Загрязнение окружающей среды

Загрязнение – это результат экспоненциального роста и развития народа. Так или иначе, оно ухудшает качество человеческой жизни и создает дисбаланс в экологии.

1. Загрязнение окружающей среды опасными отходами

Загрязнение – это результат прогресса и развития, который происходит на регулярной основе. Стремительно развиваются технологии, чтобы улучшить качество человеческой жизни. Все это, несомненно, обеспечивает высокий уровень комфорта и богатую жизнь всем людям, но существенно уменьшает качество человеческого здоровья; необходимость иметь хорошую и здоровую окружающую среду игнорируется.

Рис. 1. Загрязнение окружающей среды опасными отходами

Много новых изобретений и нововведений представляют угрозу для жизни человека, поскольку они созданы искусственно. Этот искусственный и бессистемный путь обеспечения наилучших условий для жизни создает компоненты, необходимые для человеческой жизни. Какую бы вещь мы не взяли, будь то вещи первой необходимости, такие как одежда или даже еда, они сейчас производятся синтетическим путем. Однако достаточно одного пристального взгляда на экологию, чтобы понять, что увеличение нужд современного уклада жизни в конечном итоге нарушает баланс в экологии (рис. 1).

Далее представлены наиболее распространенные виды загрязнения окружающей среды, которые постепенно вызывают у людей различные заболевания.

1.1. Шумовое загрязнение

Любой шум, который неприятен для человеческого слуха, является шумовым загрязнением. Громкие и резкие звуки, издаваемые фабриками, машинным оборудованием, поездами, автомобилями, тресканьем от нагревания и взрывами тоже являются шумовым загрязнением. Оно также вызывается некоторыми природными катаклизмами, такими как ураганы и извержения вулканов. Как природные, так и антропогенные факторы, создающие шумовое и звуковое загрязнение, влияют на здоровье человека.

Они вызывают раздражение, проблемы со слухом и головную боль. Но это еще не главные проблемы, ведь совсем невыносимые звуки могут быть очень опасны, поскольку из-за них увеличивается уровень холестерина, сужаются артерии, усиливается приток адреналина, учащается сердцебиение. Все эти факторы опасны для жизни, ведь они могут привести к инфаркту и инсульту.

1.2. Загрязнение воды

Любые вредные компоненты и вещества, попадающие в тот или иной водный объект, такой как реки, океаны, пруды, водоемы и ручьи, приводят к загрязнению воды. Многие виды человеческой деятельности, такие как стирка, химчистка и сброс отходов, вносят значительный вклад в загрязнение водной среды. Мыло и моющие средства, которыми мы пользуемся ежедневно, также сделаны из вредных химикалий и синтетических материалов, которые очень сильно загрязняют воду. Кроме того, выброшенные отходы: канистры, бутылки и пластмассовые материалы, также представляют опасность. Это не только разрушает морскую флору и фауну, но также опасно для человеческой жизни. Такая загрязненная вода непригодна для питья, использования в сельском хозяйстве и даже в промышленности.

1.3. Атмосферное загрязнение

Воздушное загрязнение вызывается выбросом вредных веществ в атмосферу. Одним из ключевых факторов является загрязнение автомобильными выхлопами. С развитием технологий, число транспортных средств на дорогах неимоверно увеличивается, что, в конечном итоге, повышает уровень атмосферного загрязнения. Не говоря уже о том, что различные отрасли промышленности, такие как цементная, сталелитейная, угледобывающая, нефтехимическая и теплоэлектростанции, также вырабатывают вредные вещества, которые выбрасываются в атмосферу. Этот вид загрязнения наносит вред защитному озоновому слою в атмосфере. Этот слой защищает землю от вредного влияния ультрафиолетовых лучей, а его утончение влечет за собой угрозу человеческой жизни.

1.4. Радиоактивное загрязнение

Радиоактивное загрязнение встречается редко, но наносит большой вред.

Оно является следствием аварий, произошедших на ядерных электростанциях, неправильной утилизации ядерных отходов, работ на урановых рудниках.

Радиоактивное загрязнение вызывает рак, различные врожденные отклонения и многие другие серьезные проблемы со здоровьем.

1.5. Загрязнение почвы

В наши дни в сельском хозяйстве используются многие искусственные вещества и синтетические пестициды.

Они выделяют загрязняющие вещества, которые создают дисбаланс в почве, а также препятствуют естественному росту растений, выращиваемых в загрязненной земле.

Ключевой фактор, способствующий загрязнению почвы – это сточные канавы, вредные отбросы, неправильная сельскохозяйственная деятельность, использование неорганических пестицидов, вырубка леса, открытые горные работы и такая человеческая деятельность, как сброс отходов и замусоривание.

1.6. Загрязнение в городах

Серьезнейшим источником загрязнения атмосферного воздуха в наше время стал автомобильный транспорт (рис. 2). Это особенно заметно в больших городах.

Основным следствием роста числа автотранспорта является рост антропогенного воздействия на окружающую среду и, прежде всего, на атмосферу застроенных территорий.

Выбросы автомобилей, прежде всего, опасны тем, что поступают непосредственно в приземный слой атмосферы, где скорость ветра незначительна и поэтому газы плохо рассеиваются.

Рис. 2. Выбросы автомобилей

В число самых грязных городов России из-за экстремальной плотности выбросов в атмосферу с промышленных предприятий входят:

1. Норильск, Заполярный, Карабаш и Сатка, где цветная металлургия продолжает опираться на устаревшие технологии.
2. Стрежевой (Томская область), где процветает нефтедобыча.
3. Мышкин, Полысаево (места расположения газокомпрессорных станций).

Самые высокие показатели плотности загрязнения атмосферы отмечаются в населенных пунктах, на территории которых располагаются крупнейшие в России угольные государственные районные электростанции: Рефтинская ГРЭС (поселок Рефтинский, Свердловская область) и Троицкая ГРЭС (город Троицк, Челябинская область). Таким образом, получается, что самый грязный город России, с экологической точки зрения, это Троицк.

80 % увеличения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу страны в 2006 году явилось заслугой всего 5 технически устаревших государственных районных электростанций: Троицкой, Рефтинской, Новочеркасской, Каширской и Киришской.

2. Выхлопные газы

Выхлопные газы (или отработавшие газы) – основной источник токсичных веществ двигателя внутреннего сгорания – это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны. Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты.

Современные требования к двигателям внутреннего сгорания становятся все строже, из-за чего приходится совершенствовать устройства, очищающие выхлопные газы. Например, в Калифорнии (США), где велика концентрация машин, действуют такие нормы, что если их машина попала бы на наши дороги, то содержание вредных веществ в выходящих из ее «дымохода» выхлопных газах было бы меньше, чем количество вредоносных веществ, содержащихся в воздухе, попадающем в мотор, то есть по улице ездил бы «очиститель воздуха».

Почему же безукоризненно работающий двигатель внутреннего сгорания вообще производит загрязняющие воздух вещества?

В бензиновых и дизельных двигателях используется абсолютно разное топливо, в котором больше всего содержится углеводородов (CH). Помимо прочего, топливо содержит различные добавки и присадки для увеличения октанового числа. При реакции соединений оксида углерода (CO) с кислородом получается диоксид углерода или углекислый газ (CO₂) и водяной пар (H₂O). В результате неполного сгорания (табл. 1) выхлопные газы содержат больше или меньше вредных веществ.

Неполное сгорание может быть обусловлено малым временем горения топлива в цилиндре, отличием температуры горения (обогащенная смесь, из-за чего возрастает температура горения), отличием температуры попадающего в двигатель воздуха (если воздух берется из-под капота, где температура поднялась до 70 °C, то в таком расширенном воздухе количество кислорода меньше, чем в 25-градусном воздухе снаружи), ошибками в системе зажигания и прочими факторами – все это влияет на количество содержащихся в выхлопных газах вредных веществ.

Таблица 1. Состав выхлопных газов

Как известно, в воздухе содержится 78 % азота (N₂) и 21 % кислорода (O₂), оставшийся 1 % составляют прочие газы.

Для того, чтобы при сгорании топливной смеси в двигателе образовывалось минимальное количество вредных выбросов, топливная смесь должна иметь такую консистенцию, чтобы на 1 кг бензина расходовалось 14,7 кг (а не литров) воздуха.

Выражая то же соотношение в литрах: 1 л бензина, смешанный с 9500 л воздуха (данные: BOSCH Gasoline-Engine Management).

Содержащиеся в выхлопных газах компоненты можно поделить на вредные и безвредные.

Безвредные:

• азот N₂;
• кислород O₂;
• диоксид углерода CO₂;
• водяной пар H₂O.

Кислород всегда присутствует в выхлопных газах. Если бы большая его часть не использовалась, то смесь была бы слишком слабой или же проблемы возникали бы при правильном смешивании кислорода и топлива. При нормальном сгорании содержание остаточного кислорода в выхлопных газах крайне мало, так как большая его часть была израсходована.

Диоксид углерода (CO₂) и водяной пар являются остатками процесса сгорания.

Чем выше значение CO₂, тем тщательнее проходил процесс сгорания смеси. Во время сгорания топлива в цилиндрах содержание CO₂ составляет порядка 14 %. За то время, пока выхлопные газы проходят через катализатор и добираются до конца выхлопной системы, содержание диоксида углерода возрастает до 15–16 %.

Образующийся вследствие человеческой деятельности дым промышленных предприятий, выхлопные газы машин и столбы дыма современных реактивных самолетов наносят наибольший вред экологическому балансу.

За последние годы в составе продуктов горения возросло содержание углекислого газа (углерода). Находящийся в атмосфере углекислый газ препятствует теплообмену, что способствует чрезмерному потеплению днем и сильному охлаждению ночью. Сжигая ископаемое топливо, человек выбрасывает в атмосферу множество углекислого газа. CO₂ формирует вокруг Земли удерживающий тепло купол. Ученые называют подобное явление парниковым эффектом, а газ – парниковым.

Вредные вещества:

• монооксид углерода CO (угарный газ);
• соединения водорода HC (несгоревшее топливо и масло);
• оксиды азота NO и NO₂, который обозначают NO_х, так как количество кислорода постоянно меняется;
• оксид серы SO₂;
• твердые частицы (сажа).

Монооксид углерода или угарный газ (CO) вырабатывается в том случае, когда в поступающей в цилиндр смеси содержание кислорода слишком низкое. На количество кислорода может повлиять забитый воздушный фильтр и положение дроссельной заслонки (закрыта или открыта), разумеется, и закрытый воздушный клапан может внести свою лепту. Обогащенная смесь может быть причиной возросшего количества CO. Срок службы двигателя зависит от состава поступающей в цилиндры смеси.

Во время сгорания смеси в цилиндрах наибольшую ее часть составляет содержащийся в выхлопных газах СО.

При контакте с воздухом СО реагирует довольно быстро, в результате получается диоксид углерода (CO₂). Угарный газ вреден и опасен для людей. При его связывании с гемоглобином происходит снижение усвояемости кислорода кровью, так как организм не хочет усваивать угарный газ, а кровяные тельца вынуждены работать с привычной «нагрузкой» дольше, чем обычно. Вдыхание воздуха, содержащего более 0,3 % угарного газа, на протяжении определенного времени может быть смертельно опасным для человека.

Несгораемые частицы бензина или соединения водорода (HC)

Малое количество кислорода, в попавшей в мотор горючей смеси, (что способствовало неполному сгоранию в цилиндрах двигателя, а это, в свою очередь, привело к увеличению содержания угарного газа) приводит к неполному сгоранию и увеличению содержания соединений водорода и частичек сажи.

Также на увеличение количества HC влияет позднее возгорание (в этом случае уменьшается время горения топливной смеси) и неисправное зажигание (высоковольтные провода, свечи, неисправные контакты и т.п.), а также обогащенная смесь. Из-за снижения давления поступающего к форсункам топлива или из-за забитых форсунок, частички топлива остаются слишком большими, что приводит к более длительному времени их сгорания.

Так называемые «ароматные соединения водорода» имеют резкий запах, а также способствуют появлению раковой опухоли. Соединения водорода вместе с оксидом азота под воздействием солнечных лучей образуют загрязняющий смог, который почти не имеет запаха, но раздражает слизистую оболочку, а также имеет наркотическое действие. Большое количество несгоревших частичек бензина вредно для здоровья, а также оно приводит, например, к исчезновению лесов.

Оксид азота (NO_x)

Основным компонентом воздуха является азот N₂ (почти 70 %), который в нормальных условиях не реагирует с кислородом. При высоких температурах и под давлением (например, в цилиндре в ходе процесса сгорания) происходит химическая реакция, в результате которой образуется монооксид азота (NO). При выходе из двигателя и реакции с кислородом образуется диоксид азота NO₂. Подобные соединения называются оксидами азота на уровне IKS NO+ NO₂ → NO_x.

Количество NO_x зависит от температуры сгорания в цилиндре в кубической функции, то есть при увеличении температуры сгорания (при обогащенной смеси) содержание NO_x увеличивается до уровня в третьей степени.

Для уменьшения количества оксида азота на современных машинах используется система рециркуляции отработавших газов (EGR).

Принцип ее действия: при движении машины по шоссе с одинаковой скоростью часть выхлопных газов снова направляется в цилиндры, что приводит к ухудшению топливной смеси, падает температура горения, а содержание газа падает почти втрое. Большое количество оксида азота раздражает органы дыхания, а также может привести к отравлению. Под воздействием солнца и HC оксиды азота способствуют появлению смога и кислотных дождей. По мнению ученых, содержащийся в выхлопных газах оксид азота сказывается на плодородии.

Свинец и соединения свинца

Так как в наше время используют не содержащий свинец бензин, то есть этилированный, то и говорить о свинцовых соединениях больше не нужно.

Твердые частицы

Твердые частицы – это маленькие крупицы, образующиеся при неполном сгорании из несгоревшего топлива и масла. Черный дым, который вырабатывает дизельный мотор при больших нагрузках, содержит множество твердых частиц, так как при большой нагрузке в моторе возникает дефицит воздуха, и часть топлива не сгорает.

Твердые частицы приводят к образованию раковых опухолей в дыхательных путях. Во время работы дизельного мотора образуется довольно мало монооксида углерода (CO). Углеводород HC является отходом рабочего процесса дизельного мотора, который содержит плохо пахнущие компоненты. HC также способствует возникновению смога. Снижение в выхлопных газах вредоносных соединений не так и просто, как это может показаться. С твердыми частицами еще можно разобраться – сделать процесс сгорания эффективнее, количество частиц в выхлопе уменьшится, как и расход топлива. Улучшить процесс сгорания можно за счет увеличения доли воздуха.

Дизельные моторы работают лучше при избытке воздуха – в камеру сгорания подается больше воздуха, чем нужно для сгорания топлива. Обычно за воздух в камере сгорания отвечает турбокомпрессор. Прошедший через турбокомпрессор воздух теплый, а значит, расширенный, поэтому его нужно охладить, чтобы в камеру сгорания уместилось как можно больше воздуха. Для этого используется промежуточное охлаждение. Эффективность также увеличивается и за счет температуры сгорания, что не совсем верно, так как это, в свою очередь, способствует увеличению NO_x. Если мы хотим уменьшить количество NO_x соединений, то на пути есть загвоздка: при понижении температуры сгорания уменьшится количество оксида азота, это приведет к неэффективности процесса сгорания, что, в свою очередь, повлияет на увеличение выбросов частиц и оксида углерода.

Поэтому производители двигателей ищут баланс, чтобы выработать комбинации, при которых выхлоп был бы чистым, а расход топлива низким. Если удается понизить число выбросов, то за это приходится платить большим расходом топлива. Прежде всего, расход топлива снижается при понижении температуры горения.

Нормы евро стандартов

Первыми тревогу забили в США и в Японии, где проблема загазованности в крупных городах встала особенно остро. Были законодательно утверждены требования по токсичности выхлопов новых автомобилей, которые периодически пересматривались и ужесточались. Вскоре аналогичные законы были приняты и в странах Европы (табл. 2).

Таблица 2. Содержание вредных веществ в отработавших газах, г/км

3. Состояние экологии в мире

Для улучшения экологии в стране с 2001 года принята процедура сертификации Евро. Она направлена на то, чтобы урегулировать уровень количества вредных веществ, которые содержатся в выхлопных газах автомобиля, до максимально допустимых норм. Сертификат Евро является экологическим сертификатом, который подтверждает соответствие ввозимого автомобиля требованиям техрегламента.

Евростандарты Еuro 1–5 требуются для предъявления таможенным органам при ввозе тех автомобилей, которые выпускаются для обращения на территории Федерации. Экологический класс Евро определяется только органами сертификации. Для приблизительного определения принадлежности автомобиля к экологическому классу следует воспользоваться базами данных выданных сертификатов на автомобиль, которые можно получить в Федеральном агентстве по Техническому регулированию.

Самые первые нормы Евро 1 вступили в силу в 1993 году. Норма Евро 2 введена в 1996 году, а экологический класс Евро 3 в 2000 году. Нормы Евро 2 включают в себя уменьшение количества выброса в атмосферу вредных веществ на 20 %. Также нормы Еuro 2 обязывают все автомобили оборудовать двигателем с инжекторным впрыском топлива и запрещают этилировать бензин тетраэтилсвинцом.

Положение нормы Евро 2 про ограниченное количество серы в бензине ужесточает требования, предъявляемые к автомобильной технике и ее экологической безопасности.

Что такое Евро 3, Россия знает с 2008 года, когда были приняты эти нормы, которые предусматривают снижение выброса вредных веществ в атмосферу на 40 %.

Экологический стандарт Евро в странах европейского сообщества значительно опережает экологический класс Евро в России.

Евро 4 в России вступило в свои права в прошлом году. Нормы выброса Евро 4 ужесточились по сравнению с предыдущими и составляют 75 %. А нормы Евро 4 в Европе, США и Японии действуют еще с 2005 года.

Экологический сертификат Евро 4 выдается аккредитованными органами сертификации по предоставлению заказчиком необходимых документов.

Требования Евро 4 предусматривают выброс двигателем автомобиля оксида углерода – 4 г/кВт*ч, углеводородов – 0,55 г/кВт*ч и оксида азота – 2 г/кВт*ч. Для того чтобы узнать нормы по Евро 4, следует обратиться в компетентные органы.

Введение Евро 4 в Европе улучшило экологическое состояние стран Евросоюза. Россия к Евро 4 готова не полностью, потому что производство новых автомобилей под Евро 4 стандарт потребует глобального переоборудования всех предприятий.

Ответы на все вопросы относительно экологической сертификации квалифицированные работники предоставят в органах сертификации, которые проводят данную процедуру и состоят на аккредитации в Росгосстандарте. Сертификаты Евро 3 и Евро 4 действительны на всей территории России.

Структура мировых выбросов СО₂ от транспортного сектора экономики по данным IEA

Рис. 3. Структура мировых выбросов СО₂ от транспорта

По результатам экологических исследований (рис. 3), проведенных Международным энергетическим агентством в 2010 году, выбросы СО₂, приходящиеся на транспорт, составляют порядка 26 %.

На автомобильный транспорт (легковые, грузовые автомобили, автобусы и мотоциклы) приходится 73,5 %.

4. Способы снижения выбросов

Основными способами снижения выбросов СО₂ в мире считаются: улучшение топливной экономичности автомобилей, применение биотоплив, использование комбинированных энергоустановок (гибридов) и применение электромобилей.

Рис. 4. Методы, применяемые для снижения токсичности автотранспорта

Методы, применяемые для снижения токсичности (рис. 4), можно разделить на четыре основные группы:

• изменение конструкции, рабочего процесса, технологии производства и специального регулирования двигателей внутреннего сгорания и их систем;
• применение другого вида топлива или изменение физико-химических свойств топлива;
• очистка выбросов от токсичных компонентов с помощью дополнительных устройств;
• замена традиционных двигателей новыми малотоксичными силовыми установками.

Методы первой группы включают многочисленные мероприятия по улучшению смесеобразования и обеднения смеси, дозирования и распределения ее по цилиндрам (электронные и электромеханические системы впрыска топлива, модифицированные быстропрогреваемые впускные клапаны, термостатирование воздуха, гомогенизация смеси). Токсичность отработавших газов значительно уменьшается при применении бесконтактных транзисторных (индукционных и емкостных) систем зажигания; карбюраторов новых типов (с быстродействующими заслонками, пневматическим впрыском и электронным управлением); использовании форкамернофакельных процессов и послойного смесеобразования; установке устройств для рециркуляции отработавших газов, изменении формы камеры сгорания и впрыске в нее воды.

С помощью специальных регулировок (состава смеси, частоты вращения холостого хода, угла опережения зажигания и времени перекрытия клапанов) можно уменьшить содержание токсичных компонентов в отработавших газах.

Вторая группа методов имеет два основных направления: применение присадок к топливам, снижающих выброс свинца, серы, канцерогенных веществ, сажи и твердых частиц; перевод двигателей на другие виды топлива (пропан-бутан, природный газ, водород).

Третья группа методов – очистка выбросов от токсичных компонентов, производимая с помощью нейтрализаторов различных типов и очистителей, устанавливаемых на автомобили. Эти методы получили широкое распространение в ряде стран (табл. 2.3).

Таблица 3. Состав выхлопных газов

5. Загрязнение воздуха в городе Миасс

Наблюдения за уровнем загрязнения атмосферного воздуха города Миасс Челябинским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды не ведутся.

Основной вклад в выбросы загрязняющих веществ в атмосферу вносит ОАО «Автомобильный завод «Урал», на долю которого приходится 38 % выбросов города. На предприятиях города уловлено 146,934 тыс. т/год загрязняющих веществ, из них утилизировано 144,681 тыс. т.

Степень улавливания составляет в целом по городу 97 %, из них по твердым веществам – 99,1 %, по газообразным и жидким – 1,8 %, в т.ч. по основным предприятиям: ЗАО «Уралтальк» – 99,7 %; ОАО «Тургоякское рудоуправление» – 70,5 %; ОАО «Автомобильный завод «Урал» – 67 %; ФГУП ГРУ «КБ имени академика Макеева» – 63 %.

Самая низкая степень улавливания на предприятиях: ЗАО «Южноуральский специальный центр утилизации» – 4,4 %; ФГУП «Миасский машиностроительный завод» – 2,1 %.

От предприятий: ОАО «Миассзолото», Атлянская воспитательная колония, ЛПДС «Ленинск», Миасский лесхоз – выбросы, содержащие загрязняющие вещества, поступают в атмосферу без очистки.

В 2004 г. увеличились выбросы на ЗАО «Недра», ЗАО НПФ «ТЕКО», ЛПДС «Ленинск» вследствие роста объемов выпускаемой продукции.

Уменьшились выбросы на ОАО «Автомобильный завод «Урал», ФГУП НПО «Электромеханика», ФГУП «Миасский машзавод», ОАО «Тургоякское рудоуправление» (в результате сокращения объемов производства).

Для 34 предприятий установлены нормативы ПДВ, на 34 предприятиях ПДВ достигнуты. Статистическую отчетность по форме № 2-ТП (воздух) представило 22 предприятия.

За 5 лет (2000–2004 гг.) выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников сократились на 6,612 тыс. т (с 11,182 тыс. т в 2000 г. до 4,570 тыс. т в 2004 г.) или на 40,8 %.

В городе на 01.01.2005 г. эксплуатировалось 33422 единицы (2003 г. – 35873 единицы) автотранспорта, в том числе автомобилей государственной и иных форм собственности – 2651 единица, автомобилей индивидуального пользования – 30771 единица.

Общий объем выбросов вредных веществ от автотранспорта по приближенным расчетам составил 21,747 тыс. т. По отношению к 2003 г. выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автомобилей снизились на 6,8 %. Снижение выбросов произошло за счет уменьшения количества автомобилей государственной и иных форм собственности.