МОДУЛЬ 3. СОСТОЯНИЕ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ГОРОДА

Комплексная цель– раскрыть причины изменения состава воздушного бассейна городов, выявить основные источники загрязнения и определить пути сокращения и/или прекращения загрязнения атмосферы городов.

Для большинства крупных городов характерно чрезвычайно сильное и интенсивное загрязнение атмосферы. Можно с высокой достоверностью утверждать, что большинство загрязняющих агентов (а их в городе насчитывается сотни) в той или иной степени превышают предельно допустимые концентрации. Более того, поскольку в городе наблюдается одновременное воздействие множества загрязняющих агентов, их совместное действие может оказаться ещё более значительным. Широко распространено мнение о том, что с увеличением размеров города возрастает и концентрация загрязняющих веществ в его атмосфере. Однако в действительности, если рассчитать 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 объёмов 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 численнос-

ти его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций

загрязнения в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентрации загрязнения в периферических районах, она резко увеличивается в зонах крупных промышленных предприятий и, в особенности, в центральных районах. В них, несмотря на отсутствие в них крупных промышленных предприятий, как правило, всегда наблюдаются повышенные концентрации загрязнителей атмосферы. Это вызывается тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранспорта. Кроме того, в центральных районах атмосферный воздух обычно на несколько градусов выше, чем в периферийных, что приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязнённый воздух из промышленных районов, расположенных в 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.

Стационарные источники выбрасывают в воздух сернистый газ (150 т в сутки в расчёте на 500 тыс. населения во время отопительного сезона), оксиды азота (100 т в сутки при том расчёте). Кроме этого они выбрасывают некоторое количество оксида углерода, фенолов, серной кислоты и других загрязняющих веществ в зависимости от специфики промышленного производства города и состава используемого в нём топлива. Относительно недавно стационарные источники выбрасывали в атмосферу значительное количество пыли разнообразного химического состава. Но в настоящее время существующие газоочистные установки задерживают более 95% всех твёрдых частиц, образующихся при сгорании топлива, но практически не улавливают

газовых составляющих.

Другой особенностью стационарных источников является то, что их выбросы в атмосферу, в отличие от мобильных источников, происходят, как правило, на большой высоте, что приводит к тому, что производимые ими загрязнения распространяются на большой территории (в зависимости от высоты труб). Эти зоны, накладываясь друг на друга, образуют области устойчивых загрязнений в промышленных районах города, распространяющихся на высоту до 150 м и более.

Как уже указывалось, доля стационарных источников загрязнения атмосферы городов имеет тенденцию к неуклонному сокращению и это объясняется не столько ростом автомобильного парка, сколько тем, что уменьшить объём выбросов у стационарных источников значительно проще, чем у автомобилей. Оно производится одновременным проведением ряда мероприятий:

введением центрального отопления, ликвидацией мелких котельных, газификацией промышленного производства и топливно-энергетического комплекса, установкой газоочистительных систем. Важно отметить, что существующие ныне проекты сероулавливающих установок позволяют уже в ближайшее время превратить крупные города в мощные источники производства серосодержащих соединений и в первую очередь серной кислоты. Так, при утилизации 90% сернистого газа, сбрасываемого ныне в атмосферу, можно получать до 170 – 180 т серной кислоты в сутки во время отопительного сезона в расчёте на город с 500 тыс. населения.

В настоящее время большие надежды в области охраны воздушного бассейна связываются с максимальной газификацией промышленности и топливно-энергетического комплекса. Однако эффект газификации не следует преувеличивать. Дело в том, что перевод твёрдого топлива на газ, конечно. резко снижает объёмы серосодержащих выбросов, но увеличивает выбросы оксидов азота, утилизация которых ещё является технически проблематичной. Сходная ситуация складывается и при сокращении выбросов оксида углерода, являющегося продуктом неполного сгорания топлива. Совершенствуя режимы горения, можно свести выбросы угарного газа до минимума, но одновременно с повышением температуры увеличивается и окисление атмосферного азота, приводящее к росту объёмов оксидов азота, сбрасываемых в атмосферу.

В отличие от стационарных источников загрязнение воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически имеет локальный характер. Так, концентрации загрязнений, производимых автомобильным транспортом, быстро уменьшается 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, оксидами 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 тяжёлых металлов и некоторые углеводороды, особенно бензпирен, обладающих выраженным канцерогенным эффектом.

Главными источниками загрязнения атмосферы являются: 1) тепловые электростанции и теплоцентрали, сжигающие органическое топливо; 2) транспорт; 3) чёрная и цветная металлургия;4) машиностроение; 5) химическое производство; 6) добыча и переработка минерального сырья; 7) открытые источники (добыча, сельскохозяйственные пашни, строительство).

Конкретные загрязняющие вещества, поставляемые в атмосферу различными отраслями промышленности, приведены в таблице 1.

Состав загрязняющих веществ определяется разнообразием исходного сырья и технологией его переработки, представлен следующими данными: оксид углерода – 28% суммарного выброса в атмосферу, диоксид серы – 16,3%, оксиды азота – 6,8%, аммиак – 3,7%, бензин – 3,3%, сероуглерод – 2,5 %, сероводород – 0,6%, толуол – 1,2%, ацетон – 0,95%, бензол – 0,7%, дихлорэтан – 0,6%.серная кислота 0,3% (Гутенёв и др.,2007).

Следует отметить, что в последние годы выбросы в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями снизились из-за существенного спада ряда производств.

Загрязнение атмосферы имеет два аспекта: воздействие на состояние экосистем и здоровые человека. Первое определяется выбросом парниковых газов (диоксида углерода и метана), возникающих в результате разрушения

биоты, а также оксидов серы и азота, вызывающих кислотные дожди, второе – выбросом в атмосферу вредных веществ и пылевых частиц. В связи с уменьшением производства в России наблюдается снижение выбросов СО₂: Вклад России в мировую эмиссию составляет порядка 7%, Китая (12%), США (22%), Европы (24%).

Самыми распространенными токсическими веществами, загрязняющими атмосферу являются оксид углерода CO, диоксид серы SO₂, оксид азота NO_х, углеводороды C_nH_m и пыль.

Примерный относительный состав вредных веществ в атмосфере больших промышленных городов, % CO – 45; SO_х – 18; C_nH_m – 15; пыль – 12; NO_х – 10.

Превышение концентраций токсических веществ в загрязненном атмосферном воздухе над фоновыми в среднем составляют: по оксиду углерода CO 80/1250_х и более; по SO₂ – 50/300; по NO₂ до 25; по O₃ до 7 раз.

Кроме указанных соединений в атмосферу выбрасываются и другие токсические вещества. Например, вентиляционные выбросы заводов электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и др. минеральных кислот, органические растворители и др.

В настоящее время насчитывается более 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, и их количество все увеличивается.

Источники загрязнения атмосферы:естественные загрязнители минерального, растительного, животного или микробиологического происхождения;

загрязнители, образующиеся при сжигании топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, при работе всех видов транспорта; загрязнители, образующиеся в результате промышленных выбросов; загрязнители, обусловленные сжиганием и переработкой бытовых и промышленных отходов.

В загрязнении воздуха может участвовать один или одновременно несколько источников. Установление характера загрязнения, создаваемого даже одним источником является сложной задачей. Это обусловлено тем, что он может выделять множество самых разнообразных загрязнителей, количество которых изменяется во времени в зависимости от условий работы, используемого сырья, применяемой технологии, климатических данных, а также в связи с тем, что контрольная аппаратура и организация замеров не всегда позволяют получить между собой результаты.

Задача особенно усложняется при необходимости выявления комплекса загрязнителей и оценке их содержания в воздухе индустриальной или городской зоны, расположенной в непосредственной близости от целого ряда природных и промышленных выделений этих загрязнителей.

Несомненно, что в ближайшем будущем загрязнение воздушного бассейна городов автомобильным транспортом будет представлять наибольшую опасность. Это объясняется главным образом тем, что в настоящее время ещё 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.

Совершенствования двигателя внутреннего сгорания. Это технически вполне реальное направление может снизить удельное потребление топлива на 10-15%, а также уменьшить объёмы выбросов на 15-20%. Бесспорно, что этот путь может стать весьма эффективным в самое ближайшее время, по-

скольку не требует серьёзных 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 объёмов выбросов угарного газа в значительной мере восполняется увеличением выбросов оксидов 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, тяжёлых металлов и углеводородов, однако уровень выбросов оксидов азота остаётся 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 ещё ограничены.

Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топливо часто рекламируется как чуть ли не идеальное решение проблемы. Однако при этом часто забывают, что оксиды азота образуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объёмов водорода связаны с огромными трудностями, небезопасны и весьма накладны в экономическом отношении. В городе, насчитывающим несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водорода. Одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения огромных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью заправочных станций, то такой город был бы весьма не безопасен 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, ухудшают параметры автомобиля. Они требуют для своей зарядки энергии в несколько раз больше, чем её 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 растёт 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 токсических 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 ни один десяток лет и несколько десятков, если не сотен миллиардов рублей. Поэтому аккумуляторный автомобиль едва ли сможет стать перспективным решением проблемы загрязнения окружающей среды автотранспортом.

Однако в последнее время появляются как экспериментальные, так и эксплуатационные модели автомобилей, имеющие «гибридные» двигатели (двигатель внутреннего сгорания + электродвигатель с аккумуляторами). Появились даже чистые электромобили. Стали также появляться автомобили с двигателями, работающими на смеси бензина с этанолом и с двигателями, заправляемыми органическим топливом (органические масла и т.п.). Суть в том, что автомобили, имеющие гибридные двигатели, в «пробках» могут Работать как электромобили. Это снижает загазованность на городских дорогах. Двигатели на органическом топливе имеют менее токсичный выхлоп.

Помимо совершенствования самих средств транспорта серьёзный 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.

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

Как правило, загазованность атмосферы днём 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 загрязнённого 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 серьёзной 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 зелёным насаждениям.

Разберём для примера лишь воздействие 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 шведским исследователей, особенно интенсивной является коррозия углеродистой стали в городах со значительным увлажнением воздуха и особенно прилегающим к морским побережьям. Так, в Стокгольме наблюдается увеличение скорости коррозии в сравнении с Кируной, находящийся 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. Подобный же рост ущерба наблюдается при ускоренном разрушении фасадов зданий в загрязнённой атмосфере городов. Более того, оказывается, что уже целый ряд наиболее передовых отраслей промышленности, таких как электроника, точное машиностроение и приборостроение, испытывают серьёзные затруднения в своём 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 своё 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.