Практическая работа № 1. Оценка степени загрязнения атмосферы в результате работы автотранспорта

Одним из наиболее распространенных неблагоприятных факторов производственной среды является пыль. Пылевидные частицы находятся в непрерывном движении в среде, в которой они взвешены и по степени измельчения (дисперсности) их делят на две группы: видимую, с размером частиц более 10 мкм и микроскопическую – менее 10 мкм. В зависимости от размера частиц определяется скорость осаждения пыли в воздухе. Крупные частицы относительно быстро осаждаются под действием силы тяжести. Более мелкие частицы пыли, преодолевая сопротивление воздушной среды, оседают с меньшей скоростью, а самые мелкие – высокодисперсные частицы могут длительное время перемещаться в воздухе.

Степень опасности пыли зависит также от формы ее частиц, их твердости, волокнистости, электрозаряженности, удельной поверхности и других свойств. Частицы пыли заряжаются электричеством, величина их заряда определяется химическим составом вещества. Неметаллическая пыль заряжается положительно, а металлическая – отрицательно. Разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу, слипаются, коагулируют, увеличиваются в размерах и оседают быстрее других частиц. При одноименных зарядах происходит отталкивание частиц и их коагуляция затрудняется.

Характер и эффективность действия пыли зависит от ее заряда. Известно, что заряженные частицы дольше задерживаются в легких, чем нейтральные, поэтому при прочих равных условиях они более опасны для организма. Вредность воздействия пыли также связана с растворимостью, твердостью, формой пылинок.

Различают следующие разновидности пыли: органическую, неорганическую и смешанную. К органической относится пыль животного и растительного происхождения, например: хлопчатобумажная, древесная, хитинового покрова насекомых. К неорганической относится минеральная пыль, например: цементная, кварцевая, асбестовая, а также металлическая.

По вредности пыль может быть инертной и агрессивной. Инертная пыль (сажа, сахарная пыль и др.) состоит из веществ, не оказывающих токсического воздействия на организм человека. Агрессивная пыль (пыли свинца, мышьяка и др.) обладают токсическими свойствами.

Пылевидные частицы могут оказывать на организм человека фиброгенное, раздражающее и токсическое действие. Фиброгенным называется такое действие пыли, при котором в легких происходит разрастание соединительной ткани, которое приводит к нарушению нормального строения и функции органа. Пыль некоторых веществ и материалов (стекловолокно, слюда и др.) оказывает раздражающее действие на верхние дыхательные пути, слизистые оболочки глаз, кожу. Токсическое действие оказывает пыль токсических веществ (свинец, хром, бериллий и др.), которая попадает в организм человека через легкие.

Под термином «запыленность воздуха» понимают весовую концентрацию пыли в воздухе, которую выражают в \(мг/м^3\). Количество пыли в атмосферном воздухе может быть весьма различным. В местности со сплошным зеленым массивом, над озерами и реками количество пыли в воздухе составляет менее 1 \(мг/м^3\), в промышленных городах – 3 – 10 \(мг/м^3\), в городах с неблагоустроенными улицами – до 20 \(мг/м^3\). Размеры частиц колеблются от 0,02 до 100 мкм [1].

Экологическая опасность пылевидных частиц для человека определяется их физико-химическими свойствами, токсичностью, а также концентрацией в воздухе. По санитарным нормам среднесуточная предельно допустимая концентрация нетоксичной пыли в атмосферном воздухе населенных мест должна составлять 0,15 \(мг/м^3\), однако в действительности концентрация пыли чаще бывает значительно больше.

Работа в запыленной среде с течением времени может привести к профессиональным заболеваниям.

Автомобильный транспорт также является не только источником вредных и токсичных выбросов, но и загрязнения воздуха пылевидными частицами, которые образуются при стирании автопокрышек, выделяются с отработавшими газами. Увеличение количества взвешенной в воздухе и осевшей на поверхности пыли объясняется также повышенным износом асфальтового покрытия автомобильных дорог, вследствие применения шипованных шин и др.

Среди основных источников загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных центрах и городах является транспорт, на долю которого приходится более 70 % валовых выбросов [2]. Автомобильному транспорту как источнику загрязнения воздушной среды присущ ряд отличительных особенностей:

– численность автомобилей в крупных городах быстро увеличивается, поэтому непрерывно растет и валовой выброс вредных веществ в атмосферу;

– в отличие от промышленных предприятий, изолированных от жилой застройки санитарно-защитными зонами, автотранспорт, движущийся источник загрязнения воздуха жилых районов и мест отдыха населения;

– рассеяние автомобильных выбросов в условиях городской застройки затруднено;

– распространение вредных выбросов в результате работы автотранспорта воздействует на органы дыхания людей, проживающих в городах.

В результате работы автотранспорта существенными являются выбросы, в числе которых наиболее часто встречаются углеводороды ароматического ряда (бензол, толуол, ксилол), их производные (хлорбензол, нитробензол, анилин), формальдегиды. А также соединения углерода, серы (сероводород, сернистый газ), азота (аммиак, оксиды азота), тяжелые и редкие металлы (свинец, ртуть, цинк, марганец, кобальт, хром, ванадий).

Моноксид углерода (угарный газ) при сжигании топлива в условиях недостатка воздуха генерируется в процессе работы автомобильных двигателей. Попадая в кровь, моноксид углерода воздействует на красные кровяные тельца – эритроциты, которые теряют способность транспортировать кислород. В результате наступает кислородное голодание, что оказывает влияние на состояние центральной нервной системы.

Большинство углеводородов поступает в атмосферу в процессе неполного сгорания топлива в двигателях, работающих на бензине или дизельном топливе. При неполном сгорании происходит синтез опасных канцерогенных циклических углеводородов. Установлено, что в местах непосредственного контакта канцерогенных веществ с биологической тканью появляются злокачественные опухоли. Углеводородные соединения при наличии определенных атмосферных условий (безветрие, интенсивность солнечной радиации, значительная температурная инверсия) служат исходными продуктами для образования чрезвычайно токсичных продуктов – фотооксидантов, обладающих сильным раздражающим и общетоксичным действием на органы человека, и образуют фотохимический смог.

Сернистый газ оказывает пагубное влияние на слизистую оболочку верхних дыхательных путей. Диоксид азота является побочным продуктом нефтехимических производств и рабочих процессов дизельных двигателей. Оксиды азота раздражают слизистую оболочку глаз и носа, разрушают легкие. Типичным представителем канцерогенных веществ, т. е. веществ, способствующих возникновению раковых опухолей, является бензапирен.

На территории Республики Беларусь в среднем за год в атмосферу выбрасывается около 2 млн т загрязняющих веществ. В составе выбросов преобладают оксид углерода (более 55 %), диоксид серы (около 11,5 %), углероды (17,3 %), оксиды азота (10 %), твердые вещества (5 %) [2]. В стране на 10 млн жителей приходится около 1,9 млн автомобилей, т. е. примерно 1 автомобиль на 5 человек. И хотя этот уровень несколько выше среднемирового, по европейским меркам он весьма невысок.

Источниками поступления загрязняющих веществ в воздух являются отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, испарение топлива с топливной системы. Определяющая доля выбросов вредных веществ (56 %) принадлежит грузовым автомобилям. Структура выбросов автомобильного транспорта представлена веществами (в количестве около 200), из которых самыми опасными являются: оксид азота \((NO)\), угарный газ \((CO)\), углеводороды – несгоревшее топливо, бензопирен, свинец и т. д. Один усредненный автомобиль за 6 лет эксплуатации выбрасывает в атмосферу 9 т \(CO_2\), 0,9 т \(CO\), 0,25 т \(NO\) и 80 кг углеводородов и др. Около 50 % соединений свинца в атмосферу поступает от легковых автомобилей и 2/3 оксида азота – от грузовых автомобилей (рис.1.1) [3].

Рис. 1.1 Структура выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта

Повышенное содержание соединений оксидов углерода и азота можно обнаружить в выхлопных газах неотрегулированного двигателя, а также двигателя в режиме прогрева. Приближенный состав выхлопных газов автомобилей представлен в таблице 1.1 [3].

Таблица 1.1

Компоненты отработавших выхлопных газов автомобилей (% по объему)

Таблица 1.2

Концентрация вредных веществ в выхлопных газах

Состав и объем выбросов зависят также от типа двигателя (табл.1.3). Как видно из таблицы, выбросы загрязняющих веществ значительно ниже в дизельных двигателях. В топливе для дизельных двигателей нет свинцовых присадок, а выброс СО на 50 – 90 % ниже, чем у бензинового двигателя. Поэтому принято считать их более экологически чистыми. Однако дизельные двигатели отличаются повышенными выбросами сажи. Сажа насыщена канцерогенами и их выбросы в атмосферу недопустимы.

Таблица 1.3

Количество выбросов вредных веществ в зависимости от типа двигателя

Качество атмосферного воздуха оценивается и с учетом предельно допустимой концентрации веществ. Предельно-допустимая концентрация – максимальная концентрация, при которой, вещества не оказывают прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья населения и не ухудшает условий окружающей среды.

Предельно допустимая концентрация некоторых веществ, наиболее часто встречающихся при работе автотранспорта приведена в таблице 1.4. [3]

Таблица 1.4

Предельно допустимая концентрация некоторых веществ, наиболее часто встречающихся при работе автотранспорте

Прогноз ожидаемого распространения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу представлен на рисунке 1.2 и таблице 1.4. При этом основной вклад поступления оксидов азота, НМЛОС (неметановые летучие органические соединения) в атмосферный воздух составит 63, 74 и 89 % соответственно. Согласно прогнозу выбросов, к 2020 г. произойдет спад выбросов серы и НМЛОС и оксида углерода, вносимых работой двигателей автотранспорта. Однако выбросы оксидов азота возрастут.

Рис. 1.2 Прогноз выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в Беларуси до 2020 г.

Таблица 1.5

Прогноз ожидаемого распространения выбросов \(SO_2\), \(NO_x\), НМЛОС и аммиака в атмосферном воздухе в Беларуси до 2020 г., тыс. т

Кроме того, автомобильный транспорт является одним из источников шумового загрязнения. В городах с интенсивным автомобильным движением уровень шума превышает 70 дБ (децибел). На автомагистралях крупных городов Беларуси количество шума составляет 70 – 85 дБ, допустимая норма – 60 дБ (табл. 1.5) [4].

Таблица 1.6

Оценка основных источников транспортного шума

Мероприятия по борьбе с выбросами автотранспорта загрязняющих веществ в атмосферный воздух:

1. Перевод автомобилей на дизельные двигатели. Возрастающий интерес к дизельному двигателю связан не только с удешевлением эксплуатации автомобилей, но и уменьшением загрязнения окружающей среды.

2. Газ вместо бензина. Это позволит не только повысить чистоту воздушного бассейна в крупных городах, но и высвободить для нужд народного хозяйства немало дефицитного жидкого топлива.

3. Электромобиль. Считается целесообразным перевод автомобилей на электротягу, особенно в крупных городах. Оценки показывают, что к 2025 г. электромобили могут составить 15 % от общего числа автомобилей мира.

4. Внедрение альтернативных видов топлива. Биогаз состоит на 60 – 70 % из метана (с теплотворной способностью 5000 ккал на 1 \(м^3\).

Количество выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта в атмосферу, может быть оценено расчетным методом. Исходными данными для расчета количества выбросов являются:

– количество единиц автотранспорта разных типов, проезжающего по определенному участку автотрассы в единицу времени;

– нормы расхода топлива автотранспортом (средние нормы расхода топлива автотранспортом при движении приведены в табл. 1.7) [4].

Таблица 1.7

Средние нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города

Значения эмпирических коэффициентов, определяющих выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего, приведены в табл. 1.8 [4].

Таблица 1.8

Эмпирические коэффициенты, определяющие выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего

Коэффициент К численно равен количеству вредных выбросов соответствующего компонента в литрах при сгорании в двигателе автомашины количества топлива (также в литрах), необходимого для проезда 1 км (т. е. равного удельному расходу).

Справочные значения предельно допустимых концентраций приведены в табл. 1.9. [4].

Таблица 1.9

Значения предельно допустимых концентраций веществ

Примечание.

\(ПДК_{рз}\) – это концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны в \(мг/м^3\), которая при ежедневном вдыхании в течение 8 часов не должна вызывать у работающих каких-либо заболеваний или отклонений от нормального состояния здоровья.

\(ПДК_{нм}\) – это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест в \(мг/м^3\).

Задание. Рассчитать количество выбросов вредных веществ в воздух, поступающее от автотранспорта на участке автотрассы, расположенной вблизи БГУИР. Протяженность участка между 2 и 4 учебными корпусами составляет – 1 км.

Определяем количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в течение 20 мин. Количество единиц автотранспорта, пройденного за 1 ч, рассчитывают, умножая на 3 количество, полученное за 20 мин. Рассчитываем общий путь, пройденный количеством автомобилей каждого типа за час (\(L\), км) по формуле

\(L=N_i·l\), (1.1)

где \(N_i\) – количество автомобилей каждого типа;

\(i\) – обозначение типа автотранспорта (\(i\) = 1 для легковых автомобилей);

\(i\) = 2 для грузовых автомобилей; \(i\) = 3 для автобусов; \(i\) = 4 для дизельных грузовых автомобилей);

\(l\) – длина участка, км (по условию равна 1 км).

Данные расчетов заносим в табл. 1.10.

Таблица 1.10

Автотранспорт, движущийся по выбранному участку

Рассчитываем количество топлива \((Q_i, л)\), сжигаемого двигателями автомашин, по формуле

\(Q_i = L_i·Y_i\), (1.2)

где \(L_i\) – общий путь каждого вида автотранспорта за 1 ч;

\(Y_i\) – удельный расход топлива (значения \(Y_i\) приведены в табл. 1.10).

\(Q_1 = 789 · 0,12 = 94,68 л;\)

\(Q_2 = 9 · 0,31 = 2,79 л;\)

\(Q_3 = 6 · 0,42 = 2,52 л;\)

\(Q_4 = 3 · 0,33 = 0,99 л.\)

Полученный результат заносим в табл. 1.11.

Таблица 1.11

Количество сожженного топлива каждым видом транспортного средства

Определяем общее количество сожженного топлива каждого вида \((ΣQ)\) при условии использования вида топлива каждым типом автотранспорта в соотношении \(N_б\) / \(N_д\) (N – количество автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем).

Количество автомобилей с бензиновым двигателем в Беларуси составляет около 76 %, с дизельным – 24 %.

Результаты заносим в табл. 1.12.

Таблица 1.12

Количество сожженного бензина и дизельного топлива

Рассчитываем количество выделившихся вредных веществ по каждому виду топлива (данные табл. 1.8 и 1.12). Результаты заносим в табл. 1.13.

Таблица 1.13

Количество выделившихся вредных веществ по каждому виду топлива

Рассчитываем массу выделившихся вредных веществ (\(m\), г) по формуле

\(m=\frac{V\cdot M}{22,4}\), (1.3)

где \(М\) – молярная масса вещества;

\(V\) – количество выделившихся вредных веществ, л.

\(М(СО) = 12 + 16 = 28;\)

\(М(С_5Н_{12}) = 5·12 + 1·12 = 72;\)

\(М(NО_2) = 14 + 16·2 = 46.\)

Рассчитываем количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и для обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды. Результаты заносим в табл. 1.14.

Таблица 1.14

Масса выделившихся вредных веществ в атмосферу от работы автотранспорта

Задание. Рассчитать массу выбросов вредных веществ в воздух, поступающих от автотранспорта, и количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и для обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды на участке автотрассы (данные по интенсивности транспортного потока за 20 мин по всем видам транспортных средств приведены в табл. 1.10. Варианты заданий даны в табл. 1.15.

Результаты расчетов оформить в виде таблиц (табл. 1.10 – 1.14).

Таблица 1.15

Варианты заданий для самостоятельной работы

1. Объясните значение термина «запыленность воздуха». От чего зависит степень опасности пылевидных частиц в атмосферном воздухе.

2. Назовите отличительные особенности органической и неорганической пыли. Чем определяется скорость осаждения пыли в воздухе?

3. Как на организм человека влияют разные виды загрязнителей атмосферного воздуха и почему?

4. Какая связь существует между запыленностью атмосферы и «парниковым эффектом»?

5. Назовите отличительные особенности автомобильного транспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха.

6. От чего зависит концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе городов?

7. Какой тип двигателя в меньшей степени загрязняет атмосферный воздух и почему?

8. Что такое «шумовое загрязнение»? Назовите основные источники транспортного шума. Норма шума для автомагистралей.

9. Назовите мероприятия, предупреждающие загрязнение атмосферы в результате работы автотранспорта.