Биологический способ очистки атмосферного воздуха

В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых  организмов ультрафиолетовое излучение  Солнца и формирующего на высотах  около 40 км тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.

Атмосфера оказывает интенсивное  воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.

Загрязненная приземная  атмосфера вызывает рак легких, горла  и кожи, расстройство центральной  нервной системы, аллергические  и респираторные заболевания, дефекты  у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная положительная связь.

Основные агенты воздействия  атмосферы на гидросферу – атмосферные  осадки в виде дождя и снега, в  меньшей степени смога, тумана. Поверхностные  и подземные воды суши имеют главным  образом атмосферное питание  и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния  атмосферы.

Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы  из почв, так и с нарушением процессов  фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая  чувствительность деревьев (особенно березы, дуба) к загрязнению воздуха  выявлена давно. Совместное действие обоих  факторов приводит к заметному уменьшению плодородия почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются  сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения  качества несущих грунтов, но и химического  разрушения техногенных объектов, включая  памятники культуры и наземные линии  связи. Во многих экономически развитых странах в настоящее время  реализуются программы по решению  проблемы кислотных атмосферных  осадков. В рамках Национальной программы  по оценке влияния кислотных атмосферных осадков, учрежденной в 1980 году многие федеральные ведомства США начали финансировать исследования атмосферных процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки влияния последних на экосистемы и выработки соответствующих природоохранных мер. Выяснилось, что кислотные дожди оказывают многоплановое воздействие на окружающую среду и являются результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные агенты – разбавленные серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода.

Источники загрязнения атмосферы

К природным источникам загрязнения  относятся: извержения вулканов, пыльные  бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской  соли, продукты растительного, животного  и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается  в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

Главный природный процесс  загрязнения приземной атмосферы  – вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному  загрязнению атмосферы, о чем  свидетельствуют летописи и современные  наблюдательные данные (извержение вулкана  Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

Антропогенные источники  загрязнения обусловлены хозяйственной  деятельностью человека. К ним  следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т. углекислого газа в  год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.) содержание  СО2 увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых  углей в результате выделения  сернистого газа и мазута образуются  кислотные дожди.

3. Выхлопы современных  турбореактивных самолетов с  оксидами азота и газообразными  фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными  частицами (при измельчении, фасовке  и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при  сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями  различных газов.

7. Сжигание топлива в  факельных печах, в результате  чего образуется самый массовый  загрязнитель – монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в  котлах и двигателях транспортных  средств, сопровождающееся образованием  оксидов азота, которые вызывают  смог.

9. Вентиляционные выбросы  (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы  с чрезмерной концентрацией озона  из помещений с установками  высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые  источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах  озон является высокотоксичным  газом.

При процессах сгорания топлива  наиболее интенсивное загрязнение  приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад  автотранспорта в общее загрязнение  атмосферного воздуха достигает  здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно  опасным фактором загрязнения атмосферы  являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская  авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как  с быстрым разносом радионуклидов  на большие расстояния, так и с  долговременным характером загрязнения  территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств  заключается в потенциальной  возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных  веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

В настоящее время в  приземной атмосфере находятся  многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста  промышленного и сельскохозяйственного  производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных  оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет  отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических – тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.

Основные загрязнители воздуха  жилых помещений – пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические  моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы  и бактерии. Японские исследователи  показали, что бронхиальная астма  может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном  и вертикальном направлениях, так  и высокими скоростями, разнообразием  протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается  сейчас как огромный «химический  котел», который находится под  воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в  атмосферу, характеризуются высокой  реакционной способностью. Пыль и  сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Выявлена тенденция совместного  накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской  России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.

Время «жизни» газов и  аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 – 3 минут до нескольких месяцев) и  зависит в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно-способных  компонентов (озон, пероксид водорода и др.).

Оценка и тем более  прогноз состояния приземной  атмосферы являются очень сложной  проблемой. В настоящее время  ее состояние оценивается главным  образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ  и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком  руководстве для Европы кроме  токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной  атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени  и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы  крупных промышленно – урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности  быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны  способы оценки содержания в атмосфере  аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться  на выработку таких способов и  в отношении других загрязняющих веществ.

Прогноз состояния приземной  атмосферы осуществляется по комплексным  данным. К ним прежде всего относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.

Химическое загрязнение  атмосферы

Под загрязнением атмосферы  следует понимать изменение ее состава  при поступлении примесей естественного  или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям  атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые  составляющие, способные оказывать  влияние на температурный режим  тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной вклад в высокий  уровень загрязнения воздуха  вносят предприятия черной и цветной  металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых  городах и котельные.