Экологическая безопасность населения
Введение в специальность
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
Экологическая безопасность населения.
Принципы устойчивого развития, принятые в 1992 г. На экологическом форуме в Рио-де-Жанейро как стратегию развития человечества на XXI век, предполагают обеспечение такого развития антропогенной деятельности на нашей планете, при котором достигается гармония между удовлетворением возрастающих потребностей увеличивающегося населения земли и поддерживающей эти потребности емкостью биосферы, что позволит нормально развиваться настоящему поколению человечества и не ущемляет возможностей будущих поколений.
Вы учитесь на факультете ГСХ. Любой город тоже должен развиваться по принципам устойчивого развития по всем компонентам городской среды:
- Воздушная среда;
- Водная среда;
- Литосфера (почво-грунты);
- Биота.
Отличие природных источников загрязнения состоит в том, что даже при значительной интенсивности (что бывает редко) они не оказывают существенного влияния на экосистему города.
К искусственным антропогенным источникам загрязнений относят промышленные, транспортные и бытовые выбросы, которые могут быть в виде газов, пыли и сажи.
В настоящее время на каждого жителя промышленно развитых стран ежедневно в атмосферу выбрасывается свыше 2,25 кг различных загрязнителей, в том числе 1,5 кг/чел газообразных и 0,75 кг/чел твёрдых.
Чистый сухой воздух состоит из механической смеси не взаимодействующих между собой газов (%): 78,08 - N2%; 20.95 - O2; 0.035 - CO2 и 0,94% остальные газы (H2, инертные газы и др.). В результате загрязнений состав и концентрация газов в атмосфере может меняться. Очень важно сознавать, что загрязнение атмосферы это не одна, а множество примесей к основным компонентам воздуха. Боле того количество каждого конкретного загрязнителя сильно меняется в зависимости от расстояния до его источника, направление ветра и погодных условий. Таким образом, состав и концентрация смеси, воздействию которой мы подвергаемся, меняются изо дня в день, каждый час и от места к месту. Значит, последствия, наблюдаемые нами, практически никогда не вызываются единственным загрязнителем, а результатом комбинированного воздействия смеси загрязнителей.
Таким образом, на равновесии воздушной среды в экосистеме города влияют различные факторы. В частности состав и концентрация компонентов газовой смеси атмосферы, давление и температура.
В результате природных и технобиогенных процессов происходят изменения физико-химических процессов, происходящих в атмосфере.
В данном курсе мы рассматриваем в основном химическое загрязнение (появление новых химических веществ и повышение концентрации существующих)
Загрязнения атмосферы подразделяют на первичные и вторичные.
Первичные – это выбросы, непосредственно поступающие в атмосферу от различных источников. Это в значительной мере продукты сжигания угля, бензина и др. жидкого топлива, а также отходов (бумаги, пластика и др.) При полном сгорании топлива образуется : CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Однако, окисление редко происходит до конца. Часто образуется угарный газ СО. Выбросы NO, SO2,H2S также первичные.
Вторичные – это продукты образования из первичных (за счёт дальнейших реакций в атмосфере). Часто они бывают более опасными и токсичными, чем первичные. NO2 и SO3 – это уже вторичные загрязнители, которые при взаимодействии с парами воды образуют аэрозоли H2SO4 и HNO3.
Озон является также вторичным загрязнителем.
Он образуется: NO2 → NO + O
O + O2 → O3
В принципе процесс этот обратим:
O3 + NO → NO2 + O2
NO2 + O → NO + O2
Но это только в случае отсутствия других факторов. В присутствии же углеводородов NO реагирует с ними, что влечёт 2 неприятных последствия:
- Образуются очень агрессивные и вредные органические соединения – пероксиацилнитраты (ПАН), которые также как озон являются фотохимическими окислителями (за счёт hυ)
- NO с помощью углеводородов связывается и происходит накопление O3.
- Взвеси и пыли. Представляют собой крошечные частицы и капли, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии. Мы наблюдаем их в виде дыма или смога. Взвеси могут переносить другие загрязнители, растворённые в них или приставшие к их поверхности.
- Углеводороды и другие органические соединения. Эта группа включает в себя бензин, растворители и растворы органических веществ, переходящие в воздух в виде паров.
- Угарный газ (CO) Очень ядовит.
- Оксиды азота.
- Оксиды серы (в основном SO2) SO2 ядовит как для растений, так и для животных.
- Свинец и другие тяжёлые металлы.
- Озон и другие фотохимический окислители. В стратосфере озоновый экран защищает от УФ-излучений. Но в тропосфере - высокотоксичен для растений и животных. Пример «загрязнитель-вещество, оказавшееся не на своём месте».
- Кислоты (H2SO4 и HNO3) Образуют кислотные дожди и туманы.
Выброс твёрдых частиц в атмосферу.
Переход теплоэнергии на сжигание низкокачественного высокозольного топлива увеличивает количество золошлаковых отходов, усложняет систему очистки продуктов сгорания от мелких частиц, выбрасываемых через дымовую трубу, и увеличивает выброс частиц в атмосферу.Концентрация твёрдых частиц в потоке продуктов сгорания зависит от свойств топлива и способа его сжигания.
Например, экибастузский уголь имеет зольность 38%, теплотворную способность 4000 кикл/кг, а донецкий 20,9% и 6030 кикл/кг. Поэтому при одинаковых условиях сжигания частиц золы в дымовых газах в первом случае будет ~ в 2,7 раза больше. Так при сжигании топлива в топке осаждается 60-75% золы, а 25-40% должно уноситься ( из ~ половины оседает в газоходах, а вместе с дымом уносится всего 10-15%). В топках с жидким шлакоудалением осаждается 40-60% золы, а в циклонных топках – до 80%, а значит уменьшается вынос её в атмосферу.
Сильно загрязняют атмосферу твёрдыми частицами и другие отрасли промышленности. Например, большие выбросы происходят при проведении открытых горных работ, открытой добычи сырья, при производстве строительных материалов . Образующееся в карьере при взрывных работах облако пыли и газов распространяется на 10-12 км.
Добытый уголь, щебень, другие горные породы,, строительные материалы и другие сыпучие материалы часто доставляют в открытых вагонах (для удобства погрузки и разгрузки). При этом за загруженном составом, скорость которого 80-120 км/час , тянутся шлейфы «чёрной вьюги». Выдуваются сотни тысяч тонн угольной и другой пыли, в том числе и строительных материалов. Много теряется при перегрузке и хранении. И всё это попадает в атмосферу, а затем осаждается на почву.
Угарный газ.
В незагрязненном воздухе уровень содержания СО невелик. Важнейшим источниками СО являются автомобильный транспорт и ТЭС (продукт неполного сгорания). СО может окисляться О2 воздуха до СО2, но эта реакция протекает чрезвычайно медленно. Кроме того СО удаляется из воздуха, поглощаясь микроорганизмами почвы, диффундирует в стратосферу, откуда удаляется вступая в реакцию с реакционноспособными атомами и молекулами. Среднее время пребывания СО в атмосфере до 6 месяцев. Молекулы СО химически не активны, но обладают специфической способностью прочно связываться с гемоглобином крови – белком, выполняющим роль переносчика кислорода. Эта способность у СО в 210 раз выше, чем у О2. В результате загрязнения воздуха СО способствует развитию сердечных болезней, что особенно часто наблюдается у курильщиков. Резкое повышение [СО] может привести к летальному исходу.Диоксид углерода.
Одной из функций атмосферы является защита поверхности Земли от губительного действия излучений, а другой функцией является поддержание относительно постоянной и умеренной температуры у поверхности Земли. Земля находится в тепловом равновесии со своим окружением. Это значит, что Земля излучает в космическое пространство энергию со скоростью, равной скорости поглощения солнечной энергии.
Большая часть этого излучения задерживается парами СО2 и Н2О, поглощающими его в ИК- области, тем самым эти компоненты не дают в ночное время, когда Земля излучает энергию в космос и не получает солнечной рассеиваться теплу и поддерживают пригодную для жизни равномерную температуру у поверхности Земли. Пары Н2О играют важную роль в поддержании температуры атмосферы энергии. Поэтому в пустынях днём очень жарко, а ночью - очень холодно.
Что касается СО2, то в настоящее время для обеспечения огромного количества энергетических потребителей сжигается большое количество ископаемого топлива, завершая круговорот СО2 . При этом сильно возрастает [СО2] в воздухе, и его поступление превышает поглощающую способность существующих растений. Это чревато серьёзными климатическими последствиями.
Избыточный СО2 ( в отличие от других компонентов атмосферы) поглощает ИК – излучение ( тепловая энергия, преобразовавшаяся из световой). При этом СО2 нагревается, в свою очередь нагревая атмосферу в целом. Значит , чем больше в ней СО2 , тем больше ИК – лучей будет поглощено, тем теплее она станет. Это и есть парниковый эффект.
Это приведёт к таянию льдов, повышению уровня мирового океана, затоплению прибрежных территорий, переселению людей, а также к перемещению агроклиматических зон. Например, в средних широтах (зона с/х) естественные осадки могут значительно сократиться, а значит, летом станет жарче, испарения с почвы увеличатся, сами почвы пересохнут, а ветры поднимут их частицы в атмосферу (пыльные бури).
Автотранспорт сильно загрязняет городскую среду, выбрасывая топливо оксидов азота (30%) в воздух ~ 95% оксидов углерода и ~ 65 % углеводородов. Кроме отработанных газов двигателей атмосфера загрязняется парами топлива ( из баков, карбюраторов и др.), продуктами износа шин и тормозных колодок. Все органические вещества окисляются О3 или О. Продуктами окисления являются альдегиды и пероксинацилнитраты (ПАН), которые являются очень вредными веществами, раздражающими глаза, затрудняющими дыхание.
Автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин, является также основным источником выбросов высокотоксичных соединений свинца. В 1 л бензина содержится до 0,4 г Pb. По данным США при существующем парке автомобилей в атмосферу ежесуточно выбрасывается до 2000 тонн свинца, что составляет 1/6 часть его добычи в стране.
Одним из наиболее токсичных выбросов в атмосферу является бензопирен. Это канцерогенное вещество имеет свойство кумулироваться в организме и способствует заболеванию раком. При сжигании природного газа (при неправильном режиме) может образовываться 1-10 мкг/100 м 3 бензопирена, а при сжигании мазута до 50-100 мкг/100 м 3 .Общий выброс бензопирена в атмосферу Земли оценивается до 20 тыс. тонн в год. По расчётам учёных, во взвешенном состоянии в атмосферном воздухе нашей страны находится до 5 тыс. тонн бензопирена, ртути, мышьяка, Pb, Cd, фенолов, фреонов и других весьма опасных веществ.
Роза ветров.
На температурно-влажностный режим, а значит и воздушную среду экосистемы города (региона) оказывает большое влияние скорость ветра.Во влажных районах ветер способствует увеличению долговечности здания, так как ускоряет просушивание строительных конструкций.
Направление ветра является определяющим фактором при решении вопросов планировки города: выбор направления улиц с учётом обеспечения лучшего проветривания городских территорий , расположение промышленных зон и жилых кварталов.
Направление ветра определяется по стороне горизонта, откуда он дует. Для обозначения этих сторон горизонт делят на 8 главных направлений (румбов) – С, Ю,В,З.,СВ,ЮЗ,ЮВ,СЗ (схема2). Если на каждом из этих румбов отложить в масштабе от центра отрезки, характеризующие в % повторяемость ветров по этим направлениям и соединить концы прямыми линиями, то получится графическое изображение повторяемости ветров, называемое розой ветров.
Скорость ветра измеряют в м/с или баллах. Графически скорость ветра по румбам изображается в виде розы скоростей ветров (схема). Эти розы дают полную картину о ветровом режиме : как о господствующем направлении, так и о его скорости.
Розы ветров составляют отдельно для зимы (января) и лета (июля).
Оценка уровня загрязнений.
Уровень загрязнений определяется 3-мя факторами:- Поступлением загрязнений в атмосферу;
- Объемом пространства, в котором они рассеиваются;
- Организмы способны без вреда для себя переносить я;
- Механизмами удаления загрязнений из воздуха, присутствие определенных загрязняющих веществ.
Они зависят от концентрации загрязняющего вещества и длительности его воздействия (эксплуатации). При короткой экспозиции переносимые более высокие уровни загрязнителей, т.е. пороговые значения для них выше и они могут понижаться при более длительном воздействии. Поэтому важно понимать, что главное не присутствие в атмосфере загрязнителя, а получаемая доза. Под ней понимается произведения концентрации на экспозицию. Т.о. можно перейти от качественных показателей уровня загрязнений к количественным. Основным количественным показателем, используемым в нашей стране для контроля качества биосферы (в т.ч. атмосферы) является – допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ. Это min действующая концентрация (доза), при которой проявляются свойства вредного вещества, т.е. верхний предел лимитирующих факторов, при котором содержание вещества выходит за допустимые границы экологической ниши человека.ПДК - это ГОСТ (закон).
Мы сегодня рассмотрим только ПДК воздушной среды. Раздельное нормирование содержание примесей вредных веществ предусматривает разделение ПДК. Необходимость раздельного нормирования примесей обусловлена условиями восприятия вредных веществ людьми: на промышленных предприятиях дышат здоровые люди, проходящие регулярно мед. Осмотр, а в населённых пунктах близ этих предприятий дышат как взрослые, так и дети, пожилые и больные, беременные женщины и др.
Для санитарной оценки воздушной среды используют седующие показатели:
ПДКр.з. – пдк химического вещества в воздухе рабочей зоны мг/м3. Эта концентрация при ежедневной (кроме выходных) работе в пределах 8 час. (или др.), но не более 40час. В неделю, в течение всего рабочего штата не должна вызывать заболевания или отколонения в состоянии здоровья. Р.з. считается пространство, U=2м над уровнем пола или площадки, на которой находится место постоянного ли временного пребывания работающих.
ПДКа.в. – это максимальная концентрация в атмосфере, которая при воздействии на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния (в т.ч. последствия и на окружающую среду) мг/м3 .
ПДКм.р. – максимальная разовая мг/м3 это концентрация при вдыхании в течение 30 мин. Не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.
ПДК сс -среднесуточная в воздухе населенных мест мг/м3. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при долгом (годы) вдыхании.
Кк - коэффициент кумуляции – это отношение концентрации, вызывающей токсический эффект при однократном воздействии, и суммарной концентрации вещества, вызывающий этот же эффект при длительном воздействий загрязнений (в помещениях) воздуха.
Химические соединения, поступающие в воздух рабочей зоны предприятий, могут считать причиной острых и хронических, отравлений, а также различных отклонений в состоянии здоровья работающих. Химические вещества в воздухе могут находится в виде газов, паров и аэрозолей.
ПДК р.з. должны быть установлены для тех соединений, содержания которых в воздушной среде может обладать вредным для здоровья действием. При контроле воздушной среды производ. помещений окр-ия ПДКм.р.
Кк определяется на основании анализа средних значений, полученных в результате многократных исследований в течение всего рабочего дня, а также более длительного времени.
Кроме производственных помещений воздушная среда общественных зданий, учреждений, дома тоже содержит много загрязнений. У проблемы загрязнения воздуха у проблемы загрязнения помещений три аспекта:
- Во-первых, все больше веществ и оборудования, используемых дома и в офисах выделяют потенциально опасные испарения;
- Помещения становятся все более и более герметичными, следовательно, попав туда загрязняющие веществава, накапливаются до опасных уровней.
- Экспозиция загрязнения внутри помещения гораздо длительнее, чем на открытом воздухе. В среднем, человек, проводящий 70-80% своего времени в помещении, причем у тех, кто более уязвим для загрязнения (маленькие дети, беременные, пожилые, хронически больные) этот % еще выше.
- формальдегид и др. синтетические органические соединения (применяемые для получения связывающего в ДСП, а также в качестве пластификаторов для пористой резины и пластиковых обивочных материалов):
- продукты неполного сгорания топлива, при герметизации помещений небезопасно даже полное сгорание топлива, т.к. понижается О2 в воздухе;
- испарения жидкостей для мытья посуды и сантехники; испарения клеев и др. химикатов, используемых для поделок;
- аэрозоли всех видов (в т.ч. освежители воздуха и дезинфицирующие средства);
- асбест (природный материал), используемый в качестве теплоизоляционного материала для обкладки труб парового отопления, переслаивания перекрытий в общественных зданиях, в качестве кровельного материала асбестовой пыли связано с раком легких, который может проявиться через 20-30 лет после экспозиции. В США, Японии и др. с середины 70х годов ведется компания за удаления асбеста из цокольных помещений и др. общественных зданий. Но эта программа выполняется медленно ( у нас нет!);
- курение: оно несет значительно больший риск, чем среднее воздействие любого из перечисленных веществ.
Загрязнение атмосферного воздуха.
ПДК химических соединений в атмосферном воздухе устанавливаются в основном на двух показателям: ПДКм.р.(30мм) и ПДКсс.(24мм) Наиболее важные ПДКсс, превышение их указывает на возможное неблагоприятное и токсичное действие различных веществ.ПДКм.р. устанавливается для веществ, обладающих преимущественно раздражающим и рефлекторным действиям. Среди нормативных показателей широко применяется еще ПДВ.
ПДВ – предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в атмосферу, при котором обеспечивается соблюдение гигиенических нормативов в воздухе населенных мест при наиболее неблагоприятных условиях для рассеивания.
Строгое соблюдение величины ПДВ, устанавливаемого для каждого предприятия, обеспечивает выполнение санитарных нормативов и является сегодня одним из наиболее действенных средств охраны воздушного бассейна.
Современный большой город оказывает существенное воздействие на приземной слой атмосферы. Основными результатами этого воздействия являются загрязнение микроклиматических особенностей город по сравнению с фоновыми климатическими. Гелиерактурные различия на территории города в основном 3-мя факторами:
- адвекцией тепла (перемещением по горизонталям);
- радиационным балансом;
- теплопроводностью подстилающей поверхности неодинаковая теплопроводность подстилающей поверхности и степень увлажнения ( а значит, и величина испарений) в городе и пригороде приводит к тому, что под влиянием адвекции может меняться не только фон температур района, но и микроклиматические разности температур.
В городе происходит ослабление скоростей ветра. При слабых ветрах (до 2 м/с) характеристики диффузии примеси в атмосфере не велики, и повторяемость слабых скоростей ветра необходимо учитывать как фактор, затрудняющий рассеяние примесей и способствующий их накоплению.
Значительную роль в накоплении загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы играет вертикальный профиль температуры. Приземная инверсия в сочетании со слабой скоростью ветра создает условия застоя, когда концентрация примесей в атмосфере может достичь очень высоких значений даже от слабого источника за счет эффекта накопления (кумуляции). Установлено, что повторяемость приземных инверсий связана с повторяемостью слабых скоростей ветра. И, кроме того, отмечено, что накопление примесей в атмосфере, обусловленное слабыми ветрами и приземными инверсиями, усиливается в условиях туманов. Туманы, смешиваясь с загрязняющими веществами в атмосфере, создают смоговые явления.
Т.о. к основным метеорологическим параметрам, способствующим накоплению загрязняющих веществ в атмосфере, можно отнести слабые скорости ветра, и инверсии и туманы.
Многолетние метеорологические наблюдения в Москве показали, что в северных районах города (по данным метеостанций Шереметьева, Лосиноостровская, Чкаловская) явно преобладают метеоусловия, способствующие рассеянию и эффективному удалению из атмосферы примесей. В таких районах наблюдается меньшая повторяемость слабых скоростей ветра и туманов. Зато, осадков здесь выпадает больше.
В южном районе (метеостанции Солнечная, Ленино-Дачное, Домодедово) напротив, наблюдается наибольшая повторяемость слабых ветров и туманов и сравнительное уменьшение количества осадков.
Повышение загрязнения в южных районах г. Москвы позволяет сделать вывод, что наличие здесь крупных источников загрязнения атмосферы приводит к повышенному ( по сравнению с другими районами города) уровню загрязнения атмосферы, что подтверждается ситуацией в юго-восточных районах столицы.
Центр Москвы в среднем на 2-4 градуса теплее других районов города. Очаг тепла, существующий над центром, создает особую местную циркуляцию, которая способствует перемещению воздуха, а значит, и загрязнения с окраин к центру. В центральной части города максимальны повторяемость штилей. Ослабление скорости ветра в центральных и Ю-В районах города создает здесь неблагоприятные условия, связанные с застоем воздуха. Наличие здесь крупных промышленных предприятий на фоне этого осложняет экологическую обстановку.
