GGiOŚ

Inżynieria Środowiska

Ochrona Powietrza

Temat 1
Przegląd zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego z uwzględnieniem sektorów ich powstawania

Spis treści:

1. Wstęp

1. Zanieczyszczenie powietrza

2. Podział zanieczyszczenia ze względu na rodzaj źródła emisji

2. Główne zanieczyszczenia wytwarzane przez człowieka:

1. Dwutlenek węgla (CO₂)

2. Metan

3. Tlenki azotu (NOx)

4. Tlenki Siarki (SO)

5. WWA

6. Amoniak

7. Tlenek węgla (CO)

8. Aerozole i pyły atmosferyczne

9. Benzen

3. Bibliografia

1. Wstęp:

1.1. Zanieczyszczenie powietrza: zanieczyszczeniami powietrza nazywamy wszystkie substancje które w wyniku naturalnych zdarzeń przyrodniczych lub działalności ludzkiej dostają się w powietrze i doprowadzają do zmiany klasycznego składu powietrza. Wiele odczuwalnych zaburzeń i szkód w środowisku wywoływane jest przez takie zanieczyszczenia uwarunkowane techniczną działalnością ludzi.

Zanieczyszczenia dzielimy na:

• pierwotne

• wtórne

Zanieczyszczenia pierwotne zostały wyemitowane bezpośrednio ze źródła i nie zostały zmienione

Zanieczyszczenia wtórne zanieczyszczenia powstające w atmosferze na skutek chemicznych lub fizycznych przemian zanieczyszczeń pierwotnych lub innych substancji emitowanych do atmosfery ze źródeł stacjonarnych i ruchomych.

1.2. Podział zanieczyszczenia ze względu na rodzaj źródła emisji dzielimy na:

• Naturalne - są to zanieczyszczenia które są wytwarzane przez naturę:

• wybuchy wulkanów

• pożary lasów

• fauna i flora

• inne,

• Antropogeniczne - są to zanieczyszczenia wytwarzane przez działalność człowieka:

• górnictwo

• hutnictwo

• energetyka

• transport

• rolnictwo

• inne,

Definicja i źródła zanieczyszczeń:

1. Dwutlenek węgla: jest najważniejszym gazem cieplarnianym. Wzrost stężenia CO₂ w atmosferze jest w 49% odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Zgłębiając się w poszczególne przyczyny emisji CO₂ do naszej atmosfery dowiadujemy się, że najważniejszym procesem przemysłowym dostarczającym znacznie ok 80% antropogenicznej emisji CO₂ jest spalanie węgla i innych paliw kopalnych. Nie mniej poważne to produkcja cementu, a także niszczenie lasów, gdyż taki las nie może czynnie uczestniczyć w usuwaniu CO₂ w procesie fotosyntezy. Światowa emisja CO₂ z paliw kopalnych do atmosfery powiększyła się z poziomu 20 mld. ton (1990) do ok. 29 mld. ton w roku 2009 z utrzymującą się tendencją spadkową, lecz bardzo niewielką spowodowaną spadkiem spalania paliw kopanych dla celów energetycznych i większym znaczeniem energii jądrowej i odnawialnej, przede wszystkim w krajach rozwijających się. Według statystyk International Energy Agency w wyniku spalania węgla i torfu emitowanych jest do atmosfery 12,5 mld. ton CO₂ (2009), w wyniku spalania ropy uzyskujemy wynik 10,6 mld. ton CO₂ i gaz ziemny - 5,7 mld. ton CO₂. Absolutnym rekordzistą w emisji CO₂ do atmosfery są Chiny, które emitują 6877,2 mln. ton węgla, co stanowi ponad 25% światowej emisji. Polskę pod względem sektorów powstania zanieczyszczeń przedstawia poniższa tabela:
(Szklarczyk M. 2001)

Emisja CO2 ze względu na sektor w 2009r. w mln. Ton.

IEA Statistics, 2011

Polska na tle światowym jest źródłem 1% zanieczyszczeń CO₂ w atmosferze.

Skutki emisji dwutlenku węgla:

• wzrost średniej temperatury

• wzrost parowania

• wzrost opadów

• wzrost poziomu wód spowodowany topnieniem lodowców

2. Metan: powstaje w wyniku beztlenowego rozkładu materii organicznej, jest drugim co do znaczenia gazem po dwutlenku węgla, który może przyczynić się do zmian klimatu. Odpowiada za około 18% efektu cieplarnianego, jest on również odpowiedzialny za niszczenie ozonu w stratosferze. Stężenie metanu wzrasta o 1% rocznie, a czas jego przebywania w atmosferze określa się na 10 lat. Głównymi źródłami emisji metanu na świecie są uprawy ryżu, mokradła, spalanie biomasy, zwierzęta przeżuwające i odchody zwierzęce, składowiska śmieci, wydobycie węgla i gazu ziemnego. W Polsce najpoważniejszymi działami gospodarki, które przyczyniają sie do emisji metanu są: wydobywanie węgla kamiennego 37%, rolnictwo i hodowla zwierząt 36%, wysypiska śmieci 13%, obszary bagienne 9%

Metan przyczynia się do wzrostu ocieplenia klimatu 20-60 razy bardziej niż dwutlenek węgla, wpływa na degradację ozonosfery.
(Wiąckowski S. 2000)

3. Tlenki azotu (NO, NO₂, N₂O): pełnią bardzo ważną rolę w chemizmie atmosfery. Są bardzo ważnymi gazami cieplarnianymi i razem z tlenkami siarki są głównym składnikiem kwaśnego deszczu. Mogą przyczyniać się do wzrostu stężenia ozonu w troposferze. Emisja tlenków azotu pochodzenia antropogenicznego pochodzi niemal wyłącznie ze spalania surowców energetycznych, zwłaszcza węgla i pochodnych ropy naftowej, aczkolwiek coraz częściej zwraca się uwagę na emisję tlenków azotu ze źródeł rolniczych. Tlenki azotu powstają w procesach przebiegających w wysokiej temperaturze, zwłaszcza w procesie spalania paliw przy wytopie stali i w procesie wytwarzania koksu. Intensywność utleniania zależy od: rodzaju paliwa, temperatury spalania, nadmiaru powietrza, zawartości azotu w paliwie oraz rodzaju urządzeń do spalania. W takim procesie spalania powstają dwa związki chemiczne - tlenek i dwutlenek azotu. Ten pierwszy jest stosunkowo nietrwały, łatwo się rozpada i dąży do wytworzenia trwałego związku jakim jest ten drugi, czyli dwutlenek azotu. W Polsce najwięcej tlenków azotu emitują: gospodarka komunalna, motoryzacja, przemysł i energetyka.

Bardzo ważnym gazem cieplarnianym jest podtlenek azotu (N₂O), który powstaje jako produkt uboczny spalania paliw kopalnych (zwłaszcza węgla) i używania nawozów sztucznych. Emisja tego związku przyczynia się w 6% do efektu cieplarnianego, a gaz ten jest generalnie głównym szkodnikiem, który niszczy naszą warstwę ozonową. Podtlenek azotu istnieje w atmosferze ok. 100 lat zanim rozpadnie się na tlenek i dwutlenek azotu.
(Bell J.N.B. 2004)

Całkowita emisja gazów cieplarnianych wg. źródeł emisji w 2009r

(Główny Urząd Statystyczny, "Ochrona Środowiska 2011")

4. Dwutlenek siarki (SO₂): stanowi najgroźniejsze zanieczyszczenie atmosfery ze względu na powszechną emisję i szkodliwość związku. Wszystkie paliwa, zarówno stałe jak i płynne zawierają siarkę w różnych ilościach. Zazwyczaj taka zawartość wynosi ok. 6%. Szkodliwość siarki dostarcza ponadto fakt, że może się ona w powietrzu utlenić do trójtlenku siarki, z którego może zostać przekształcony w kwas siarkowy, który następnie w postaci opadu atmosferycznego powoduje zakwaszenie gleb i degradację środowiska naturalnego i również na budynki (tzw. kwaśny deszcz). Ponadto dwutlenek siarki działa silnie toksycznie na organizmy żywe. Ogranicza fotosyntezę roślin i zmniejsza ich plonowanie oraz produkcję tlenu. Najwięcej dwutlenku siarki emitują: energetyka, mieszkalnictwo i przemysł.
(Bell J.N.B. 2004)

5. WWA (Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne): są to grupy związków, które towarzyszą niemalże wszędzie człowiekowi. Użyliśmy takiego stwierdzenia, gdyż występują między innymi w dymie papierosowym, spalinach samochodowych, przemyśle koksowniczym i petrochemicznym. Wiele z nich po wchłonięciu drogą oddechową, bądź przez skórę ulega metabolizmowi i tworzy pochodne o działaniu mutagennym i kancerogennym, dodatkowo benzoalfapiren (bądź po prostu benzopiren) jest silnie rakotwórczy. Należy pamiętać, że benzoalfapiren jest tylko 1 z blisko 500 WWA wykrytych w powietrzu i nie oznacza to, że jest najbardziej rakotwórczy i ani że jest najpospolitszy.
(Wiąckowski S. 2000)

6. Amoniak: jest to bardzo silnym czynnik zakwaszający środowisko. Powoduje niemal takie samo zakwaszenie powietrza jak cząsteczka SO₂ i 2-krotnie większe niż cząsteczka dwutlenku azotu. Światowa emisja amoniaku jest szacowana na poziomie 62 mln. ton rocznie, w Polsce wynosi ona 314,6 tys. ton rocznie. Około 60% amoniaku emitowanego do atmosfery pochodzi z rolnictwa, niemal wyłącznie z produkcji zwierzęcej i w mniejszym stopniu z gospodarki komunalnej. W skali światowej udział energetyki, przemysłu i motoryzacji nie ma szczególnego znaczenia w zanieczyszczeniu powietrza tym związkiem. Ok. 50% środowiska naturalnego jest zakwaszane właśnie przez emisję amoniaku. Udział emisji amoniaku w postępowym zakwaszaniu tegoż środowiska będzie wzrastał w najbliższych latach, ponieważ spodziewany jest wzrost produkcji żywności, jak również ograniczanie emisji tlenków azotu i siarki. W Polsce proporcje te przedstawiają się nieco inaczej, gdyż zakwaszenie środowiska naturalnego przez amoniak wynosi 30%.
(Wiąckowski S. 2000)

7. Tlenek węgla: powstaje w wyniku procesu niezupełnego spalania węgla. Pojazdy mechaniczne są poważnymi emitentami tego gazu - spaliny zawierają ok. 10% tego gazu. Najwięcej tlenku węgla powstaje w silnikach benzynowych pracujących na biegu jałowym. Również paleniska domowe emitują znaczne ilości tego związku. Jednak, największe ilości tlenku węgla powstają w wielkim piecu podczas procesu wytapiania surówki. Tylko dwie huty (Sędzimira i Katowice) emitują rocznie ok. 1 mln. ton CO rocznie, tj. 20% ogólnej emisji CO w Polsce (1984r.). Tlenek węgla w Polsce jest emitowany w największych ilościach choć nie jest on trwały, jednakże w temperaturze powietrza w dolnej warstwie atmosfery nie utlenia się. Dopuszczalna norma była przekraczana np. na ulicy Nowohuckiej w Krakowie (10-30 razy), w centrum Krakowa (15-25 razy) i na Śląsku (10-50 razy).
(Wiąckoski S. 2000)

8. Aerozole i pyły atmosferyczne: są to zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych i kropelek cieczy. Pyły powstają wszędzie tam, gdzie występuje tarcie. Źródłem powstawania pyłów może być np. ścieranie jezdni i opon pojazdów mechanicznych. Powstawanie pyłów wiąże się z różnymi procesami produkcyjnymi jak: spalanie węgla kamiennego i brunatnego, produkcja cementu, czy stali i metali nieżelaznych. Najpoważniejszym źródłem emisji pyłów jest niewątpliwie przemysł paliwowo-energetyczny - ponad 50%, a zwłaszcza przemysł elektroenergetyczny i ciepłowniczy - 46% wszystkich pyłów, oraz przemysł metalurgii żelaza i stali - 9%.

Negatywna działalność pyłów polega m.in. na:

1. zamykaniu szparek oddechowych u roślin

2. ograniczeniu procesu fotosyntezy

3. powodowaniu licznych chorób układu oddechowego człowieka i zwierząt np. pylicy

4. wpływaniu na chemizm wody i gleb

5. toksycznym działaniu metali ciężkich w organizmy żywe

W skład pyłów mogą wchodzić rakotwórcze włókienka azbestu, cząstki szkła, papieru, itp.

Dopiero stosunkowo niedawno zaczęto brać pod uwagę rolę pyłów w globalnym ociepleniu Ziemi.
(Hafner M. 1993)

9. Benzen: Źródłami emisji benzenu są zakłady przemysłowe takie jak koksownie i rafinerie ropy naftowej. Cztery główne procesy przemysłowe doprowadzające do uwalniania się znacznych ilości benzenu do atmosfery to: katalityczna separacja, dealkilacja i dysproporcjonowanie toluenu, produkcja etylenu i destylacja ropy naftowej.

Całkowita emisja głównych zanieczyszczeń powietrza:

(Główny Urząd Statystyczny, "Ochrona Środowiska 2011")

Zestawienie głównych zanieczyszczeń powietrza i najważniejszych źródeł ich powstawania:

Zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego	Główne źródła
amoniak	koksownie, fabryki nawozów sztucznych, gazowanie
benzen	koksownie, rafinerie ropy naftowej, transport
benzo(a)piren	koksownie, rafinerie ropy naftowej, transport, piecyki domowe
chlor	elektrownie, koksownie, przemysł chemiczny, gospodarstwa domowe
chlorek winylu	przemysł tworzyw sztucznych
czterochlorek ołowiu	transport
cyjanowodór	koksownie, stalownie, fabryki chemiczne
dwutlenek siarki	procesy spalania, przemysł
fenol	koksownie, fabryki chemiczne, przemysł materiałów izolacyjnych
formaldehyd	przemysł: chemiczny, maszynowy, materiałów izolacyjnych: transport
kadm	procesy spalania, metalurgia metali kolorowych
miedź	huty żelaza i metali kolorowych
ołów	huty żelaza i metali kolorowych
pył krzemionkowy	procesy spalania
sadza	procesy spalania, procesy przemysłowe
siarkowodór	koksownie, stalownie, przemysł chemiczny
tlenek węgla	przemysł metalurgiczny, koksownie, odlewnie, transport, gospodarstwa domowe
tlenki azotu	elektrownie, produkcja kwasu azotowego, produkcja nawozów sztucznych, piecyki domowe, transport
węglowodory aromatyczne	koksownie, wytwarzanie elektrod węglowych, przemysł perfumeryjny, przemysł elektromaszynowy, piecyki domowe, produkcja asfaltu, produkcja niektórych plastików

(Wiąckowski 2000 vide Kapała, Herman, 1987)

Bibliografia:

1. Bell J.N.B., Treshow M., 2004: "Zanieczyszczenie powietrza, a życie roślin". Wyd. Naukowo Techniczne, Warszawa

2. Hafner M. 1993 "Ochrona Środowiska". przetłumaczony przez Polski Klub Ekologiczny, Kraków

3. Szklarczyk M. 2001: "Ochrona atmosfery". Wyd, UWM, Olsztyn

4. Wiąckowski S.K., 2000: "Przyrodnicze podstawy inżynierii środowiska"

5. "Ochrona Środowiska 2011" Główny Urząd Statystyczny, Warszawa,

6."CO2 Emissions from Fuel Combustion" 2011 Edition, France,
http://www.iea.org/co2highlights/co2highlights.pdf

Strona 8 z 8

---