Состояние воздушного бассейна

Для большинства крупных городов характерно чрезвычайно сильное и интенсивное загрязнение атмосферы. По большинству за­грязняющих агентов, а их в городе насчитывается сотни, можно с уверенностью сказать, что они, как правило, превышают предель­но допустимые концентрации. Более того, поскольку в городе на­блюдается одновременное воздействие множества загрязняющих агентов, их совместное действие может оказаться еще более значи­тельным. Широко распространено мнение о том, что с увеличе­нием размеров города возрастает и концентрация различных за­грязняющих веществ в его атмосфере, однако в действительности, если рассчитывать среднюю концентрацию загрязнений на всю территорию города, то в многофункциональных городах с населе­нием более 100 тыс. человек она находится примерно на одном и том же уровне и с увеличением размеров города практически не возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов выбросов, возрастающих пропорционально росту числен­ности населения, расширяется и площадь городской застройки, ко­торая и выравнивает средние концентрации загрязнения в атмос­фере.

Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций загрязнения в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентрации загрязнения в пери­ферийных районах, она резко увеличивается в зонах крупных про­мышленных предприятий и, в особенности в центральных районах. В последних, несмотря на отсутствие в них крупных промышлен­ных предприятий, как правило, всегда наблюдаются повышенные концентрации загрязнителей атмосферы. Это вызывается как тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранс­порта, так и тем, что в центральных районах атмосферный воздух обычно на несколько градусов выше, чем в периферийных, – это приводит к появлению над центрами городов восходящих воз­душных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промыш­ленных районов, расположенных на ближней периферии. При ана­лизе процессов загрязнения атмосферы городов весьма существен­но различие между загрязнениями, производимыми стационар­ными и мобильными источниками. Как правило, с увеличением размера города доля мобильных источников загрязнения (в ос­новном автотранспорта) в общем загрязнении атмосферы возра­стает, достигая 60 и даже 70%.

Существующие соотношения между стационарными и мобиль­ными источниками загрязнения атмосферного воздуха в значи­тельной мере определяют его характер.

Рассмотрим вначале основные стационарные источники выбросов в атмосферу. От 60% до 96% эмиссии вредных веществ приходится на производство энергии

Таблица 1. Выбросы в атмосферу электростанцией мощностью 1000МВт в год (в тоннах).

Конечно, по сравнению с энергетикой глобальное загрязнение посредством химической промышленности невелико, но это тоже достаточно ощутимое локальное воздействие. Большинство органических полупродуктов и конечная продукция, применяемая или производимая в отраслях химической промышленности, изготавливается из ограниченного числа основных продуктов нефтехимии. При переработке сырой нефти или природного газа на различных стадиях процесса, например, перегонке, каталитическом крекинге, удалении серы и алкилировании, возникают как газообразные, так и растворенные в воде и сбрасываемые в канализацию отходы. К ним относятся остатки и отходы технологических процессов, не поддающиеся дальнейшей переработке.

Газообразные выбросы установок перегонки и крекинга при переработке нефти в основном содержат углеводороды, моноксид углерода, сероводород, аммиак и оксиды азота. Та часть этих веществ, которую удается собрать в газоуловителях перед выходом в атмосферу, сжигается в факелах, в результате чего появляются продукты сгорания углеводородов, моноксид углерода, оксиды азота и диоксид серы. При сжигании кислотных продуктов алкилирования образуется фтороводород, поступающий в атмосферу. Также имеют место неконтролируемые эмиссии, вызванные различными утечками, недостатками в обслуживании оборудования, нарушениями технологического процесса, авариями, а также испарением газообразных веществ из технологической системы водоснабжения и из сточных вод.

Из всех видов химических производств наибольшее загрязнение дают те, где изготавливаются или используются лаки и краски. Это связано с тем, что лаки и краски часто изготавливают на основе алкидных и иных полимерных материалов, а также нитролаков, обычно они содержат большой процент растворителя. Выбросы антропогенных органических веществ в производствах, связанных с применением лаков и красок составляет 350 тыс. т в год, остальные производства химической промышленности в целом выделяют 170 тыс. т год.

В отличие от стационарных источников загрязнение воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически всегда имеет локальный характер. Так, концентрации загрязнений, производимых автомобильным транспортом, быстро уменьшаются по мере отдаления от транспортной магистрали, а при наличии достаточно высоких преград (например, в закры­тых дворах домов) могут снижаться более чем в 10 раз.

В целом выбросы автотранспорта значительно более токсичны, чем выбросы, производимые стационарными источниками. Наряду с угарным газом, окислами азота и сажей (у дизельных автома­шин) работающий автомобиль выделяет в окружающую среду бо­лее 200 веществ и соединений, обладающих токсическим дейст­вием. Среди них следует выделить соединения тяжелых металлов и некоторые углеводороды, особенно бензапирен, обладающий вы­раженным канцерогенным эффектом.

Несомненно, что в ближайшем будущем загрязнение воздуш­ного бассейна городов автомобильным транспортом будет пред­ставлять наибольшую опасность. Это объясняется главным обра­зом тем, что в настоящее время еще не существует кардинальных решений данной проблемы, хотя нет недостатка в отдельных тех­нических проектах и рекомендациях.

Кратко охарактеризуем ос­новные направления решения проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды автотранспортом.

Совершенствование двигателя внутреннего сгорания.

Это тех­нически вполне реальное направление может снизить удельное потребление топлива на 10—15%, а также уменьшить объемы вы­бросов на 15—20%. Бесспорно, что этот путь может стать весьма эффективным в самое ближайшее время, поскольку не требует серьезных перестроек ни в автомобилестроении, ни в системе об­служивания и эксплуатации автомобиля. Здесь следует лишь учесть то, что реальный экологический эффект этих мероприятий не столь высок, как представляется на первый взгляд, поскольку, например, снижение объемов выбросов угарного газа в значитель­ной мере восполняется увеличением выбросов окислов азота.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топ­ливо.

Существующий многолетний опыт эксплуатации автомобиля на пропан-бутановых смесях показывает высокий экологический эффект. В автомобильных выбросах резко снижается количество угарного газа, тяжелых металлов и углеводородов, однако уровень выбросов окислов азота остается достаточно высоким. Кроме того, применение газовых смесей пока возможно лишь на грузовых ав­томобилях и требует налаживания системы газозаправочных стан­ций, поэтому возможности данного решения в настоящее время еще ограничены.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топ­ливо часто рекламируется как чуть ли не идеальное решение проблемы, однако при этом часто забывают, что окислы азота об­разуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объемов водорода связаны с большими техническими трудностями, небезопасны и весьма накладны в эко­номическом отношении. В городе, насчитывающем несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водо­рода, одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения громадных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью запра­вочных станций, то такой город был бы весьма небезопасен для его жителей. Даже если предположить, что будет найдено эконо­мически приемлемое решение проблемы хранения водорода (в том числе в самих автомобилях) в связанном состоянии, то эта проб­лема, по нашему мнению, едва ли будет перспективной в ближай­шие десятилетия.

Замена автомобиля электромобилем также весьма интенсивно рекламируется в популярной литературе, однако в настоящее время она столь же мало реальна, как и предыдущее предложе­ние. Во-первых, даже самые совершенные аккумуляторы наряду со значительным собственным весом, ухудшающим параметры ав­томобиля, требуют для своей зарядки энергии в несколько раз больше, чем ее затрачивает при равной работе обычный автомо­биль. Тем самым электромобиль, являясь самым расточительным, в энергетическом отношении, средством транспорта, снижая загрязнение среды в месте своей эксплуатации, резко увеличивает его в месте производства энергии. Во-вторых, производство акку­муляторов требует значительного количества ценных цветных ме­таллов, дефицит которых растет едва ли не быстрее, чем дефицит нефти и газа. И, в-третьих, электромобиль, практически «чистый» для городской улицы, не является таковым для самого автомоби­листа, поскольку при работе аккумуляторов происходит постоян­ное выделение многих токсичных веществ, которые неизбежно по­падают в салон электромобиля. Даже если предположить, что все вышеуказанные проблемы были бы технически разрешены, следует учесть, что на перестройку всей автомобильной промышленности, смену автопарка, перестройку систем обслуживания и эксплуата­ции транспортных средств потребовались бы не один десяток лет и несколько десятков, если не сотен миллиардов долларов. Поэтому аккумуляторный автомобиль едва ли сможет стать перспективным решением проблемы загрязнения окружающей среды автотранс­портом.

Помимо разобранных выше существуют десятки других техни­ческих решений, многие из которых доводятся до опытных образ­цов. Среди них есть как бесперспективные, например автомобиль с маховиковым аккумулятором, который может хорошо двигаться лишь по идеально ровной и прямой дороге – в противном случае гироскопический эффект маховика будет серьезно мешать управ­лению, так и достаточно перспективные «гибридные» конструкции. Среди последних весьма любопытна идея грузового троллейбуса с аккумулятором для межлинейных передвижений, реализация ко­торой, при условии совершенствования токоприемников и реконст­рукции токоприводов, может резко уменьшить загрязнение воздуш­ного бассейна, в особенности в центрах городов.

Помимо совершенствования самих средств транспорта серьез­ный вклад в снижение загазованности атмосферы городов могут внести планировочные мероприятия, мероприятия по совершенст­вованию управления автомобильными потоками и мероприятия по рационализации перевозок внутри города. Создание в городах еди­ной автоматизированной системы управления перевозками может резко снизить пробег автомобилей в черте города и соответственно уменьшить загрязнение его воздушного бассейна.

Результатом загрязнения атмосферы становится такое характерное для множества крупных городов явление, как фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят: озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединенияперекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и, в течение не менее суток, повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Характеризуя загрязнение воздушного бассейна города, необ­ходимо упомянуть о том, что оно подвержено заметным колебани­ям, вызываемым как погодными условиями, так и режимом рабо­ты предприятия и автотранспорта.

Как правило, загазованность атмосферы днем больше, чем ночью, зимой больше, чем летом, но и здесь встречаются исклю­чения, связанные, например, с фотохимическим смогом в летнее время или образованием над городом застойных масс загрязнен­ного воздуха в ночное время. Для городов, расположенных в раз­личных климатических зонах и находящихся в специфических ландшафтных условиях, характерны различные типы критических си­туаций, во время которых загазованность атмосферы может дости­гать критических значений, но во всех случаях они связываются с продолжительной безветренной погодой.

Загрязнение атмосферного воздуха является самой серьезной экологической проблемой современного города, оно наносит зна­чительный ущерб здоровью горожан, материально-техническим объектам, расположенным в городе (зданиям, объектам, сооруже­ниям, промышленному и транспортному оборудованию, коммуни­кациям, промышленной продукции, сырью и полуфабрикатам) и зеленым насаждениям.

Многие техногенные вещества, попадающие в воздушную среду городов, являются опасными загрязнителями. Они наносят ущерб здоровью людей, живой природе, материальным ценностям. Некоторые из них в силу длительного существования в атмосфере переносятся на большие расстояния, из-за чего проблема загрязнения превращается из локальной в международную. В основном это касается загрязнений окислами серы и азота. Быстрое накопление этих загрязнителей в атмосфере Северного полушария (годовой прирост 5%) породило такое явление, как кислые и подкисленные осадки. Они подавляют биологическую продуктивность почв и водоемов, особенно тех из них, которые обладают собственной высокой кислотностью. Разберем для примера лишь воздействие загрязнения воздуш­ного бассейна на материально-технические объекты только одним компонентом – сернистым газом, выбрасываемым в атмосферу го­родов при сжигании топлива.

Как показывают многочисленные исследования, повышенная концентрация сернистого газа в воздухе резко увеличивает корро­зию металлов. Так, по данным шведских исследователей, особенно интенсивной является коррозия углеродистой стали в городах со значительным увлажнением воздуха и в особенности прилегаю­щих к морским побережьям. Так, в Стокгольме наблюдается уве­личение скорости коррозии в сравнении с Кируной, находящейся в субарктической зоне, более чем в 15 раз. Хромированные покры­тия в тех же условиях разрушаются в 2-3 раза быстрее.

Легко заметить, что с удорожанием стоимости промышленного оборудования и промышленной продукции ущерб, наносимый за­грязнением воздушного бассейна, будет неуклонно возрастать. Более того, оказывается, что уже сейчас целый ряд наиболее пере­довых отраслей промышленности, таких как электроника, точное машиностроение и приборостроение, испытывают серьезные за­труднения в своем развитии на территории городов. Предприятиям этих отраслей приходится затрачивать немалые средства на очист­ку воздуха, поступающего в цеха, и, несмотря на это, на производ­ствах, расположенных в крупных городах, нарушения технологии, вызванные загрязнением воздушного бассейна, учащаются с каж­дым годом. Но даже если в цехах при производстве высокоточной и высококондиционной продукции можно создать условия, близ­кие к идеальным, то, выходя за пределы цеха, она начинает под­вергаться разрушающему воздействию загрязняющих веществ и может быстро терять свое качество.

Таким образом, загрязнение воздушного бассейна становится реальным тормозом научно-технического прогресса в городах, дей­ствие которого будет постоянно усиливаться по мере повышения требований к чистоте технологий, росту точности промышленного оборудования и распространению микроминиатюризации.

Подобный же рост ущерба наблюдается при ускоренном разрушении фа­садов зданий в загрязненной атмосфере городов.