Кислотные дожди

4. Кислотные дожди.

Сера — это важный биофильный элемент. В живот­ных тканях она находится в составе белков и аминокислот, а в растительных — в составе эфирных масел.

Основным природным источником серы служат вулканы, с выбросами которых в атмосферу поступа­ют диоксид серы, сероводород и элементная сера общим количеством 4 - 16 млн.т (в пересчете на диоксид серы). Кроме того, сероводород является продуктом жизнеде­ятельности бактерий-хемосинтетиков, обитающих на суше и в океане. В виде сульфат-иона сера содержится в природных водах, средняя его концентрация состав­ляет 2,65 мг SO₄/1 г Н₂0. В составе многих минералов (уголь, нефть, железные, медные и другие руды) неор­ганическая сера встречается в земной коре.

В атмосфере соединения серы претерпевают целый ряд превращений (см рисунок ниже). Сероводород последо­вательно, в ряд ступеней, окисляется до диоксида серы, который, в свою очередь, тоже окисляется до серного ангидрида в результате фотохимического и радикального механизмов его взаимодействия с ком­понентами атмосферы, причем эти процессы существенно ускоряются в присутствии оксидов азота или углеводородов, а также оксидов железа, алюми­ния, хрома и других металлов. Атмосферная влага тоже способствует окислению диоксида в триоксид: в дождливую или туманную погоду время существова­ния атмосферного диоксида серы не превышает 50 - 60 мин.

Атмосферный цикл соединений серы.

		Вывод из атмосферы

Триоксид серы легко взаимодействует с частица­ми атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты. Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в атмосферной влаге, серная кисло­та частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция. Образование сульфатов происходит и в процессе окис­ления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. Образовавшиеся сульфаты сохраняются в ат­мосфере не более 5 дней.

Значительная часть соединений серы оседает на землю с атмосферными осадками. Таким образом, из атмосферы сера снова попадает в гидросферу и в почву. Дождевая вода всегда имеет более кислую реакцию, чем поверхностные воды, ее рН составляет 5,6. В естественном цикле подобным путем обеспечивается необходимое подкисление почвы и почвенных раство­ров, позволяющее трансформировать минеральные питательные вещества в доступную для растений рас­творимую форму. Однако уже к 1976 г. 65% всех поступлений серы в атмосферу имело антропогенное происхождение, из них 95% приходилось на диоксид серы. Таким обра­зом, поступление серы из природных источников было превышено более чем в два раза. Сернистый ангидрид в промышленности образутся при сжигании угля и нефти и при обжиге сульфидных руд меди, никеля, свинца, цинка. Соединения серы содержатся и в вы­бросах автотранспорта.

В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO₂ в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде серной кислоты и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов — через 30 - 40 часов.

В северном полушарии выбросы SO₂ оцениваются в 136 млн.т в год, в южном — 10 млн.т в год. Повышение содержания диоксида и триоксида серы в атмосфере привело к появлению кислотных дождей (рН около 4). Кислотный дождь — одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды. Максимальный от­рицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят атмосфере, а через нее — флоре и фауне. Этим же путем загрязняются водоемы. Под воздействием кислотных дождей закисляются почвы, что приводит к нарушению ионообменных процессов и буферных свойств почвы. Помимо этого в закисленной почве облегчается переход металлов из почвы в раство­ренную форму, доступную для растений, таким образом растения могут с почвенными растворами получать токсичные для них и большинства живых организмов металлы — цинк, железо, марганец, алюминий. Этим же путем интенсифицируется процесс выделения в почве сероводорода, токсичного для растений и микро­организмов.

5. Оценка загрязнения воздушного бассейна.

Для оценки загрязнения воздушного бассейна необходимо расчитать фактор опасности загрязнения, который рассчитывается по формуле:

,

где

j — фактор опасности загрязнения,

C_i — физическая концентрация загрязняющего вещества (мл г/м³),

ПДК — предельно допустимая концентрация вещества; верхний предел лимитирующий факторы среды, при которых их содержание не выходит за допустимые пределы экологической ниши человека, т.е. концентрация, которую может человек переносить без ущерба для здоровья. Значения ПДК утверждаются законодательно.

Если j больше 1, то существует опасность загрязнения воздушного бассейна.

Если j меньше либо равно 1, то фактическая концентрация загрязняющих веществ не превышает установленных нормативов.

Для специально охраняемых территорий j не должно превышать 0.8.

Т.к. на организм действует не одно, а несколько веществ, то говорят об эффекте суммации:

При оценки опасности загрязнения следует учитывать фоновую концентрацию — это загрязняющие вещества от других источников:

,

где

С_фi — фоновая концентрация.

Одним из факторов, который влияет на загрязнение воздушного бассейна, является перенос и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере.

На рассеивание влияют скорость и направление ветра, температурная стратификация атмосферы, температура воздуха в момент выброса, осадки и др. факторы.

Наиболее важная характеристика атмосферы — устойчивость. Устойчивость — это способность препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулентность. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные вблизи поверхности, будут задерживаться в местах выброса.

Устойчивость зависит от изменений температуры воздуха с высотой — температурной стратификацией.

Выделяют три типа состояния атмосферы:

1)  Безразличная — изменение тимпературы на 1⁰ на каждые 100 м.

2)  Неустойчивая — падает более чем на 1⁰ на каждые 100 м.

3)  Устойчивая — менее чем на 1⁰ на каждые 100 м. Это состояние наименее благоприятное для интенсивного рассеивания.

При оценки рассеивания загрязняющих веществ температурная стратификация учмтывается с помощью коэффициента А, который изменяется от 140 до 250 для различных районов.

На распространение оказывает влияние температура атмосферы в момент выброса, t_ГВС.

По этому признаку все выбросы делят на “холодные” и “горячие”.

“Холодные” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы приблизительно равна нулю, .

“Горячие” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы больше нуля, .

На распространение загрязняющих веществ влияет скорость ветра. “Опасная” скорость ветра определяется конкретным источником, чем меньше скорость ветра, тем она опасней.

Каждый источник выброса характеризуется определенными параметрами:

1)  Объем газовоздушной смеси — V [m³/c]:

,

где

D — диаметр источника [m].

2)  Скорость выхода смеси — W [m/c].

3)  Температура смеси — t [⁰C].

4)  Интенсивность выброса смеси — M [г/с].

5)  Высота источника — H [m].

6)  Диаметр устья источника — D [m].

“Опасная” скорость ветра, U_m, определяется через безразмерную величину , причем для “горячих” и “холодных” источников по разным формулам.

Для “горячих” выбросов:

.

В соответствии с  определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при , где

.

Для “холодных” выбросов:

.

В соответствии с  определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при .

Для определения фактора опасности загрязнения j необходимо определить максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое C_max:

 , где

A — коэффициент температурной стратификации;

M — интенсивность выброса;

F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе, который определяется как:

F=1, для газообразных примесей

F=2, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки 90%

F=2,5, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки от 90% до 75%

F=3, при отсутствии очистки или степени очистки менее 75%;

H — высота источника;

V — объем газовоздушной смеси;

 — разность температур;

m и n — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси, которые расчитываются следующим образом:

m при f<100  ,

при f100 ;

n=1 при ,

 при ,

 при .

Для оценки опасности загрязнения необходимо рассчитать C_max, максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое, для каждого загрязняющиго вещества и сопоставить их с соответствующими ПДК:

.

Для двух источников рассчитывают C_max для каждого из источников.

Если опасность загрязнения j больше единицы, то необходимо рассчитать ПДВ (предельно допустимый выброс):

, где

 изменяется от единицы до четырех, в зависимости от местности, где произошел выброс.

Если компоненты обладают эффектом суммации, то следует определить опасность загрязнения с учетом этого эффекта.

Для этого необходимо определить расстояние X_max от источника, на котором будет образовываться C_max:

, где

F — коэффициент осаждения;

H — высота источника;

d — параметр, учитывающий условия выброса:

.

В точке X_max2 C_max будет увеличиваться на некоторую величину от первого источника. Установить эту величину можно с помощью коэффициента S, его определяют по графику в соответствии с величиной , для X_max1, где a — расстояние между источниками. Тогда опасность загрязнения для X_max1 пересчитывается по следующей формуле:

, где C₂=S₂*C_max2.

Как уже было сказано ранее S₂ определяется по графику.

Для X_max2: C₁=S₁*C_max1, где S₁ определяют по графику исходя из параметра  и соответственно .