Пути решения проблемы загрязнения атмосферы

Стремительная урбанизация планеты сопровождается ростом количества неконтролируемых источников загрязнения атмосферного воздуха.

В результате города покрыты плотным смогом, токсичные выбросы наносят ущерб окружающей среде и здоровью людей.

Ученые предупреждают – если не будут предприняты серьезные меры по сокращению выбросов, последствия могут стать разрушительными для человечества и многих экосистем.

Статья рассказывает о видах загрязнения воздуха, о предупредительных мерах, о традиционных и нестандартных способах очистки техногенных выбросов и загрязненного воздуха городов.

Разбираемся, могут ли технологии, государственные инициативы и инновации решить глобальную проблему загрязнения атмосферы, способен ли кто-либо предложить меры, направленные на его уменьшение.

Актуальность проблемы

Атмосфера – важнейший компонент уникальной и целостной природной среды Земли. Изменение ее свойств в результате природного или техногенного загрязнения угрожает нормальному функционированию биосферы, самому существованию живого мира планеты, человеческой цивилизации.

Атмосферный воздух, а если быть точнее, его компонент, молекулярный кислород, является необходимым условием жизни человека и аэробных организмов. Вместе с вдыхаемым воздухом в организм попадают и присутствующие в нем примеси.

Концентрация загрязнений в воздухе определяет степень разрушающего воздействия на конкретный регион.

Результаты загрязнений оцениваются по отрицательному воздействию на:

• человека;
• растения;
• животных;
• почву;
• воду,

а также в глобальном масштабе по негативному воздействию на климат, биоразнообразие, социальные и экономические процессы.

Развитие промышленности уже стало причиной нарушения круговорота соединений углерода, серы, азота, озона. В атмосферу поступает множество разнообразных токсичных примесей, несвойственных для ее естественного состава.

Природная способность атмосферы к самоочищению часто оказывается недостаточной – опасные примеси накапливаются, циркулируют в воздушной среде, отравляя почву и водоемы.

Для загрязнителей не существует государственных границ государств, вследствие чего проблема является международной. По мнению экологов отдаленные последствия загрязнения атмосферы трудно поддаются оценке, но могут быть катастрофическими.

К экологическим последствиям масштабного загрязнения атмосферы относят:

• глобальное потепление климата в результате усиления парникового эффекта;
• нарушение озонового слоя;
• выпадение кислотных осадков.

Каждое такое явление в свою очередь станет причиной катастроф и бедствий, приведет к:

• таянию ледников;
• затоплению прибрежных территорий и островов;
• превращению плодородных земель в засушливые пустыни;
• вымиранию животных;
• гибели людей от голода.

При текущем темпе изменения климата уже к концу 21 века многие регионы Земли могут стать непригодными для жизни из-за экстремальных температур, наводнений и засухи.

Только загрязнение атмосферного воздуха – причина преждевременной смерти более, чем двух миллионов человек на планете ежегодно. По данным Техасского университета, глобальное загрязнение воздуха – фактор сокращения продолжительности человеческой жизни как минимум на один год.

Перечислять проблемы от загрязнения атмосферного воздуха можно бесконечно. Наш долг – свести к минимуму негативное воздействие антропогенных факторов на природную среду, исправить существующую неблагоприятную обстановку.

Виды загрязнений

Загрязнение атмосферы происходит одновременно в виде ряда процессов, в которых природа агентов принципиально отличается. Естественное загрязнение атмосферы происходит при извержениях вулканов, во время песчаных бурь, природных пожаров.

Главные источники техногенного загрязнения атмосферы:

• транспорт;
• промышленность;
• теплоэнергетика;
• животноводческие комплексы.

Наибольший объем выбросов образуется при сжигании различных видов топлива.

Главные (приоритетные) антропогенные загрязнители (поллютанты) атмосферы:

• диоксид серы;
• диоксид азота;
• оксид углерода;
• твердые частицы (пыль, сажа, зола).

На их долю приходится около 98 % выбросов ЗВ.

Всего в атмосферу поступают сотни вредных веществ:

• тяжелые металлы (свинец, ртуть, кадмий);
• углеводороды;
• альдегиды;
• сероводород;
• токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры).

Некоторые макро- и микрокомпоненты обладают относительно невысокой способностью к накоплению в атмосфере:

• оксиды углерода;
• серы;
• азота.

Другие (углеводороды, тяжелые металлы) способны накапливаться в атмосфере и других средах. Огромное количество тяжелых металлов в процессе переработки сырья, изготовления и эксплуатации изделий рассеивается в атмосфере в составе техногенной пыли.

Доля загрязнения атмосферы по отраслям промышленности, в %:

Формы загрязнения атмосферного воздуха разделяются на:

• радиоактивное;
• механическое;
• химическое;
• тепловое;
• вторичное, агенты которого образуются в ходе физико-химических процессов, протекающих под воздействием техногенных факторов непосредственно в атмосфере.

Такое деление условно. Например, радиоактивное загрязнение воздуха часто связано с механическим загрязнением, а вторичное загрязнение возникает на основе химического.

Радиоактивное

Особенно опасным видом загрязнения атмосферы является радиоактивное загрязнение, вызванное нестабильными изотопами – радионуклидами.

Глобальным этот вид загрязнения становится во время проведения интенсивных ядерных испытаний как на земле, так и воздухе. Радионуклиды подхватываются воздушными потоками и быстро переносятся на огромные расстояния.

Продукты деления после взрыва в Сахаре в 1966 году всего через 4 дня были обнаружены в воздухе Крымского полуострова.

После продолжавшихся в течение 40 лет испытаний ядерного и термоядерного оружия радионуклидный состав атмосферы необратимо изменился. Особое место занимают выбросы радиоактивных веществ в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г.

Определенный вклад в этот процесс также вносят:

• эксплуатация атомных реакторов;
• аварийные выбросы радиоактивных материалов на АЭС;
• хранение радиоактивных отходов;
• добыча и переработка ядерного топлива.

Кроме того, влияют на радиационный фон технологические циклы минерального сырья, содержащего природные изотопы. При сжигании угля из отдельных месторождений, при добыче и сжигании природного газа в атмосферу попадает значительное количество радионуклидов. Радиоактивное загрязнение воздуха происходит также при внесении в почву некоторых видов минеральных удобрений.

Механическое

Механическое загрязнение атмосферы частицами антропогенного происхождения наступает в связи с:

• выбросами промышленных предприятий;
• взрывными работами;
• дефляцией (ветровой эрозией), спровоцированной нарушением почвенно-растительного покрова во время сельскохозяйственных работ.

Подобные крупномасштабные явления, получившие название «черных ураганов», происходили в XIX веке в США при неконтролируемом распахивании прерий. Через столетие такие же нежелательные эффекты сопровождали освоение целины в СССР.

Объем постоянно присутствующих в воздухе техногенных аэрозолей огромен. В тропосфере техногенные аэрозоли оседают или относительно быстро разрушаются, а в стратосфере примеси могут присутствовать годами.

Аэрозоли задерживают энергию Солнца, способствуя понижению температуры у земной поверхности. Пример подобного явления – интенсивные извержения вулканов Кракатау, Мон-Пеле, когда массы загрязнений в южном полушарии привели к ощутимому похолоданию на обширных территориях северного полушария. Аналогичные явления могут быть обусловлены и человеческой деятельностью.

В отношении здоровья человека установлено, что современные концентрации механических примесей в воздухе крупных городов вызывают рост заболеваемости. В глобальном масштабе загрязненный воздух мегаполисов и промышленных центров – причина развития 5 % случаев рака легких.

Химическое

Химическое загрязнение атмосферы с самыми разнообразными источниками и агентами давно приобрело глобальные масштабы. ЗВ обнаруживаются в воздухе мест, удаленных от промышленных зон на тысячи километров. Автотранспорт с каждым годом вносит все более значительный вклад в ухудшение качества воздуха.

Химические вещества неблагоприятно воздействуют на животный и растительный мир, снижают урожайность, разрушают связи экосистем. Вещества техногенного происхождения обнаруживаются в живых организмах уже даже в Антарктиде.

По данным российских ученых химическое загрязнение атмосферы приводит к преждевременной смерти десятков тысяч людей, составляя 17 % от общей смертности жителей городов.

Тепловое

Причина теплового загрязнения атмосферы заключается в использовании человеком энергетических ресурсов, при котором часть рассеивается в форме тепловой энергии. По прогнозам ученых, рост производства энергии на 4-10 % в год приведет через пару столетий к глобальным изменениям климата.

В результате поступления в среду техногенного тепла над крупными городами образуются куполообразные скопления подогретого воздуха – «острова тепла» или «тепловые шапки».

Зоны теплового загрязнения охватывают территории, далеко выходящие за пределы городской застройки. Тепловая шапка над Москвой простирается на расстояние 3 – 4 радиусов от города.

Тепловые острова блокируют воздухообмен городов с окружающими территориями. В результате в приземном слое атмосферы концентрируются механические и химические примеси. В свою очередь, явление приводит к вторичному загрязнению воздушной среды, например, к появлению фотохимического смога.

Наблюдающиеся тенденции указывают на скорую глобализацию теплового загрязнения атмосферы. Главная причина – стремительная урбанизация поверхности Земли. В некоторых странах в прибрежных морских акваториях уже возводятся искусственные острова.

Вторичное загрязнение атмосферы

Первичные загрязнители (как правило, техногенного происхождения) реагируют между собой или подвергаются воздействию физических, химических и биологических факторов среды. В результате вещества трансформируются в иные, часто более опасные соединения, становясь агентами вторичного загрязнения.

Подобные процессы слабо поддаются прогнозированию. Обычно негативные последствия вторичного загрязнения привлекают внимание экологов и общественности уже после свершившегося факта.

Результат вторичного загрязнения атмосферы – фотохимический смог. Это токсичные атмосферные аэрозоли, образовавшиеся в результате трансформации первичных загрязнителей (например, оксидов азота, углеводородов) под воздействием радиации Солнца.

Развитие новых технологий сопровождается появлением в атмосферном воздухе новых, ранее не фиксировавшихся в ней соединений.

Даже химически инертные и не токсичные вещества в составе выбросов вполне экологичных производств в процессе совокупной трансформации могут преобразоваться в нечто опасное.

Учитывая бесконечное разнообразие загрязняющих атмосферу техногенных веществ, предсказать результат их взаимодействия крайне затруднительно. По этой причине глобализация химического и механического загрязнения атмосферы неизбежно вызовет глобализацию последствий вторичного загрязнения.

Меры по борьбе с загрязнением

Нормативная база

Нормативная база в области охраны атмосферного воздуха весьма обширна. Требования по сохранению состояния атмосферного воздуха, отвечающие темпам и масштабам развития промышленности, воздействия деятельности человека на воздушную среду установлены 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха».

Международно-правовые акты в области охраны атмосферы:

1. Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния 1979 г.
2. Венская конвенция об охране озонового слоя 1985 г.
3. Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, 1987 г.
4. Рамочная конвенция об изменении климата 1992 г.
5. Киотский протокол.

Киотский протокол был подписан многими странами в 1997 году. Его цель – добиться уменьшения выброса парниковых газов через систему квот. Каждая из стран-участников взяла на себя обязательства сократить выбросы путем ограничения их количества.

Охрана атмосферного воздуха

В соответствии с 96-ФЗ, качество ат­мосферного воздуха – совокупность его свойств, опре­деляющих степень воздействия химических, физических (шум, инфразвук, ультразвук, неионизирующее и ионизирующее излучения, вибрация) и биологических факторов на окружающую среду.

Охрана атмосферного воздуха – ряд мероприятий, прямо или косвенно направленных на прекращение или уменьшение его загрязнения, осуществляемых го­сорганами и промышленными объектами. Это правовые, ор­ганизационные, технические, экономические меры.

Экологические организации, правительства стран, ученые постоянно разрабатывают современные способы защиты атмосферного воздуха.

Все направления защиты воздушного бассейна можно объединить в основные группы:

Главные принципы защиты воздушного бассейна:

• госучет и контроль поступления ЗВ в атмосферу;
• нормирование качества атмосферного воздуха;
• соблюдение санитарно-гигиенических требований при проектировании и эксплуатации промышленных объектов;
• реализация тех­нических методов по снижению объемов выбросов.

Самой радикальной мерой защиты атмосферы считается экологичность технологических цик­лов, внедрение технологий, исключа­ющих (сокращающих до минимальных концентраций) поступление в атмосферу ЗВ.

К сокращению выбросов может привести усиление контроля деятельности предприятий, введение административных и экономических санкций за несоблюдение требований законодательства, вплоть до приостановления производства.

Принципы защиты атмосферы включают информирование населения, повышение экологической культуры.

Основные принципы охраны атмосферного воздуха:

1. Превентивность. Принцип включает, в частности: изменение технологического цикла на более экологичное, переход на другое, более безопасное, сырье (например, замена традиционных реагентов на менее агрессивные), внедрение экологических принципов на всех этапах производства. Это продолжительный процесс, сопровождаемый высокими затратами. Технологию изменить неизмеримо сложнее, чем использовать очистные сооружения.
2. Вторичность. Основан на использовании установок для очистки промышленных выбросов. Принцип лишен недостатков первого, часто является единственно возможным.

Защита атмосферы может осуществляться:

1. Активными методами, непосредственно связанными с изменением технологии производства. Методы включают использование установок, аппаратов, сооружений для очистки воздуха от ЗВ. К такому оборудованию относятся пылеуловители, туманоуловители, аппараты для улавливания паров и газов, аппараты многоступенчатой очистки.
2. Пассивными методами, которые не влияют на технологии, а основаны на нейтрализации или ограничении негативного воздействия выбросов. Это рассеивание загрязнений высокими трубами, организация и соблюдение санитарно-защитных зон (СЗЗ).

СЗЗ – это благоустроенный или озелененный участок территории, отделяющий промышленную площадку объекта, при эксплуатации которого происходит загрязнение атмосферы, в том числе радиационное или шумовое.

Принципы защиты включают информирование населения, повышение экологической культуры.

Для оценки состояния атмосферного воздуха устанавливаются нормативы выбросов ЗВ – единые для всей территории России. Однако с учетом природно-климатических особенностей и высокой ценности отдельных территорий (заповедников, заказников, национальных парков, курортов) для них вводятся более строгие нормативы.

Снижение объема выбросов

Практически для всех ЗВ установлены нормы по их содержанию в природных средах. Предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимально допустимая масса вредного вещества в единице объема (мг/м³), которая при периодическом или постоянном воздействии на живой организм не приводит к физиологическим отклонениям в течение жизни настоящего и последующих поколений.

Количественные значения нормативов выбросов в атмосферный воздух для стационарных и передвижных источников определяются в порядке, установленном Правительством РФ, с использованием методов, утвержденных Минприроды России.

Промышленные предприятия, в результате деятельности которых образуются выбросы загрязнений в атмосферный воздух, должны обеспечивать его охрану:

• проводить соответствующие организационно-хозяйственные и технические мероприятия;
• снижать объемы выбросов;
• обеспечивать надежную работу очистных сооружений;
• вести учет количества и состава вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.

Экологизация технологических процессов в промышленности, направленная на снижение валовых выбросов ЗВ в атмосферу, предусматривает:

• совершенствование технологических процессов и оборудования;
• создание непрерывных технологических циклов;
• замену местных котельных установок на централизованное теплоснабжение;
• предварительную очистку топлива и сырья от вредных примесей;
• повышение коэффициента полезного использования топлива;
• улучшение качества топлива (снижение концентрации серы, азота и механических примесей, добавление присадок, направленных на улучшение условий горения и экономичный расхода топлива);
• организация про­цессов сжигания горючих материалов в соответствии с научной тео­рией горения вещества, с образованием минимального количества продуктов загрязнения;
• герметизацию процессов, использование гидро- и пневмотранспорта при транспортировке пылящих материалов;
• замену угля и мазута природным газом;
• перевод на электропривод компрессоров, сваебойных машин, насосов;
• повторное использование очищенных отходящих газов.

Если совершенствование технологи­ческих процессов и оборудования не позволяют добиться необходимого качества отходящих газов, применяются различные методы эффективной очистки.

Очистка промышленных выбросов

Понятие

Разберемся в основных понятиях в области очистки (нейтрализации) выбросов ЗВ:

Чем различаются промышленная и санитарная очистка газовоздуш­ных выбросов? Промышленная – очистка газа с целью последующей утилизации или возврата в производство отделенного от газа или превращенного в безвредное состояние продукта.

В качестве обо­рудования используются:

• разгрузочные циклоны;
• пылеосадительные камеры;
• фильтры;
• адсорберы;
• скруб­беры.

Санитарная очистка произ­водится непосредственно перед поступлением отходящих газов в атмо­сферный воздух, направлена на удаление остаточного загрязнения, при котором достигаются ПДК в воздухе населенных мест или производственных помещений.

Про­цессы улавливания или обезвреживания ЗВ протекают в установках очистки газа.

Аппараты очистки выбросов в атмосферу

По принципу действия выделяют 7 типов установок очистки выбросов:

1. Сухие металлические пылеулови­тели (гравитационные, сухие инерционные и ротационные).
2. Мокрые пылеуловители (инер­ционные, конденсационные), скрубберы (механические, ударно-инерционные, полые, насадочные, центробежные), скрубберы Вентури.
3. Промышленные фильтры (ру­кавные, волокнистые, карманные, зернистые) с регенера­цией (импульсной обратной продувкой, ультразвуком, с механическим встряхиванием, вибровстряхиванием). В качестве фильтрующего элемента используются как тканые, так и нетканые материалы: войлок, поролон, сетки, натуральные и синтетические ткани, бумажно-целлюлозные составы.
4. Электрические пылеуловите­ли (сухие, мокрые, электрофильтры).
5. Аппараты сорбционной (хими­ческой) очистки газа от газообразных примесей (адсорбе­ры, абсорберы).
6. Аппараты термической и тер­мокаталитической очистки газов от газообразных приме­сей (печи сжигания, каталитические реакторы).
7. Установки других методов очи­стки газа.

Работа таких аппаратов характеризуется множеством параметров, в частности, эффективностью очистки, показателями гидравлического сопротивления и потребляемой мощности.

Наиболее эффективны комплексные системы очистки, обезвреживания и обеззараживания с использованием:

• фотокатализаторов;
• активированных углей;
• озона;
• ультрафиолетового излу­чения;
• низкотемпературной плазмы;
• ионитов.

Способы очистки промышленных выбросов

Нейтрализация выбросов осуществляется путем отделения от газовоздушной смеси или превращением в безвредное состояние загрязнителей.

Выбор технологии очистки зависит от:

• происхождения ЗВ;
• экономической целесообразности;
• требований к степени очистки и других параметров.

Краткий обзор методов очистки выбросов и их основных недостатков, препятствующих внедрению на некоторых производствах:

1. Абсорбционный. Процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе. Недостаток метода — образование жидких стоков и громоздкость оборудования.
2. Адсорбционный. Распространенный способ очистки газов с помощью активированных углей, сложных оксидов и импрегнированных (пропитанных химическим реагентом-катализатором, периодически активируемых) сорбентов позволяет извлечь и вернуть в производство ценные компоненты выбросов. При содержании ЗВ > 2-5 мг/м³ очистка оказывается даже рентабельной. Недостаток метода — большая энергоемкость процессов, что ограничивает его применение для многокомпонентных составов.
3. Термическое дожигание. Способ обезвреживания газов путем термического окисления загрязнителей, преимущественно органического происхождения, в практически безвредные или менее вредные, в основном углекислый газ и воду. Дожигание примесей происходит при 750-1200 °C, достигая эффективности очистки 99 %. Способ широко применяется для очистки газов от токсичных горючих соединений, дожигания многокомпонентных и запыленных отходящих газов. Современные аппараты дожигания отличаются компактностью и низкими энергозатратами. Недостаток метода — образование вторичных загрязнителей (хлора, соединений азота и серы).
4. Термокаталитические методы. Отличаются универсальностью: освобождают газы от оксидов серы и азота, органики, монооксида углерода и других токсичных веществ. Каталитические способы трансформируют вредные примеси в менее вредные, безопасные и даже полезные. Подходят для очистки многокомпонентных газов с малыми концентрациями загрязнений, показывают высокие результаты очистки, позволяют вести процесс непрерывно, без образования вторичных загрязнителей. Недостаток метода — для концентраций < 1 г/м³ и больших объемов очищаемых газов требуются высокие энергозатраты, значительное количество катализатора.
5. Озонные методы. Применяются для обезвреживания дымовых газов от оксидов серы, азота, а также для дезодорации промышленных газовых выбросов. Использование озона для дезодорации основано на окислительном разложении дурнопахнущих веществ. Способ применяется для очистки газов, сопровождающих переработку сырья животного происхождения на мясокомбинатах. Недостаток метода — высокие энергозатраты.
6. Биохимические методы. В их основе – способность микроорганизмов разрушать и трансформировать различные соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, продуцируемых микроорганизмами в среде очищаемых газов. Недостатки методов — низкая скорость биохимических реакций, что требует габаритного оборудования, высокая избирательность штаммов микробной среды, что усложняет обработку многокомпонентных смесей, а также трудоемкость очистки смесей непостоянного состава.
7. Плазмохимический. Суть метода – пропускание загрязненной воздушной смеси через высоковольтный разряд. Для очистки используются озонаторы на основе барьерных, коронных или скользящих разрядов, а также импульсные высокочастотные разряды на электрофильтрах. Недостатки метода — недостаточное разложение примесей до воды и углекислого газа в случае окисления органических компонентов, необходимость разложения остаточного озона, зависимость от концентрации пыли (при использовании озонаторов с барьерным разрядом).
8. Плазмокаталитический метод. Довольно новая технология очистки, основанная на известных способах – плазмохимическом и каталитическом. Установки состоят из двух ступеней – плазмохимического реактора (озонатора) и каталитического реактора. Газообразные примеси в зоне высоковольтного разряда взаимодействуют с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в безопасные соединения, вплоть до углекислого газа и воды. Преимущество метода – каталитические реакции протекают при температурах, более низких, чем при термокаталитическом воздействии, что сокращает энергозатраты при невысоком уровне загрязненности выбросов, а также увеличивает срок службы катализаторов. Недостатки метода — зависимость от содержания пыли, необходимость предварительной очистки до концентрации 3-5 мг/м³. Другой минус — при высоких концентрациях ЗВ (> 1 г/м³) стоимость оборудования и эксплуатационные расходы выше соответствующих затрат в сравнении с термокаталитическим способом.
9. Фотокаталитический. Метод окисления органических соединений пока только развивается. Фотокаталитическая очистка воздушного потока проводится в катализаторах на основе диоксида титана, в условиях воздействия УФ-излучения. Недостаток метода — быстрое засорение катализатора продуктами реакции.

Почему очистка выбросов не всегда эффективна

Приоритетное значение в предотвращении загрязнения атмосферы сейчас имеет ограничение выбросов промышленных объектов.

Снижения объема загрязнителей достигают, внедряя новые производственные технологии, а снижения экологической опасности атмосферных выбросов – изменяя их химический состав, используя более эффективные системы очистки.

И тем не менее, уровень загрязненности атмосферы по всем формам загрязнения (за исключением радиоактивного) с каждым годом становится все выше.

Причин для этого немало:

1. Уменьшение объема атмосферных загрязнителей при внедрении новых технологий обычно носит относительный характер: показатели сокращаются лишь в расчете на единицу товарного продукта или мощности объекта.
2. В условиях роста производства даже внедренные так называемые «наилучшие доступные технологии» сопровождаются такими же растущими выбросами.
3. Пресловутое внедрение «наилучших доступных технологий» доступно главным образом только для сегмента крупных промышленных объектов. В малом бизнесе, в небольших компаниях, контроль атмосферных выбросов практически не осуществляется. Реальные масштабы загрязнения оцениваются только в тех случаях, когда его очевидные последствия вызывают возмущение общественности. При этом совокупный вклад мелких источников в планетарное загрязнение атмосферы достаточно велик, учитывая их число.

Диффузное загрязнение от множества источников приводит к рассредоточенному загрязнению. Рост населения и тотальная урбанизация планеты делают процессы диффузного загрязнения атмосферы все более значимыми. Его источником становится каждое новое здание, каждый выпущенный автомобиль.

Создать масштабные сооружения, способные эффективно обезвреживать компоненты диффузного загрязнения в приземном слое атмосферы над урбанизированным регионом (например, постоянно подвергая воздушные массы фильтрации), пока нереально. Более того, такие устройства подвергнут риску представителей воздушной фауны.

Более перспективным представляется, например, вариант масштабной высадки поглотителей загрязнений – деревьев и кустарников, задерживающих высокий процент химических и механических загрязнителей.

Биотехнологические методы

Древесная, кустарниковая и травяная растительность эффективно снижает уровень загрязнения атмосферного воздуха, особенно на промышленных и селитебных территориях.

Например, сосны и липы поглощают углекислый газ в пределах 5-15,8 т/га за год, а выделяют кислорода – от 3 до 11,5 т/га за год. Подлесок и травянистые виды способны поглощать соответственно до 0,7 и 0,6 т/га диоксида углерода, продуцируя при этом по 0,5 т/га кислорода в год.

В зеленых зонах запыленность воздуха сокращается вдвое. Линейные посадки деревьев и кустарников в несколько рядов вдоль дорог уменьшают концентрацию в транспортных зонах на 4-70 % (эффективность зависит от ширины, высоты и плотности посадок).

Для снижения неблагоприятных факторов городской среды по градостроительным нормам общая озелененность селитебных территорий должна быть не менее 35-45 % в зависимости от величины города, а озелененность жилых районов – 50-60 %.

В состав зеленых насаждений входят:

• общегородские парки;
• сады;
• скверы;
• бульвары;
• парки планировочных (административных) и жилых районов;
• лесопарки.

Качества растений:

Особую роль в СЗЗ отводится растениям газопоглотительного назначения (фитофильтрам). Фитофильтры существенно улучшают состояние атмосферного воздуха на промышленных и селитебных территориях, положительно влияя на качество среды обитания. Площадь насаждений в СЗЗ определяется классом опасности промышленного предприятия.

Растительный ассортимент подбирается в соответствии с климатом, особенностями почв, составом и объемом ЗВ, расстояниями от источников выбросов.

Добиться максимальной эффективности растительных очистителей атмосферы можно при соблюдении трех условий:

1. Загрязненные воздушные потоки должны контактировать с зелеными насаждениями. Для этого изучается динамика движения воздуха и подбирается оптимальный вариант высаживания растений с учетом сезонности их функционирования (качественное поглощение ЗВ происходит только в вегетационный период).
2. Концентрация ЗВ в воздухе не должна негативно воздействовать на жизнедеятельность растительности, поэтому размещение растений производится по зональному принципу. На участках интенсивного загрязнения высаживаются более устойчивые породы. В других зонах целесообразно размещать растения, наиболее эффективно поглощающие загрязнители. Таким образом, в каждой растительной зоне происходит определенный этап очистки воздуха.
3. Вещества, поглощаемые растениями, должны либо разрушаться, либо надолго в них задерживаться. Для устойчивых ЗВ, например, тяжелых металлов, предусматривается утилизация накопившей их растительной массы, а также периодическая замена «отслуживших свое» деревьев.

Воздушно-растительные фильтры по эффективности не уступают промышленным системам очистки, 1 гектар леса за сутки очищает от большинства загрязнителей 500 тыс. м³ воздуха. Конечно, должен осуществляться контроль нелегальной вырубки леса.

Экологическое земледелие

Сельскохозяйственная деятельность человека – один из факторов антропогенного загрязнения атмосферы.

Снизить вред позволит экологическое (органическое) земледелие, отличающееся от традиционного рядом признаков:

1. Химико-синтетические удобрения, гербициды и пестициды для увеличения урожайности сельхозкультур исключены. Используются органические удобрения и безопасные способы защиты растений: навоз, компост.
2. При посеве применяются щадящие методы взрыхления почвы.
3. Поддерживается севооборот. Происходит чередование культур, что не только повышает урожайность, защищает растения от вредителей и болезней, но и благотворно влияет на состояние почв.

Проектирование промышленных объектов

Стадия проектирования предприятия с прохождением санитарной и экологической экспертизы – важный природоохранный этап. В проекты включаются современные конструкции устройств и оборудования, эффективные системы очистки и рекуперации выбросов.

При планировании предприятий должны соблюдаться следующие требования:

1. В городской черте запрещено возводить промышленные предприятия, работающие с выделением пылевидных и газообразных веществ. Такие объекты размещают вдали от городов, с подветренной стороны по отношению к ближайшей жилой застройке, отделяя от границ жилых районов СЗЗ.
2. Чтобы задымление, запыление и отравление газами воздушной среды было минимальным, заводы строят на возвышениях, в местах, хорошо обдуваемых потоками ветра. Это увеличивает высоту выброса дыма и газов, а следовательно, и их разбавление воздухом.

При строительстве новых заводов и при планировании населенных пунктов должны учитываться:

• фон загрязнения от других предприятий;
• природно-климатические факторы;
• преимущественные атмосферные процессы;
• рельеф местности;
• условия планировки и застройки, облегчающие проветривание.

Основной метеорологический фактор, влияющий на распространение ЗВ – ветер, поэтому учитываются среднегодовая и сезонная розы ветров.

При выбросах из низких труб самое интенсивное загрязнение фиксируется при слабом ветре (до 1 м/с) в сочетании с приземной инверсией. При выбросах из высоких труб наиболее неблагоприятные условия создаются при ветре 3-6 м/с.

Создание замкнутых газооборотных циклов

Очистка газов не всегда снижает уровень загрязнений до величин в границах ПДК, поэтому актуально создание замкнутых газооборотных циклов, которые препятствуют попаданию технологических газов в атмосферу.

Они включают:

• оборот газов;
• снижение энергоемкости производственных процессов и транспортных средств;
• улавливание и переработку газообразных продуктов.

В качестве примера переработки загрязняющих газов – синтез органических веществ из углекислого газа.

При этом очистка загрязненных газов остается необходимой мерой, газы сначала подвергаются очистке, а затем возвращаются в производственный цикл.

Однако воздухо- и газооборотные циклы пока имеют относительно небольшое применение. Они эффективны при обогащении асбеста в горно-обогатительных комбинатах, в производстве фосфорных удобрений.

У таких мероприятий два огромных недостатка: серьезные вложения и технологические сложности. Поэтому одним из основных направлений в защите атмосферного воздуха остается очистка газов.

Решение проблемы в населенных пунктах

Неблагополучная экологическая ситуация в большинстве городов и промышленных центров требует немедленных действий, среди которых:

1. Правильная организация системы утилизации и переработки отходов.
2. Вынос промышленных объектов за черту города.
3. Ограничение использование химически опасных удобрений, пестицидов в сельскохозяйственных районах.
4. Охрана зеленых насаждений – естественных фильтров.
5. Регулирование эксплуатации автотранспорта, контроль химического состава топлива, концентрации продуктов сгорания в выхлопных газах, использование фильтров и нейтрализаторов для выхлопных труб, электрификация общественного транспорта, правильная организация транспортных потоков.

Уменьшить уровень загрязнения атмосферы в городской черте позволят зеленые насаждения, а именно:

• посадка новых деревьев и кустарников;
• создание новых парков и рощ;
• создание живых изгородей, кустарниковых бордюров;
• применение в ландшафтном дизайне вертикального озеленения – выращивания вьющихся растений на фасадах зданий, а также на заборах и изгородях;
• создание цветочных клумб, газонов, цветников.

Известна экранирующая функция зданий, в связи с чем должно развиваться зонирование застройки кварталов, граничащих с магистральными улицами.

Ближайшую к автодороге зону следует застраивать зданиями коммунально-бытового назначения, следующую – малоэтажными постройками, третью линию – многоэтажными зданиями, четвертую, наиболее отдаленную – детскими или лечебными учреждениями с повышенными требованиями к качеству воздуха.

Транспорт как источник загрязнения воздуха в городах

Проблема загрязнения продуктами сгорания автомобильного топлива должна решаться внедрением экологически чистых транс­портных средств, переводом существующего парка передвижных источников на альтернативные виды топлива «без выбросов»:

• электрическую и солнечную энергию;
• чистое газовое топливо;
• метиловый спирт (метанол);
• малотоксичный аммиак

и идеальное топливо – водород.

Автомобили, работающие по принципу выделения энергии за счет внутреннего сгорания топлива, вызывают загрязнение атмосферы и истощение озонового слоя.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) выделяют немало токсичных веществ. Кроме того, энергия ДВС используется крайне неэффективно (потери составляют до 70 %). Поэтому поиск чистых источников энергии – приоритетная задача.

Новые двигатели должны эффективно использовать топливо. Требуются новые инженерные решения для снижения потерь энергии на низких скоростях и в момент торможения. Пример – автомобили с комбинированными методами генерации энергии, гибридными силовыми установками. Они экономят топливо, состав их выбросов менее опасен.

Существенно снизит валовый объем выбросов замена карбюраторных двигателей на более экологичные виды:

• дизельные;
• паровые;
• газотурбинные.

Защита атмосферы от загрязнения твердыми продуктами сгорания

Добыча ископаемых удовлетворяет нужды людей, но является одним из основных факторов ухудшения экологической обстановки.

Очевидно, что мировая экономика еще очень долго не сможет обойтись без ископаемого топлива. При существующем способе использования органического топлива атмосфера интенсивно загрязняется твердыми и газообразными продуктами сгорания, а также остаточным теплом дымовых газов.

Уголь и нефть считаются экологически небезопасными веществами — при сгорании выделяются азотистые и сернистые оксиды, летучие частицы (пыль, зола) и самое высокое количество углекислого газа на единицу произведенной энергии (по сравнению с любым другим топливом).

Сокращение использования угля и нефти в качестве топлива существенно сократит количество ЗВ в воздухе. К одним из самых эффективных мер относится переход на энергию Солнца, ветра, гидроэнергию.

По прогнозам, переход на 100 % возобновляемую энергию в США означал бы не произошедшие более 60 тыс. случаев преждевременной смертности в год. Это позволило бы сократить расходы на здравоохранение на 600 млрд. долларов США.

Методы защиты воздуха от загрязнения твердыми продуктами сгорания, а также остаточным теплом дымовых газов разделяют на группы:

1. Применяемые до процесса сжигания (разделение минеральных и органических компонентов удаление серы до 30–60 %, газификация угля).
2. Применяемые в процессе сжигания (связывание серы добавкой молотого известняка, подаваемого в топливо или непосредственно в топочную камеру котельной установки).
3. Состоящие в обработке продуктов сгорания (обработка дымовых газов для снижения концентрации сернистого ангидрида).
4. Не связанные с проблемой сжигания – методы, исключающие появление самой проблемы.

К четвертому направлению борьбы с загрязнением относят:

• увеличение рассеивания ЗВ посредством дымовых труб;
• введение системы сигнализации при превышении предельной границы загазованности и на ее основе – регулирование количества и качества выбросов;
• перераспределение источников загрязнения путем снижения нагрузки теплоэлектростанций в районах с повышенной загазованностью.

12 нестандартных способов очистки

Вертикальный лес

Выращивание городского леса прямо на небоскребах – один из вариантов очистки воздуха в Китае, страдающем от самого высокого уровня загрязнения воздуха в мире.

Вертикальный лес из трех тысяч видов растений поглощает до 25 т углекислого газа и выделяет столько кислорода, чтобы сделать воздух в 3 000 раз чище.

Чернила из загрязненного воздуха

Творческое использование извлеченных из воздуха загрязнителей – одна из самых интересных стратегий борьбы с загрязнением атмосферы. Например, воздушные чернила, представляющие собой продукт очистки выхлопных газов. Проект создан Graviky Labs.

Автомобилисты подключают устройство KAALINK к выхлопной трубе и примерно через час езды получают 30 мл жидкости. Углеродсодержащая масса очищается в специализированной лаборатории и превращается в настоящие безопасные чернила.

Башня, превращающая смог в драгоценные камни

«Башня без смога» впервые была возведена в Роттердаме в 2015 году. Это система, которая трансформирует смог, конденсируя его компоненты в драгоценные камни. Устройство потребляет небольшое количество энергии, отправляя в воздух положительные ионы, которые прикрепляются к поверхности пылинок.

Затем отрицательный ион в вакууме втягивает положительные ионы обратно, уже вместе с частицами. Мельчайшие фракции углерода, собираемые башней, конденсируются в микроскопические «драгоценные камни».

Очиститель воздуха размером с небоскреб

Стометровая башня, с «начинкой» из воздушных фильтров, запитанная от солнечных батарей, очищает воздух на окраине китайского города Шэньси в радиусе 45 м. Башня ежедневно пропускает через себя 10 млн кубометров воздуха. «Дышать стало легче», отмечают местные жители.

Испытания гигантского очистителя Smog Free Tower подтверждают, что башня отфильтровывает до 15 % мелкодисперсных частиц PM 2.5 – одного из самых опасных компонентов загрязненного городского воздуха, а также токсичные оксиды азота и серы.

Если конструкцию признают эффективной, еще более высокую башню возведут в центре города, на одной из площадей.

Гигантский пылесос на крыше

Гигантская система по очистке городского воздуха представляет собой восьмиметровый промышленный фильтр из стали. Устройство устанавливается на крыше здания и работает как уличный пылесос. Детище голландских изобретателей поглощает токсичные частицы, попадающие в атмосферный воздух вблизи установки – в радиусе 300 м.

В ходе тестирования установлено, что устройство перерабатывает 800 тыс. кубометров воздуха в час, максимально (до 100 %) извлекая частицы размером < 2,5 мкм и 95 % микроскопических ультрадисперсных частиц.

Экзотический метод: пауки и их сети

Энтомологи Оксфордского университета установили, что сети пауков стремятся навстречу будущим жертвам благодаря электропроводящему клею, нанесенному на их поверхность. Электростатические свойства позволяют паутине захватывать все заряженные частицы − от пыльцы до летающих насекомых.

Эту особенность было предложено использовать для очистки и мониторинга загрязненного воздуха, тончайшие полотна паутины активно отфильтровывают из воздуха все загрязнения не хуже дорогостоящего оборудования. По состоянию паутины можно, например, оценивать уровень пестицидов, способных навредить пчелам.

По форме сетей можно установить факт присутствия в воздухе определенных химических примесей. Известно, что под воздействием различных веществ у пауков получается совсем другая паутина — удивительно красивые полотна под ЛСД и невнятную путаницу под кофеином.

Поэтому даже форма паутины способна поведать наблюдателю, содержатся ли в воздухе особенные химикаты, влияющие на поведение пауков.

Очищающий рекламный щит

Рекламный билборд-фильтр в Перу действует на основе термодинамических принципов, используя изменения температуры, давления и уровня разреженности. Загрязненный воздух пропускается через воду, которая активно собирает в себе загрязняющие вещества, после чего очищенный воздух выпускается.

По утверждению создателей устройства, один щит может выполнить работу 1200 деревьев, очищая ежедневно в городских условиях 100 000 м³ воздуха.

Кроме выделения ЗВ, технология может устранять около 99 % бактерий, переносимых по воздуху. Более того, система фильтрации использует лишь 2,5 киловатта электричества в час, делая сооружение еще и энергоэффективным.

Тандем уличных фонарей и умных датчиков

В Праге установлены датчики углекислого газа внутри умных уличных фонарей. Датчики в режиме онлайн выдают информацию об уровне загрязнения в конкретных районах, что позволяет разработать и внедрить наиболее эффективные стратегии борьбы, а также информировать население о том, какие зоны города подвержены наибольшему риску.

Противосмоговые пушки: оружие против городского загрязнения воздуха

Агрегат похож на огромный фен, водруженный на грузовик. Пушка разъезжает по улицам Нью-Дели в Индии, распыляя водный туман на основе воды, сокращая объемы твердых частиц типа PM 2.5, PM 10 в воздухе.

Водяной пар поглощает ЗВ, прежде чем падать обратно на землю в виде дождя. Подобные установки работают и в КНР. Загрязнения удаляются не полностью, но это эффективное краткосрочное решение для дней с сильным смогом.

Бетон, «поедающий» смог

Итальянский метод основан на способности диоксида титана при воздействии на него света разрушать углеродные связи в молекулах. Инновационный цемент нейтрализует ЗВ, делает их менее опасными. Обезвреженные примеси смываются дождем.

Изобретатель долго экспериментировал с составом добавки к бетону и получил оптимальную формулу, которая делает обычный бетон «фотокатализатором». Материал белого цвета выглядит более красивым и чистым. Впервые технология была применена в Риме еще в 1996 году, при строительстве церкви.

Здания-фильтры

Для очистки воздуха мегаполисов от выбросов вредных газов и увеличения концентрации кислорода используется удивительное сооружение, которое располагается между небоскребами, рядом с оживленными транспортными магистралями.

Футуристического вида структура состоит из множества трубок, улавливающих атмосферные примеси, которые затем используются в химической промышленности.

Дроны

Неожиданный способ очистки воздуха распылением химических веществ с дронов-парапланов внедрен в Китае. В результате распыления реагентов смог оседает на поверхность земли.

Специалисты неоднозначно относятся к изобретению. Во-первых, в атмосферу дополнительно поступают химические вещества, во-вторых, при осаждении загрязнители будут попадать на почву и в водоемы, нанося вред живым организмам.

Чтобы создать эффективную и устойчивую систему очистки атмосферного воздуха, необходимо, чтобы выделенные примеси не просто оседали на землю и смывались водой, а трансформировались в безопасные вещества и только после этого возвращались в окружающую среду.

Видео о борьбе с загрязнением воздуха

О некоторых способах решения проблемы загрязнения атмосферы рассказывается в данном видео:

Заключение

Атмосферный воздух – естественная смесь газов атмосферы, жизненно важный компонент окружающей природной среды. Деятельность человека приводит к его загрязнению, которое может стать для планеты фатальным.

Защита атмосферы не может быть эффективной при неполных мерах, направленных лишь на конкретные источники загрязнения. Лучших результатов можно достичь только при комплексном подходе с установлением причин загрязнения атмосферы, определением вклада отдельных источников, оценкой реальности ограничения объема выбросов, выбором оптимальной схемы очистки.