Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие Романов Вадим
где L — удельная скрытая теплота конденсации; р — плотность смеси сухого воздуха, пара, сконденсированной влаги и дымового аэрозоля; Fl — удельное содержание сконденсированной влаги, определяемое как разница между удельной влажностью F и насыщающей влажностью Fm; t — время.
Плотность паровоздушной смеси записывается в виде [33]:
р = рв(1–0,608 F + F1 + с),
где с — удельная концентрация дымового аэрозоля.
Плотность сухого воздуха рв удовлетворяет уравнению состояния
где Р — давление, Т — температура, R — газовая постоянная для воздуха.
Удельная влажность Fm, при которой водяной пар в воздухе достигает насыщения, определяется из уравнения:
где
Em(T) — парциальное давление насыщенного водяного пара (Н/м2), определяемое по формуле Магнуса [34]:
Em(T) = 610 ехр (Т),
а(Т) =17,27(Т — 273,16)/(T — 35,86).
Формирование и подъем конвективной колонки дымового аэрозоля рассматривается в рамках односкоростной и однотемпературной модели дисперсной среды, применение которой правомерно, так как размеры дисперсных частиц (дым, пар, капли) намного превышают характерные молекулярно-кинетические пробеги, а время их скоростной и температурной релаксации значительно меньше времени развития конвективных движений. Кроме того предполагается малое объемное содержание дисперснй фазы, не учитываются эффекты столкновения частиц, коагуляция, образование дождевых капель и их выпадение.
Начало цилиндрической системы координат г, z выбирается в центре пожара на поверхности земли. Тогда система уравнений Навье-Стокса, определяющая развитие конвективных движений среды при пожаре, имеет следующий вид:
В этих соотношениях: u, V — радиальная и вертикальная составляющая скорости; Cv — теплоемкость газа при постоянном объеме; g — ускорение свободного падения; , — коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности.
Распространение мелкодисперсного дымового аэрозоля, перенос пара и влаги в виде капель описывается уравнениями турбулентной диффузии
В этих соотношениях: е, t — коэффициенты ламинарной и турбулентной вязкости; l — длина пути перемешивания; К — эмпирическая константа.
Эффективные коэффициенты переноса предполагаются связанными соотношением
числа Рейнольдса и Шмидта равны Re=Sc.
Здесь: Сp = · Cv; — показатель адиабаты.
Начальное состояние атмосферы до пожара считается невозмущенным, т. е. при t = 0:
u = V = 0; T=Ta(z);p=pa(z);F = Fa(z);F1 = C = 0.
Распределение метеопараметров по высоте определялось в соответствии с моделью международной стандартной атмосферы и уравнением гидростатического равновесия [34]:
В этих соотношениях: pa(z) — плотность невозмущенной атмосферы; Нт — высота тропопаузы (10 16 км); F0 — значение удельной влажности у поверхности земли;
а0 = 0,42 ч-0,84 км1.
Пограничные условия на оси течения записываются в соответствии с симметричностью течения, поверхность земли считается адиабатичной и непроницаемой:
при r=0:
На внешних границах расчетной области принимались условия отсутствия градиентов скоростей и давлений; для входящего в область колонки потока считалось, что Т = Ta(z), F = Fa(z), F1 = С = 0; для выходящего потока — градиенты температуры, удельной влажности и концентрации брались нулевыми.
Численное решение изложенной модели показало, что в процессе развития в атмосфере конвективная колонка проходит несколько стадий: формирование, подъем и зависание.
На Рис. 4.2 представлена рассчитанная картина процесса формирования дымового облака над пожаром в последовательные моменты времени (показаны изолинии 4-х различных концентраций аэрозоля: сх, с2, с3, с4).
На начальной стадии формирования колонки (t < 1000 с) движение влажного воздуха происходит без фазовых превращений. На границе пожара возникает интенсивный тороидальный вихрь, способствующий более быстрому подъему аэрозольных частиц по периметру очага горения (Рис. 4.2а).
Рис. 4.2. Динамика формирования облака аэрозольных частиц над пожаром: R = 5 км; qm = 5 104 Вт/м2 в моменты времени: а) 900 с; б) 1800 с; в) 2700 с.
В дальнейшем по мере увеличения мощности тепловыделения формируется устойчивый, направленный к центру пожара поток газа. Окружающий зону пожара воздух втекает в нее, нагревается и вместе с продуктами горения поднимается вверх, образуя вертикально направленный поток — тепловую колонку. Поднимающийся в восходящей струе влажный воздух достигает уровня конденсации (на высотах > 3 км), что приводит к дополнительному подъему аэрозолей (рис. 4.26).
Тороидальный вихрь, образовавшийся при малых временах на периферии пожара, под действием сил плавучести поднимается, формируя характерную грибовидную форму (рис. 4.2в) — стадия зависания колонки.
Расчеты показали, что при мощности пожара qm = 5-104 Вт/м2 наибольшая вертикальная скорость потока (43 м/с) наблюдается на оси симметрии, при этом максимальная величина радиальной скорости у границ очага горения не превышает 17 м/с. Вовлечение холодного воздуха в восходящую струю наблюдается до высоты «4 км. На высотах от 7 до 11 км образуется зона зависания, в которой дымовой аэрозоль и вовлеченный в струю воздух растекаются в горизонтальном направлении от оси симметрии течения. Через 1 час дымовое облако растекается на площади 700 км2, что почти на порядок больше площади очага горения.
Вода, выделяющаяся при конденсации влажного воздуха, в виде дождевых капель, снега и льда может выпасть в виде осадков.
Полученные результаты показывают, что динамика формирования конвективной колонки, высота подъема аэрозоля и характер его распределения в выбросе зависят не только от мощности пожара, но и от влажности атмосферы. Фазовые переходы, вызванные присутствием влаги в атмосфере, существенно влияют на характеристики подъема, зависания и выноса аэрозоля в атмосферу, а также процессы вымывания осадками частиц аэрозоля. В связи с этим при анализе пространственно-временной картины формирования тепловой колонки при пожарах необходим учет влажности и устойчивости атмосферы, а также уровня тропопаузы.
4.5. Дымления, испарения, туманы
Выбросы, возникающие при испарениях жидкостей и дымлениях твердых горючих тел, являются важными поставщиками токсичных веществ в атмосферу. Эти процессы объединяет то, что носителями загрязнений являются мельчайшие твердые или жидкие частицы, строго следующие движениям воздуха. Скорость поступления таких частиц в атмосферу определяется молекулярными эффектами, а скорость переноса — турбулентными характеристиками потока.
Вследствие своей малости и быстрого разбавления воздухом частицы испаряющейся жидкости или дыма практически не влияют на газодинамику выброса и фактически являются пассивной субстанцией. Поэтому уравнения, описывающие выбросы дымления и испарительный выброс, имеют одинаковый вид.
При построении математических моделей движения атмосферных объемов, включающих в себя мельчайшие твердые или жидкие частицы, вводится предположение [121] о том, что их наличие не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на характер такого движения. Иными словами, предполагается, что примесь капель жидкости или аэрозольных дымовых частиц в воздухе является консервативной и химически пассивной.
Что касается дымовых аэрозолей, то такое предположение является весьма оправданным и подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Водяной пар в воздухе при отсутствии фазовых переходов является [121, 129, 130] консервативной скалярной примесью.
Как известно [121], любая консервативная субстанция, смешивающаяся с движущейся жидкостью, переносится относительно системы координат, связанной со средним ее движением, путем турбулентного и молекулярного обмена. Общий поток массы выражается в виде
В соответствии с законом Фика
где kv — коэффициент молекулярной диффузии рассматриваемой физической субстанции (водяного пара или дыма) в воздухе; pv — ее плотность.
Уравнение сохранения консервативной пассивной примеси в предположении постоянства pv и kv по пространству имеет вид [121]
где q — концентрация примеси.
Отметим, что это уравнение имеет весьма общий вид, и им можно пользоваться для определения изменения любой консервативной и пассивной примеси или любого свойства воздуха, заменив q на концентрацию, выраженную отношением массы примеси к единичному объему общей массы воздуха и понимая под ки коэффициент молекулярной диффузии этой примеси.
Записанное выше уравнение диффузии можно решить, выбрав подходящие граничные условия и зная распределение поля скорости. Граничные условия задаются трех типов, а именно на поверхности z = 0 задается либо значение q, либо поток рассматриваемой примеси, либо поток примеси выражается через другие компоннты теплового баланса.
К сожалению, уравнение (4.26) не находит непосредственного применения в практических задачах, так как реальные потоки имеют турбулентный характер. Это означает, что в действительности невозможно определить скорость переноса и концентрации примесей в любой заданной точке пространства и времени, а можно найти только их статистические характеристики.
Для этого рассматривают осредненные величины, и в соответствии с общепринятым подходом, предложенным Рейнольдсом, зависимые переменные представляют в виде сумм не возмущенных величин и возмущений:
Применяя затем обычный метод осреднения по времени с соответствующим периодом осреднения и используя уравнение неразрывности, из уравнения (4.26) получается соотношение для нахождения
Члены в левой части этого уравнения представляют скорость изменения средней массовой доли вещества примеси, перемещающейся с осредненной скоростью движения воздуха. Ковариации пульсаций в правой части уравнения можно назвать турбулентными потоками по аналогии с напряжениями Рейнольдса. Они являются компонентами диффузионного потока, обусловленного турбулентным движением. Последний член представляет перенос средней субстанции за счет молекулярной диффузии.
Это уравнение должно быть дополнено уравнениями неразрывности, количества движения и энергии в терминах средней скорости движения несжимаемой жидкости. Вид этих уравнений для пассивных и консервативных примесей общепринятый и поэтому здесь не приводится.
Записанные таким образом уравнения сохранения имеют незамкнутый вид, и поэтому их решение представляет большую проблему. Уравнения для моментов низших порядков (для осредненных величин) содержат потоки, обусловленные пульсациями метеорологических элементов и содержат моменты более высокого порядка. Таким образом, любой конечный набор уравнений для моментов турбулентных флуктуаций всегда включает больше неизвестных, чем число уравнений. Это известная проблема замыкания присуща уравнениям турбулентного движения, основанным на приближениях Рейнольдса. Она является результатом нелинейности исходных уравнений гидродинамики.
Упрощение этой проблемы достигается несколькими подходами. Во-первых, путем выделения в атмосфере вблизи подстилающей поверхности особого пограничного слоя, в котором вертикальные градиенты значительно больше горизонтальных. Во-вторых, путем использования принципов подобия и полуэмпирической теории турбулентности, выражая моменты второго и более высоких порядков через осредненные переменные и моменты более низких порядков.
В качестве примера использования инженерного подхода для решения задачи распространения консервативных пассивных примесей в атмосфере приведем математическую модель атмосферной диффузии примеси при тумане. Расчет распространения примеси от источников при тумане основывается на решении уравнения турбулентной диффузии, записанном в виде [129]:
Здесь u — скорость ветра; q — концентрация примеси; Ку — горизонтальная составляющая коэффициента обмена; а' — показатель степени поглощения примеси водяными каплями (вне тумана а' — 0).
Начальным условием при х=0 принимается наличие источника на некотором уровне z = Нmр при у = 0 и в качестве граничных условий, как обычно, убывание q до нуля при неограниченном удалении от источника и отсутствие потока примеси на подстилающей поверхности, т. е. при z = 0:
Способ определения а' рассмотрен в работе [122]. Для расчета концентрации примеси q необходимо знать распределение водности в тумане и высоту тумана. Решение приводится в работе [122]. Из анализа решения следует, что поглощение примеси, содержащейся в газообразном виде в атмосфере, происходит в основном в верхнем слое тумана; вблизи земли ее концентрация близка к нулю. Причем на расстояниях х > 0,5 км от источника практически вся газообразная примесь в тумане растворена в каплях.
4.6. Взрывной разлет твердых и жидких частиц
Жидкие и твердофазные выбросы являются важной загрязняющей компонентой при авариях на промышленных объектах. Сносящий ветровой поток приводит к переносу частиц на большие удаления от места аварии и загрязнению обширных ареалов.
Исследованию процессов разлета частиц и фрагментов взрываемых объектов разного размера, а также изучению загрязнения атмосферного воздуха и поверхности земли твердофазными и жидкими продуктами взрыва посвящено большое количество работ [71–72,74-85], основная часть которых описывает возникновение и разлет частиц и осколков при взрывах емкостей, снаряженных газами и конденсированными твердыми топливами.
Авторы большинства работ ограничиваются рассмотрением движения массивных тел по баллистическим траекториям в пренебрежении воздействия ветра. Согласно упрощенному анализу [74] движение тела предполагается в одной плоскости, причем допускается, что оно может вращаться вокруг продольной оси, что придает осколку необходимую устойчивость и позволяет считать, что тело не сносится ветром.
В действительности фрагменты разрушенного объекта, жидкие и твердые частицы при их взрывном разлете в ветровом потоке заметно отклоняются от первоначальной плоскости. Причем эти отклонения тем больше, чем мельче частицы. Пространственный характер движения частиц при наличии возмущающего воздействия внешних сил может быть учтен в предположении независимости их движения в горизонтальной плоскости и в плоскости разлета [87,76].
Запишем соотношения, позволяющие сравнительно просто определять динамические и траекторные характеристики жидкой или твердой частицы, а также фрагмента изделия или куска грунта, вылетающего из взрывного очага и продолжающего движение по баллистической траектории при наличии ветра. На частицы, движущиеся после взрыва в атмосфере по инерции, действуют сила полного аэродинамического сопротивления и сила тяжести.
При известной системе внешних сил Ft, действующих на объект, векторное уравнение движения его центра масс записывается в виде [62,76,70,87]:
Как показано в работе [70], абсолютное ускорение в левой части этого уравнения определяется относительным (в лабораторной системе координат) ускорением , а переносным и кориолисовым ускорениями можно пренебречь. Если землю считать неподвижной, то скорость взрывного разлета частиц является практически абсолютной их скоростью.
Отметим, что в систему уравнений для описания пространственного движения частицы при ее взрывном разлете кроме проекций уравнения движения (4.28) на координатные оси в лабораторной (стартовой) системе координат должны входить уравнения для нахождения ее координат. Такими уравнениями являются кинематические соотношения, устанавливающие зависимости проекций на оси лабораторной системы координат от величины этой скорости и углов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Соотношения, связывающие пространственные координаты частицы x,y,z с ее скоростью записываются так
Эти соотношения дополняют систему скалярных уравнений движения центра масс частицы:
где X,,Z — проекции вектора полной (с учетом соответствующих составляющих скорости ветра) аэродинамической силы на координатные оси; g — ускорение силы тяжести.
В окончательном виде дифференциальные уравнения движения частицы, вылетающей из взрывного очага в сносящий ветровой поток, имеют следующий вид [62,73]:
Здесь Ve — скорость ветра; pe — плотность воздуха; S — площадь миделева сечения частицы; Сх — коэффициент аэродинамического ее сопротивления, зависящий от режима движения в атмосфере.
Системы уравнений (4.29) и (4.30) позволяют сложное пространственное движение центра масс частицы, движущейся после вылета из очага взрыва в ветровом потоке, представить в виде суперпозиции двух простых: продольного (в плоскости разлета) и бокового (в плоскости горизонта). При этом продольное двиение оказывается независящим от бокового.
4.7. Ветровой перенос пыли
После аварий на крупных химических и радиационных объектах в окружающую среду может попасть огромное количество загрязняющих веществ в виде частиц в широком диапазоне размеров — от грубодисперсных частиц до мелкодисперсных аэрозолей. Их ветровой перенос приводит к загрязнению больших ареалов радиоактивной или химически активной пылью.
Несмотря на то, что пыль, связанная с деятельностью человека, стала выступать в качестве загрязняющего фактора достаточно давно, систематическое изучение этой проблемы находится еще в начальной стадии [63,64]. Причиной такого положения является, по нашему мнению, как недооценка пыли как важного загрязняющего фактора, так и сложность определения сил, действующих на частицы со стороны воздушного потока, и отсутствие надежных данных о величинах молекулярных сил, препятствующих отрыву частиц от земли и друг от друга.
Вопрос об уносе тяжелых частиц с подстилающей поверхности и их распространении в потоке рассматривался рядом исследователей [86,89,63–68]. Было показано, что если в потоке имеются достаточно тяжелые частицы, то его турбулентная энергия заметно уменьшается из-за затрат на отрыв частиц от подстилающей поверхности и поддержания их во взвешенном состоянии. В этом случае необходимо взаимосвязанно рассматривать распространение частиц в потоке и движение самого потока. Отмечается, что если работа, затрачиваемая потоком на взвешивание частиц, мала, то структура потока практически не меняется из-за наличия в нем частиц. В этом случае распространение частиц в потоке можно рассматривать в рамках диффузионной теории.
В работе [90] предлагается принять гипотезу о том, что при (w — скорость осаждения частиц, v — динамическая скорость, % — постоянная Кармана) частицы переносятся потоком путем последовательных подскоков и падений. Такой процесс называется сальтацией. Он является основным механизмом переноса частиц, например, во время песчаных бурь.
По современным представлениям [65] частицы в общем случае под действием ветрового потока могут перемещаться тремя способами: качением или скольжением по подстилающей поверхности, скачками и путем перехода во взвешенное состояние. Отрыву частиц от земли практически всегда предшествует стадия скольжения или перекатывания. Этот вид энергии требует наименьших затрат энергии, поэтому транспортирующая способность такого потока является наибольшей. Основная масса частиц переносится скачками.
Крупные аварии промышленных объектов, сопровождающиеся пожарами, взрывами и токсическими выбросами, приводят к появлению локальных температурно-ветровых неоднородностей и, как их следствие, к возникновению интенсивных перемещений насыщенных частицами воздушных потоков типа пыльных бурь. Отметим, что образование естественных пыльных бурь происходит при термодинамической неустойчивости атмосферы, обусловленной сильным нагревом почвы или вторжением холодных масс воздуха с атмосферным фронтом. Для возникновения пыльных бурь кроме большой скорости ветра необходима еще его конвергенция [66]. При пыльных бурях, вызванных потоками теплого воздуха, четкого пылевого фронта не образуется. Вертикальные потоки воздуха над нагретой поверхностью вызывают иногда появление пылевых столбов радиусом от 5 до 100 м и высотой до 2 км. При сильном ветре, вызывающем появление пылевой бури, перенос мелких частиц в виде взвеси составляет от 3 до 40 % от величины суммарного переноса. Теория переноса витающего аэрозоля не учитывает взаимодействия твердой и газовой фаз, поскольку концентрация аэрозоля считается пренебрежимо малой. Поэтому величина переноса определяется произведением концентрации пассивной примеси на скорость ветра. В случае распространения консервативной примеси с концентрацией q полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии имеет следующий вид [65,67]:
где u — скорость ветра; w — скорость седиментации частиц; Кх, Ку, Кz — коэффициенты турбулентной диффузии по осям координат.
В качестве граничных условий на бесконечности полагают концентрацию примеси равной нулю, и на высоте шероховатости z0 задают величину вертикального потока. Они записываются так:
где — некоторый коэффициент, характеризующий взаимодействие пыли с подстилающей поверхностью;
Для описания движения грубодисперсных аэрозолей используют [68,69] подходы двухфазных турбулентных потоков, учитывающих взаимное влияние фаз. Однако необходимо отметить, что для разрешимости системы уравнений необходимо ввести дополнительные предположения. При подобных подходах предполагается несжимаемость среды и учитываются возможные межфазовые переходы типа сублимации. Уравнения неразрывности и сохранения количества движения газовой и твердой фаз в предположении, что тензор мгновенных напряжений внутри частиц и среды изменяется непрерывно, записываются в следующем виде [65, 69]:
где S — объемная концентрация твердой фазы; v,vs — векторы осредненной скорости среды и твердой фазы относительно земли; ,s — массовые плотности среды и частицы; g — ускорение силы тяжести; ,s — ускорения негравитационных массовых сил; T, Ts — осредненные тензоры напряжений, вызванных перемешиванием и столкновением твердых и газовых частиц; П — осредненный тензор мгновенных напряжений внутри твердых частиц и среды.
Для решения уравнений (4.31) оценивается порядок отдельных членов в уравнениях и показывается, что влиянием электризации частиц на их подъем в воздухе можно пренебречь по сравнению с гравитационными силами. Кроме того, пренебрегается межфазовыми переходами. Величина Ts опускается из-за невозможности ее определения и для двухфазного потока используется приближенное выражение обобщенного тензора касательных напряжений для однофазной жидкости. Такая вынужденная замена сразу же приводит к расхождению теории с экспериментом в области, где взаимное влияние фаз наиболее выражено, т. е. в зоне больших концентраций у поверхности земли. Формально это влияние проявляется в кажущемся увеличении параметра шероховатости подстилающей поверхности.
Важным фактором в понимании механизма развития движения пылевых образований типа пыльных бурь является обнаруженное и экспериментально подтвержденное распределение частиц по размерам над поверхностью земли. При ветровом переносе пыли крупные частицы сосредотачиваются вблизи поверхности почвы, мелкие поднимаются выше. Поскольку мелкодисперсные частицы поднимаются на большую высоту, они уносятся ветром дальше, что вызывает изменение спектрального состава аэрозоля по мере его удаления от очага пылеобразования. Вертикальный профиль переноса характерен резким убыванием концентрации и потока примеси с высотой.
Глава V
Экологические опасности аварийных и бытовых выбросов
Наиболее значимыми загрязнителями воздуха в настоящее время признаны следующие вещества: взвешенные частицы; углеводороды и другие летучие органические вещества; угарный газ; оксиды азота; оксиды серы; свинец и другие тяжелые металлы; озон и другие фотохимические окислители; кислоты, в основном серная и азотная; диоксины.
Основное количество загрязнителей антропогенного происхождения поступает в воздух при обычной работе промышленных производств, однако аварии и различные инциденты добавляют заметную долю этих веществ в общем балансе атмосферного загрязнения.
Следует отметить, что многие из этих загрязнителей и ядовитых веществ обладают синергетическим действием, проявляющемся в усилении токсического воздействия на организм при совместном действии. В качестве примера можно привести синергетический эффект взаимодействия частиц пыли и более мелких аэрозолей и оксида серы. Пыли поступают в атмосферу в большом количестве при пожарах, взрывах и горении различных топлив (главным образом, угля, бензина, дизельного топлива). Мелкие взвешеные в воздухе твердые частицы обладают относительно большой удельной поверхностью и способны на ней адсорбировать огромное количество загрязняющих веществ.
Попавшие в атмосферу соединения серы при горении и взрыве топлив окисляются и, реагируя с водяными парами воздуха, образуют мельчайшие капельки серной кислоты — кислотного тумана. Хотя по отдельности и взвешенные частицы и оксиды серы оказывают негативное влияние на здоровье людей, обостряя и осложняя различные респираторные и сердечные заболевания, но совместное их действие поистине смертоносно.
Происшествие такого типа, оцениваемое специалистами как катастрофическая авария, произошла утром 11 декабря 2005 года на нефтяном терминале Бансфилд в районе города Хемел Хемпстед. После трех мощных взрывов в 20-ти емкостях с нефтепродуктами возник сильный пожар, который пожарным не удавалось потушить трое суток. При тушении было задействовано 600 пожарных и несколько десятков агрегатов и механизмов пожарной техники. При тушении пожара было использовано более 15 тысяч тонн воды и около 250 тысяч литров пен и специальных концентратов тушащих реагентов. Погасший было огонь вновь разгорелся 14 декабря в новом очаге возгорания. На этот раз решено было не тушить пожар, дав остаткам топлива выгореть естественным путем еще несколько дней. По оценкам специалистов этот грандиозный пожар, глобально задымивший тропосферный слой атмосферы и уменьшивший ее прозрачность, сказался практически на каждом жителе Великобритании. Его итогом были тысячи заболевших и погибших от ядовитых газов и токсичных дождей.
Эффект совокупно действующих оксида серы и взвешенных частиц является хорошо изученным достоверным фактом; безусловно и некоторые другие комбинации загрязнителей усиливают токсическое воздействие на живые организмы. Одним из компонентов в таких комбинациях может быть табачный дым, в котором обнаружено несколько тысяч химически активных соединений, значительное количество из которых являются ядовитыми.
О большинстве из перечисленных выше загрязнителей атмосферного воздуха, их экологическом значении и влиянии на здоровье, можно узнать в Приложении № 2. В этом разделе книги обсуждаются вопросы возникновения и поступления этих веществ при авариях и близких к ним по эффекту ситуациях.
5.1. Вредные вещества, поступающие в атмосферу при пожарах
Пожар можно определить [169] как неконтролируемое горение, развивающееся во времени и в пространстве. В отличии от горения, понимаемого процессом прогрессивно ускоряющегося выделения тепла и света в результате химических реакций и широко используемого человеком на всех этапах его существования, пожар приносит материальный ущерб и гибель живых организмов. Одной из основных причин гибели людей при пожарах промышленных объектов и современных жилых и административных зданий (более 80 % случаев) является острое отравление газообразными продуктами горения различных строительных материалов и конструкций.
Быстрое отравление организма возможно в результате загрязнения окружающей атмосферы вредными веществами в поражающих организм концентрациях (токсодозах) или количествах, создающих угрозу для жизни и здоровья.
Наиболее токсичны продукты горения синтетических полимерных материалов. Большинство пластмасс при горении выделяют ядовитые вещества — такие как: оксид углерода, циан водорода, хлористый водород, акролеин, окислы азота, различные алифатические и ароматические углеводороды и др. Чрезвычайно опасен в санитарно-гигиеническом отношении поролон, применяемый для изготовления мебели. Этот продукт при горении выделяет ядовитый газ, содержащий цианистые соединения, даже в незначительных количествах являющиеся высокотоксичными и поражающими дыхательную и нервную системы человека.
Возгорание горючих материалов таких, как рубероид, битум, различной кабельной продукции приводит к поступлению в воздух токсичных продуктов деструкции (разрушения) сгоревших полимерных материалов с выделением фосгена, хлористого и цианистого водорода, хлорированных и ароматических углеродов, относящихся к веществам преимущественно удушающего, общеядовитого и нейротропного действия. Концентрации этих веществ при пожарах могут достигать опасных для жизни уровней. Известно, что сгорание всего лишь 1 г различных полимерных материалов приводит к выделению до 144 мг окиси хлористого водорода, до 167 мг окиси углерода, что намного превышает поражающие и смертельные концентрации этих веществ в помещениях среднего объема.
Причиной гибели людей может быть высокая температура задымленной среды. Вдыхание продуктов сгорания, нагретых до 6 °C, даже при 0,1 % содержании оксида углерода приводит к летальному исходу.
Опасным задымлением считается такое, при котором видимость не превышает 10 м. Концентрация оксида углерода в воздухе до 0,2 % вызывает смертельные отравления людей при пребывании их в зоне в течение 30–60 минут, а при концентрации 0,5–0,7 % — в течение нескольких минут.
Выход дыма при горении сильно зависит от условий горения. При тлении масса образующегося дыма может увеличиваться во много раз. Так, для дерева при небольших пожарах относительная масса дыма составляет 3–6 % от массы сгораемого вещества, увеличиваясь до 15 % при тлении; при горении нефтепродуктов, пластмасс, резины — от 1 до 15 % и от 5 до 40 % — при тлении; в качестве средней оценки можно принять 4 %.
Лесные пожары вносят хотя и меньший, чем городские, но весьма заметный вклад в задымление земной атмосферы. Приведем оценки выхода дыма при природных пожарах. Запас сухих горючих материалов в наиболее продуктивных лесах средних широт Северного полушария составляет 25–30 кг/м2. Примерно 15–20 % этого материала приходится на легко воспламеняемую, полностью сгорающую часть — мох, опад, подстилку. В малопродуктивных лесах запасы сухого материала невелики — около 1 кг/м2. Средний запас сухой древесины около 15 кг/м2. Доля выгоревшего торфа варьируется в широких пределах. Таким образом, в среднем в лесах сгорает 5 — 10 кг/м2 горючего материала, не считая торфа.
Воспламенение древесины может произойти как от открытого источника огня (пламени или искры), так и от нагретых предметов или горячих газов. При повышении температуры до 125 °C из древесины быстро испаряется влага; после этого она разлагается с выделением горючих летучих веществ. При температуре выше 210 °C и наличии источника открытого огня воспламеняются летучие вещества, температура повышается и процесс переходит в экзотермическую стадию горения с выделением тепла. При температуре 260 °C начинается длительное и устойчивое горение летучих продуктов пиролиза древесины с образованием пламени и дальнейшим повышением температуры. При температуре 450 °C и более пламенное горение древесины переходит в беспламенное горение угля с температурой до 900 °C.
Древесина способна к самовоспламенению при температуре свыше 330 °C. При длительном нагревании температура ее самовоспламенения значительно снижается. Например, самовоспламенение древесины наблюдалось при 166 °C через 20 ч. Это явление необходимо учитывать при размещении деревянных конструкций вблизи нагреваемых предметов (отопительных приборов, труб, дымоходов и т. п.). В данном случае должны быть обеспечены такие условия изоляции от нагревания, чтобы установившаяся, длительно действующая температура не превышала 50 °C.
При горении в атмосферу выбрасываются не только твердые частицы, но и пыли органического и минерального происхождения. В любом топливе есть сернистые соединения (пирит, образованный бактериями), соединения азота (остатки аминокислот) и др. Топливо сгорает, а запас сернистых соединений обращается в оксид серы; азот топлива превращается в оксид азота. Сернистые газы и водяные пары, содержащиеся в воздухе, образуют аэрозоль сернистой и серной кислот. Оксиды азота и вода образуют азотную кислоту.
Попадая в атмосферу с восходящими воздушными потоками, эти соединения способны сформировать токсичные облачные структуры, из которых они проливаются в виде дождей. Общепризнанно, что кислотные дожди являются причиной гибели растительности и животных, а также приводят к другим негативным изменениям окружающей природной среды.
Вокруг промышленных объектов, являющихся источниками кислотных дождей, в радиусе 3–5 км практически уничтожен травяной покров, погибают хвойные деревья. На склонах пересеченного рельефа интенсивно развиваются эрозионные процессы: смывается гумусовый горизонт, сеть глубоких эрозионных промоин и рытвин расчленяет поверхность. Ландшафт вокруг такого объекта становится антропогенной пустыней.
Радиус общего загрязнения атмосферного воздуха крупными промышленными предприятиями оценивается величиной ~ 30 км; радиус зоны максимального загрязнения составляет от 10 Н до 14 Н, где Н — высота заводских труб. Воздух загрязнен пылью, двуокисью азота, фенолом, сажей, свинцом.
Значительным источником загрязнения атмосферы является автотранспорт. Автомобили сжигают миллионы тонн бензина и дизельного топлива, расходуют миллионы тонн кислорода и выбрасывают огромное количество продуктов горения, содержащих угарный газ, оксиды азота, свинец, бензапирен и многие другие токсичные вещества; подсчитано, что среднестатистический автомобиль выбрасывает в год 0,8 т вредных веществ.
5.2. Загрязнения атмосферы при взрывах
Взрывы чаще всего происходят на пожаро— и взрывоопасных объектах, где могут возникнуть условия для образования газопаровоздушных и пылевоздушных смесей, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан, пропан). Возможны взрывы котлов в котельных, газовой аппаратуры, продукции и полуфабрикатов химических заводов, паров бензина и других компонентов, муки на мельницах, пыли на элеваторах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающих предприятиях. Взрывы пылевоздушных смесей в виде аэрозолей представляют одну из основных опасностей химических производств.
Могут быть взрывы в жилых помещениях, когда люди забывают выключить газ. Взрывы происходят на газопроводах при плохом контроле за их состоянием и несоблюдении требований техники безопасности при их эксплуатации. К тяжелым последствиям приводят взрывы рудничного газа в шахтах.
В промышленности большое количество технологических процессов связано с взрывоопасными газодисперсными системами: процессы осаждения пылей, пневмотранспортировка, размельчение материалов, сушка, хранение, сжигание, шлифовка поверхностей, механическая обработка горючих материалов, составление порошковых композиций и их прессование. Аварийные ситуации или нарушения технологических режимов могут создать условия для воспламенения газодисперсной системы, процесс горения которой может носить характер взрыва.
Необходимым условием возникновения взрыва является присутствие горючей пыли с концентрацией в пределах воспламенения и источника зажигания. Давление при таком взрыве сопровождается волной сжатия, скорость которой в окружающей среде от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения или повреждения оборудования. Эта опасность усиливается, если первоначальная вспышка пыли местного характера приводит в состояние аэрозоля значительные количества осажденной пыли с ее воспламенением. В этом случае взрыв может распространяться до тех пор, пока имеется горючая пыль. Эта особенность является наиболее важной для различения взрыва пылей от взрыва горючих газов и паров.
Особенно опасна смесь, в которой находится в диспергированном состоянии горючая пыль, а газообразная фаза содержит горючие пары или газы. Более высокая чувствительность такой смеси к воспламенению легко приводит к разрушительному комбинированному взрыву пыли и газа. Такие взрывы происходят в угольных шахтах.
Часто взрывному превращению промышленных аэрозолей предшествует фаза тления. По данным российских и зарубежных исследователей [156,157] время перехода тления в горение, в том числе в дефлаграционное горение (тепловой взрыв), при благоприятных условиях является очень незначительным (от долей секунды до нескольких секунд), а скорость распространения фронта пламени лежит в пределах от 8 м/с до 1,5 км/с.
Загрязняющие и токсичные вещества в продуктах взрыва практически те же, что и при обычном горении (при пожаре) исходных ингредиентов.
5.3. Поступление в атмосферу токсичных продуктов при испарении проливов
Проливы загрязняющих и токсичных веществ при аварийных ситуациях представляют большую опасность для человека и природных сред, так как возникающие выбросы не имеют вертикальных начальных скоростных импульсов и перемещаются в атмосфере только за счет ветра и архимедова всплытия. Поэтому объемы проливов в виде пара или газа стелются в сравнительно тонком приземном слое, в котором находятся живые организмы, и могут привести к их отравлению.
Наибольшую опасности создают проливы боевых отравляющих веществ, сильнодействующих ядовитых веществ, сжиженных газов и нефтепродуктов. Аварии с ядами обычно рассматриваются гипотетическими; они могут иметь катастрофический глобальный масштаб, и возможность подобных аварий должна быть полностью исключена в практике работы с такими продуктами.
Что касается проливов сжиженных газов и нефтепродуктов, то такие происшествия в нашей стране носят массовый характер. В частности, в процессе эксплуатации нефтяных и газонефтяных скважин на поверхность земли могут вырываться напорные струи в виде фонтанов, которые нередко становятся пожарами. Условно фонтаны подразделяются на газовые (содержащие газа 95-100 %), нефтяные (содержащие нефти более 50 %, а газа меньше 50 %), газонефтяные (содержащие газа более 50 %, нефти меньше 50 %).
Если проливы углеводородного сырья и топлив не отягощены пожарами или взрывами, то в окружающую среду поступают эти продукты в виде пара или газа и рассеиваются в атмосфере под действием ветра и турбулентной диффузии. При горении или взрыве пролива над местом инцидента возникают кратковременные или стационарные выбросы продуктов горения, всплывающие на некоторую высоту. Их дисперсия происходит из приподнятого источника, и концентрации приземных загрязнений будут ниже, чем от обычного пролива.
Горение нефти и нефтепродуктов может происходить в резервуарах, производственной аппаратуре и при их разливах на открытых площадях. При пожаре нефтепродуктов в резервуарах могут происходить взрывы, вскипание горючего вещества и его выброс. Весьма опасны вскипания нефтепродуктов, содержащих воду. При вскипании стремительно возрастает температура продукта до ~ 1,5 тыс.°С, а высота пламени до десятков метров. Для таких пожаров характерно бурное горение вспененной массы горючего вещества.
При взрыве объема с нефтепродуктами или газами наблюдаются выбросы этих продуктов из резервуаров в парожидкой и капельной фракциях. Тонны вещества могут быть выброшены на расстояния более восьми диаметров емкости, а площадь горения может достигать нескольких тысяч квадратных метров. Продолжительность подобных инцидентов может составлять многие часы и зависит от массовых, геометрических и теплофизических характеристик продукта, а также от рельефа местности и метеорологических условий.
На скорость выгорания проливов влияют не только специфические химические реакции, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды. Значения скорости выгорания продукта в проливе зависят также от его плотности и вида. Эти данные представлены в таблице 5.1. (При наличии сертификата, содержащего данные о плотности продукта, его значение принимается по сертификату. В случае отсутствия таких данных принимается среднее значение этого параметра, указанное в таблице в скобках).
При пожарах на открытом пространстве, возникающих в результате аварий на нефтебазах, нефтехимических производствах, трубопроводах или продуктопроводах, на железнодорожном или автомобильном транспорте, реализуется неконтролируемое горение.
Таблица 5.1.
Скорость выгорания и плотность нефтепродуктов
Если в процесс горения вовлечены большие массы продукта, то над очагом пожара возникает конвективная колонка — струя нагретых продуктов сгорания, которые забрасываются восходящим мощным потоком в пограничный и тропосферные слои атмосферы. Высота конвективной колонки прямо пропорциональна количеству тепла, выделяяющемуся при горении. Очаг пожара имеет сложную структуру и включает в себя зону пиролиза углеводородного топлива, зону догорания газообразных и конденсированных продуктов пиролиза. Горение происходит при постоянном давлении и имеет диффузионный характер, т. е. лимитируется поступлением кислорода благодаря подсосу воздуха из окружающей среды.
Таблица 5.2.
Класс опасности и ПДК загрязняющих веществ при горении проливов нефти и нефтепродуктов
В таблице № 5.2, заимствованной из [168], приведены данные о выбросах загрязняющих веществ при горении нефти и нефтепродуктов.
В таблице № 5.3, взятой из того же источника, приводятся характеристики выбросов основных загрязнителей при сгорании проливов различных топлив. Под удельными выбросами приняты выбросы, отнесенные к единице массы сгоревших нефти и/или нефтепродуктов. Даны численные значения для диоксида азота, оксида и диоксида углерода, сажи, углеводородов, бенз(а)пирена в кг/кг или т/т и.
Таблица 5.3.
Удельные выбросы загрязняющих веществ, отнесенные к единице массы сгоревших нефтепродуктов
В заключение этого раздела отметим, что как для мгновенных, так и для непрерывных выбросов из проливов размеры зон опасности будут больше и по длине и по ширине, когда выбрасывается большее количество вещества. Особенно важны размеры площади испарения, когда пар или газ, кипя или просто испаряясь, попадают в атмосферу из лужи разлития. Из небольшой лужи будет испаряться небольшое количество вещества — из больших луж будет более высокий уровень выброса, а следовательно, они будут приводить к более высокой токсической опасности.
5.4. Опасность сжигания бытового мусора
Неупорядоченное сжигание бытового мусора носит повсеместный характер и не считается несущим в себе угрозу большой угрозы здоровью, что является большим заблуждением. Рассмотрим основные угрозы, которые таят в себе подобные неорганизованные ликвидации отходов.
В таблице 5.4. представлены данные о содержании химических элементов в продуктах сжигания твердых бытовых отходов [161]. Приведенные в ней «коэффициенты концентрации», это величины, показывающие насколько данного вещества в выбросах больше, чем в обычном воздухе (фактически относительно «фонового» значения). Следует заметить, что за прошедшие 15 лет со дня получения этих данных в выбросах, возросло содержание свинца, ртути и кадмия, то есть наиболее токсичных металлов.
Уже из данных этой таблицы видно, что в дымах бытовых отходов опасных металлов в некоторых случаях в тысячи раз больше, чем в «обычном» воздухе. Токсичные металлы выбрасываются в форме солей или окислов, то есть в устойчивом виде и могут находиться в природных средах неопределенное число лет, накапливаясь постепенно и с пылью попадая в организм человека. Опасность токсичных металлов именно в том, что они (кроме ртути, которая активно мигрирует) могут накапливаться. Поэтому нормы ПДК могут оказаться не применимыми к таким выбросам.
Таблица 5.4.
Содержание химических элементов в продуктах сжигания твердых бытовых отходов
Что касается ртути, то она попадает в атмосферу в форме паров (7 %) и в форме хлоридов (70 %). И те и другие весьма токсичны и являются потенциальными нейротоксинами.
Мигрируя по пищевым цепям, ртуть накапливается в морских и речных организмах. По таким же цепочкам аккумулируется ртуть и на суше, ее конечным владельцем становятся хищники. Считается, что из-за ртути в Швеции исчезла пустельга, а поголовье соколов-сапсанов и ястребов сильно уменьшилось.
Крупными источниками ртути являются мусоросжигательные заводы (МСЗ). Так в США в Массачусетте МСЗ выбрасывает 19 тонн ртути в год, в Эвергладсе (Флорида) высокие уровни ртути в рыбе были прямо связаны с выбросами МСЗ [Н. Cole, R. Collins «Mercury Rising», Clean Water Action, January 1990].
Большую опасность представляют неорганизованные сжигания мусора, так как при них отходы фактически не горят, а тлеют. Список продуктов неполного сгорания (ПНС) насчитывает свыше ста идентифицированных опасных веществ. Среди них углеводороды и ароматические углеводороды, их хлорированные производные, токсичные фенолы и хлорфенолы, бром— и азотзамещенные вещества и, наконец, полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), — фураны (ПХДФ) и — бифенилы (ПХБ). К ПНС относят, несколько условно, все выбросы, содержащие кислые газы: хлористоводородную кислоту (НС1), сернистый газ (S02) и окислы азота (NOx).
Первый из них НС1 вызывает большие проблемы из-за своей крайней химической активности. Основным источником выбросов НС1 является горение поливинилхлоридных пластмасс, находящихся в мусоре. Сернистый газ всегда образуется при горении отходов, так как органические остатки содержат серу (отсюда и тлетворный запах разложения).
Продукты неполного сгорания включают и трудноуловимые газы, такие как угарный газ (СО), который может образовываться в больших количествах при недостатке воздуха и температуре ниже БОО С. Этот газ нейтральный и потому очень трудно улавливается. Даже небольшие концентрации угарного газа в дыме выбросов вызывают блокаду гемоглобина и обусловленное этим кислородное голодание тканей, к которому наиболее чувствительна центральная нервная система организма.
Наличие во вдыхаемом воздухе высоких концентраций СО вызывает раньше всего изменение функционального состояния коры головного мозга, что в большей или меньшей степени отражается на состоянии внутренних органов реципиента.
В шлаках и дыме горящего мусора присутствуют в относительно ничтожных количествах так называемые микрозагрязнители. Пристальное внимание к микрозагрязнителям связано с тем, что в их число входят вещества крайне токсичные и весьма опасные для здоровья. Эти вещества, ПХДД, ПХДФ, ПХБ и полиароматические углеводороды (ПАУ), проявляют свои токсические свойства уже при столь малых концентрациях, что микроколичества их в газах продуктов горения мусора являются очень опасными. Если «обычные» токсиканты опасны при концентрациях мг на литр, то ПАУ опасны при концентрации мкг на кубометр, а диоксины при долях нанограмм в кубометре.
Особое место среди твердых отходов занимают пластмассы и синтетические материалы, так как они не подвергаются процессам биологического разрушения и могут длительное время (десятки, а возможно и сотни лет) находиться в объектах окружающей среды. Как уже ранее указывалось, при неорганизованном сжигании пластмасс и синтетических материалов выделяются многочисленные токсиканты, в том числе полихлорбефенилы (диоксины), фтористые соединения, кадмий и др. Общепризнано, что утилизация отходов из полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена и его сополимеров может быть осуществлена только в результате их термической переработки. При этом должен быть использован комплексный подход, включающий в себя сбор, сортировку и подготовку изделий к переработке, включая их дробление, очистку, измельчение с последующей переработкой в высокотемпературном плавильном агрегате (рецикл).
Однако, как и прежде, повсеместно в России горят костры с бытовым мусором и в них тлеют, отравляя все живое, огромные массы изделий из пластмасс. Во многих европейских странах уже налажены промышленные процессы рецикла отходов пластмасс.
ПАУ являются самыми опасными из продуктов открытого горения (1 класс опасности) и обладают наибольшей по сравнению с другими родственными веществами канцерогенностью. В таблице № 5.5. приводятся значения относительных канцерогенностей различных ПАУ.
Таблица 5.5.
Относительная канцерогенность различных полиароматических углеводородов
Условные обозначения таблицы:? — неопределенно, 0 — неактивно, от + до +++Н— активный с разной степенью активности, СС — соканцерогенен с бенз[а]пиреном. TP, TI — соединения, способные вызывать опухоли разного характера, С — полный канцероген.
Таблица заимствована из Handbook of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Inc. N.Y.Basel, 1983, которая приведена в работе: Б.А.Руденко, Э.Б.Шлихтер «Полициклические ароматические углеводороды и их влияние на окружающую среду» ЦНИИТЭнеф-техим. Серия Охрана окружающей среды. Вып. 5. Москва, 1994.
Особенно много ПАУ остается в шлаках и золе на месте сжигания отходов. Поэтому не рекомендуется золу из неорганизованных мест сжигания мусора использовать для удобрений садовых насаждений.
Большое количество ПАУ содержится в продуктах сжигания твердых отходов мусоросжигательных заводов (МСЗ). Эти данные для МСЗ некоторых стран представлены в таблице № 5.6.
Таблица 5.6. составлена R.T. Williams in «Waste Incineration and the Environment». Ed. R.E.Hester and R.M.Harrison. The Royal Society of Chemistry, Thomas Graham House, Science Park, Cambridge CB4 4WF. по данным A. Buekens, J. Schoeters, «Thermal Methods in Waste Disposal» EEC, Brussels, 1984. I. W.Davies et all. Environ. Sci. Technol. 1976, 10, 451. K. Olie et all. In «Chlorinated Dioxin and Related Compounds: Impact on the Environment» Ed. 0. Hutzinger et all. Pergamon Press, Oxford, 1982, p. 227.
Таблица 5.6.
Содержание ПАУ при сжигании твердых отходов МСЗ (мкг/г)
И, наконец, самыми опасными из продуктов неполного сгорания (ПНС) являются «диоксины»: смесь полихлордибензо-парадиоксинов (ПХДД) и полихлор-дибензофуранов (ПХДФ). Это короли токсичности и бесспорные разрушители природы; диоксинами пропитаны все среды в окрестности места сжигания.
Японские ученые исследовали волосы рабочих МСЗ и контрольной группы людей. Данные выражены в токсических эквивалентах TEQ, которые учитывают также и токсичные соединения ПХБ, как и диоксины, содержащиеся в выбросах МСЗ. Оказалось, что токсичность волос рабочих МСЗ в 3,7 раза выше контроля [Н. Miyata et al. Organohalogen Compounds, 30, p. 154, 1996.]. Аналогичный результат был получен и при анализе крови у рабочих МСЗ в США. В крови рабочих МСЗ содержание диоксинов в токсических эквивалентах TEQ было на 30 % выше, чем у контрольной группы: 16,6:21,9 пкг/г липидов [A.J. Schecter, et al. Med.Sci. Res. 1991, pp.331–332.].
Сжигания бытовых отходов и органического мусора, а также горение торфяников вносят довольно весомую лепту в состояние приземного слоя атмосферы, определяемого как смог (см. последний раздел главы 1). При фотохимических смогах оксиды азота и углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах автомашин, под влиянием солнечной радиации образуют оксиданты, из которых наиболее распространен озон. Продолжительность смогов обычно от одного до нескольких дней, но интенсивность загрязнения атмосферы при этом бывает настолько велика, что смоги вызывают тяжелые последствия, нередко сопровождающиеся жертвами. В последнее время с развитием автотранспорта фотохимические смоги значительной интенсивности возникают во многих городах разных континентов.
Высокие концентрации озона, которые иногда используют в качестве одного из показателей фотохимического смога, наблюдаются не только в местах его образования, но и на значительных расстояниях от них в результате переноса воздушных масс.
Кроме того, что смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, он оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности. Возникают гипокапния, затруднение диссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания; при острых отравлениях — головная боль, головокружение, тошнота, рвота, слабость, одышка, учащенный пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги, кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения и дыхания, поражение зрительного нерва и т. д.; на 2-3-е сутки может развиться токсическая пневмония. Смог не является для России чем то экзотическим; он наблюдается в основном летом в городах с рельефом «котлованного» типа. Например, в городах Челябинск и Тольятти.
В Тольятти обычное явление, когда под действием солнечной радиации химические вещества, находящиеся в атмосфере, вступают в реакцию между собой. Этому явлению способствует высокая запыленность города, а также повышенное содержание фтористого водорода в воздухе от выбросов с химических предприятий. Выхлопные газы от автомобилей, пыль, химические выбросы сливаются в одно облако. Даже если содержание каждого химического вещества в отдельности находится в пределах допустимой нормы, совместно они оказывают пагубное воздействие на здоровье горожан. Особенно вредно влияние смога для сердечно-сосудистой и бронхо-легочных систем. Такой пылегазовоздушный «коктейль» вызывает аллергическую реакцию: слезотечение, покраснение и воспаление глаз.
В заключение этого раздела кратко остановимся на опасности сжигания травы и листвы. Такие сжигания в виде костров обычно устраиваются после листопада. Известно, что при сжигании органических веществ таких как трава и листья при относительно высокой температуре и наличии достаточного количества кислорода образуются углекислый газ, водяной пар и в небольших количествах окислы азота. Концентрации СО и N0 настолько незначительны при этом, что они не представляют какой-либо опасности для живых организмов.
Совсем иная картина наблюдается при неполном сгорании органики, когда либо слишком мало кислорода, либо недостаточно высокая температура в очаге горения. Костер при этом не горит, а тлеет, выделяя много аэрозольных и газообразных токсикантов. Если трава и листва влажные, то горит только часть кучи, непосредственно контактирующая с воздухом, а нижняя части кучи тлеет, выделяя большое количество дыма. По оценкам специалистов, при сгорании одной тонны растительных остатков образуется около 9 кг микрочастиц дыма. В их состав входят пыль, окислы азота, угарный газ и множество канцерогенных органических соединений. В тлеющих без доступа воздуха листьях выделяется бензоперен — вещество, вызывающее у человека раковые заболевания. В дыму костров из опавшей листвы также имеются соединения свинца, ртути и других тяжелых металлов, а также диоксины. Так как основным по массе компонентом дыма является химически активный угарный газ в концентрациях многократно превышающих уровень ПДК, то пребывание в дыму органики даже непродолжительное время может привести к отравлению.
Если трава и листва собраны вблизи автомагистралей, в городе с интенсивным автомобильным движением или с крупными промышленными производствами, то в продуктах их сжигания будет присутствовать весь «букет» выше описанных токсикантов, адсорбированных и накопленных растениями в период роста.
5.5. Опасные воздействия и вредные вещества в быту
Когда речь идет о повседневной жизни человека, то априори предполагаются комфортные условия. Однако реально жизнь многих людей по экологическим опасностям весьма далека от идеала, а зачастую по негативным воздействиям близка к аварийной ситуации. К таким воздействиям могут быть отнесены в первую очередь чрезмерные электромагнитные, шумовые, вибрационные и тепловые потоки, загрязненная вода и воздух. Кроме того, имеются биологические воздействия микроорганизмов.
Воздушная среда, безусловно, является наиболее важным компонентом в жизни живых существ; посредством дыхания загрязняющие и токсичные вещества практически беспрепятственно могут в кратчайшие сроки нанести здоровью организма невосполнимый урон. Причем зачастую опасности угрожают человеку не только в процессе его трудовой деятельности на предприятиях, но и в быту.
Загрязнение воздуха внутри жилых помещений обусловлено влиянием многих внешних антропогенных источников, а также с внутренних источников, связанных с многообразной деятельностью и обустройством жилья. Сюда можно отнести многое из процесса приготовления пищи и заканчивая мебелью, коврами и одеждой, изготовленными из химически активных материалов. Исследования состава воздуха в жилых помещениях выявили [165] более 80 веществ, негативно воздействующих на человека.
Чаще всего загрязнения поступают в помещения извне с атмосферным воздухом, насыщенным выбросами автотранспорта, котельных и промышленных предприятий. Однако и внутренние источники привносят свою весомую долю в этот процесс. Основными внутренними источниками, загрязняющими воздух жилых помещений, являются: токсические химические вещества, использующиеся для бытовых нужд, вредные продукты в составе строительных и отделочных материалов поверхностей помещения, полимерные материалы в элементах убранства жилья, продукты сгорания бытового газа.
Важным источником экологического загрязнения нашего жилья является «химизация» строительных материалов и бесконтрольное использование добавок в них различных смесей вредных веществ и промышленных отходов. Наиболее часто применяются гальваношламы, золошлаковые отходы, осадки промышленных сточных вод. Губительное воздействие «добавок» проявляется не сразу — иногда через несколько лет. Но они выделяют высокотоксичные, в том числе канцерогенные, вещества. В таблице № 5.7. приводятся наиболее распространенные токсиканты, поступающие в воздух жилья из строительных материалов.
Еще одной опасностью негативного воздействия на живые организмы является газ радон, высвобождающийся из земной коры. Радон -222 это газ без цвета и запаха — один из естественных источников радиации, представляет собой продукт радиоактивного превращения урана, тория, радия. Радон и продукты его распада ответственны за основную часть облучения, получаемого населением от земных источников радиации.
Таблица 5.7.
Химические вещества, выделяющиеся в воздушную среду помещений из строительных и отделочных материалов.
Избыточное содержание радона в воздухе вызывает у человека негативную реакцию, проявляющуюся в появлении состояния тревоги, бессонницы, одышки, мигрени и аритмии.
Кроме того, сам человек и домашние животные в процессе жизнедеятельности постоянно «портят воздух», выделяя несколько сот веществ [165].
Часть из них крайне токсична; это так называемые антропотоксины.
Гигиенисты установили, что воздушная среда невентилируемого помещения ухудшается прямо пропорционально количеству людей и времени пребывания в нем. Пребывание в многолюдном помещении более 2–4 часов снижает работоспособность (в том числе умственную) и приводит к недомоганию и плохому самочувствию. В таблице № 5.8. приводятся данные о антропотоксинам, обнаруженным в жилых помещениях [165].
Многие вещества, такие как ацетон, ацетальдегид, этанол, толуол, этилбензол, диметилэтилбензол обнаруживаются только в жилых помещениях, хотя их концентрация в наружном воздухе в десятки раз ниже, либо вообще близка к нулю.
По данным журнала «New Scientist» наш организм — это целая фабрика по производству микробов.
Таблица 5.8.
Опасные химические вещества, концентрации которых в жилых помещениях превышают уровни ПДК
Ежедневно тело человека выделяет от 1011 до 1014 бактерий, большинство из которых болезнетворные. На каждом квадратном сантиметре кожи человека находится до 10 миллионов микроорганизмов и паразитов типа фолликулярного клеща, питающегося омертвевшими клетками кожи. Этот миниатюрный «зоопарк» попадает в жилище, витает в воздухе, оседает на поверхностях и в буквальном смысле отравляет нашу жизнь. Кроме того, наша одежда, постель, мягкая мебель и ковры «кишат» мельчайшими клещевыми паразитами, попадающими в легкие с движущимся воздухом.
Особую опасность в жилых помещениях представляет пыль разной дисперсности и состава. Около трети взвешенных веществ в виде пылевых частиц поступает внутрь помещения из наружного воздуха, остальные возникают при работе и в процессах жизнедеятельности человека. Наиболее запыленными оказываются квартиры нижних этажей и помещения, окна которых выходят на улицы и транспортные магистрали города.
От размеров и состава пыли зависит способность их проникновения в организм и токсичность. Наиболее опасны частицы размером менее 2–3 мкм., так как они практически беспрепятственно проникают в легкие. Некоторые пыли, накапливаясь в легких, имеют канцерогенное воздействие на организм. Вред пыли в промышленных и жилых помещениях заключается, кроме того, в поглощении ими света и нарушении внутреннего режима инсоляции.
Эффективным средством борьбы с подобными опасностями является применение естественной и искусственной вентиляций, способных обеспечить необходимый воздухообмен и удаление пыли, токсичных веществ и микроорганизмов. В таблице № 5.9., заимствованной из работы [165], приводятся минимальные нормы и характеристики воздухообмена в жилых помещениях.
Таблица 5.9.
Минимальные нормы параметров воздухообмена для жилых помещений
Рассмотрим теперь, как влияет здание на распределение загрязнений снаружи и внутри него. Как указывалось выше, поступление наружного воздуха является определяющим в установлении теплового и воздушного режима в многоэтажных зданиях, имеющих специфические особенности. В таких зданиях наблюдается заметное перемещение воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях. Такие режимы обусловлены сложной картиной внутриэтажного и межэтажного перетекания загрязненного воздуха отдельных помещений и квартир нижнего этажа — в верхние и с наветренной стороны — в подветренные.
Рассмотрим вначале поле течений воздуха снаружи здания. На рисунке 5.1. показано влияние ветрового потока на характер распределения концентраций загрязняющих веществ внутри восходящего потока, инициируемого «теплым» зданием.
Рис. 5.1. Высотные распределения концентраций загрязняющих веществ внутри конвективных потоков, создаваемых строением в случае штиля (а) и при ветре (б).
Читать бесплатно другие книги:
