Przegląd zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego z uwzględnieniem sektorów ich powstawania.
Metody dezodoryzacji gazów odlotowych.
Anna Owsianka
Katarzyna Polak
Agnieszka Rudzińska
Inżynieria Środowiska gr. 4
Zanieczyszczenie powietrza należy do największych zagrożeń dla środowiska. Ilość zanieczyszczeń mogących występować w powietrzu jest znaczna a ich szkodliwość uwarunkowana jest wieloma czynnikami: stężeniem w powietrzu, czasem oddziaływania, stanem skupienia, właściwościami chemicznymi i toksycznymi.
Zanieczyszczenie – rozumie się przez to emisję, która może być szkodliwa dla zdrowia ludzi lub stanu środowiska, może powodować szkodę w dobrach materialnych, może pogarszać walory estetyczne środowiska lub może kolidować z innymi, uzasadnionymi sposobami korzystania ze środowiska (Ustawa Prawo ochrony środowiska Dz. U. Nr 62, poz. 627).
Zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego – wszystkie substancje, związki chemiczne (stałe, ciekłe lub gazowe) oraz energia występujące w ilościach przekraczających wartości naturalnych składników atmosfery, a także takie, które nie występują w atmosferze na skutek procesów naturalnych.
Ditlenek węgla (CO2) jest to bezbarwny, niepalny, cięższy od powietrza gaz bez zapachu. Posiada zdolność przepuszczania krótkofalowego promieniowania słońca i pochłaniania długofalowego, cieplejszego promieniowania ziemi, czyli powstrzymuje proces wypromieniowania ciepła z ziemi. Nagromadzenie CO2 w atmosferze może przyczyniać się do wzrostu średniej temperatury na powierzchni Ziemi i warstw znajdujących się bezpośrednio nad nią.
Główne antropogeniczne źródła emisji CO2 to procesy spalania (węgla, oleju, gazu). Emisja CO2 zależy od rodzaju paliwa i zawartości w nim węgla pierwiastkowego (poszczególne rodzaje paliw różnią się zawartością węgla pierwiastkowego). Surowce koks i węgiel zawierają najwięcej tego pierwiastka, ropa naftowa zawiera ¾ tego co węgiel a gaz tylko 55%. Emisja CO2 wiąże się również z działalnością przemysłową, niezwiązaną z wytwarzaniem energii. Dotyczy to m.in. przemysłu celulozowo - papierniczego, rafineryjno – petrochemicznego oraz ceramicznego.
Tlenek węgla jest bezbarwnym, bezwonnym, palnym gazem. Jest lżejszy od powietrza (96,5% gęstości powietrza). Ma mały ciężar właściwy 1,25 kG/m3 i rozprzestrzenia się szybko w powietrzu atmosferycznym (Budziński, Juda, 1961). W dużych stężeniach jest trujący, ponieważ łączy się z hemoglobiną krwi powodując niedotlenienie organizmu. Efekt wpływu niewielkich stężeń przy długotrwałym oddziaływaniu nie jest znany. W atmosferze ulega fotolitycznemu utlenianiu do CO2.
Powstaje w procesie niecałkowitego spalania w warunkach niedoboru tlenu oraz podczas wysokotemperaturowej dysocjacji lub redukcji CO2. Znaczne ilości tlenku węgla generowane są w procesie spalania w paleniskach domowych oraz małych kotłowniach. Największe stężenie tlenku węgla rejestruje się wzdłuż ulic, związane jest to z emisją CO przez pojazdy mechaniczne.
Jest bezbarwnym gazem o ostrym, charakterystycznym zapachu, trującym i cięższym od powietrza. Jest związkiem bardzo reaktywnym. Tlenek siarki (IV) dobrze rozpuszcza się w wodzie. W powietrzu dwutlenek siarki ulega katalitycznemu lub fotochemicznemu utlenieniu do trójtlenku siarki SO3, a następnie tworzy z wodą obecną w powietrzu kwas siarkowy. SO2 powoduje odwracalne zmiany w płucach i działa drażniąco na drogi oddechowe. Obecność dwutlenku siarki w powietrzu powoduje zakwaszenie wody deszczowej i w rezultacie kwaśny opad atmosferyczny.
SO2 powstaje w procesach spalania paliw kopalnych zawierających siarkę: węgla brunatnego, kamiennego i oleju opałowego, gazu ziemnego. Znaczne ilości SO2 emitują silniki Diesla w wyniku spalania zasiarczonego oleju napędowego. Najbardziej uciążliwa jest emisja niska siarki (głównie w miastach), która powoduje, że SO2 rozprzestrzenia się na niedużych wysokościach. Ma to związek z paleniskami domowymi i pracą małych kotłowi spalających niskiej jakości węgiel, zawierający znaczne ilości siarki.
Terminem NOx określa się mieszaninę tlenku azotu NO i dwutlenku azotu NO2. Udział NO wynosi w tej mieszaninie 85-90%. Ditlenek azotu NO2 jest to czerwonobrunatny, duszący i trujący gaz. Natomiast tlenek azotu (II) NO jest to bezbarwny i bezwonny gaz. Przedostający się do atmosfery tlenek azotu (II) niszczy warstwę ozonową zgodnie z równaniem reakcji: NO+O3→NO2+O2.
Tlenki azotu powstają podczas spalania, na ogół w wyniku bezpośredniej syntezy z azotu i tlenu obecnych w paliwie i powietrzu atmosferycznym. Proces ten zachodzi w wysokiej temperaturze. W spalinach obecny jest głównie tlenek azotu NO, który utlenia się do dwutlenku azotu w powietrzu atmosferycznym. Najwyższe stężenie dwutlenku azotu rejestrowane jest wzdłuż dróg o dużym natężeniu ruchu jak również w centrach miast.
WWA czyli wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Skondensowane pierścienie benzenowe C6H6 lub cyklopentadienowe C5H6. Znanych jest ponad 100 różnych WWA. Związki te dzieli się na dwie grupy: 1.Złożone wyłącznie z atomów węgla i wodoru. 2. Posiadające w składzie heteroatomy azotu, tlenu lub siarki. WWA posiadają rozmaite formy strukturalne charakteryzujące się różnym wzajemnym ułożeniem pierścieni benzenowych w cząsteczce. Związki te nie występują pojedynczo, lecz zawsze w mieszaninie (tzn. obecność jednego ze związków z grupy WWA w próbie środowiskowej wskazuje na to, że inne związki tej grupy też są obecne). Jednym z najbardziej szkodliwych związków tego typu jest benzo(a)piren wykazujący rakotwórcze właściwości.
Związki WWA pochodzą z procesów pozyskiwania ciepła grzewczego i energii elektrycznej- dotyczy zwłaszcza niskiej emisji (tzn. palenisk domowych opalanych węglem lub drewnem), z przemysłu (głównie koksownictwa, petrochemii i hutnictwa, a także produkcji farb i lakierów), z transportu samochodowego, morskiego i lotniczego (silniki spalinowe), ścierania opon, spalania odpadów czy wypalania traw.
PCDDs i PCDFs, czyli polichromowane dibenzodioksyny i dibenzofurany, to związki organiczne, które, mimo posiadania dwóch pierścieni benzenowych z przyłączonymi atomami chloru, różnią się budową cząsteczki - PCDFs mają asymetryczną budowę z powodu braku jednego mostka tlenowego. Związki te to niskolotne i bezbarwne ciała stałe, słabo rozpuszczalne w wodzie, charakteryzujące się dużą toksycznością.
Znaczne ilość PCDDs i PCDFs powstają w procesach chemiczno-przemysłowych, głównie w przemyśle celulozowo-papierniczym, oraz procesach termicznych, takich jak spalanie odpadów, zarówno komunalnych jak i niebezpiecznych, spalanie szlamów ściekowych oraz paliw ciekłych. Emisję polichromowanych dibenzodioksyn i dibenzofuranów przypisuje się także składowaniu odpadów. Duży udział w tworzeniu się tych toksycznych związków mają źródła nieantropogeniczne - pożary lasów i wybuchy wulkanów.
Amon jest to rodnik o wzorze NH4. Amon rozkłada się łatwo na wodór i amoniak. Jest to kation powstający przez przyłączenie jonu wodorowego do cząsteczki amoniaku. Tworzy się w roztworze wodnym amoniaku: NH3 + H2O → NH4+ + OH−. Amoniak jest jednym z ważniejszych czynników środowiskowych wpływających na wzrost zakażeń bakteryjnych układu oddechowego
Obecność jonu amonowego wiąże się z emisją amoniaku, która jest następstwem hodowli, rolnictwa oraz procesów spalania w sektorze produkcji i transformacji energii.
Ozon jest jednym z głównych składników smogu. Ozon występujący w stratosferze jest zjawiskiem korzystnym, gdyż ogranicza natężenie szkodliwego promieniowania UV natomiast w troposferze jest substancją bardzo szkodliwą. Ozon powstaje w wyniku przemian fotochemicznych utleniania (pod wpływem ultrafioletowego promieniowania słonecznego) tlenków azotu w obecności CO, CH4 i NMLZO.
Ozon jest wtórnym zanieczyszczeniem powietrza, co oznacza, że powstaje w troposferze na drodze przemian chemicznych innych związków (zanieczyszczeń pierwotnych), a nie na skutek emisji wynikającej z działalności antropogenicznej. Głównymi źródłami emisji zanieczyszczeń, które biorą udział w procesach tworzenia ozonu są: energetyka i transport (NOx), transport i przemysł (NMLZO), sektor komunalno-bytowy (CO), przemysł wydobywczy i dystrybucja paliw, rolnictwo (przede wszystkim uprawa ryżu i hodowla zwierząt) oraz wysypiska śmieci (CH4), roślinność, a szczególnie lasy, które emitują znaczne ilości NMLZO (porównywalne z emisją sektora transportu), emisja ta wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Pyły to mieszanina dwufazowa (aerozol). Fazą rozpraszającą jest gaz, a fazą rozproszoną jest drobne ciało stałe. Rozdrobnioną fazę można nazwać pyłem wówczas gdy stopień rozdrobnienia jest duży, jako górną granicę przyjmuje się 300 mikrometrów. Według definicji Judy do pyłów zalicza się ziarna których prędkość opadania w nieruchomym powietrzu (o temperaturze 20˚C i ciśnieniu 1013 hPa) jest mniejsza od 5 m/s lub które poruszają się ruchami Browna (pyły koloidalne lub submikronowe). Pyły mogą powstać w skutek mechanicznego rozdrobnienia substancji, w związku z czym mają kształt nieregularny (pyły dyspersyjne), lub w wyniku skraplania się i zestalania związków chemicznych (pyły kondensacyjne).
Powstawanie pyłów towarzyszy prawie każdemu procesowi technologicznemu. Znaczne ilości pyłów emituje do atmosfery przemysł materiałów budowlanych, gdzie źródłami zapylenia są następujące procesy: rozdrabniania i suszenia, procesy transportu, składowania i pakowania, oraz procesy wypalania w piecach (Budziński, Juda 1961). Emisja pyłów towarzyszy również procesom przemysłu metalurgicznego, wydobywczego i chemicznego. Powstawanie pyłów towarzyszy też spalaniu paliw, a ich ilość zależy od rodzaju używanego paliwa, warunków spalania oraz od efektywności działania urządzeń odpylających. Mniejszymi źródłami zanieczyszczeń pyłowych są hałdy żużli i transport materiałów sypkich.
Pojęcie dotyczy grupy metali o gęstości powyżej 6 g/cm3. Są to następujące pierwiastki: Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, U, V, Zn, są to metale toksyczne, które występują w środowisku jako zanieczyszczenie. Część tych metali jest potrzebna większości żyjących organizmów do prawidłowego wzrostu (metaliczne pierwiastki śladowe takie, jak: Cu, Cr, Fe, Mn, Ni, V, Zn), ale ich nadmiar może być toksyczny. Metale występują w powietrzu w postaci cząstek o rozmiarach 5 nm do 20 µm, najczęściej jednak 0,1 –10 µm.
Metale ciężkie dostają się do atmosfery z procesów przemysłowych, podczas spalania paliw stałych (węgiel kamienny, węgiel brunatny). Metale zawarte w węglu po spaleniu mogą występować w postaci cząstek o różnych rozmiarach i w tejże formie mogą być transportowane do atmosfery i opadać w postaci szczególnie szkodliwego pyłu. Inny źródłem, z którego pochodzą metale ciężkie są spaliny samochodowe, zwłaszcza te zawierające związki ołowiu.
Freony są to chlorowcopochodne węglowodorów nasyconych (alkanów), metanu lub etanu zawierające w cząsteczce atomy fluoru i chloru, niekiedy także bromu. Natomiast halony to fluorowcopochodne metanu i etanu. W cząsteczkach halonów wszystkie atomy wodoru są zastąpione atomami fluoru, chloru lub/i bromu.
Freony są nietoksyczne i niepalne. Związki te są wykorzystywane powszechnie w chłodnictwie, ze względu na znaczny efekt cieplny, który towarzyszy zmianie stanu skupienia. Gazowe freony były stosowane na dużą skalę w urządzeniach chłodniczych oraz jako gazy nośne w rozpylaczach kosmetycznych i gaśnicach.
Halony są to niepalne gazy lub ciecze, które nie przewodzą prądu elektrycznego oraz nie powodują korozji. Ze względu na dużą gęstość, stosowane były jako środki gaśnicze o wysokiej skuteczności.
Zarówno freony jak i halony cechują się dużym potencjałem niszczenia ozonu co sprawiło, że są wycofywane z użycia.
Freony powstają przez działanie fluorowodorem na halogenopochodne metanu lub etanu w obecności katalizatora. Halony produkuje się wykorzystując fluor.
Odór określa się jako wrażenie zmysłowe, wywołane poprzez działanie lotnych substancji, które są zdolne do pobudzania komórek nerwowych nabłonka węchowego. Ze względu na budowę chemiczną, związki odorowe można podzielić na dwie podstawowe grupy: związki nieorganiczne oraz związki organiczne. Do odorantów nieorganicznych należą przede wszystkim: siarkowodór, fluorowodór, arsenowodór, fosforowodór, amoniak, ditlenek siarki i tlenki azotu. Związki organiczne obejmują: tiole (odpowiedniki alkoholi, w których atom tlenu grupy hydroksylowej został zastąpiony atomem siarki), sulfidy i disulfidy (grupa siarkoorganicznych związków chemicznych), aminy (zawierają grupę aminową, organiczną pochodną amoniaku), kwasy karboksylowe, aldehydy i ketony. Rzadko odór jest spowodowany przez jeden lub kilka związków. Najczęściej jest to efekt działania mieszaniny wielu substancji.
Do najbardziej uciążliwych i najczęściej występujących źródeł emisji odorów należą:
Przemysł spożywczy, paszowy i hodowla (przetwórstwo odpadów zwierzęcych; produkcja kleju z odpadów kostnych; produkcja suchej mączki paszowej z odpadów mięsa i kości; hodowla bydła i drobiu; przetwórstwo ryb i otrzymywanie mączki rybnej; prażenie kawy i cykorii)
Przemysł chemiczny i petrochemiczny oraz inne gałęzie przemysłu (przeróbka ropy naftowej; produkcja farb i lakierów oraz tworzyw sztucznych; przemysł farmaceutyczny, gumowy, celulozowy, tekstylny, przemysł hutniczy)
Motoryzacja
Oczyszczalnie ścieków komunalnych
Priorytetem dezodoryzacji nie musi być pozbycie się wszystkich zanieczyszczeń, ponieważ nie wszystkie z nich są odorantami. Dezodoryzacja może opierać się na: eliminacji zanieczyszczeń o przykrym zapachu; przetwarzaniu zanieczyszczeń zapachowo uciążliwych w bezwonne lub cechujące się wysokimi progami węchowej wyczuwalność; zastosowaniu domieszek, zmieniających charakter zapachu lub zmniejszających jego dokuczliwość.
Stosowanie odświeżaczy powietrza w przypadku odorantów o działaniu nietoksycznym i stosunkowo małym stężeniu. Jest to metoda najprostsza, przyjazna środowisku i tania. Wymaga jednak sprawnej instalacji wentylacyjnej i jest zależna od warunków meteorologicznych.
Metoda absorpcji w wodzie polega na przenoszeniu masy z fazy gazowej do ciekłej. Stosuje się ją przy oczyszczaniu gazów zawierających duże ilości zanieczyszczeń rozpuszczalnych w wodzie, takich jak NH3, SO2, CO2, HF, HCl, Cl oraz do odsiarczania spalin. Metoda jest prosta, bezpieczna oraz tania inwestycyjnie. Z drugiej strony powstają kłopotliwe ścieki, których usuwanie jest kosztowne.
Metoda absorpcji z reakcją chemiczną opiera się na wymywaniu zanieczyszczeń z gazów przy pomocy roztworów chemikaliów np. NaOH, NaOCl, KMnO4, H2SO4. Zapewnia ona dobrą skuteczność oczyszczania gazów, jednak powstające ścieki są bardzo problematyczne. Trzon instalacji w tym procesie stanowią płuczki połączone szeregowo. Wymaga stosowania chemoodpornych materiałów konstrukcyjnych, które są kosztowne. Tę metodę stosuje się do oczyszczania gazów odlotowych z obiektów gospodarki komunalnej, odlewni, a także przetwórstwa spożywczego.
Metodę Kurmeiera uznaje się za odmianę metody absorpcji z reakcją chemiczną. Reagentem niszczącym zanieczyszczenia jest chlor, podawany w formie gazowej, który w instalacji ulega absorpcji w roztworze, dając ciekły reagent. Stosuje się ją w procesach oczyszczania gazów w zakładach przetwórstwa odpadów zwierzęcych oraz w obiektach gospodarki komunalnej.
Metoda ozonowania polega na doprowadzeniu ozonu do powietrza zanieczyszczonego związkami odorowymi. Proces ten przeprowadzić można zarówno w fazie ciekłej, jak i w fazie gazowej. Ozonowanie stosuje się w systemach wentylacyjnych zakładów przetwórstwa rybnego, zakładach przetwórstwa spożywczego, tłuszczów, zakładach przeróbki gumy, lakierniach, a także w przemyśle farmaceutycznym. Metoda nie jest kosztowna, nie generuje odpadów, jednak konieczne jest usuwanie ozonu z gazów.
Proces spalania stosuje się do usuwania gazów o podwyższonej temperaturze, np. z palarni kawy. Spalanie zanieczyszczeń jest metodą bardzo skuteczną i nie wymaga użycia skomplikowanych urządzeń. Nie generuje odpadów, ale wiąże się z wysokimi nakładami pieniężnymi (energia do podtrzymywania procesu).
Polega na stosowaniu sorbentów, takich jak węgiel aktywny czy zeolity. Używana jest w lakierniach, przemyśle chemicznym, a także w procesach z zastosowaniem rozpuszczalników, gdzie istnieje możliwość ich odzyskania. Metoda może dać dobre wyniki dezodoryzacji, jednak wiąże się z wysokimi kosztami.
Jest połączeniem adsorpcji i termicznego utleniania. Wykorzystywana jest przy emisji gazów chłodnych o małym stężeniu zanieczyszczeń. Wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi.
Znalazła zastosowanie przy produkcji mączki zwierzęcej i rybnej w destruktorach Hartmanna (Mazur, 2004). Koszty inwestycyjne są niskie. Powstają uciążliwe ścieki.
Biologiczne oczyszczanie gazów polega na dwóch głównych procesach: sorpcji zanieczyszczeń i biologicznym rozkładzie. Wykorzystywane są dwa typy instalacji: biofiltry i biopłuczki. Zaletami są niskie koszty inwestycyjne, w przypadku biofiltrów potrzebna jest duża powierzchnia pod budowę instalacji. Oczyszcza się gazy odlotowe z obiektów komunalnych.
Wybrane źródła emisji | Oddziaływanie na środowisko | |
---|---|---|
1. | CO2 | Spalanie paliw kopalnych; Przemysł (m.in. celulozowy –papierniczy) |
2. | CO | Paleniska przydomowe; Emisja spalin samochodowych |
3. | SO2 | Spalanie paliw zawierających siarkę |
4. | NOx | Procesy spalania |
5. | WWA | Procesy pozyskiwania ciepła grzewczego; Przemysł (m.in. petrochemia, koksownictwo) |
6. | PCDD PCDF | Składowanie odpadów; Przemysł celulozowo – papierniczy |
7. | NH4 | Hodowla |
8. | O3 | Przemiany fotochemiczne utleniania tlenków |
9. | Pyły | Przemysł materiałów budowlanych; wydobywczy |
10. | Metale ciężkie | Spalanie paliw stałych |
11. | Freony Halony | Urządzenia gaśnicze i rozpylacze kosmetyczne |
Koszty | Obszar zastosowań | Oddziaływanie na środowisko | |
---|---|---|---|
1. | Maskowanie | Niskie koszty inwestycyjne | Zanieczyszczenia nietoksyczne o małych stężeniach |
2. | Absorpcja w wodzie | Niskie koszty inwestycyjne; Wysokie koszty pompowania ścieków | Gazy zawierające zanieczyszczenia rozpuszczalne w wodzie |
3. | Absorpcja z reakcją chemiczną | Duży koszt materiałów konstrukcyjnych | Gazy z sektorów gospodarki komunalnej |
4. | Metoda Kurmeiera | Niskie | Gazy z sektorów gospodarki komunalnej i zakładów przeróbki odpadów pochodzenia zwierzęcego |
5. | Ozonowanie | Niskie | Systemy wentylacyjne w zakładach przetwórstwa zwierzęcego, chemicznego |
6. | Spalanie | Wysokie | Gazy o podwyższonej temperaturze |
7. | Adsorpcja | Wysokie | Przemysł chemiczny |
8. | Metoda sorpcyjno-oksydacyjna | Wysokie koszty inwestycyjne | Gazy chłodne o małym stężeniu zanieczyszczeń |
9. | Metoda kondensacyjna | Niskie koszty inwestycyjne | Produkcja mączki zwierzęcej i rybnej |
10. | Metody biologiczne | Niskie koszty inwestycyjne | Gazy z obiektów komunalnych |
1) Budziński K., Juda J., 1961: Zanieczyszczenia atmosfery. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa.
2) Bursa S., Kicińska M. i inni, 1985: Dezodoryzacja gazów i ścieków. Część I. Dezodoryzacja na drodze ozonowania. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin.
3) Górka P., Kowalski S. i inni, 2000: Badania zanieczyszczeń powietrza. Cz.I. Gazowe substancje zanieczyszczające. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice., Warszawa.
4) Grybowska S., Makles Z., Świątkowski A., 2001: Niebezpieczne dioksyny. Wydawnictwo Arkady, Warszawa.
5) Instytut Kształtowania Środowiska, 1988: Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w środowisku przyrodniczym. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa.
6) Kośmider J., Mazur-Chrzanowska B., Wyszyński B., 2002: Odory. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
7) Krajowy bilans emisji SO2, NOx, CO, NH3, NMLZO, pyłów, metali ciężkich i TZO za lata 2010-2011 w układzie klasyfikacji Snap. Raport syntetyczny. Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami.
8) Mazur M., 2004: Systemy ochrony powietrza. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków.
9) Rup K., 2006: Procesy przenoszenia zanieczyszczeń w środowisku. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa.
10) Pod redakcją Szymkowskiej M.I., Zwoździaka J., 2010: Współczesna problematyka odorów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
11) Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. – Prawo ochrony środowiska Dz. U. Nr 62, poz. 627