Тема 4. ПРОЦЕСИ ФОРМУВАННЯ СКЛАДУ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ В МІСТАХ.
ПРОЦЕСИ ФОРМУВАННЯ СКЛАДУ АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ В МІСТАХ
Питання теми
Характеристика джерел забруднення та основних забруднюючих речовин атмосферного повітря.
Нормування якості i контроль рівня забруднення атмосферного повітря.
Процес формування складу атмосферного повітря в населених пунктах.
Заходи для захисту атмосферного повітря.
Основні терміни: атмосфера, забруднення атмосфери, забруднююча атмосферу речовина, смог, гранично допустимі викиди, тимчасово узгоджені викиди, орієнтовно безпечний рівень впливу забруднюючої речовини, автоматизовані системи контролю забруднення повітря, санітарно-захисна зона.
Повітряна оболонка Землі, атмосфера, є однією з найголовніших умов життя. Маса атмосфери колосальна, проте її можна вважати невичерпним природним ресурсом лише умовно, адже людині для життя потрібне повітря певної якості, а під впливом антропогенного фактора його хімічний склад та фізичні властивості дедалі погіршуються. На Землі вже практично не залишилось таких ділянок, де повітря зберегло б свою первісну чистоту та якість. Особливо відчутним є вплив на атмосферу у містах, де велика концентрація підприємств промисловості, велика кількість транспорту і специфічна архітектурно-планувальна структура. Саме тому виникло необхідність розглянути процеси формування складу атмосферного повітря та урбанізованих територіях.
Характеристика джерел забруднення та основних забруднюючих речовин атмосферного повітря. Склад атмосфери знаходиться в стані динамічної рівноваги, яка підтримується кліматичними факторами, життєдіяльністю рослин і тварин, а також в результаті космічних процесів, геохімічних явищ і діяльності людини. Під дією різних динамічна рівновага може порушуватись – виникає забруднення атмосфери.
Забруднення атмосфери – це зміна її складу в результаті попадання домішок. Забруднююча атмосферу речовина – це домішка в атмосфері, яка негативно впливає на навколишнє середовище і здоров’я населення.
Джерела забруднення атмосфери поділяють за різними ознаками:
1) за походженням: природні (пилові бурі, лісові і степові пожежі, виверження вулканів, пилок рослин) і антропогенні (промисловість, транспорт);
2) за локалізацію: точкові – локалізовані в одному місці (димові труби), лінійні – мають значну протяжність (аераційні ліхтарі), площинні – великі за площею (місця складання відходів);
3) за організованістю: організовані – мають спеціальні газовідводи (димові труби) і неорганізовані (викиди речовин в результаті порушення герметичності обладнання).
Найбільш поширеними забруднюючими речовинами атмосферного повітря є оксид вуглецю СО, двооксид вуглецю СО2, двооксид сірки SО2, сірководень Н2S, оксиди азоту nох, вуглеводні схну, пил.
Джерела забруднення атмосферного повітря за галузями промисловості.
Теплові електростанції забруднюють атмосферу пилом, СО, СО2, SО2, nох. Найбільша кількість газів надходить в повітря при спалюванні вугілля, найменша - при спалюванні природного газу.
Добування корисних копалин. Джерелами забруднення атмосфери є терикони, відвали, завантаження, розвантаження і транспортування корисних копалин. Викиди в атмосферу надходять в результаті поверхневого розсіювання пилу. Терикони і вугільні відвали, які постійно тліють, забруднюють повітря СО, СО2, SО2, Н2S, nох.
Металургія. Основними джерелами утворення і викидів в атмосферу забруднюючих речовин є збагачення руд, агломерація, доменне виробництво, виробництво сталі і прокату. Підприємства чорної металургії забруднюють атмосферу СО, СО2, SО2. При виробництві кольорових металів, крім перерахованих сполук, у повітря надходять hcl і HF.
Машинобудування. На підприємствах машинобудування основними джерелами забруднення атмосфери є ливарне виробництво, зварювання, теплове різання матеріалів, механічна обробка матеріалів, нанесення лакофарбового покриття. При цьому повітря забруднюється СО, СО2, SО2, nох, схну, пилом. Хімічний склад пилу, який утворюється при машинобудуванні такий: sio2, cao, Al2O3, mgo, Fe2O3+feo.
Будівництво i виробництво будівельних матеріалів. Викиди у атмосферу складаються з частинок дрібної глини, піску, продуктів згорання палива. Вони містять аерозолі, СО, СО2, SО2, nох, фториди.
Нафтопереробна промисловість. Основними процесами, під час яких у атмосферу виділяються забруднюючі речовини, є крекінг, спалювання у факелі, зберігання в резервуарах і транспортування нафти. Основні забруднюючі речовини - СО, СО2, SО2, nох.
Хімічна промисловість. При хімічному виробництві утворюється понад 500 речовин, які викидаються в атмосферу у газів та аерозолів.
Деревообробка. При механічній обробці деревини у повітря виділяється стружка, ошурки, шліфувальний пил; при пресуванні і склеюванні – пари формальдегіду, фенолу і аміаку; при обробці виробів – пари ароматичних вуглеводнів.
Складування і спалювання твердих відходів. Джерелами забруднення повітря є звалища відходів і сміттєспалювальні заводи. Продуктами згорання твердих відходів є СО, SО2, nох, hcl, альдегіди і органічні кислоти, канцерогенні речовини.
Харчова промисловість. Викиди зумовлені обробкою сипучих речовин (зерно, мука, крупи) і термічною обробкою сировини (коптіння, варіння).
Автомобільний транспорт. В автомобілі є три види викидів забруднюючих речовин: відпрацьовані гази двигунів, картерні гази і випаровування палива. Основні забруднюючі речовини - СО, СО2, SО2, nох, схну, сажа, сполуки свинцю, ароматичні вуглеводні, бенз(а)пірен.
Нормування якості i контроль рівня забруднення атмосферного повітря. Для кількісної оцінки вмісту домішок в атмосфері використовують поняття концентрації – це кількість речовини, яка міститься в одиниці об'єму повітря при нормальних умовах.
Для якісної оцінки - використовують поняття гранично допустима концентрація (ГДК) – це максимальна концентрація домішок в повітрі, яка не впливає на людину i навколишнє середовище цвілому.
Основним критерієм при встановлені ГДК є вплив речовин, які містяться в атмосфері на здоров’я людини.
Для оцінки якості атмосферного повітря використовують два види ГДК:
Максимально разова ГЛК (гдкм.р.) – основна характеристика шкідливості, яка встановлюється для попередження рефлекторної реакції у людини;
Середньодобова ГДК (гдкс.д.) – встановлена для попередження загально токсичного, мутагенного та інших впливів на організм.
На 1999 р. Встановлені ГДК близько 1000 речовин, які можуть попадати в атмосферу. Якщо не встановлена ГДК використовують орієнтовно безпечний рівень впливу забруднюючої речовини.
Орієнтовно безпечний рівень впливу забруднюючої речовини (ОБРВ) – це тимчасовий гігієнічний норматив для забруднюючої речовини атмосферного повітря, який визначається розрахунково при проектуванні підприємств.
Деякі речовини при одночасній присутності у повітрі мають одно направлену дію, тобто володіють ефектом сумації. В такому випадку при оцінці якості повітря повинна виконуватись вимога:
С1/ГДК1 + С2/ГДК2 + ...+ Сn/гдкn<1;
Де C1, С2, Сn - концентрації речовин, мг/м3.
На сьогодні відома 51 група речовин однонаправленої дії.
Розробка нормативі гранично допустимих викидів (ГДВ) і тимчасово узгоджених викидів (ТУВ) для стаціонарних джерел. Для кожного підприємства, яке є джерелом забруднення атмосферного повітря, встановлюються нормативи ГДВ.
Гранично допустимі викиди (ГДВ) – це кількість забруднюючої речовини (м3) при надходженні якої в повітря за одиницю часу (год., доба, рік) не спостерігається перевищення ГДК в приземному шарі атмосфери на межі санітарно-захисної зони.
ГДВ для кожного джерела i кожної речовини визначається окремо. На основі нормативів ГДВ для кожного джерела визначається сумарний викид підприємства.
При визначенні ГДВ враховується фонова концентрація. ГДВ встановлюють з умовою, що викиди забруднюючих речовин з одного джерела разом з іншими джерелами не будуть створювати концентрацію, яка перевищує ГДК за межами санітарно-захисної зони:
С + Сф <ГДК,
Де С - концентрація речовини в приземному шарі від даного джерела,
Сф - фонова концентрація.
Термін дії нормативу ГДК – не більше 5 років. При впровадженні нових виробництв, реконструкції діючих, зміні технології чи сировини нормативи ГДК повинні переглядатись.
Якщо викиди не відповідають ГДВ, встановлюють тимчасово узгоджені викиди (ТУВ).
Процес формування складу атмосферного повітря в населених пунктах. У приземному шарі атмосфери постійно відбуваються процеси, які зумовлюють зміни концентрації домішок. Знання про механізм і швидкість процесів надходження забруднюючих речовин з джерел забруднення, перенесення і трансформації домішок в атмосфері дають можливість скласти баланс атмосфери.
Розсіювання в атмосфері відбувається за законами турбулентної дифузії. На розсіювання впливають стан атмосфери, властивості речовин, що викидаються, висота i діаметр джерела викидів, розташування джерел викидів, рельєф місцевості.
Суттєво впливає на розсіювання домішок клімат. Зокрема, вітер, температура і опади підсилюють розсіювання, туман і сонячна радіація - зменшують розсіювання.
Основи прогнозу забруднення атмосферного повітря. Розвиток методів прогнозування розсіювання викидів дає можливість дослідити поширення домішок від джерел викидів різного типу при різних характеристиках середовища. Прогноз полягає в розробці теорії атмосферної дифузії на основі математичного опису процесу за допомогою рівняння турбулентної дифузії.
Методика розрахунку концентрації шкідливих речовин в атмосферному повітрі. Методика призначена для вирішення практичних завдань, які пов’язані з прогнозом забруднення повітря.
При одночасній присутності в атмосфері декількох речовин, які мають однонаправлену дією, сумарна концентрація q в долях гранично допустимої концентрації (ГДК):
Q=С1/ГДК1+С2/ГДК2+...+Сn/гдкn.
Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини СМ, мг/м3 при викидах газоповітряної суміші з окремого точкового джерела з круглим отвором на відстані хм визначається за формулою:
Де А - коефіцієнт залежний від температурної стратифікації атмосфери;
М - маса шкідливої речовини, яка викидається за одиницю часу, г/с;
F - коефіцієнт швидкості осідання шкідливих частинок в повітрі;
M i n - коефіцієнти, які враховують умови виходу газової суміші з джерела викидів;
Н - висота джерела викидів, м;
Η - коефіцієнт впливу рельєфу, η=1;
V1 - об'єм газової суміші, м3/с;
ΔТ - різниця температури газової суміші i повітря 0С.
Одним із процесів трансформації домішок в атмосфері є фотохімічне окислення (смог). Смог (англ. "smoke" - дим; "fog' - туман) - атмосферне явище, яке настає при певних метеорологічних умовах i високому забрудненні атмосфери. Смог негативно впливає на стан атмосфери – зменшує її прозорість; також, він впливає на здоров’я людей – зумовлює подразнення органів чуттів; діє як окисник – підсилює корозію металів.
Заходи для захисту повітря, які здійснюють в межах міста можна поділити на такі групи:
1) створення санітарно-захисних зон;
2) архітектурно-планувальні заходи;
3) інженерно-організаційні заходи;
4) технологічні заходи;
5) контроль якості атмосферного повітря.
Санітарно-захисна зона (СЗЗ) – це ділянка навколо підприємства, яка засаджена деревами i чагарниками. Розмір СЗЗ залежить від потужності підприємства, технологічних процесів виробництва, кількості і складу речовин, які виділяються в атмосферу. Згідно з санітарною класифікацією промислових підприємств розміри СЗЗ встановлюються в межах від 50 до 3000 м. Залежно від класу небезпеки підприємства (табл. 1).
Таблиця 1. Нормативні розміри санітарно-захисних зон.
Клас небезпечності підприємства
Розмір СЗЗ, м
ІАІВІІ ІІІІVV
3000100050030010050
Підприємства, технологічні процеси яких не призводять до виділення в атмосферу забруднюючих речовин, можна розміщувати в межах житлових районів.
Архітектурно-планувальні заходи пов’язані з вибором площадки для будівництва промислових підприємств, взаємним розташування промислових i житлових кварталів, створенням зелених зон.
Промислове підприємство повинне бути розташоване на рівному підвищеному місті. Джерела забруднення бажано розташовувати за межами міста з підвітряної сторони від житлових масивів за розою вітрів теплої пори року.
Важливе значення має фітомелюрація з використанням зелених насаджень. Зелені насадження є біофільтрами, вони поглинають забруднюючі речовини і затримують пил.
Інженерно-організаційні заходи полягають в слідую чому:
- зменшення інтенсивності руху транспорту. Для цього створюються об’їзді дороги навколо міст;
- збільшення висоти димових труб. Чим вища труба, тим краще розсіюються пилогазові викиди в атмосфері. Якщо димова труба має висоту 100 м - радіус розсіювання викидів 20 км, якщо висота 250 м – радіус розсіювання 75 км. Оптимальна висота - 150 м. Найвища димова труба - 400 м - в Канаді на мідно-нікелевому комбінаті.
Технологічні заходи. Найбільш перспективними технологічними заходами є:
- перехід теплоенергетики з твердого палива на природний газ, ще дає можливість зменшити викиди в атмосферу пилу і сполук сірки;
- оптимізація спалювання палива;
- зменшення енергоємності виробництва і використання вторинних енергоносіїв (гаряча вода і гарячі гази);
- очищення пилогазових викидів промислових підприємств. Для очистки використовують механічні, хімічні, фізико-хімічні і біологічні методи.
Контроль якості атмосферного повітря. Для контролю якості повітря здійснюють моніторинг атмосферного повітря - спостереження за його станом і попередження критичних ситуацій.
Для забезпечення моніторингу створено автоматизовані системи контролю забруднення повітря (АСКЗП). АСКЗП виконує такі завдання:
- автоматичне спостереження i реєстрація концентрацій забруднюючих речовин;
- аналіз інформації;
- прогноз рівня забруднення;
- розрахунок розсіювання викидів;
- рекомендації щодо покращання стану довкілля.
В Україні спостереженням за станом атмосфери здійснюють на постах. Встановлено три види постів: стаціонарний, маршрутний, пересувний (підфакельний).
Число постів в залежить вид чисельності населення, площі населеного пункту, рельєфу місцевості, кількості промислових підприємств, інтенсивності руху транспорту. Оптимальна кількість постів – один пост на 50 тис. Населення. Відстань між стаціонарними постами може бути від 0,5 до 5 км.
Рівень забруднення атмосфери оцінюється за даними спостережень за рік. При цьому кількість спостережень повинна бути не менше 200.
Література: 1, 3, 4, 11.
Ми з’ясували, що на урбанізованих територіях атмосфера зазнає значного антропогенного впливу - вона є середовищем для розміщення газоподібних відходів виробництв. Для підтримання певної якості повітря потрібно враховувати процеси формування повітря в містах і трансформації домішок в атмосфері, здійснювати заходи спрямовані на збереження повітря, контролювати його стан та прогнозувати можливі зміни.