CC BY
6
В. М. Прусаков, Э. А. Вержбицкая, К. К. Душутин
О ФОРМИРОВАНИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В РАЙОНЕ КРУПНЫХ ПРОМЫШЛЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Институт биофизики Минздрава СССР, Москва
Концентрация источников выбросов токсичных веществ при создании мощных промышленных комплексов выдвигает в ряд актуальных задач изучение механизмов формирования многокомпонентного загрязнения, в том числе таких явлений, как промышленные туманы и дымки. Это обычно требует проведения комплексных экспериментальных и натурных санитарно-гигиенических, санитарно-химическнх и метеорологических исследований в системе источник загрязнения — условия и механизмы формирования — состояние воздушного бассейна.
Для решения указанных задач целесообразно изучать характеристику вредных выбросов в атмосферу, особенности метеорологических условий местности, химические и фотохимические реакции в экспериментальных и натурных условиях, состав газоаэрозольного загрязнения воздуха жилой зоны.
Отличительной особенностью загрязнения воздушного бассейна таких районов является образование промышленных туманов, дымки, мглы, которые распространяются на 10 км и более, сопровождаются специфическими запахами, повышенным содержанием вредных веществ, снижением видимости, освещенности, УФ-радиации. Очевидно, это может вести к ухудшению санитарно-гигиенических условий жизни населения. Согласно литературным данным (X. Грин и В. Лейн), туманы, дымки и мгла относятся к аэродисперсным системам, которые различаются между собой, в частности плотностью насыщения воздуха аэрозольными частицами. Наличие промышленных и прочих загрязнителей (дыма, пыли и др.) способствует образованию этих явлений.
Помимо аэрозолеобразных загрязнений, для возникновения туманов, дымки и мглы необходимы определенные метеорологические условия. Поскольку изучение микроклиматических условий района является самостоятельным направлением исследований, отметим лишь основные вопросы, касающиеся их.
Микроклимат районов размещения предприятий может оказать существенное влияние на формирование загрязнений атмосферы в первую очередь за счет таких факторов, как резкая кон-тинентальность, длительное преобладание анти-цнклонических погод, высокая повторяемость мощных и продолжительных инверсий температур, слабых ветров и штилевых состояний, туманов. Кроме того, под влиянием тепловых и газопылеобразных выбросов комплекса возникает
местная микроциркуляция атмосферы и изменения вертикального профиля температур. Все это вместе взятое ослабляет рассеивание выбросов и способствует возникновению повышенных уровней загрязнения. По совокупности характеристик район размещения комплекса может быть отнесен к местностям с высоким потенциалом загрязнения, а следовательно, и туманообразова-ння.
При изучении источников загрязнения воздушного бассейна выявляется ряд особенностей, представляющих интерес с рассматриваемой точки зрения. Установлено, что аэрозоли, в том числе ядра конденсации, могут поступать в атмосферу с газообразными выбросами предприятий (первичные источники), а также образовываться за счет химических и фотохимических реакций в загрязненном воздухе (вторичные источники). Как результат обследования первичных источников прежде всего следует отметить концентрацию промышленных объектов с разнообразными по характеру, количеству и химическим свойствам выбросами, общее число источников газовыделений которых превышает 1500. Аэрозоли поступают в атмосферу в основном с дымовыми, хвостовыми и абсорбционными газами предприятий и ТЭЦ. Среди аэрозолей этого происхождения ведущими являются летучая зола, взвешенные вещества, пыль катализаторов, аммиачной селитры, мочевины, смолы полукоксования, ту-ма серной и азотной кислот. К существенным источникам туманообразовання относятся выбросы пара на технологических установках и особенно влаги из градирен, открытых водных поверхностей. Первичные источники выделения жидких и твердых аэрозолей располагаются практически по всей территории комплекса на высоте до 150 м.
Вторичным важнейшим источником ядер конденсации являются сложные процессы взаимодействия, обмена, окисления веществ, находящихся в загрязненной атмосфере. Уровни и характер вредных компонентов, поступающих с технологическими выбросами в окружающую среду, предполагают протекание таких реакций в атмосферном воздухе, причем наиболее изучены фотохимические реакции. Многочисленными исследованиями установлено, что фотохимическим превращениям подвергаются как неорганические (сернистый газ, озон, аммиак, сероводород, окислы азота и др.), так и органические (углеводороды, альдегиды, спирты) соединения (Altschul-ler и Bufalini).
Скорости реакций различных веществ в атмосфере городов сильно варьируют и зависят от многих факторов — количества солнечной радиации, температурных инверсий, наличия каталитических примесей и др. В число продуктов фотохимических реакций входят как газообразные, так и аэрозольные вещества. Объективным показателем интенсивности протекания фотохимиче->4 ских превращений служит концентрация окси-дантов, образующихся в атмосферном воздухе в результате этих реакций (В. А. Попов; А. Альт-шуллер; К. А. Буштуева). При сопоставлении собственных и литературных данных установлено сравнительно небольшое (0,010—0,045 мг/м3) содержание оксидантов в воздухе таких промышленных комплексов, что, по-видимому, связано с меньшим количеством загрязнителей, особенно активно участвующих в фотохимических реакциях,— оксидов азота и углеводородов. Вместе с тем увеличение содержания оксидантов в факеле промышленных выбросов по сравнению с фоном и в летний период все же свидетельствует об определенной роли фотохимических процессов в формировании состава загрязнения окружающей среды.
Другой показатель фотохимических превращений— выявленное нами преобладание в воздухе сульфатов над сернистым газом в летние месяцы. Такие различия в динамике содержания этих форм не могут быть объяснены, например, колебаниями выбросов. Как правило, источником поступления данных соединений в атмосферу служат одни и те же выбросы. Учитывая многоком-понентность загрязнения и соответствующие условия, в воздухе изучаемого района можно ожидать образование сульфат-иона в результате как фотоокисления, так и химических реакций и соответственно его наличия как в виде кислоты, так и солей.
Кроме фотохимических реакций, в факеле промышленных выбросов происходят многочисленные химические реакции. В первую очередь исследователи обратили внимание на возможность
[взаимодействия метиламинов с окислами азота и озоном. Это связано с тем, что реакции между аминами и окислами азота могли сопровождаться образованием нитрозоаминов (НА). I В последние годы появились убедительные дан-
ные о присутствии НА, в том числе одного из сильнейших канцерогенов — нитрозодиметилами-на (НДМА), в различных объектах окружающей среды, что в свою очередь вызвало интерес к установлению источников его поступления, в частности возможности образования из предшественников — аминов, окислов азота (N0*) и азо-♦ тистой кислоты (НОЫО). Известны эндогенный путь синтеза НА (А. П. Ильницкий и Н. П. Вла-сенко) и образование их из вторичных аминов в водных растворах. Однако механизмы и пути подобных реакций в газовых смесях, особенно в атмосферном воздухе, менее изучены.
Серия экспериментальных исследований позволила выяснить некоторые стороны механизма и кинетики реакций, влияние на них температуры и влажности, идентифицировать образующиеся продукты взаимодействия метиламинов с окислами азота и озоном (К. К. Душутин и Э. Д. Со-пач; В. М. Прусаков и соавт.). Химическое моделирование процессов в лаборатории в статических и динамических условиях показало, что реакции moho-, ди- и триметнламинов с двуокисью азота в воздухе дают заметный эффект — образование мелкодисперсного легкоподвижного аэрозоля белого цвета. В газовой фазе обнаружены N-нитросоединения, в аэрозольной — азотнокислые соли аминов и N-нитрамины. Реакции аминов с озоном в воздухе не сопровождаются внешним эффектом, и в качестве единственного продукта реакции определен формальдегид. Механизм реакции и индикация изучаемых продуктов совпадают с описанными другими авторами (Bretschneider и Matz; Neurath и соавт.; Pitts).
Реальность образования НДМА в факеле промышленных выбросов подтверждена и в натурных условиях. Установлено, что когда факелы выбросов диметиламина и окислов азота распространяются параллельно и не смешиваются, концентрации диметиламина в воздухе значительны и НДМА не обнаруживается. При их смешении отмечается более низкий уровень диметиламина и одновременно появляется НДМА. Полученные результаты согласуются с данными Fine и соавт., Pellizari и соавт., Matz и Bretscheider.
Высокие скорости реакций, возможность протекания иитрозирования практически во всех средах (газе, аэрозольных капельках, твердой фазе), влияние каталитических примесей способствуют образованию НА в атмосферном воздухе. Кроме того, амины в подходящих условиях могут участвовать и в фотохимических реакциях. При фотохимическом окислении в присутствии окислов азота дополнительно образуются альдегиды, амиды, аэрозоли, в том числе возрастает выход нитраминов, а для третичных аминов увеличивается образование и НДМА (Pitts). Следовательно, возможность синтеза НДМА в воздухе делает потенциальными источниками НА также и источники выделения их предшественников — аминов и нитрозирующих агентов.
Особое значение имеют реакции между окислами азота, серы и аммиаком. При доокислении SO2 и 02 образуются аэрозоли азотной и серной кислот. Этому процессу способствуют влажность воздуха и присутствие ядер конденсации — золы, ряда аэрозолей естественного происхождения. Капли серной и азотной кислот в смоге взаимодействуют с аммиаком и аминами, образуя сульфаты и нитраты указанных веществ. Эти процессы могут сочетаться с фотохимическими, что, по-видимому, будет зависеть от условий окружающей среды. Установлено, что реакции такого типа протекают в загрязненной атмосфере об-
следуемого населенного пункта. При определении состава газоаэрозольной фазы загрязнения атмосферного воздуха установлено, что токсичные вещества находятся ка^в газовой, так и в аэрозольной фазе. Аммиак и сернистый газ — наиболее распространенные загрязнители — преимущественно находятся в газовой фазе, однако отмечается уменьшение соотношений БОг/БО^- — и ЫНзЛ^Н4+ в зависимости от сезона года и рас-
стояния от источников выброса. Монометиламин выявлен преимущественно в виде аэрозолей, предположительно — в виде сернокислых и азотнокислых солей. Первичные источники этих солей отсутствуют, они образуются единственно в результате химических реакций в атмосферном воздухе. Суммарный вклад аэрозолей в общую характеристику газоаэрозольного загрязнения достигает в среднем 40 % от общего объема, что
Схема образования туманообразного загрязнения воздуха в районе крупного нефтехимического комплекса
Выбросы промышленных производств и ТЭЦ
Пыль аммиачной селитры, мочевины
Выбросы пара и влаги
Щелочные газы NH„ NHjR, R,NH
Дымовые газы; БОх, N01, пыль, органические и другие вещества
Химические реакции N0, + N0 + H20 —► 2HNO, no,+ н,о + о2 —► HNOs NO, + ОН —>- HNO, S02 + H20 —► HjSoa
so, + 0 —>. so, h,so4 co + o, —»- co, + o,
NH, ] R,NH + RNH, I
h,so4
H,SO, H,CO, HNO, H2S
аэрозоли солей
Амины + N0,
Амины —у
Й?) 1 + О, 50,|
(Нитрозамины Нмтрамииы Аэрозоли солей
НСНО + Ы, + н,о
—>- 50, —N0,
50, + 02
Фотохимические реакции:
Av
N0 + 0
О,
N0, 0 + 0,
О, ^ о, + о
0, + Ш —N0, + О,
2N0 + О, 01+ 2Ы0, —► N,06 —* НЫО,
50, + »/.02 ^ 50, Н2504
/IV
Углеводороды + N0 (или N0^ —► О,, альдегиды, ПАН, карбонильные соединения, аэрозоли
Л V
Углеводороды + N02 + 502 —». аэрозоли, Н^йС^ + Оэ, другие оксиданты, карбонильные соедииения.
л л I- RCOзH —»- RCOOH КСН0 + 02-|^ сНз+НСО-
-» О, ПАН, амины, аэрозоли .^,N + N0 N0
- Р.Ы^О, R2N—N0, РСО (О), + N0,—ИСО (02) N0,
R,NH R3N
+ 0Н-
Гигроскопические аэрозоли — ядра конденсации
Процессы конденсации
Относительно высокая влажность
I
Мгла, дымка, туман
следует учитывать при гигиенической оценке состояния воздушного бассейна.
Анализ собственных и литературных данных показал, что формирование загрязнения атмосферного воздуха в районах промышленно-энер-гетических комплексов представляет собой сложный и многокомпонентный процесс, включающий конденсационные, химические и фотохимические процессы.
В целом особенности возникновения газоаэрозольного загрязнения можно представить в виде схемы. По механизмам образования оно несет элементы смога как лондонского, так и лос-анджелесского типа. В то же время мы рассматриваем его как явление новое, специфическое для данного района. Это связано главным образом с особенностями состава выбросов промышленно-энергетического комплекса и климатических характеристик района.
Результаты изучения особенностей формирования загрязнения позволили разработать рекомендации по устранению причин образования туманов и отдельных видов загрязнения, в частности НДААА, а также выдвинуть ряд новых задач. Без их решения, по нашему мнению, затрудняются гигиеническая оценка газоаэрозольного загрязнения, обоснование достаточности мер по его сокращению и гигиенический прогноз состояния воздушного бассейна. Среди таких задач следует в первую очередь назвать исследования в области химии и физики атмосферы, а также гигиенические исследования по нормированию сложного газоаэрозольного загрязнения.
Литература. Альтшуллер А, — Бюлл. ВОЗ, 1969, т. 40,
№ 4, с. 620—627. Буштуева К. А. — В :<н.: Руководство по гигиене атмосферного воздуха. М., 1976, с. 26—42. Грин X., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы. Л., 1972.
Душутин К. К., Сопач Э. Д. — Гиг. и сан., 1976, № 7, с. 14. Ильницкий А. П., Власенко И. П. — Вопр. онкол., 1977, № 1, с. 99.
Попов В. А. — Гиг. и сан., 1972, № 5, с. 77.
Прусаков В. М., Ладыгина Н. Н., Душутин К. К. и др. —
Там же, 1976. Л« 5, с. 14. Altschuller А. P.. Bufalini J. J. — Environm. Sci. Technol.,
1971, v. 5, p. 39. Bretschneider K-, Malz J.— Arch. Geschwulstforsch., 1973,
Bd 43, S. 36-41. Fine D. H., Rounbehler D. P., Sawisci K. — Environm. Sci.
Technol., 1977, v. 11, p. 577-580. Matz /., Bretschneider K. — Z. ges. Hyg., 1979, Bd 15, S. 891—893.
Neurath С. В., Dunger M., Pein F. G. — In: Environmental N-nitroso Compounds Analysis and Formation. Lyon, 1976, p. 215—226. Pellizari E. D., Bungh J. E„ Bercley R. E. et al. — Biomed.
Mass Spectrometry, 1976, v. 3, p. 196—200. Pitts J. N. lr. — Phil. Trans. A, 1979, v. 290, p. 551—576.
Поступила 12.04.82
Summary. Multiple laboratory and field sanitary-hygienic, sanitary-chemical and meteorological investigations within the system "contamination source — conditions and mechanisms of the formation — state of the ambient air" in an industrial power engineering complex have been made. The obtained data permitted one to identify the basic mechanisms producing air pollution, to assess the role of chemical ana photochemical reactions in the polluted atmosphere and to work out recommendations aimed at the reduction of air pollution.
УДК 613.6:613.155
Ю. Д. Губернский, М. Т. Дмитриев
КОМПЛЕКСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАЧЕСТВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИИ
НИИ общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Москва
В научной литературе при рассмотрении проблемы качества воздушной среды преимущественное внимание уделяется атмосферному воздуху и воздушной среде производственных помещений. Изучению же качества воздушной среды жилых и общественных зданий до последнего времени были посвящены лишь немногочисленные работы (Ю. Д. Губернский и соавт., 1974; НоПотуШ и соавт.; ТовЫго и соавт.).
В отчете рабочей группы экспертов ВОЗ1 подчеркивается, что воздушная среда жилых и общественных зданий еще не подвергалась всестороннему и тщательному анализу, хотя уровень загрязнения воздуха здесь может колебаться между уровнем загрязнения атмосферного воз-
1 Гигиенические аспекты качества воздуха внутри помещений. Копенгаген, 1981.
духа и воздушной среды производственных помещений. Влияние же загрязнения воздушной среды закрытых помещений на здоровье человека вообще не изучалось, хотя человек в условиях современного крупного города около 80 % времени проводит в закрытых помещениях.
Воздушную среду помещений и окружающего атмосферного воздуха мы исследовали с помощью хроматомасс-спектрометра LKB-2091, соединенного с системой обработки данных LKB-2130 с компьютером PDP 11/34 (М. Т. Дмитриев и соавт.).
Комплексную оценку качества воздушной среды жилых и общественных зданий проводили путем установления химической нагрузки на организм человека, учитывающей не только интенсивность загрязнения воздушной среды, но и такие показатели, как уровень метаболизма чело-
