, а выше 1600 км преобладает водород.

4. Классификация загрязнителей атмосферы

Воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду зависит от их физических и
химических свойств, свойств продуктов деструкции и концентрации тех и других в выбросах и
окружающей среде. Важнейшим параметром, определяющим масштабы
распространения
загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в ней. Исходя из этого выбросы
загрязняющих веществ или сами загрязнители делятся на три типа:
• приводящие к загрязнению в глобальном масштабе — выбросы веществ с большим временем
жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться в окружающей среде в
глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фре- оны, радионуклиды с
периодом полураспада от одного месяца и больше);
• приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион может охватывать территорию
нескольких государств) — выбросы веществ с ограниченным (обычно до нескольких суток)
временем жизни в атмосфере, приводящие к загрязнению крупного региона, зa пределами которого
концентрация загрязнителя быстро падает, однако в следовых количествах может наблюдаться
повсеместно (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);
• приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на сравнительно небольшой территории)
— выбросы веществ с малым временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли,
сероводород н другие вещества, а также некоторые представители предыдущего типа, например
оксиды серы и азота, если они выбрасываются из низких источников).
В зависимости от периодичности различают выбросы постоянные (или непрерывные) и
периодические (залповые), в том числе аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли
выбрасываются в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и
различные
вентиляционные устройства. В зависимости от их высоты источники выброса подразделяются на
высокие (Н > 50 м), средней высоты (Н = 10...50 м), низкие (Н = 2... 10 м), наземные (Н < 2 м).

5. Источники загрязнения атмосферы

6.

Выбросы ж/д транспорта
Выбросы цементного завода
ОАО «Вольскцемент»

7.

Один из источников
загрязнения атмосферы
г.Ульяновска – ТЭЦ-1
Распространение выбросов в атмосферу
от одного из предприятий Заводского района Саратова над городом

8. В загрязнении атмосферы вредными веществами большую роль играют такие отрасли промышленности, как металлургия, легкая

промышленность, энергетика,
стройиндустрия

9. Последствия загрязнения атмосферы

Характер распределения загрязнений в атмосфере подчиняется второму закону
термодинамики. Различные загрязнители,
выброшенные из дымовых труб, постепенно
рассеиваются в воздухе, разбавляясь до уровней, не представляющих опасности. Ветры
увеличивают скорость рассеяния и перемешивания, а воздушные потоки, направленные от земли,
выносят загрязнения в верхние слои атмосферы.
Загрязнение атмосферы становится причиной снижения ее прозрачности, а также уменьшения
видимости, появления неприятных (запахов и запыленности. Вследствие изменения альбедо
земной поверхности, прозрачности атмосферы и увеличения поступающей в атмосферу теплоты
нарушается энергетический баланс планеты. Альбедо изменяется при культивировании отдельных
видов растительности, а также при орошении или осушении поверхности Земли. Частицы пыли,
поступающие в атмосферу, некоторое время остаются в ней, сокращая
проникновения
ультрафиолетового излучения и образуя ядра конденсации. Поэтому запыленность атмосферы
способствует увеличению количества отраженного солнечного излучения и уменьшению
количества излучения, достигающего поверхности Земли.
Одним из основных загрязнителей, влияющих на прозрачность воздуха, является диоксид
углерода. Ежегодно количество С02 в атмосфере возрастает на 0,4%. Подсчитано, что содержание
С02 в атмосфере при сегодняшнем уровне технологии будет удваиваться каждые 23 года, что
может привести к глобальному повышению температуры. Принимая во внимание, что при
сжигании топлива за год м окружающую среду поступает 14,2*1016 кДж теплоты, можно
предположить, что, рассеиваясь в околоземном пространстве, эта теплота приведет к
существенному изменению его температурного режима. Следует отметить, что в процессах,
обеспечивающих нормальные условия развития экосистем, важную роль играет озон. Хотя в
атмосфере содержание озона невелико (2 • 10-6 % по объему), тем не менее его роль в защите
поверхности Земли от жесткого ультрафиолетового излучения трудно переоценить. Разрушение
озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз.

10. Управление качеством атмосферного воздуха

• Предприятия, выпускающие той или иной вид продукции, взаимодействуют с экосистемами, вызывая при
этом их деградацию. Улучшения ситуации можно достичь при условии гармонизации отношений природных и
технических комплексов и компонентов путем создания и эксплуатации эколого-экономической системы. Такая
система представляет собой совокупность технических устройств и взаимодействующих с ними элементов
природной среды, которые в ходе совместного функционирования обеспечивают, с одной стороны, высокие
производственные показатели, а с другой — поддержание в зоне своего влияния благоприятной экологической
обстановки, а также максимально возможное сохранение и воспроизводство естественных ресурсов. В экологоэкономической системе должен присутствовать особый блок управления, воспринимающий информацию о
происходящих в природных системах изменениях, оценивающий возможные негативные последствия и
передающий необходимую команду производственному предприятию. В качестве блока управления могут
выступать органы власти или службы, например, служба охраны окружающей среды.
• В России в целях реализации ст. 41 Закона Российской Федерации «Об охране окружающей природной
среды» было утверждено «Положение об оценке воздействия на окружающую среду в РФ».
• За выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и размещение отходов существуют два вида
платежей:
1) за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов в пределах установленных предприятию лимитов
допустимых выбросов,
2) за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов, превышающих эти лимиты.
С целью регулирования природопользования в нашей стране введены лимиты — система экологоэкономических ограничений по: территориям; срокам и объемам предельных показателей использования
природных ресурсов; выбросам и сбросам в окружающую природную среду загрязняющих веществ; размещению
отходов. Лимитами для выбросов и сбросов загрязняющих веществ служат нормативы качества природной
среды: ПДВ — предельно допустимые выбросы в атмосферу; ПДС — предельно допустимые сбросы в водные
источники; ПДК — предельно допустимые концентрации; ПДН — предельно допустимые нагрузки на
природную среду (количество посетителей за одну экскурсию по заповеднику, нагрузка скота на единицу
пастбищных угодий).
Виды, лимиты хозяйственной деятельности и экологические требования при использовании природных
ресурсов фиксируются в лицензиях (разрешениях) на природопользование, выдаваемых органами управления.

11. Рассеяние токсичных выбросов в атмосфере

Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ
промышленными
предприятиями в атмосферу регламентируются ГОСТ и ОНД (общероссийский
нормативный документ). Указанные документы определяют ПДВ для каждого
конкретного предприятия из условия, чтобы сумма создаваемых всеми предприятиями
приземных концентраций данного вещества или их комбинаций не превышала ПДК.
ПДВ являются средством текущего контроля деятельности предприятия.
Использование нормативных показателей выбросов позволяет объективно оценить
превышение ПДК вредных веществ или веществ и примесей, входящих в состав
выбрасываемых газов в двухметровом слое на уровне земли, а также в вертикальном и
горизонтальном сечении дымового факела на расстоянии не более 100 км от источника.
В зависимости от высоты выброса относительно поверхности земли источники
делятся на четыре класса: высокие (более 50 м); средние (10...50 м); низкие (2...10 м);
наземные (менее 2 м).
Если в процессе контакта с атмосферой под действием солнечной радиации или
других факторов происходит трансформация одних соединений в другие, в
концентрации и состав компонентов вносятся поправки. Нормативный метод позволяет
рассчитывать поля концентраций вредных выбросов, создаваемые дымовыми трубами,
а также линейными и плоскостными источниками, под которыми понимаются
вентиляционные фонари цехов, улицы с интенсивным движением автотранспорта, а
также скопление многочисленных мелких источников. Динамические процессы,
происходящие в атмосфере, таковы, что реально наблюдаемые под факелом
концентрации подчиняются не стохастическим, а вероятностным законам и меняются в
пределах, отличающихся друг от друга на несколько порядков.

12. Рассеяние токсичных выбросов в атмосфере

Основой нормативного метода является максимальное значение приземной концентрации Сm.
Например, для горячих точечных источников, для которых изменение температуры ΔT
значительно больше нуля:
где Н — высота трубы, м; М — расход выбрасываемого в атмосферу вещества
(мощность выбросов), г/с; ΔT = Тг-Тв — разность температур выбрасываемых газов и
атмосферного воздуха; V1 — полный объем выбрасываемых (дымовых) газов на срезе
трубы, м3/с; А — коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства атмосферы,
которые определяются климатическими зонами России (табл.); F, m, n —
коэффициенты.

13.

Санитарно-защитные зоны
Среди процессов, происходящих в атмосферном воздухе при поступлении в него примесей,
выбрасываемых различными предприятиями, следует выделить рассеяние этих примесей в
атмосферном воздухе, в результате чего происходит снижение их концентрации, причем с
увеличением расстояния от точки выброса эти концентрации снижаются до безопасных уровней.
Поэтому с целью защиты селитебных территорий и других объектов и зон градостроения от
воздействия загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу вместе с выбросами, требуется
отделять предприятия или их
подразделения свободными территориями — санитарнозащитными зонами (СЗЗ).
Санитарно-защитные зоны представляют собой территории
определенной
протяженности и ширины, располагающиеся между предприятиями и источниками загрязнения
и границами зон жилой застройки.
С 1981 г. расчет СЗЗ регламентируется государственным
стандартом, причем
установлено, что каждое предприятие, имеющее источники загрязнения среды, должно иметь
санитарно-защитную зону. Для этой цели все предприятия разделены на 10 групп по отраслям в
зависимости от совокупности вызываемых ими вредностей. В пределах каждой группы
выделяется пять классов предприятий по степени их опасности и в зависимости от класса
устанавливается нормативная ширина СЗЗ.
Минимальные протяженности СЗЗ для предприятий I класса составляют 1000 м, II класса
— 500 м; III класса — 300 м; IV класса —¦ 100 м; V класса — 50 м.
При установлении протяженности СЗЗ учитываются господствующие направления ветров,
т.е. она может в зависимости от розы ветров иметь различную протяженность в разных
направлениях, но в любом случае — не ниже минимальной (нормативной). Размеры СЗЗ могут
быть уменьшены за счет технологических мероприятий, например систем очистки и
обезвреживания загрязняющих веществ, снижения влияния иных вредных производственных
факторов.

14.

Санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы
В 1951 г. в СССР были утверждены ПДК для 10 наиболее распространенных атмосферных
загрязнителей. Это были первые в мире нормативы качества воздуха, введенные в работах В.А.
Рязанова, К.А. Буштуевой, М.А. Пинигина и др. В начале 1970-х гг. перечень ПДК, приведенный в
«Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий» (СН 245-71), включал более
600 названий вредных веществ, а в середине 1990-х гг. — 2400. В основу нормирования была
положена концепция, согласно которой допустимой может быть признана такая концентрация
загрязнителя в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного
вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на его
самочувствие или настроение.
С учетом критериев вредности устанавливаются ПДК атмосферных загрязнений для двух
периодов усреднения концентраций:
• среднесуточная ПДК, которая является основной и служит для предотвращения
хронического неблагоприятного действия;
• максимальная разовая ПДК, дополнительная к
среднесуточной ПДК для веществ,
обладающих запахом или раздражающим действием для оценки пиковых подъемов концентраций
в течение 20...30 мин.
Предельно допустимая концентрация атмосферных загрязнений должна использоваться только
для оценки степени загрязнения воздуха селитебных территорий и не должна применяться для
оценки степени загрязнения воздуха промышленной площадки и санитар- но-защитных зон. Для
оценки загрязнения воздуха на территориях курортов, мест массового отдыха населения
используется 0,8 ПДК атмосферных загрязнений.

15.

Санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы
Всемирной
организацией
здравоохранения (ВОЗ) принята схема
биологических
ответов (реакций)
организма на загрязнение атмосферы,
согласно которой при определении
границ безвредности (безвредных
уровней) атмосферных загрязнений
различают три зоны.
• 1-я зона — зона отсутствия
действия
фактора,
получившая
название подпорогового уровня;
• 2-я зона — зона сдвигов в
организме неясной биологической
значимости;
• 3-я зона — зона токсического
действия,
когда
регистрируются
патологические
изменения
в
организме, вызванные загрязнителем.
Для наиболее часто встречающихся
загрязняющих
веществ
в
атмосферном воздухе населенных мест
в таблице приведены значения ПДКСС
и ПДКм.р.

16.

Комплексный показатель загрязнения атмосферного воздуха
Все виды ПДК относятся к отдельным веществам. Между тем в атмосферном воздухе может
присутствовать от одного до сотни различных веществ и соединений. Ответная реакция
организма на их воздействие может развиваться по трем направлениям:
• усиление эффекта (синергизм), т.е. превышение реакции, вызванное действием каждого из
веществ смеси;
• ослабление эффекта (антагонизм), т.е. ответная реакция будет меньше эффекта, вызванного
любым веществом смеси;
• независимое действие, когда ответная реакция будет соответствовать действию каждого
отдельного вещества или ведущему из них.
Оценку комбинированного действия проводят по формуле:
где С1, С2, ..., Сn — концентрации веществ; ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn — предельно допустимые
концентрации соответствующих веществ.
Если сумма q долей обнаруженных концентраций, отнесенных к их ПДК, не превышает
единицы, то степень загрязненности атмосферного воздуха с учетом суммации биологического
действия не превышает гигиенических нормативов. Перечень смесей атмосферных загрязнений,
для которых должна учитываться суммация
биологического действия при совместном
присутствии, внесен в санитарное законодательство и используется для гигиенической оценки
степени загрязнения атмосферного воздуха на стадии
предупредительного и текущего
санитарного надзора.

17. Ограничение выбросов

Схема анализа проблемы загрязнения атмосферы

18. Ограничение выбросов

Технические мероприятия по ограничению уровня загрязнения воздуха могут осуществляться в трех
направлениях
1. Меры, приводящие к абсолютному снижению выбросов загрязняющих веществ
• замена источников энергии путем перехода на
нетрадиционную энергетику, газификацию и
десульфаризацию топлива, энерготехнологическую переработку топлива и др.;
• модификация процессов заменой сырья теми его видами, которые содержат меньшее количество
загрязняющих веществ;
• модификация процессов за счет предварительной обработки топлива и других сырьевых материалов;
• модификация процесса путем изменения технологии производства;
• отделение твердых частиц, а также удаление и обезвреживание газообразных продуктов, являющихся
загрязнениями.
2. Модуляция процессов во времени, ведущая к относительным снижениям выбросов загрязняющих веществ
во время максимальных выбросов:
• ограничение применения процессов горения в периоды максимального загрязнения воздуха;
• постоянный контроль качества процессов горения или производственных условий, а также их регулировка
для устранения избыточных загрязнений воздуха;
• кратковременное введение более «чистых» видов топлива и сырья;
• применение мокрых скрубберов при особенно неблагоприятных метеорологических условиях.
3. Региональные (локальные) модуляции количества выбросов загрязняющих веществ в целях устранения
локальных максимумов:
• перемещение в периоды экстремальных метеорологических ситуаций производства из районов с более
неблагоприятными условиями в регионы с более удовлетворительными метеорологическими условиями
распространения выбросов;
• контролируемое распределение различных типов топлива по его качеству;
• повышение степени распределения загрязняющих веществ на большую площадь путем применения более
высоких дымовых труб.