Автомобильный транспорт как источник загрязнения окружающей среды

    Автомобильный транспорт один  из основных источников  загрязнения окружающей  среды. Его вклад  в загрязнение окружающей среды, в основном атмосферы составляет 60-90%.

 В России в местах  повышенного загрязнения воздуха  проживают 64 млн. человек, а  государственные затраты на охрану  природы составляют доли процента  бюджета. Несмотря на обвальное  сокращение производства, состояние  окружающей среды РФ постоянно  ухудшаются. 

 Факторы отрицательного  влияния автомобильного транспорта  на окружающую среду: 

-) загрязнение воздуха; 

-) шум, вибрация;

-) выделение тепла (рассеяние  энергии).

-) загрязнение горюче-смазочными  материалами  

Загрязнение воздуха

Вследствие загрязнения  среды обитания вредными веществами отработавших газов двигателей внутреннего сгорания зоной экологического бедствия для населения становятся целые регионы, в особенности крупные города. Проблема дальнейшего снижения вредных выбросов двигателей все более обостряется ввиду непрерывного увеличения парка эксплуатируемых автотранспортных средств, уплотнения автотранспортных потоков, нестабильности показателей самих мероприятий по снижению вредных веществ в процессе эксплуатации. Общее количество загрязняющих веществ, поступивших в атмосферный воздух на территории Российской Федерации от выхлопов газа автомобильного транспорта, в 2000 г. составило  11 824,2 тыс. т.

Принцип работы автомобильных  двигателей основан на превращении химической энергии жидких и газообразных топлив нефтяного происхождения в тепловую, а затем в механическую энергию. Жидкие топлива в основном состоят из углеводородов, газообразные, наряду с углеводородами, содержат негорючие газы, такие как азот и углекислый газ. При сгорании топлива в цилиндрах двигателей образуются нетоксичные (водяной пар, углекислый газ) и токсичные вещества. Последние являются продуктами сгорания или побочных реакций, протекающих при высоких температурах. К ним относятся окись углерода СО, углеводороды C_mH_n, окислы азота (NO и NO₂) обычно обозначаемые NO_X. Кроме перечисленных веществ вредное воздействие на организм человека оказывают выделяемые при работе двигателей соединения свинца, канцерогенные вещества, сажа и альдегиды. В таблице 1 приведено содержание основных токсичных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей.

Таблица 1.

Содержание основных токсичных  веществ в отработавших газах  бензиновых двигателей

Основным токсичным компонентом  отработавших газов, выделяющихся при  работе бензиновых двигателей, является окись углерода. Она образуется при  неполном окислении углерода топлива из-за недостатка кислорода во всем объеме цилиндра двигателя или в отдельных его частях.

Основным источником токсичных  веществ, выделяющихся при работе дизелей, являются отработавшие газы. Картерные  газы дизеля содержат значительно меньшее  количество углеводородов по сравнению  с бензиновым двигателем в связи  с тем, что в дизеле сжимается чистый воздух, а прорвавшиеся в процессе расширения газы содержат небольшое количество углеводородных соединений, являющихся источником загрязнений атмосферы.

Примерное содержание токсичных  компонентов в отработавших газах дизеля приведено в таблице 2.

Загрязнение воздуха автомобильным  транспортом происходит в результате сжигания топлива. Химический состав выбросов зависит от вида и качества топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния.

Таблица 2.

Содержание токсичных  компонентов в отработавших газах дизеля

Наиболее неблагоприятными режимами работы являются малые скорости и «холостой ход» двигателя, когда  в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающих выброс на нагрузочных режимах. Техническое состояние двигателя непосредственно влияет на экологические показатели выбросов. Отработавшие газы бензинового двигателя с неправильно отрегулированными зажиганием и карбюратором содержат оксид углерода в количестве, превышающем норму в 2-3 раза.

Отработавшие газы двигателя  внутреннего сгорания содержат около 200 компонентов. Период их существования  длится от нескольких минут до 4-5 лет. По химическому составу и свойствам, а также характеру воздействия на организм человека их объединяют в группы.

Первая группа. В нее входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ и другие естественные компоненты атмосферного воздуха. В этой группе заслуживает внимания углекислый газ (СО₂), содержание которого в отработавших газах в настоящее время не нормируется, однако вопрос об этом ставится в связи с особой ролью СО₂ в «парниковом эффекте».

Вторая группа. К этой группе относят только одно вещество – оксид углерода, или угарный газ (СО). Продукт неполного сгорания нефтяных видов топлива, он не имеет цвета и запаха, легче воздуха. В кислороде и на воздухе оксид углерода горит голубоватым пламенем, выделяя много теплоты и превращаясь в углекислый газ. Оксид углерода обладает выраженным отравляющим действием. Оно обусловлено его способностью вступать в реакцию с гемоглобином крови, приводя к образованию карбоксигемоглобина, который не связывает кислород. Вследствие этого нарушается газообмен в организме, появляется кислородное голодание и нарушается функционирование всех систем организма. Отравлению угарным газом часто подвержены водители автотранспортных средств при ночевках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже.

Третья группа. В ее составе оксиды азота, главным образом, NO – оксид азота и NO₂ – диоксид азота. Это газы, образующиеся в камере сгорания двигателя при температуре 2800°С и давлении около 1 МПа. Оксид азота – бесцветный газ, не взаимодействует с водой и мало растворим в ней, не вступает в реакции с растворами кислот и щелочей. Легко окисляется кислородом воздуха и образует диоксид азота. При обычных атмосферных условиях NO полностью превращается в NO₂ – газ бурого цвета с характерным запахом. Он тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Четвертая группа. В эту наиболее многочисленную по составу группу входят различные углеводороды, то есть соединения типа С_ХН_У – этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные вещества. В отработавших газах содержатся углеводороды различных гомологических рядов: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (бензольные), всего около 160 компонентов. Они образуются в результате неполного сгорания топлива в двигателе.

Несгоревшие углеводороды являются одной из причин появления белого или голубого дыма. Это происходит при запаздывании воспламенения рабочей смеси в двигателе или при пониженных температурах в камере сгорания.

Углеводороды под действием  ультрафиолетового излучения Солнца вступают в реакцию с оксидами азота, в результате образуются новые токсичные продукты – фотооксиданты, являющиеся основой «смога» (от англ, smoke – дым и fog – туман).

Главным токсичным компонентом  смога является озон. К фотооксидантам также относятся угарный газ, соединения азота, перекиси и др. Фотооксиданты биологически активны, оказывают вредное воздействие на живые организмы, ведут к росту легочных и бронхиальных заболеваний людей, разрушают резиновые изделия, ускоряют коррозию металлов, ухудшают условия видимости.

Пятая группа.   Ее  составляют  альдегиды – органические соединения,

 О

содержащие альдегидную группу С               ,  связанную с углеводородным

      Н

радикалом (СН₃, С₆Н₅ или др.).

В отработавших газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется на режимах холостого хода и малых нагрузок, когда температуры сгорания в двигателе невысокие.

Формальдегид НСНО – бесцветный газ с неприятным запахом, тяжелее воздуха, легко растворимый в воде. Он раздражает слизистые оболочки человека, дыхательные пути, поражает центральную нервную систему. Обусловливает запах отработавших газов, особенно у дизелей.

Акролеин СН₂=СН-СН=О, или альдегид акриловой кислоты, – бесцветный ядовитый газ с запахом подгоревших жиров. Оказывает воздействие на слизистые оболочки.

Уксусный альдегид СН₃СНО – газ с резким запахом и токсичным действием на человеческий организм.

Шестая группа. В нее входят взвешенные твердые вещества (сажа и другие дисперсные частицы (продукты износа двигателей, аэрозоли, масла, нагар и др.)), которые состоят из мелкодисперсных частиц (диаметром менее 1 мкм), способные находиться во взвешенном состоянии в течение суток. Они состоят из разных материалов, включая неорганическую золу, кислые сульфаты или нитраты, дым, содержащий полициклические ароматические углеводороды, тонкодисперсную пыль, остатки свинца и асбеста.

В России внимание этой проблеме начинает уделяться только сейчас. На сети мониторинга загрязнения атмосферы в России измеряются концентрации лишь суммы взвешенных веществ. Для развития сети станций, измеряющих концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц диаметром менее 10 мкм недостаточно финансовых ресурсов.

Полициклические ароматические  углеводороды относятся к большому числу органических соединений, химическая структура которых состоит из двух и более бензольных колец. Наиболее широко известное соединение – бенз(а)пирен.

Сажа – частицы твердого углерода черного цвета, образующиеся при неполном сгорании и термическом разложении углеводородов топлива. Она не представляет непосредственной опасности для здоровья человека, но может раздражать дыхательные пути. Создавая дымный шлейф за транспортным средством, сажа ухудшает видимость на дорогах. Наибольший вред сажи проявляется в адсорбировании на ее поверхности бенз(а)пирена, который в этом случае оказывает более сильное негативное воздействие на организм человека, чем в чистом виде. Поэтому уменьшение ее выбросов – весьма актуальная задача, от решения которой зависят как экологические показатели воздушного бассейна, так и развитие дизельного транспорта в целом. В настоящее время для очистки отработавших газов дизелей от сажевых (твердых) частиц во многих странах находят применение сажевые фильтры.

Седьмая группа. Представляет собой сернистые соединения – такие неорганические газы, как сернистый ангидрид, сероводород, которые появляются в составе отработавших газов двигателей, если используется топливо с повышенным содержанием серы. Значительно больше серы присутствует в дизельных топливах по сравнению с другими видами топлив, используемых на транспорте.

Для отечественных месторождений  нефти (особенно в восточных районах) характерен высокий процент присутствия серы и сернистых соединений. Поэтому и получаемое из нее дизельное топливо по устаревшим технологиям отличается более тяжелым фракционным составом и вместе с тем хуже очищено от сернистых и парафиновых соединений. Согласно европейским стандартам, введенным в действие в 1996 г., содержание серы в дизельном топливе не должно превышать 0,005 г/л, а по российскому стандарту – 1,7 г/л. Наличие серы усиливает токсичность отработавших газов дизелей и является причиной появления в них вредных сернистых соединений. Сернистые соединения обладают резким запахом, тяжелее воздуха, растворяются в воде. Они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01 %) – к отравлению организма.

Восьмая группа. Компоненты этой группы – свинец и его соединения – встречаются в отработавших газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Оно определяет способность двигателя работать без детонации. Чем выше октановое число, тем более стоек бензин против детонации. Детонационное сгорание рабочей смеси протекает со сверхзвуковой скоростью, что в 100 раз быстрее нормального. Работа двигателя с детонацией опасна тем, что двигатель перегревается, мощность его падает, а срок службы резко сокращается. Увеличение октанового числа бензина способствует снижению возможности наступления детонации. В качестве присадки, повышающей октановое число, используют антидетонатор – этиловую жидкость Р-9. Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. В состав этиловой жидкости входят собственно антидетонатор – тетраэтилсвинец РЬ(С₂Н₅)4, выноситель – бромистый этил (ВгС₂Н₅) и амонохлорнафталин, наполнитель – бензин Б-70, антиокислитель – параоксидифениламин и краситель. При сгорании этилированного бензина выноситель способствует удалению свинца и его оксидов из камеры сгорания, превращая их в парообразное состояние. Они вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дорог.

В придорожном пространстве примерно 50 % выбросов свинца в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог. Накопление свинца в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Добавление к бензину присадки Р-9 делает его высокотоксичным. Разные марки бензина имеют различное процентное содержание присадки. Чтобы различать марки этилированного бензина, их окрашивают, добавляя в присадку разноцветные красители. Неэтилированный бензин поставляется без окрашивания (табл. 3).

Таблица 3.

Некоторые показатели физико-химических свойств автомобильных бензинов по ГОСТ 2084 – 77 и ОСТ 38.01.9 – 75

В развитых странах мира применение этилированного бензина ограничивается или уже полностью прекращено не только по причине высокой токсичности присадки Р-9, но и из-за его несовместимости с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. Достаточно одной заправки этилированным бензином, чтобы вывести из строя активный слой дорогостоящего нейтрализатора и датчика свободного кислорода (Х-зонда), т.е. лишить автомобиль инструментов подавления СО, СН, NO_X и стехиометрического дозирования топлива с последующими непредсказуемыми последствиями, вплоть до возгорания автомобиля.

Негативное воздействие  на экосистемы оказывают не только рассмотренные компоненты отработавших газов двигателей, выделенные в восемь групп, но и сами углеводородные топлива, масла и смазки. Обладая большой способностью к испарению, особенно при повышении температуры, пары топлив и масел распространяются в воздухе и отрицательно влияют на атмосферный воздух.

Загрязнение ГСМ

Загрязнение окружающей среды, образующееся при эксплуатации автомобильных  дорог, по видам загрязнения можно  разделить на загрязнение, обусловленное  движением транспортного потока, и загрязнение, вызванное материалами, применяемыми при содержании дорог. Кроме загрязнения атмосферы  отработавшими газами автомобилей, которое было рассмотрено выше, загрязнение  от движущегося транспортного потока включает в себя загрязнение токсичными продуктами истирания дорожных покрытий и автомобильных шин, твёрдыми частицами  выхлопных газов ГСМ, мусором  и т. д. Загрязнение, вызванное содержанием  дорог, представляет собой загрязнение  солями при зимней борьбе с гололёдом, пестицидами при уничтожении  растительности на обочинах и откосах, различными средствами при борьбе с  пылеобразованием на дорогах с переходными  и низшими типами покрытий. Загрязнение  при эксплуатации автомобильных  дорог по степени воздействии  можно разделить на следующие  категории:

1) хроническое (постоянное) загрязнение (продуктами сгорания, истирания покрытий и шин, мусором,  ГСМ возле пунктов технического  обслуживания дорожного движения);

2) периодическое (сезонное) загрязнение, в зависимости от  времени года (противогололёдными солями зимой, пестицидами и средствами для борьбы с пылеобразованием летом);

3) случайное загрязнение,  образующееся в результате аварий  и ДТП. 

При движения автомобилей  по дороге происходит изнашивание автомобильных  шин, тормозных прокладок и истирание  асфальтобетонных покрытий. При истирании  автомобильных шин происходит в  основном загрязнение придорожной  полосы кадмием, который добавляется  к резине для ускорения процессов  вулканизации. Содержание кадмия значительно  увеличивается при истирании  старых шин с восстановленным  протектором. Кадмий – весьма токсичный  элемент, способный накапливаться  в организме человека и поражать его внутренние органы.

 Очень опасной для  здоровья человека является канцерогенная  асбестовая пыль, образующаяся при  изнашивании тормозных прокладок  и истирании асфальтобетонных  покрытий, содержащих асбест. В связи  с этим необходимо ужесточить  контроль за использованием в  верхних слоях асфальтобетонных  покрытий асбестосодержащих материалов  вплоть до их запрещения.

 В процессе наружной  мойки автомобилей частицы различных  нефтепродуктов, находящиеся на  поверхности деталей, узлов и  агрегатов, смываются водой, попадают  в почву и водоёмы. При отсутствии  специально оборудованных моечных  установок беспорядочная мойка  автомобилей в придорожных водоёмах  наносит большой ущерб окружающей  среде. 

 Значительны потери  горюче-смазочных материалов при  заправке автомобилей, подтекании сальников; токсичными веществами являются также отработанные электролиты аккумуляторных батарей, содержащих свинцовый шлам, низкозамерзающие жидкости (антифризы), в состав которых входит ядовитый этиленгликоль. Более сложной задачей является защита окружающей среды от случайного загрязнения в результате ДТП, предсказать которые на протяжении автомобильной дороги довольно затруднительно, в то время как загрязнение прилегающей местности ГСМ в результате аварий автомобилей на дорогах весьма значительно. Загрязнённая нефтепродуктами вода становится непригодной для хозяйственного использования. Например, при концентрации 0,1 мг/л вода становится непригодной для питья, при концентрации 0,005 мг/л – непригодной для рыборазведения. Иначе говоря, 1 л нефтепродуктов делает непригодной для использования 1 млн. л воды, а этого количества человеку хватило бы на 5 лет.

 Изменение концентрации  нефтепродуктов в водоёмах при  постоянном загрязнении имеет  временной ход, который характеризуется  наличием весеннего максимума  концентрации. Это связано с поступлением  ГСМ в водоёмы, в частности,  в результате их накопления  в снегу на обочинах дорог  и стекания при весеннем таянии. В условиях Сибири, особенно её  северной и северо-восточной части,  вследствие недостаточного количества  постоянных автомобильных дорог,  большое распространение имеют  зимние автомобильные дороги (автозимники). На значительном протяжении они  бывают проложены по льду сибирских  рек, поэтому автозимники также  являются вероятным источником  поступления нефтепродуктов в  водоёмы в результате таяния  снега и льда.

Шум

1. Что такое шум и его характеристика

На нашей планете  жизнь организмов проходит в мире звуков. Например, орган слуха человека приспособлен к некоторым постоянным или повторяющимся шумам (слуховая адаптация). Сильный шум отрицательно сказывается на здоровье человека. Исследованиями доказано воздействие шума и на растения и животные.  Что же такое шум?

Шум – это совокупность звуков различной частоты и интенсивности, беспорядочно сочетающихся и изменяющихся во времени. Звук – это механическое колебание упругой (воздушной среды с частотой от 20 гц (герц) до 20 кГц (килогерц). Звуковая волна несет с собой звуковое давление, измеряемое в паскалях или Ньютонах на м² (1 Па = 1 Н/м²) и звуковую энергию, измеряемую в Ваттах на м² (Вт/м²).

Любой шум характеризуется  определенным частотным составом или  спектром. В зависимости от спектра  все шумы делят на три класса:

а) низкочастотный – до 350 Гц;

б) среднечастотный – от 350 до 800 Гц;

в) высокочастотный – свыше 800 Гц.

В производственных условиях наиболее часто встречаются  шумы в диапазоне от 45 Гц до 11 кГц. Орган слуха человека различает  кратность изменения звуковых давлений. Величину звуковых давлений измеряют и нормируют в децибеллах (дБ). Ноль децибел соответствует звуковому давлению 2 х 10^-2 Па, что приблизительно соответствует порогу слышимости тона частотой 1000 Гц.

Ухо человека ощущает  звуковое давление от 2 х 10^-5 до 2 х 10² Па (Н/м²). Весь диапазон слышимых человеком звуков укладывается в 150 дБ.

В зависимости от источника шум делится на бытовой, уличный и производственный.

2. Воздействие шума на организм человека

Независимо от происхождения  шум, как правило, это вредный  фактор, воздействующий на весь организм. Естественно, что бытовой и уличный шумы действуют на человека, но это действие временное, т.е. ненаправленное. В городских условиях основным источником шума является транспорт и его интенсивность зависит от качества магистралей (табл.1).

Таблица 1

Уровни  шума городских магистралей

В отличие от уличного шума, производственный шум сопровождает человека постоянно в течении  рабочей смены на протяжении всего  его трудового процесса.

В настоящее время  трудно назвать отрасль промышленности, в которой не имелось бы цехов или участков с повышенными уровнями шума на рабочих местах. Так, например, на рабочих местах токарей уровни шума составляют 84 дБ, фрезеровщиков – 93 дБ, кузнецов-штамповщиков – 115 дБ. На заводах железобетонных конструкций шум достигает 105-120 дБ. Шум является одной из ведущих профессиональных вредностей в лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности (85-105 дБ), на прядильных и ткацких производствах (92-110 дБ) и ряде других.

Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность: разговорная речь – 50…60 дБ, автосирена – 100 дБ, шум двигателя легкового автомобиля – 80 дБ, громкая музыка – 7- дБ, шум от движения трамвая – 70-80 дБ, шум в обычной квартире – 30…40 дБ.

В биологическом  отношении шум является заметным стрессовым фактором, то есть способен вызвать срыв приспособительных  реакций. Звуковой (шумовой) стресс может  приводить к разным проявлениям: от функциональных нарушений регуляции  ЦНС (центральной нервной системы до нарушений в разных органах и тканях организма.

Индивидуальная  чувствительность к шуму составляет 4…17%. Женский и детский организм особенно чувствительны к шуму. Высокая индивидуальная чувствительность может быть одной из причин повышенной утомляемости и развития различных неврозов.

Шум оказывает влияние  на весь организм человека: угнетает ЦНС, вызывает изменение скорости дыхания  и пульса, способствует нарушению  обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни и может привести к профессиональным заболеваниям.

Шум с уровнем  звукового давления до 30…35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40…70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия и при длительном воздействии может быть причиной неврозов.

Особо следует отметить расстройство функции вегетативной нервной системы. После длительного шума у рабочих изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений. Изменяются двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. К вегетативным расстройствам следует отнести повышение потливости вообще и особенно стоп, кистей.

Специфическое воздействие  шума проявляется в расстройстве функции органа слуха. Воздействие шума уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха – профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при высоких (более 160 дБ) и смерть.

Шум угнетает иммунные реакции организма, снижает защитные функции последнего. Это видно  на примере значительно более  высокой заболеваемости простудными  и инфекционными заболеваниями (на 20-50%).

Головная боль, головокружение, расстройство сна –  постоянные жалобы лиц, подвергшихся длительному воздействию шума.

Таким образом, шум  в основном отрицательно влияет на здоровье человека.