1.3 Экологические проблемы города

На сегодняшний день деятельность человечества, использующая разнообразные природные ресурсы, охватывает большинство химических элементов. Усиленное техногенное действие на окружающую природу вызвало ряд проблем с экологией. Наиболее критические проблемы - это связанные с состоянием гидросферы, атмосферы и литосферы. Произошли такие изменения (загрязнение воздуха или воды) которые могут влиять непосредственно на жизнь и здоровье организма. Другие изменения опасны своими косвенными эффектами (выбросы углекислого газа, сказывающиеся на общем климате, в свою очередь отражаются на производстве продуктов питания) [9,10].

Накопленные различные загрязнения в атмосфере, приводят к разрушению озонного слоя, который в свою очередь защищает земную поверхность от солнечной радиации. Эти загрязнения, поступают в атмосферу и вместе с осадками возвращаются на Землю, попадая в водную систему и почвенный слой.

Отходами производства предприятий промышленности и сельского хозяйства загрязняется большинство рек, озер и морей. Подсчитано, что в водную систему попадает свыше 500 тыс. различных вредных веществ.

На сегодняшний день уменьшенное загрязнение атмосферы вредными токсичными веществами, которые выделяют промышленные предприятия и автотранспорт, это одна из важных проблем, угрожающих человечеству. Загрязнение атмосферного воздуха вредно воздействует на организм человека и окружающую природу. Материальный ущерб, вызываемый загрязнением воздуха, даже по неполным данным очень велик.

Автомобиль средство передвижения, а не роскошь. Без него на настоящее время невозможно существование человека и человечества.

При активном и интенсивном росте мегаполисов автотранспорт стал самым вредным и неблагоприятным экологическим фактором в системе охраны здоровья человека и природы в городе. Вследствие этого автомобиль становится соперником и конкурентом человека за жизненное пространство.

За последнее время человечество убедилось окончательно, что основным источником и виновником загрязнения атмосферы является продукт научно-технического прогресса - автомобиль.

Автотранспорт, поглощающий очень важный и очень необходимый для продолжения жизни кислород, одновременно с этим интенсивно и активно загрязняет воздушную среду вредными и токсичными компонентами, которые наносят ощутимый вред всему живой и неживой природе. Доля загрязнений окружающей среды составляет 60-90 %.

Передвигающие на земной поверхности свыше 500 млн. автомобилей являются не только основной причиной гибели ежегодно около 500 тысяч, 10 млн. раненых, но и являются причиной расшатывания и ухудшения здоровья миллиардов людей.

На данный момент автомобилестроение страны значительно (весьма значительно!) отстает в техническом отношении от мирового уровня. На потоке и в серийном производстве находятся транспортные средства, которые проектировались 20-30 лет назад. Уровень производства и технологические возможности не позволяет достичь требуемой высокой точности сборки и обработки деталей. В загрязнение окружающей среды свой вклад вносит и низкое качество топлива - около 70 % этилированного бензина. Специалисты оценивают ежегодные суммарные выбросы автомобилей в странах бывшего Советского Союза в пределах 400 млн. т.

Автомобильный транспорт среди всех видов наносит наибольший ущерб окружающей среде. В нашей Республике Казахстане в местах, где загрязнения воздуха повышено, проживает больше половины населения, среднегодовые концентрации загрязнителей воздуха превышают предельно допустимые более чем в 30 городах Казахстана.

Затраты Государства на охрану природы составляют сотые доли процента бюджета, что в десятки раз меньше аналогичного показателя для развитых стран. Несмотря на широкое сокращение производства, состояние окружающей природной среды у нас постоянно ухудшается.

Наиболее значимые отрицательные факторы влияния автотранспорта на человека и окружающую среду следующие:

-воздушное загрязнение;

-загрязнение окружающей среды;

-вибрация, шум;

-тепловое выделение.

В настоящее время идет борьба с автомобильной опасностью. Конструируются фильтры и нейтрализаторы, разрабатываются принципиально новые для автомобилей виды топлива и методы их производства (твёрдый водород, электричество, энергии солнечных лучей).

Угарный газ и окислы азота, столь интенсивно выделяемые на первый взгляд невинным голубоватым дымком глушителя автомобиля - вот одна из основных причин головных болей, усталости, низкой трудоспособности.

Сернистый газ способен воздействовать на генетический аппарат, способствуя бесплодию и врожденным уродствам, а все вместе эти факторы ведут к стрессам, нервным проявлениям, стремлению к уединению, безразличию к самым близким людям [11].

В больших городах также более широко распространены заболевания органов кровообращения и дыхания, инфаркты, гипертония и новообразования. По расчетам специалистов, «вклад» автомобильного транспорта в атмосферу составляет до 90 % по окиси углерода и 70 % по окиси азота.

Автомобиль также добавляет в почву и воздух тяжелые металлы и другие вредные вещества.

На долю отработавших газов автотранспортных средств приходится свыше 50 % всех вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, а в городах автомобиль является основным источником загрязнения воздуха.

Численность автомашин в крупных городах быстро увеличивается, а вместе с тем растет валовый выброс вредных продуктов. Автомобиль является, в отличие от промышленных предприятий, движущимся источником загрязнения, широко распространенным в жилых районах и местах отдыха.

Количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в составе отработавших газов зависит от общего технического состояния автомобиля и особенно его двигателя, как источника наибольшего загрязнения.

Только из-за разрегулировки карбюратора одного автомобиля при нарушении смесеобразования выбрасывается в атмосферу столько же окиси углерода, сколько выделяют четыре - пять исправных автомобилей.

На состав выхлопных газов большое влияние оказывает специфика работы автотранспорта в городских условиях. Особенностями эксплуатации автомобиля в городе являются сравнительно низкие скорости движения, частые изменения направления и скорости движения, сопровождающиеся многократными торможениями и разгонами, короткие расстояния перевозок, обуславливающие работу двигателей преимущественно на неустановившихся режимах.

При работе бензинового двигателя на неустановившихся режимах нарушается процесс смесеобразования и горения, что способствует повышенному выделению токсичных продуктов.

Переобогащение горючей смеси при коэффициенте избытка воздуха =0,6-0,95 (на режиме разгона) увеличивает выброс несгоревшего топлива и продуктов его неполного сгорания.

Особенно переобогащается смесь в режиме принудительного холостого хода, т.е. при торможении двигателем.

При низком коэффициенте избытка воздуха резко увеличивается выброс СО и СН.

Особенности работы автомобильных дизельных двигателей без наддува состоят в том, что с уменьшением нагрузки состав горючей смеси обедняется, соотношение количества воздуха и топлива варьируется от 100:1 до 15:1, поэтому содержание токсичных компонентов в ОГ при малой нагрузке уменьшается.

На холостом ходу содержание углеводородов и альдегидов невелико и существенно возрастает при работе на режиме максимальной нагрузки.

Выделение бенз(а)пирена с ОГ также зависит от режима работы ДВС.

Наибольшее количество этого вещества у бензиновых ДВС выделяется на холстом ходу, при работе на переобогащенных смесях и на режиме больших нагрузок.

При увеличении пробега автомобиля с начала эксплуатации обычно растет и содержание токсичных веществ в ОГ по следующим основным причинам:

-изменение технического состояния карбюратора(засорение или износ главного и вспомогательного жиклеров;

-нарушение уровня топлива в поплавковой камере;

-изменение регулировки карбюратора);

-неисправности в системе зажигания, вызывающие изменение установки зажигания и ослабление мощности искры (подгорание контактов прерывателя и электродов свечей, нарушение изоляции проводов, замыкание обмоток катушки высокого напряжения и др.);

-износ клапанов, втулок в газораспределительном механизме;

-износ цилиндропоршневой группы и отложение нагара в цилиндрах двигателя.

Образование продуктов неполного сгорания и окислов азота (образование токсичных веществ) в двигателе в процессе сгорания происходит принципиально различными путями.

Первая группа - это токсичные вещества связанные с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предпламенный период, так и в процессе сгорания - расширения.

Вторая группа - это токсичные вещества, образующиеся при соединении азота и избыточного кислорода в продуктах сгорания.

Реакция образования окислов азота происходит при повышенной температуре, носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива.

В составе отработавших газов двигателей в общем случае могут содержаться следующие нетоксичные и токсичные компоненты: О, О2, О3, С, СО, СО2, СН4, CnHm, CnHmО, NO, NO2, N, N2, NH3, HNO3, HCN, H, H2, OH, H2O.

Продуктами неполного сгорания, т.е. основными токсичными веществами - являются сажа, окись углерода, углеводороды, альдегиды.

Эти вредные токсичные выбросы можно разделить на:

-регламентированные;

-нерегламентированные.

Токсичные вредные выбросы: СО, NOX, CXHY, RXCHO, SO2, сажа, дым.

В нашей Республике Казахстан главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в настоящее время является автомобильный транспорт, который использует этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным оценкам. РbО (оксиды свинца) - возникают в двигателях с карбюраторным смесеобразованием, когда для увеличения октанового числа и для уменьшения детонации используется этилированный бензин.

В атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5...0,85 кг оксидов свинца при сжигании одной тонны этилированного бензина.

Проблема загрязнения окружающей среды свинцом от выбросов автотранспорта по предварительным данным становится значимой в городах с населением свыше 100000 человек и для локальных участков вдоль автотрасс с активным интенсивным движением.

Отказ от использования этилированных бензинов - это радикальный метод борьбы с загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автотранспорта [12].

По данным 2012 г. треть нефтеперерабатывающих заводов Казахстане перешли на выпуск неэтилированных бензинов. В 2013 году доля неэтилированного бензина в общем объеме производства составит 68 %.

Полный отказ от производства этилированных бензинов в стране, из-за финансовых и организационных трудностей, однако невозможен.

Загрязнение воздуха происходит тремя видами:

1) выбрасываемые через выхлопную трубу отравляющие газы - 65 %;

2) газы, выбрасываемые через картер двигателя (так называемые картерные газы) - 20 %;

3) углеводороды, выбрасываемые в результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов - 15 %.

Автомобильные выбросы в атмосфере распространяются и трансформируются по определенным закономерностям.

Так, из-за действия гравитационных сил твердые частицы размером более 0,1 мм в основном оседают на подстилающих поверхностях.

Под воздействием процессов диффузии в атмосфере распространяются частицы, размер которых менее 0,1 мм, a также газовые примеси в виде CO, СХНУ, NOX, SOX.

Их действие проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов, они вступают в процессы физико-химического взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы [13].

В данном случае рассеивание примесей в атмосфере является неотъемлемой частью процесса загрязнения и зависит от многих факторов.

Степень и количество загрязнения атмосферного воздуха выбросами зависит от следующих факторов:

-возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ на значительные расстояния;

-уровня их химической активности;

-метеорологических условий распространения.

Попадая в свободную атмосферу, компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной способностью, взаимодействуют между собой и компонентами атмосферного воздуха.

При этом различают:

-физическое взаимодействие;

-химическое взаимодействие;

-фотохимическое взаимодействие.

Примеры физического реагирования:

-конденсация паров кислот во влажном воздухе с образованием аэрозоля;

-уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе.

Жидкие и твердые частицы могут:

-объединяться с газообразными веществами;

-адсорбировать с газообразными веществами;

-растворять газообразные вещества.

Между газообразными компонентами загрязняющих веществ и атмосферным воздухом могут осуществляться:

-реакции синтеза и распада;

-реакции окисления и восстановления.

Непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу могут начинаться некоторые процессы химических преобразований.

При появлении для этого благоприятных условий, необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов другие процессы химических преобразований.

Выброс соединений углерода в виде CO и СХНУ является существенным при выполнении транспортной работы.

В атмосфере быстро диффундирует и обычно не создает высокой концентрации моноксид углерода. В атмосфере он может окисляться до СО2 при наличии примесей - сильных окислителей (О, Оз), перекисных соединений и свободных радикалов, при его интенсивном поглощении почвенными микроорганизмами.

Взаимодействуя с другими атмосферными загрязнениями, углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), прежде всего под действием солнечной радиации. В результате этого образуются свободные радикалы, перекиси, соединения с оксидами азота и серы [14].

Сернистый газ (SО2) в свободной атмосфере через некоторое время окисляется до сернистого ангидрида (SОз) и вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами.

В свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях происходит окисление сернистого ангидрида в серный.

В обоих случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.

Окисление сернистого газа происходит крайне медленно в сухом воздухе.

Окисления SO2 не наблюдается в темноте.

Скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается при наличии в воздухе оксидов азота в независимости от влажности воздуха.

При взаимодействии с другими загрязнителями сероводород и сероуглерод в свободной атмосфере подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. На поверхности твердых частиц из окислов металлов, гидрооксидов или карбонатов сернистый ангидрид может адсорбироваться и окисляться до сульфата.

Соединения азота, поступающие в атмосферу от объектов автомобильно-транспортного комплекса, представлены в основном NO и NO2.

Выделяемый в атмосферу моноксид азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется атмосферным кислородом до диоксида азота.

Кинетика дальнейших превращений диоксида азота определяется его способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на моноксид азота и атомарный кислород в процессах фотохимического смога.

Фотохимический смог - это комплексная смесь, образующаяся при воздействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов автомобильных двигателей - NO и углеводородных соединений. Другие вещества (SO2), твердые частицы также могут участвовать в смоге, но не являются основными носителями высокого уровня окислительной активности, характерной для смога.

Стабильные метеорологические условия благоприятствуют развитию смога:

*удерживаются в атмосфере городские эмиссии в результате инверсии;

*служат своеобразной крышкой на сосуде с реактивами;

*увеличивается продолжительность контакта и реакции;

*препятствуется рассеиванию (новые реакции добавляются к первоначальным).

Формирование смога и образование оксиданта обычно останавливается при прекращении солнечной радиации в темное время суток и дисперсии реагентов и продуктов реакции.

При обычных условиях концентрация тропосферного озона, который является предвестником образования фотохимического смога, достаточно низкая. Оценки показывают, что генерация озона из оксидов азота и углеводородных соединений вследствие переноса воздушных масс и повышение его концентрации, и, следовательно, неблагоприятное воздействие происходит на расстоянии 300-500 км от города.

Помимо метеорологических факторов самоочищения атмосферы некоторые компоненты вредных выбросов автомобильного транспорта участвуют в процессах взаимодействия с компонентами воздушной среды, результатом которых является возникновение новых вредных веществ (вторичные атмосферные загрязнители). Загрязнители вступают с компонентами атмосферного воздуха в физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия [15].

Многообразие продуктов выхлопов автомобильных двигателей может быть классифицировано по группам, сходным по характеру воздействия на организмы или химической структуре и свойствам:

-нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар и углекислый газ, содержание которых в атмосфере в обычных условиях не достигает уровня, вредного для человека;

-моноксид углерода, наличие которого характерно для выхлопов бензиновых двигателей;

-оксиды азота (~98 % NО, ~2 % NO2), которые по мере пребывания в атмосфере соединяются с кислородом;

-углеводороды (алкаин, алкены, алкадиены, цикланы, ароматические соединения);

-альдегиды;

-сажа;

-соединения свинца;

-серистый ангидрид.

Чувствительность населения к действию загрязнения атмосферы зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего состояния здоровья, питания, температуры и влажности и т.д. Лица пожилого возраста, дети, больные, курильщики, страдающие хроническим бронхитом, коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.

Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов автотранспорта становится все более актуальной. Это можно проследить уже на примере Алма-Аты. В 2002 г. вклад автотранспортных средств в суммарное загрязнение атмосферы составлял 69 %, в 2010 г.-74,6 %, наконец, в 2012 г. - 79,6 %.

Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое место, поскольку воздух - продукт непрерывного потребления организма.

Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих защитить организм от воздействия загрязнителей воздуха. Волоски в носу отфильтровывают крупные частицы. Липкая слизистая оболочка в верхней части дыхательного тракта захватывает мелкие частицы и растворяет некоторые газовые загрязнители.

Удаляется загрязненный воздух и слизь при раздражении дыхательной системы механизмом непроизвольного чихания и кашля.

Тонкие частицы представляют наибольшую опасность для здоровья человека, так как способны пройти через естественную защитную оболочку в легкие. Вдыхание озона вызывает кашель, одышку, повреждает легочные ткани и ослабляет иммунную систему.

Влияние загрязнения воздуха на здоровье населения состоит в следующем.

Взвешенные частицы. Частицы пыли размером от 0,01 до 100 мкм классифицируются следующим образом: более 100 мкм - осаждающиеся, менее 5 мкм - практически неосаждающиеся.

Частицы первого типа безвредны, поскольку быстро осаждаются либо на поверхности земли, любо в верхних дыхательных путях.

Частицы второго типа попадают глубоко в легкие.

Установлено присутствие соединений углерода, углеводорода, парадина, ароматических веществ, мышьяка, ртути и др. в легких вследствие проникновения пыли, a также связь с частотой заболевания раком, хроническим заболеванием дыхательных путей, астмой, бронхитом, эмфиземой легких. Резкое увеличение частоты хронических бронхитов начинается с концентрации 150-200 мкт/м3.

При попадании в дыхательные пути сажи, возникают хронические заболевания (размеры твердых частиц 0,5…2 мкм), ухудшается видимость, а также сажа абсорбирует на своей поверхности сильнейшие канцерогенные вещества (бенз(а)пирен), что опасно для человеческого организма. Норма сажи в отравляющих газах составляет 0.8 г/м3.

Сернистый ангидрид. Оказывает пагубное влияние на слизистую оболочку верхних дыхательных путей, вызывает бронхиальную закупорку. Начиная с 500 мкт/м3 у больных бронхитом, наблюдаются осложнения, 200 мкт/м3 вызывает увеличение приступов у астматиков.

Оксиды азота. Диоксид азота и фитохимические производные являются побочными продуктами нефтехимических производств и рабочих процессов дизельных двигателей. Оказывают влияние на легкие и на органы зрения. Начиная с 150 мкт/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций.

Оксиды азота раздражают слизистую оболочку глаз и носа, разрушают легкие. В дыхательных путях оксиды азота реагируют с влагой, которая находится в этом месте. Оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя. Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО N2O действует как наркотик. Норма NOx в воздухе - 0,1 мг/м3.

Озон. Повышение концентрации оксидов азота и углеводородов под действием солнечной радиации порождает фотохимический смог (озон, ПАН и др.) Фоновая концентрация озона в природе 20-40 мкт/м3. При 200 мкт/м3 наблюдается заметное негативное воздействие на организм человека [16].

Моноксид углерода. При сжигании топлива в условиях недостатка воздуха, CO генерируется в процессе работы автомобильных двигателей. Соединяясь с гемоглобином, из вдыхаемого воздуха попадает в кровь, препятствуя насыщению крови кислородом, а следовательно, и тканей, мышц, мозга.

При концентрации 20-40 мкт/м3 в течение 1 часа содержание гемоглобина в крови повышается на 2-3 %, что вызывает ослабление зрения, ориентации в пространстве, реакций. СО вызывает нарушение нервной системы, головную боль, похудение, рвоту.

Основными представителями альдегидов, поступающих в атмосферный воздух с выбросами автомобилей, являются формальдегид и акролеин.

Действие формальдегида характеризуется раздражающим эффектом по отношению к нервной системе. Он поражает внутренние органы и анактивирует ферменты, нарушает обменные процессы в клетке путем подавления цитоплазматического и ядерного синтеза. Именно RxCHO определяют запах отравляющих газов.

Углеводороды (СxНy) имеют неприятные запахи. СxНy раздражают глаза, нос и очень вредны для флоры и фауны. СxНy от паров бензина также токсичные, допускается 1,5 мг/м3 в день.

Оксиды свинца накапливаются в организме человека, попадая в него через животную и растительную пищу. Свинец и его соединения относятся к классу высокотоксичных веществ, способных причинить ощутимый вред здоровью человека.

Свинец влияет на нервную систему, что приводит к снижению интеллекта, а также вызывает изменения физической активности, координации, слуха, воздействует на сердечнососудистую систему, приводя к заболеваниям сердца.

Свинцовое отравление (сатурнизм) занимает первое место среди профессиональных интоксикаций.

Содержание свинца в растениях, которые растут около дорог, зависит от расстояния растения до дороги. Норма Рb в Европе - 10 мг Рb в 1 кг травы.

К энергетическим загрязнениям окружающей среды автотранспортом относят:

-шум;

-вибрации;

-электромагнитные излучения.

Наиболее сильно влияет на психологическое состояние человека шумовое воздействие.

Шум - это неприятные, нежелательные звуковые колебания, хаотично изменяющиеся во времени.

Звуковые колебания - акустические колебания, лежащие в диапазоне частот от 16 Гц до 22 кГц.

Различают четыре вида воздействия шума:

-раздражающее воздействие (шумовые всплески, переменное акустическое воздействие в сочетании с шумом постоянного уровня и громкие звуки);

-снижение самообладания (предъявление жалоб и претензий к объектам и субъектам повышенных шумовых воздействий);

-воздействие шума на характер принимаемых решений, что важно, например, для водителя при быстрой смене обстановки в городских условиях движения;

-воздействие шума на внимание в процессе длительной работы с учетом наличия корреляции уровня шума с вероятностью совершения дорожно-транспортного происшествия.

Основными источниками внешнего шума являются автотранспорт, а также некоторые виды производства и строительство.

Установлено, что интенсивность шума (в дБА) составляет от:

Легкового автомобиля 70-80

Автобуса 80-85

Грузового автомобиля 80-90

Мотоцикла 90-95

Автомобильные средства по интенсивности шума различаются довольно резко.

К самым шумным относятся грузовые автомобили с дизельным двигателем (90-95 дБА), к самым «тихим» - легковые автомобили высоких классов (65-70 дБА).

Источником шума на автомобиле являются:

-двигатель;

-коробка передач;

-ведущий мост;

-вентилятор;

-выхлопная труба;

-всасывающий коллектор;

-шины.

При скорости движения до 70-80 км/ч под нагрузкой основным источником шума на автомобиле оказывается двигатель. За пределами указанных скоростей главный шум производят шины. Когда нагрузка сбрасывается, наиболее интенсивный шум вызывается также шинами.