Загрязнение атмосферы автотранспортом

Если в начале 70-х годов доля загрязнений, вносимых автомобильным транспортом в атмосферный воздух, со­ставляла 10 - 13 %, то в настоящее время эта величина достигла 50 -60 % и продолжает расти.

По данным государственного доклада "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1995 году" автомобиль­ным транспортом выброшено в атмосферу 10955 тыс. тонн загряз­няющих веществ. Автотранспорт относится к основным источникам загрязнения окружающей среды в большинстве крупных городов, при этом на 90 % воздействие на атмосферу связано с работой авто­транспортных средств на магистралях, остальной вклад вносят ста­ционарные источники (цеха, участки, станции технического обслу­живания, стоянки и т.д.)

В крупных городах России доля выбросов от автотранспорта соизмерима с выбросами от промышленных предприятий (Москва и Московская область, Санкт-Петербург, Краснодар, Екатеринбург, Уфа, Омск и др. В городах с менее развитой промышленностью вклад автотранспорта в суммарное загрязнение атмосферного воздуха возрастает и в отдельных случаях достигает 80 % 90 % (Нальчик, Якутск, Махачкала, Армавир, Элиста, Горно-Алтайск и др).

Основной вклад в загрязнение воздушной среды Москвы вносит автотранспорт, доля которого в суммарном выбросе загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников возросла с 83,2 % в 1994 году, до 89,8 % - в 1995 году.

Автопарк Московской области насчитывает примерно 750 тысяч автомобилей (из них 86% находятся в индивидуальном пользовании), выброс загрязняющих веществ от которых, составляет около 60% суммарных выбросов в атмосферный воздух.

Вклад автотранспорта в загрязнение воздушного бассейна Санкт-Петербурга превышает 200 тыс.т/год, а доля его в суммарных выбро­сах достигает 60 %.

Отработанные газы автомобильных двигателей содержит около 200 веществ, большинство из которых токсичны. В выбросах карбюраторных;двигателей основная доля вредных продуктов приходится на оксид углерода, углеводороды и окислы азота, а в дизельных - на оксиды азота и сажу.

Главной причиной неблагоприятного воздействия автотранспор­та на окружающую природную среду остается низкий технический уровень эксплуатируемого подвижного состава и отсутствия системы нейтрализации отработавших газов.

Показа тельной является структура источников первичных загрязнений США, представленная в таблице 1, из которой видно, что вы­бросы автомобильного транспорта по многим полютантам являются доминирующими.

Воздействие отработанных газов автомобилей на здоровье населе­ния. Отходящие газы двигателей внутреннего сгорания (ОГ ДВС) содержат сложную смесь, насчитывающую более 200 соединений. В основном это газообразные вещества и небольшое количество твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Газовая смесь твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Газовая смесь состоит из инертных газов, проходящих через камеру сгорания без изменения, продуктов сгорания и несгоревшего окислителя. Твердые частицы это продукты дегидрирования топлива, металлы, а также другие вещества, которые содержатся в топливе и не могут сгореть. По химическим свойствам, характеру воздействия на орга­низм человека вещества, составляющие ОГ, разделяют на нетоксичные (N₂, О₂, СО₂, Н₂O, H₂) и токсичные (СО, C_mH_n, H₂S, альдегиды и др).

Многообразие соединений выхлопа ДВС можно свести к несколь­ким группам, каждая из которых объединяет вещества, в той или иной мере сходные по характеру воздействия на организм человека или родственные по химической структуре и свойствам.

Нетоксичные вещества вошли в первую группу.

Ко второй ipyrare отнесен оксид углерода, присутствие которого в больших количествах до 12 % характерно для ОГ бензиновых двигателей (БД) при работе на богатых топливовоздушных смесях.

Третью группу образуют оксиды азота: оксид (NO) и диоксид (NO:). Из общего количества оксидов азота в ОГ БД содержится 98 – 99 % NO и только 1 2 % N02, а дизельных двигателей соответст­венно 90 и 100%.

Четвертая, самая многочисленная группа, включает углеводороды, среди которых обнаружены представители всех гомологических рядов: алканы, алкены, алкадиены, циклические и в том числе арома­тические углеводороды, среди которых немало канцерогенов.

Пятую группу составляют альдегиды, причем на долю формальдегида приходится 60%, алифатических альдегидов 32 %, аромати­ческих 3 %.

К шестой группе отнесены частицы, основная часть которых сажа твердые углеродные частицы, образующиеся в пламени.

Из общего количества органических компонентов, содержащихся в ОГ ДВС в объеме более 1 %, на долю предельных углеводородов приходится 32 %, непредельных 27,2 %, ароматических 4 %, альде­гидов, кетонов 2,2 %.Следует отметить, что в зависимости от каче­ства топлива состав ОГ ДВС дополняется весьма токсичными соеди­нениями, такими, как диоксид серы и соединения свинца (при ис­пользовании тетраэтилсвинца (ТЭС) в качестве антидетонатора).

До настоящего времени около 75 % выпускаемых в России бензинов являются этилированными и содержат от 0,17 до 0,37 г/л свинца. В выбросах дизельного транспорта отсутствует свинец, однако со­держание в дизельном топливе некоторого количества серы обуслав­ливает в ОГ наличие 0,003 0,05 % сернистого ангидрида. Таким образом, автотранспорт источник эмиссии в атмосферу сложной смеси химических соединений, состав которых зависит не только от вида топлива, типа двигателя и условий его эксплуатации, но и от эффективности контроля выбросов. Последнее особенно стимулирует мероприятия по сокращению или обезвреживанию токсич­ных компонентов ОГ.

Попадая в атмосферу, компоненты ОГ ДВС, с одной стороны, смешиваются с имеющимися в воздухе загрязнителями, с другой претерпевают ряд сложных превращений, приводящих к образова­нию новых соединений. Одновременно идут процессы разбавления и удаления загрязнителей из атмосферного воздуха путем мокрого и сухого высаживания на землю. В связи с огромным многообразием химических превращений загрязнителей в атмосферном воздухе со­став их чрезвычайно динамичен.

Риск вреда, наносимого организму токсическим соединением, зависит от трех факторов: физических и химических свойств соедине­ния, дозы, взаимодействующей с тканями органа-мишени (органа, которому токсикантом причинен вред), и времени воздействия, а также биологического отклика организма на воздействие токсиканта.

Если физическое состояние загрязнителей воздуха определяет их распределение в атмосфере, а при ингалировании с воздухом - в рес­пираторном тракте индивидуума, то химические свойства в конечном счете, мутагенный потенциал токсиканта. Так, растворимость токсиканта обуславливает различное размещение его в организме. Растворимые в биологических жидкостях соединения быстро перено­сятся из респираторного тракта по всему телу, а нерастворимые за­держиваются в респираторном тракте, в легочной ткани, прилегающих лимфатических узлах, или, продвигаясь к глотке, проглатыва­ются.

Внутри организма соединения подвергаются метаболизму, в про­цессе которого облегчается их экскреция, а также проявляется ток­сичность. Следует отметить, что токсичность образующихся метабо­литов может иногда превышать токсичность исходного соединения, а в целом дополняет ее. Баланс между метаболическими процессами, усиливающими токсичность, уменьшающими ее или благоприятст­вующими элиминированию соединений важный фактор чувстви­тельности индивидуума к токсичным соединениям.

Понятие "доза" в большей степени может быть отнесено к кон­центрации токсиканта в тканях органа-мишени. Ее аналитическое определение достаточно затруднено, т.к необходимо наряду с идентификацией органа-мишени понимание механизма взаимодействия токсиканта на клеточном и молекулярном уровне.

Биологический отклик на действие токсикантов ОГ включает многочисленные биохимические процессы, находящиеся в то же вре­мя под сложным генетическим контролем. Суммируя такие процессы, определяют индивидуальную восприимчивость и соответственно ре­зультат воздействия токсичных веществ.

Ниже представлены данные исследований воздействия отдельных компонентов ОГ ДВС на здоровье человека.

Угарный газ (СО) является одним из преобладающих компонен­тов в сложной композиции ОГ автомобилей. Оксид углерода бес­цветный газ, не имеющий запаха. Токсическое действие СО на орга­низм человека и теплокровных животных заключается в том, что он взаимодействует с гемоглобином (НЬ) крови и лишает его возможно­сти выполнять физиологическую функцию переноса кислорода, т.е. протекающая в организме при воздействии на него избыточной кон­центрации СО альтернативная реакция приводит прежде всего к на­рушению тканевого дыхания. Таким образом, происходит конкурен­ция О₂ и СО за одно и то же количество гемоглобина, но сродство гемоглобина к СО примерно в 300 раз больше чем к О₂, поэтому СО способен вытеснять кислород из оксигемоглобина. Обратный про­цесс диссоциации карбоксигемоглобина протекает в 3600 раз мед­леннее, чем оксигемоглобина. В целом эти процессы приводят к на­рушению обмена кислорода в организме, кислородному голоданию тканей, особенно клеток центральной нервной системы, т.е отравле­нию организма угарным газом.

Первые признаки отравления (головная боль в области лба, уста­лость, раздражительность, обморок) появляются при 20 30 % пре­вращения НЬ в НЬСО. Когда превращение достигает 40 - 50 %, по­страдавший падает в обморок, а при 80 % наступает смерть. Таким образом, длительное вдыхание СО в концентрации более 0,1 % опас­но, а концентрация 1 % смертельна при воздействии в течение не­скольких минут.

Полагают, что воздействие ОГ ДВС, основную долю которых со­ставляет СО, является фактором риска в развитии атеросклероза и болезней сердца. Аналогия связана с повышенной заболеваемостью и смертностью курящих, подвергающих организм продолжительному воздействию дыма сигарет, содержащего, как и ОГ ДВС, значитель­ное количество СО.

Оксиды азота. Из всех известных оксидов азота в воздухе автома­гистралей и прилегающей к ним зоне в основном определяются оксид (NO) и диоксид (NO₂). В процессе сгорания топлива в ДВС сначала образуется N0, концентрации NО₂ значительно ниже. При сгорании топлива возможны три пути образования N0:

1. При высоких температурах, присущих пламени, атмосферный азот реагирует с кислородом, образуя термический N0, скорость образования термического N0 гораздо меньше скорости горения топлива и увеличивается она с обогащением топливовоздушной смеси;

2. Наличие в топливе соединений с химически связанным азотом (в асфалменовых фракциях очищенного топлива содержание азота 2,3% по массе, в тяжелых топливах 1,4 %, в сырой нефти среднее содержание азота по массе составляет 0,65 %) обуславливает образование при горении топливного N0. Окисление азотосодержащих соединений (в частности простых NH3, HCN) происходи! быстро, за время, сравнимое с временем реакции горения. Выход топливного N0 мало зависит от температуры;

3. Образующийся на фронтах пламени N0 (не из атмосферных N2 и Oi) называется быстрым. Считается, что режим протекает через промежуточные вещества, содержащие группы CN, быстрое исчезновение которых вблизи зоны реакции приводит к образованию N0.

Таким образом, N0 образуется в основном по первому пути, по­этому в общей массе содержащегося в ОГ N0 составляет термический оксид азота. Относительно высокие концентрации N02 могут возни­кать в зоне горения с последующим превращением N02 обратно в N0 в послепламенной зоне, хотя быстрое перемешивание горячих и холодных областей потока в турбулентном пламени может быть причиной появления в ОГ относительно высоких концентраций N02. Попадая в атмосферу воздуха с ОГ N0 достаточно легко окисляется до N0₂:

2 NO + O2 -» 2NO₂; NO + Оз

В то же время в солнечный полдень происходит фотолиз N02 с образованием N0:

N0₂ + h -> N0 + О.

Таким образом, в атмосферном воздухе существует конверсия N0 и N02, которая вовлекает во взаимодействие с оксидами азота орга­нические соединения загрязнители с образованием весьма токсич­ных соединений. например, нитросоединений, нитро-ПАУ (полициклические ароматические углеводороды) и др.

Воздействие окислов азота в основном связано с раздражением слизистых оболочек. Длительное воздействие приводит к возникно­вению острых заболеваний органов дыхания. При остром отравле­нии оксидами азота может возникнуть отек легких. Диоксид серы. Доля диоксида серы (SO2) в ОГ ДВС невелика по сравнению с оксидами углерода и азота и зависит от содержания се­ры в используемом топливе, при сгорании которого она образуется. Особенно следует отметить вклад автотранспорта с дизельными дви­гателями в загрязнение атмосферы соединениями серы, т.к. содержа­ние сернистых соединений в топливе относительно велико, масштабы его потребления огромны и увеличиваются с каждым годом. Повы­шенное содержание диоксида серы чаще можно ожидать вблизи ав­тотранспорта, работающего на холостом ходу, а именно на автосто­янках, вблизи регулируемых перекрестков.

Диоксид серы -- бесцветный газ, с характерным удушливым запа­хом горящей серы, достаточно легко растворим в воде. В атмосфере диоксид серы вызывает конденсацию водяных паров в виде тумана даже в условиях, когда давление паров меньше требуемого для кон­денсации. Растворяясь в имеющейся на растениях влаге, диоксид се­ры образует кислый раствор, губительно действующий на растения. Особенно от этого страдают хвойные породы деревьев, расположен­ные вблизи городов. На высших животных и человека диоксид серы действует в первую очередь как местный раздражитель слизистой оболочки верхних дыхательных путей. Изучение процесса поглоще­ния SO2 в респираторном тракте ингалированием воздуха, содержа­щего определенные дозы данного токсиканта, показало, что противоточный процесс адсорбции, десорбции и удаления из организма SO2 после десорбции при выдохе, уменьшает общую нагрузку его в верхних дыхательных путях. В процессе дальнейших исследований в этом направлении было установлено, что повышение специфическо­го отклика (в виде бронхоспазма) на воздействие SO2 коррелирует с размером площади респираторного тракта (в облаете зева), адсорбировавшей двуоксид серы.

Следует отметить, что люди с респираторными заболеваниями очень чувствительны к эффектам воздействия воздуха, загрязненного SO2. Особенно чувствительны к ингаляции даже самых низших доз SO2 астматики, у которых развивается острый, порой симптоматиче­ский бронхоспазм в процессе даже краткого воздействия низких доз диоксида серы.

Изучение синергического эффекта воздействия оксидантов, в ча­стности, озона и диоксида серы выявило значительно большую токсичность смеси по сравнению с отдельными компонентами.

Свинец. Использование свинецсодержащих антидетонациониых добавок к топливу привело к тому, что автотранспорт является ос­новным источником выброса в атмосферу свинца в виде аэрозоля неорганических солей и оксидов. Доля свинцовых соединений в ОГ ДВС составляет от 20 до 80% массы выбрасываемых частиц и меняет­ся она в зависимости от размера частиц и режима работы двигателя.

Использование этилированного бензина при интенсивном транс­портном потоке приводит к значительному загрязнению свинцом атмосферного воздуха, а также почвы и растительности на площа­дях, прилегающих к автострадам.

Замена ТЭС (тетраэтилсвинца) на другие более безвредные со­единения антидетонаторы и последующий постепенный переход на неэтилированный бензин способствуют уменьшению содержания свинца в атмосферном воздухе.

В нашей стране, к сожалению, продолжается выпуск этилирован­ного бензина, хотя и предусмотрен в ближайшее время переход на использование автотранспортом неэтилированного бензина.

Свинец поступает в организм либо с продуктами питания, либо с воздухом. Симптомы свинцовой интоксикации известны давно. Так в условиях длительного производственного контакта со свинцом ос­новные жалобы были на головную боль, головокружение, повышен­ную раздражительность, быструю утомляемость, нарушение сна. В легкие могут поступать частицы соединений свинца, имеющие вели­чину, менее 0,001 мм. Более крупные задерживаются в носоглотке и бронхах.

По данным от 20 до 60 % ингалированного свинца размещается в респираторном тракте. Большая часть его затем выводится из респи­раторного тракта потоком биологических жидкостей. Из всего коли­чества абсорбированного организмом свинца на долю атмосферного приходится 7-40 %.

О механизме действия свинца на организм пока нет единого пред­ставления. Полагают, что соединения свинца действуют как прото­плазм атический яд. В раннем возрасте воздействие свинца наносит необратимый вред центральной нервной системе.

Органические соединения. Среди многих органических соедине­ний, идентифицированных в ОГ ДВС, в токсикологическом отноше­нии выделяются 4 класса:

алифатические углеводороды и продукты их окисления (спирты, альдегиды, кислоты);

ароматические соединения, включая гетероциклы и их окислен­ные продукты (фенолы, хиноны);

- алкилзамещенные ароматические соединения и их окисленные

- продукты (алкилфенолы, алкилхиноны, ароматические карбоксиальдегиды, карбоновые кислоты);

–нитроароматические соединения (нитро-ПАУ). Из названных классов соединений, характерных для бензиновых и дизельных двигателей, незамещенные ПАУ, а также нитро-ПАУ в последнее десятилетие особенно привлекают внимание исследовате­лей, т.к. многие из них известны как мутагены или канцерогены. Вы­сокий уровень онкологических заболеваний среди населения, прожи­вающего в промышленно развитых районах с интенсивным транс­портным движением, связывают в первую очередь с ПАУ.

Следует отметить, что токсикологические исследования большин­ства ингалируемых соединений, входящих в перечень атмосферных загрязнителей, проводились в основном в чистом виде, хотя боль­шинство выбрасываемых в атмосферу, органических соединений ад­сорбируется на твердых относительно инертных и нерастворимых частицах. Твердые частицы это сажа продукт неполного сгорания топлива, частицы металлов, их оксидов или солей, а также частицы пыли, всегда присутствующие в атмосфере. Известно, что 20 30 % твердых взвешенных частиц в городском воздухе составляют микро­частицы (размером менее 10 мкм), выбрасываемые с ОГ ДД грузовых автомобилей и автобусов.

Выброс твердых частиц с ОГ зависит от многих факторов, среди которых особо следует выделить конструктивные особенности дви­гателя, режим его работы, техническое состояние, и состав исполь­зуемого топлива. Адсорбция органических соединений, содержащих­ся в ОГ ДВС, на твердых частицах зависит от химических свойств взаимодействующих компонентов. В дальнейшем степень токсиколо­гического воздействия на организм будет зависеть от скорости раз­деления ассоциированных органических соединений и твердых час­тиц, скорости мегаболизма и нейтрализации органических токси­кантов. Твердые частицы также могут воздействовать на организм, и токсический эффект может быть не менее опасным, чем рак.

Окислители. Композицию соединений ОГ, попавших в атмосферу, нельзя рассматривать изолированно из-за происходящих физических и химических превращений и взаимодействий, которые приводят, с одной стороны, к трансформации химических соединений, с другой стороны к их удалению из атмосферы. Комплекс процессов, происхо­дящих с первичными выбросами ДВС включает:

- сухое и мокрое высаживание газов и частиц;

- химические реакции газообразных эмиссий ОГ ДВС с ОН, 1ЧОз, радикалами, Оз, N2O5 и газообразной HNO3; фотолиз;

реакции органических соединений, адсорбированных на части­цах с соединениями в газовой фазе или в адсорбированном виде; - реакции различных реакционноспособных соединений в водной фазе, приводящие к образованию кислотных осадков.

Процесс сухого и мокрого высаживания химических соединений выбросов ДВС зависит от размера частиц, адсорбционной способно­стью соединений (константы адсорбции и десорбции), их раствори­мости. Последнее особенно важно для хорошо растворимых в воде соединений, концентрация которых в атмосферном воздухе во время дождя может быть доведена до нуля.

Физические и химические процессы, происходящие в атмосфере с исходными соединениями ОГ ДВС, а также их воздействие на людей и животных тесно связаны с их временем жизни в атмосферном воз­духе.

Таким образом, при гигиенической оценке воздействия ОГ ДВС на здоровье населения следует учитывать то, что соединения первич­ного состава ОГ в атмосферном воздухе претерпевают различные трансформации. При фотолизе ОГ ДВС происходит диссоциация многих соединений (N02, Ог, Оз, НСНО и др.) с образованием высо-кореакционноспособных радикалов и ионов, взаимодействующих как между собой, так и с более сложными молекулами, в частности, с соединениями ароматического ряда, которых достаточно много в ОГ.

В итоге, среди вновь образующихся в атмосфере соединений появ­ляются такие опасные загрязнители воздуха, как озон, различные неорганические и органические перекисные соединения, амино-, нитро- и нитрозосоединения, альдегиды, кислоты и др. Многие из них сильные канцерогены.

Несмотря на обширную информацию об атмосферных трансфор­мациях химических соединений, входящих в состав ОГ, к настоящему времени эти процессы в полной мере не изучены, а следовательно, не идентифицированы многие продукты этих реакций. Однако даже то, что известно, в частности, о воздействии фотооксидантов на здоро­вье населения, особенно на астматиков и ослабленных хроническими легочными заболеваниями людей подтверждает токсичность ОГ ДВС.

Нормативы выбросов вредных веществ с отработанными газами автомобилей - одно из основных мероприятий снижение токсичности автомобильных выбросов, постоянно возрастающее количество ко­торых оказывает угрожающее влияние на уровень загрязнения атмо­сферного воздуха крупных городов и соответственно на здоровье человека. Впервые внимание к автомобильным выбросам было привлечено при исследовании химии атмосферных процессов (1960-е г.г., США, Лос-Анжелес), когда было показано, что фотохимические реакции углеводоро­дов и окиси азота способны образовывать многие вторичные загрязните­ли, раздражающие слизистые оболочки глаз, дыхательных путей и ухудшающие видимость.

В связи с тем, что основной вклад в общее загрязнение атмосферного воздуха углеводородами и оксидами азота вносят ОГ ДВС, последние бы­ли признаны причиной фотохимического смога, а перед обществом поя­вилась проблема законодательного ограничения вредных автомобильных выбросов.

В связи с этим в конце 50-х годов в Калифорнии была начата разра­ботка стандартов на выброс загрязнителей, содержащихся в ГО автомоби­лей, как часть законодательства штата, касающаяся качества атмосферно­го воздуха.

Целью стандарта было "установление максимально допустимых норм содержания загрязнителей в автомобильных выбросах, увязанных с охра­ной здоровья населения, предотвращением раздражения органов чувств, ухудшения видимости и ущерба растительности".

В 1959 г. в Калифорнии были установлены первые в мире стандарты -предельные значения в ОГ СО и СmНn, в 1965 г. - принят в США закон о контроле за загрязнением воздуха автотранспортом, а в 1966 г. - утвер­жден государственный стандарт США.

Государственный стандарт был в сущности техническим заданием для автомобильной промышленности, стимулируя разработку и внедрение многих мероприятий, направленных на совершенствование автомобиле­строения.

Одновременно это позволяло Агентству по охране окружающей среды США регулярно ужесточать стандарты, снижающие количественное со­держание токсичных компонентов в ОГ.

В нашей стране первый государственный стандарт по ограничению вредных веществ в ОГ автомобилей с бензиновыми двигателями был при­нят в 1970 г.

В последующие годы были разработаны и действуют различные нор­мативные и технические документы, в том числе отраслевые и государст­венные стандарты, в которых отражено поэтапное снижение норм выброса вредных компонентов ОГ.