Загрязнение воздушной среды

Суда и многие другие транспортные средства являются достаточно активными источниками загрязнения воздушного бассейна углеводородами, оксидами углерода, азота, серы, фенолами, альдегидами, спиртами, кетонами, твердыми частицами (сажа), тяжелыми металлами (свинец и его соединения).

С гигиенических позиций опасность загрязнения воздуха вредными веществами можно оценить с помощью ПДК и по данным об изменениях показателей здоровья населения.

Загрязняющие вещества в атмосфере находятся в газообразном и аэрозольном состоянии.

Отработавшие газы (ОГ) двигателей транспортных средств (ДТС) наносят существенный вред окружающей среде, биоте и здоровью человека. В их составе содержатся общеядовитые, удушающие компоненты (оксид углерода), компоненты раздражающего характера (оксиды серы, азота), мутагенные (тяжелые металлы, альдегиды, алколоиды), канцерогенные соединения (углеводороды, бенз(А)пирен), сажа (твердые частицы) и другие (табл. 6).

Таблица 6 - Токсические компоненты отработанных газов

Из трех метеорологических компонентов - скорость воздуха, температура, относительная влажность, наиболее существенной в образовании опасных зон является относительная влажность. Если в сухом нейтральном воздухе скорость окисления 80₂ до БОз составляет 2% в час, то повышение влажности воздуха до максимальной приводит к снижению конверсии до 6-0,1% в час.

При тумане суммарное количество загрязняющих компонентов в газовой фазе и каплях тумана выше, чем при его отсутствии. Кроме химических реакций в атмосферном воздухе постоянно происходят массообменные и фотохимические процессы, в которых участвуют такие газы, как озон, двуокись азота, сернистый ангидрид. Наибольшее значение имеет фотохимия озона.

В двигателях внутреннего сгорания ежегодно сжигается сотни тысяч тонн топлива и масла. При этом с отработавшими газами выбрасываются десятки тысяч тонн токсикантов.

К 60-м годам вред, наносимый окружающей среде и человеку ОГ, стал ограничиваться законодательными актами. В Западной Европе действует законодательный документ ЕЭК ООН, в США в 1973 г. введен федеральный стандарт на ограничение дымности и газовыделения токсикантов с ОГ, запрет на использование этилированного бензина.

Основные пути снижения концентрации токсикантов в ОГ дизелей:

- оптимизация энергетического состояния воздушного заряда;

- улучшение экономических и экологических характеристик дизеля путем повышения давления впрыска топлива;

- улучшение качества топлива для судовых дизелей, разработка присодок к топливу, повышающих цетановое число компаундированного дизельного топлива, интенсифицирующих процесс окисления, воспламенения;

- задержка воспламенения топлива и влияние ее на полноту сгорания и состав ОГ дизел1в;

- улучшение показателей смесеобразования дизельного топлива с воздухом;

- снижение уровня токсичности ОГ за счет ввода воды в дизельное томливо;

- впрыск метанола непосредственно в камеру сгорания дизельного топлива;

- снижение уровня токсичности ОГ с помощью нейтрализаторов.

Существует несколько способов нейтрализации:

- термический;

- каталитический;

- абсорбционный;

- комбинированный.

Термическая нейтрализация основана на дожигании продуктов неполного сгорания в конечные - диоксид углерода, вода, серный ангидрид. Оксиды азота при таком способе практически не снижаются.

Каталитическая нейтрализация используется для снижения концентрации токсикантов при окислительных (СОг, СН₃, S0₂) и восстановительных реакциях (разложение N02). Каталитические нейтрализаторы ускоряют окислительно- восстановительные процессы.

Термические и каталитические нейтрализаторы чаще всего используются в бензиновых двигателях, т. к. в ОГ содержится значительно больше токсикантов - вредных соединений неполного сгорания. В последнее время каталитическая нейтрализация нашла применение и на дизелях. Содержание кислорода в ОГ превышает 10%, а содержание оксида углерода - не более 0,1-0,2%. Наличие сажи в ОГ дизелей создает дополнительные трудности для использования каталитических нейтрализаторов, т. к. сажа быстро забивает нейтрализатор и снижает эффективность его работы, приходится периодически выжигать сажу при 500°С или устанавливать перед катализатором специальную ловушку.

При эксплуатации дизелей с каталитическими нейтрализаторами на алюмо- платиновом катализаторе 111 ПК-2 достигнута степень очистки по оксиду углерода 30-100%, по альдегидам 80-100%, по дожигу сажи 60-100%.

Отработанные газы дизелей также очищают с помощью адсорбционных нейтрализаторов со специальным химическим реагентом.

Атмосферный воздух загрязняется также в результате транспорта сыпучих, твердых и жидких материалов.

Наиболее эффективным считается транспорт на судах сыпучих материалов (удобрения, сера, руда, уголь) в герметических контейнерах, установка локальных систем вентиляции и очистки газовоздушных сред от пыли.

При транспорте нефтепродуктов на судах кроме загрязнения водного бассейна нефтесодержащими водами существенная эмиссия нефтепродуктов происходит также в воздушный бассейн за счет испарения нефтепродуктов. Более 30% потерь углеводородов приходится вследствие испарения, распределения и заправки двигателей транспортных средств.

При транспортировке, хранении, перевалках нефтепродуктов и заправках топливом ДТС в атмосферу выделяются углеводороды - компоненты «парникового» эффекта. Помимо прямого ущерба окружающей среде это приводит к истощению невозобновимого сырья.

В атмосферном воздухе под действием внешних и внутренних факторов постоянно протекают гидродинамические, тепловые, электромагнитные, химические и фотохимические процессы, от которых зависит температура, давление, скорость перемещения воздушных масс и его химический состав. Атмосфера на сотни километров простирается вокруг Земли, ее масса составляет 5,3 • 10¹⁵ тонн. Это 1 • 10"⁶ массы нашей планеты. Плотность, влажность, давление, температура, скорость перемещения и химический состав атмосферы неодинаковы и зависят от высоты слоя атмосферы над Землей.

Условно атмосферный воздушный бассейн можно разделить на пять сфер:

- тропосфера;

- стратосфера;

- мезосфера;

- термосфера;

- экзосфера.

Природный состав атмосферного воздуха необходимо знать для того, чтобы своевременно определить новые загрязнители, которые могут поступить в атмосферу вследствие антропогенной деятельности.

Источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяют на две группы:

- природные;

- антропогенные.

К природным относятся - лесные пожары, пыльные бури, землетрясения, ураганы, морские бури, космическая пыль, извержения вулканов.

К антропогенным - промышленность, транспорт, сельское хозяйство, военно-промышленный комплекс.

К основным загрязнителям атмосферного воздуха относятся оксиды серы и азота (компоненты кислотных дождей), пыль, монооксид углерода.

Выбросы вредных веществ в атмосферу характеризуются по четырем признакам:

- по агрегатному состоянию;

- по химическому составу;

- по размеру частиц;

- по массе выброса.

Вредные вещества классифицируются по следующим признакам:

- по характеру действия;

- по степени опасного воздействия на человека.

По характеру действия на человека вредные вещества делят на:

1. Нервно-паралитические - аммиак, анилин, сероводород, тетраэтилсвинец.

2. Раздражающие - хлор, аммиак, сернистый ангидрид, оксиды азота.

3. Общеядовитые - синильная кислота, мышьяк, соли ртути, фосфор­содержащие соединения.

4. Удушающие - фосген, оксид углерода, ацэтилен, инертные газы.

5. Прижигающие - Кислоты, щелочи, ангидриды.

6. Наркотические - бензол, эфиры, дихлорэтан, ацетон.

7. Мутагенные - соединения свинца, ртути, хлора, углеводороды ароматические.

8. Канцерогенные - каменноугольная смола, бензапирен.

9. Аллергены - соединения никеля, алколоиды.

По степени опасного воздействия на человека вредные вещества делят на:

1. Чрезвычайно-опасные (первый класс) - ПДК 0,1 мг/дм³

2. Высокоопасные (второй класс) - ПДК - 0,1 -1,0 мг/дм³

3. Умеренно-опасные (третий класс) - ПДК - 1,0 - 10,0 мг/дм³

4. Малоопасные (четвертый класс) - ПДК -10,0 мг/дм³ и выше.

Для обеспечения экологической безопасности, создания нормальных, здоровых условий труда и отдыха разработаны предельные уровни загрязнения воздушного бассейна - предельно-допустимые концентрации (ПДК). ПДК нормируются в рабочей зоне, в населенной местности. ПДК в населенной местности подразделяются на общие, средне-суточные, максимально-разовые.

ПДК в рабочей зоне - это максимальная концентрация вредного вещества, которая в течение ежедневной работы (кроме выходных и праздничных дней) не более 8 часов в сутки, не более 41 часа в неделю не ухудшает состояние здоровья, не приводит к дискомфортности труда, а при длительном воздействии не приводит к профессиональным заболеваниям.

Известны следующие способы очистки выхлопных газов судовых установок от вредных токсических компонентов:

-абсорбционный;

-адсорбционный;

-диффузионный;

-высокотемпературный, термический;

-каталитический.

Предельно-допустимый выброс ПДВ, мг/с определяется по уравнению:

ПДВ = М = Свв • Угвс, мг/час, (6)

где Свв - концентрация вредного вещества в сбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси, мг/мз;

Угвс - нагрузка по газовоздушной смеси, сбрасываемой в атмосферу, м7час.

Для каждого предприятия устанавливается конкретная величина ПДВ, выше которой сброс недопустим.

В следствие сгорания моторного топлива в судовых энергосиловых установках образовываются отработанные газы, которые содержат сажу, оксиды серы, азота, углерода, углеводороды. По условиям экологической безопасности отработанные газы перед выбросом в атмосферу должны быть очищены до безопасного уровня.

Предельнодопустимый выброс (ПДВ), мг/с, определяется по уравнению:

ПДВ = М = C_{i *} Vor, мг/с, (7)

где C_i - концентрация вредного вещества i - того вида в отработанных газах, мг/м³;

V_or - расход отработанных газов, м³/с.

При этом необходимо учитывать концентрацию вредных веществ в воздухе от других источников, чтобы поддерживалось условие:

Ci + Ci^ф<ПДKi^C/c (8)

где Ci^ф - фоновая концентрация i - того вещества в атмосферном воздухе, мг/м³.

Промышленные объекты размещаются с подветрянной стороны от жилищных массивов и отделены санитарно-защитными зонами (СЗС).

Размеры санитарно-защитных зон, X, м, устанавлены согласно «Санитар­ных норм проектирования промышленных предприятий». Полученный по расчетам размер СЗС должен бьггь скорректирован на рот/ ветров данного района по формуле:

X = Xj • P/Po (9)

где Xj - расчетное расстояние от источника загрязнения до границы СЗС без учета поправки на розу ветров, м;

Р - среднегодовая повторяемость направлений ветров данного румба, %;

Р₀ - повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %.

Если размер СЗС для предприятия больше установленного, то необходимо пересмотреть проект предприятия и обеспечить снижение выброса вредных веществ или увеличить высоту выброса, обеспечить требования норм по чистоте водного бассейна в зоне жилых строений.