Расчет рассеивания - метод. указания

- 2 -

УДК 574

Экология: Расчет рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы [Текст] + [Электронный ресурс]: методические указания к выполнению практической работы для студентов очной формы обучения по всем направлениям подготовки. – Брянск: БГТУ, 2016. – 28 с.

Разработали: А.В. Корсаков,

доктор биол. наук, проф. Л.И. Пугач, канд. физ.-мат. наук, доц.

Е.С. Зяблова, ст. преп.

Рекомендовано кафедрой "Безопасность жизнедеятельности и химия" БГТУ (протокол № 6 от 28.01.2016 г.)

Методические указания публикуются в авторской редакции

- 3 -

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная эпоха характеризуется обострением противоречий между техносферой и окружающей средой, между имеющимся промышленным потенциалом и возможностями его безопасного и эффективного использования [5].

Атмосфера всегда содержит определенное количество загрязняющих веществ (поллютантов), поступающих от естественных и ан-

тропогенных источников. Загрязняющее вещество (поллютант) –

один из видов загрязнителей, любое химическое вещество или соединение, которое находится в объекте окружающей среды в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающие тем самым химическое загрязнение [5].

К числу примесей, выделяемых естественными источниками, относят пыль (растительного, вулканического, космического происхождения, возникающая при эрозии почвы, частицы морской соли); туман, дымы и газы от лесных и степных пожаров; газы вулканического происхождения; различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и др. [3, 6-11].

Более устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов и многочисленностью источников. Если в начале XX в. в промышленности применялось 19 химических элементов, то в середине века промышленное производство стало использовать около 50 элементов, а в 70-х годах – практически все элементы таблицы Менделеева [3, 6-11]. Это существенно сказалось на составе промышленных выбросов и привело к качественно новому загрязнению атмосферы, в частности, аэрозолями тяжелых и редких металлов, синтетическими соединениями, не существующими и не образующимися в природе, радиоактивными, канцерогенными, бактериологическими и другими ксенобиоти-

ками [3, 6-11].

Особенно острой проблема загрязнения атмосферы стала во второй половине XX в., т.е. в период научно–технического прогресса, характеризующегося чрезвычайно высокими темпами роста промышленного производства, выработки и потребления электроэнергии, что в свою очередь связано со сжиганием большего объема углеводородного топлива и образования различных химических веществ (поллю-

- 4 -

тантов), основная масса которых выбрасывается в атмосферу с помощью дымовых труб, что и приводит к ее загрязнению [3, 6-11].

В настоящее время в мировом регистре химических веществ

Chemical Abstracts Service (CAS REGISTRY) зарегистрировано около

103 млн. названий и ежедневно в регистр добавляется около 15

тыс. новых веществ! [1]. В промышленных масштабах (более 1000 тонн в год) в биосферу ежегодно попадает, по экспертным оценкам не менее 150 тыс. ксенобиотиков (в том числе 2-3 тыс. новых) [1]. Если в период до1965 г. количество зарегистрированных химических веществ ежегодно увеличивалось, в среднем, на 300 тысяч, в период с 1976 по1990 гг. – на 670 тысяч, в период с 1991 по 2005 гг. – на 1 млн., то за последние 10 лет (2006-2015 г.) – это количество превышает 7,5 млн. химических веществ в год [1].

Технологические газы после выхода из труб подчиняются законам турбулентной диффузии. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов условно выделяют три зоны загрязнения атмосферы [5]:

1)переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием химических веществ в приземном слое атмосферы;

2)задымления с максимальным содержанием химических ве-

ществ;

3)зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Токсико-химическое (преимущественно газо-аэрозольное) загрязнение окружающей среды представляет собой большую опасность для здоровья человека [5]. По данным Всемирной организации здравоохранения, до 30 % всех заболеваний являются следствием экологического неблагополучия, особенно в местах наиболее агрессивного техногенного химического загрязнения [5].

По данным Государственного доклада Министерства природных ресурсов и экологии РФ "О состоянии и об охране окружающей среды РФ в 2013 гг." [2] 57 % городского населения России подвергается высокому и очень высокому уровню загрязнения атмосферного воздуха. 48 % населения Брянской области проживают на территориях повышенного и высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха [2]. Свыше 10 предельно допустимых концентраций (ПДК) по таким химическим веществам, как бенз(а)пирен, свинец, формальдегид, фенол, оксид и диоксид азота, фтористый и хлористый водород, этилбензол, сероводород, сероуглерод, взвешенные вещества и сажа под-

- 5 -

вергаются 17% населения в 37 городах РФ (при максимальных концентрациях до 100 ПДК), от 5 до 10 ПДК – 49% в 129 городах, до 5 ПДК – 15% в 35 городах и ниже 1 ПДК – 19% населения в 47 городах страны [2].

В данных методических указаниях показан расчет ожидаемой концентрации химических веществ (поллютантов) в приземном слое атмосферы в зависимости от расстояния до источника и от метеорологических условий по ОНД – 86 [4].

Методические указания состоят из пяти частей. В первой части рассмотрены основные источники загрязнения атмосферы. Во второй части изложены основные свойства некоторых химических веществ (поллютантов) и их воздействие на организм человека. В третьей части представлены санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы. Четвертая часть посвящена методике расчета рассеивания химических веществ в приземном слое атмосферы при работе тепловых электростанций (ТЭС). В пятой части приводится список рекомендуемой литературы и приложения.

Выполнение практической работы рассчитано на 6 часов (с ответами на теоретические вопросы).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Основные источники загрязнения атмосферы

Промышленные (топливно-энергетические, машиностроительные, газовые, нефтеперерабатывающие, угольные) предприятия и транспорт (авио-, автотранспорт, железнодорожный) являются основными источниками техногенного химического загрязнения окружающей среды. Так, среднегодовой выброс химических веществ от источников сжигания топлив составляет 250 млн т (газов и аэрозолей) в России и около 1 трл т в мире [5], что превышает естественные выбросы от вулканов около 4 тыс. раз (вулканы в среднем за год выбрасывают в атмосферу Земли 90 млн т газов и 165 млн т мелкодисперсного тепла) [5]. Кроме того, большая часть химических веществ от продуктов сжигания топлив (бензапирен, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды, полихлорированные диоксины, формальдегид, фенол и др.) крайне агрессивна, чем от естественных выбросов (оксид углерода, азота, пыль) и оказывает мутагенное и

- 6 -

канцерогенное воздействие. В настоящее время в Брянске промышленными предприятиями и автотранспортом в атмосферу было выброшено 43,44 тыс. т различных химических веществ, из них 13,71 тыс. т промышленными предприятиями, 29,73 тыс. т автотранспор-

том [5].

Доля загрязнений атмосферы от газотурбинных двигательных установок (ГТДУ) и ракетных двигателей (РД) пока незначительна, поскольку их применение в городах и крупных промышленных центрах ограничено.

Основные загрязнения атмосферного воздуха промышленными предприятиями поступают от тепловых электростанций (около 30%), работающих на углеводородном топливе (уголь, мазут, природный газ, бензин, керосин, дизельное топливо и др.). Количество загрязнений определяется составом, объемом сжигаемого топлива и организацией процесса сгорания.

Основные химические вещества (поллютанты), выбрасываемые в атмосферу от работы автотранспорта и промышленных предприятий – оксид (СО) и диоксид углерода (СО2), оксид (NO) и диоксид азота (NO2), диоксид серы (SO2), тяжелые металлы (Pb, Cd, Hg), формальдегид (СH2O), фенол (C6H5OH), бензол (C6H6), углеводороды, в том числе внеконкурентный канцероген бенз(а)пирен С20Н12, несгоревшие частицы твердого топлива и др. [5-10].

При сжигании твердого топлива в котлах ТЭС образуется большое количество золы, диоксида серы, оксидов азота. Так, подмосковные угли имеют в своем составе 2,5-6,0% серы и до 30-50% золы. Дымовые газы, образующиеся при сжигании мазута, содержат оксиды азота, соединения ванадия и натрия, газообразные и твердые продукты неполного сгорания. Перевод установок на жидкое топливо существенно уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как мазуты, применяемые в качестве топлива, содержат два и более процентов серы [5-10].

При сжигании природного (неочищенного) газа в дымовых выбросах также содержатся оксид серы и оксиды азота. Следует отметить, что наибольшее количество оксидов азота образуется при сжигании жидкого топлива.

Современная ТЭС мощностью 2,4 МВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу: 680 т SO2 при содержании серы в топливе 1,7%; 200 т NOx; 120-240 т твердых частиц (зола,

- 7 -

пыль, сажа) при эффективности системы пылеулавливания 94 – 98%. Исследования показывают, что вблизи мощной электростанции, выбрасывающей в сутки 280-360 т SO2, максимальные концентрации ее с подветренной стороны на расстоянии 200-500, 500-1000 и 1000-2000

м составляют соответственно 0,3-4,9, 0,7-5,5 и 0,22-2,8 мг/м3 [5-10].

Автотранспорт вносит наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха. Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 вредных наименований химических веществ и соединений, большая часть из которых обладает мутагенным и канцерогенным действием. Нефтепродукты, продукты износа шин, тормозных накладок, сыпучие и пылящие грузы, хлориды, используемые в качестве антиобледенителей дорожных покрытий, загрязняют окружающую среду. В мировом балансе загрязнений основная доля (54 %) приходится на автотранспорт, но в разных странах доля неодинакова и колеблется от 13–30 % до 60–80 % [5-10].

2. Основные сведения о некоторых химических веществах (поллютантах), образующихся при сжигании различных видов топлива

2.1. Сернистый ангидрид (диоксид серы)

Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего – уголь и мазут. Среднее содержание серы в углях, используемых при получении электроэнергии, составляет 2,5 %, поэтому при сгорании в топках электростанций 1 млн т угля выделяется 25 тыс т серы главным образом в виде сернистого ангидрида (диоксида серы). Использование нефтепродуктов в качестве топлива приводит к загрязнению окружающей среды продуктами горения, включая диоксид серы (SO2). В атмосфере диоксид серы (SO2) каталитически под воздействием металлов, главным образом, марганца, окисляется до триоксида серы (SO3) и сразу же реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту (Н2SO4) [5-10].

Наибольший «вклад» в загрязнении атмосферного воздуха сернистым ангидридом (диоксидом серы) вносят тепловые электростанции (72%) и в меньшей степени автотранспорт (20%) [5-10].

Сернистый ангидрид (диоксид серы) – бесцветный газ с острым запахом, хорошо растворяется в воде, поступает в организм через ды-

- 8 -

хательные пути.

Диоксид серы (SO2) оказывает сильное местное раздражающее и резорбтивное действие. Около 40% сернистого ангидрида задерживается (растворяется) в верхних дыхательных путях, общий процент задержки сернистого газа в организме около 60. Сернистый ангидрид длительное время циркулирует в крови. Наблюдается привыкание к раздражающему действию сернистого газа.

Острое отравление характеризуется раздражением слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей, бронхов. При более длительном воздействии наблюдается резкий кашель, рвота, иногда с кровью, охриплость. При очень больших концентрациях возможен острый бронхит, одышка, цианоз, потеря сознания, отек легких. Смерть может наступить от асфиксии вследствие рефлекторного спазма голосовой щели. Резорбтивное действие сернистого газа проявляется в раздражении кроветворных органов (эритроцитоз и лейкоцитоз), рефлекторном повышении содержания сахара в крови, сдвиге белковых фракций крови в сторону глобулинов, увеличении количества пировиноградной кислоты, вызванном угнетением активности ферментов карбоксилазы и угольной ангидразы.

Для хронических отравлений характерны катар дыхательных путей, в том числе бронхит, конъюнктивит, разрушение зубов, изменение морфологии крови, чаще анемия, снижение количества нейтрофилов, нарушение функции печени.

Диоксид серы оказывает крайне негативное влияние и на растения: угнетает жизнедеятельность клеток, листья покрываются бурыми пятнами и засыхают.

Воздействие SО2 на организм человека в зависимости от объемного содержания его в воздухе (%) вызывает такие последствия: 0,0007 – 0,001 – раздражение в горле; 0,0017 – раздражение глаз, кашель; 0,01 – отравление через 3 мин; 0,04 – отравление через 1 мин.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны SО2 (ПДКр.з.) – 10 мг/м3; в воздухе населенных пунктов – ПДКс.с = =0,05 мг/м3, ПДКм.р.= 0,5 мг/м3. Согласно санитарно-гигиеническим нормам, SО2 является веществом 3-го класса опасности.

- 9 -

2.2 Оксид углерода

Оксид углерода СО – бесцветный газ, без вкуса и запаха, легче воздуха (удельная масса по отношению к воздуху 0,97), практически не растворимый в воде.

Самый крупный источник оксида углерода – автотранспорт. В большинстве городов свыше 90 % оксида углерода в воздух попадает вследствие неполного сгорания углерода в топливе. Если при неполном сгорании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает конечный продукт – диоксид углерода [5-10].

Механизм действия оксида углерода сложен. Прежде всего, он заключается в способности оксида углерода вступать в соединение с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин; оксид углерода обладает большим сродством к гемоглобину, чем кислород, примерно в 250 раз. При этом гемоглобин теряет способность связывать кислород и переносить его к тканям. Наступает гипоксемия, а в тяжелых случаях отравления – аноксемия.

Врезультате гипоксемии нарушается в первую очередь обмен веществ.

Вкрови резко увеличивается содержание сахара, наступает гипергликемия, а затем глюкозурия. Накапливается молочная кислота, снижается резервная щелочность крови. Значительно увеличивается выделение углекислоты, дыхательный коэффициент может превысить единицу; снижается коэффициент утилизации кислорода тканями.

Нарушается также и белковый обмен: повышается выделение азота мочевины, аммиака и неорганического фосфора.

Установлено также нарушение равновесия кальция и калия в крови: содержание кальция увеличивается, а калия – уменьшается. Равновесие восстанавливается через 6 – 24 часа после отравления.

Воздействие оксида углерода на организм человека зависит от

ееобъемной концентрации в атмосфере (%): 0,0016 – безвредно; 0,01

– хроническое отравление при длительном пребывании; 0,05 – слабое отравление через 1 час; 1,0 – потеря сознания после нескольких вздо-

хов.

ПДКр.з.= 20 мг/м3. ПДК в воздухе населенных пунктов – ПДКс.с = =3,0 мг/м3. ПДКм.р.= 5,0 мг/м3. Относится к 4-му классу опасности.

- 10 -

2.3. Оксиды азота

При сжигании углеводородного топлива образуются оксиды азота (NOх). Оксид азота NО – бесцветный газ, образуется при неполном сгорании топлива, диоксид азота NО2 – газ красновато-бурого цвета с характерным запахом, тяжелее воздуха, образуется при полном сгорании топлива [5-10].

Оксиды азота (NOx), реагируя в атмосфере с парами воды, образуют смесь азотистой (НNO2) и азотной (НNO3) кислот. Эти кислоты выпадают вместе с дождем, снегом, присутствуют в тумане, облаках. Наибольший «вклад» в загрязнении атмосферного воздуха оксидами азота вносят автотранспорт (40%) и чуть меньше (30%) – теплоэнергетика [5-10]. По действию на человеческий организм оксиды азота значительно более опасны, чем оксид углерода. Попадая в организм и вступая в реакцию с водой, они образуют соединения азотной и азотистой кислот, раздражающие слизистые оболочки глаз и дыхательных путей.

Оксиды азота поступают в организм через дыхательные пути. Симптомы отравления обычно развиваются не сразу, а после некоторого латентного (скрытого) периода (6 часов и более). Картина отравления зависит от содержания в нитрогазах различных оксидов азота.

Соответственно механизму действия отдельных оксидов азота и развивается картина острого отравления. Различают четыре формы острого отравления оксидами азота:

1.Форма раздражающего действия характеризуется тремя периодами: в первом, кратковременном, периоде наблюдается раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей; второй период – период затишья, или латентный, длится 4—18 часов; в третьем периоде развивается токсический отек легких. Этот тип отравления возникает в случае преобладания в газовой смеси диоксида азота.

2.При обратимой форме симптомы отравления проявляются немедленно и свидетельствуют об аноксемическом состоянии организма. В крови находят метгемоглобин. Отек легких не развивается. При быстром удалении больного из газовой атмосферы наступает выздоровление; в противном случае возможна смерть от асфиксии. Этот тип отравления наблюдается при преобладании в газовой смеси оксида азота.

3.Шокоподобная форма характеризуется моментальным насту-