Исторический обзор проблемы загрязнения атмосферного воздуха

Общий обзор более специфических загрязняющих веществ

Источники загрязнения атмосферного воздуха продуктами сгорания почти всегда очень многочисленны и широко распространены. Поэтому такие загрязняющие вещества носят диффузный характер и уровень их концентрации обычно лишь незначительно варьирует над различными районами города. Загрязнение воздуха более специфическими веществами, например SO2 (выбросы плавильных заводов), НС1 и NCb (выбросы предприятий химической промышленности), HF (выбросы алюминиевых заводов, фабрик по производству удобрений и некоторых литейных предприятий), H2S (выбросы газовых заводов), а также мышьяком, свинцом и цинком, которые попадают в воздух при ряде металлургических процессов, характеризуется тем, что число таких источников обычно в городах или вблизи них ограничено, а поражаемая вокруг каждого источника территория обычно мала. Локализация этих неприятных или токсичных загрязнений в ограниченных районах определяет меньшее количество жалоб на них. Вместе с тем после идентификации источника при помощи методов, разработанных в практике промышленной гигиены и используемых в настоящее время при контроле загрязнений городского воздуха, нетрудно установить причины выброса. Поэтому вопросы ликвидации специфических загрязнений разрешаются легче, и им посвящено меньше работ по сравнению с проблемой уменьшения загрязнения атмосферы продуктами сгорания топлива.

Из перечисленных в библиографии Горнорудного управления статей, опубликованных до 1930 г., около 90% касаются продуктов горения и лишь 10% посвящены специфическим загрязнениям, После 1946 г. продуктам горения посвящено только 46% статей, 20% - аэрозолям, а 22% касаются токсичных и вредных химических газов. Возрастание научного и технического интереса к последнему вопросу в какой-то степени объясняется активизацией деятельности городских организаций по борьбе с загрязнением атмосферы, включивших химическую промышленность в крут своей деятельности по всей стране. Аналогичный процесс наблюдался везде: первоначально система контроля охватывала лишь продукты сгорания топлива, но по мере того, как выяснялось значение локальных загрязнений атмосферного воздуха, вызываемых выбросами химической и металлургической промышленности, они также включались в эту систему.

Каждый город США разрабатывал собственные нормативы допустимых концентраций различных ингредиентов в выбросах из труб. В некоторых штатах города руководствуются общими принципами, установленными для данного штата в целом, в других - надзор за состоянием воздушной среды является прерогативой самих городов, которые сами устанавливают определенные меры контроля и вносят изменения в зависимости от условий (Smoke Prevention Association of America, 1922).

На европейском континенте деятельность в этой области определяется общегосударственным законодательством, устанавливающим допустимые концентрации различных загрязнений, а надзор за соблюдением этих законов предоставляется местным властям. В 1912 г. в Италии было сделано одно интересное начинание: группа промышленных предприятий была классифицирована как опасная, и этим предприятиям разрешалось работать лишь на определенном расстоянии от городов. Однако из-за отсутствия контроля за отходами этих предприятий сельское население стало подвергаться вредному влиянию их выбросов; более того, с течением времени часть этих предприятий оказалась в окружении жилищ, как то законодательство потеряло свою силу.

Подход к этому вопросу в Великобритании, где со второй половины XIX столетия начала развиваться химическая промышленность, резко отличался от положения в Италии. Пары сильных кислот, выбрасываемые в воздух новыми фабриками, причиняли большой ущерб на весьма значительном расстоянии в окрестностях предприятий, поэтому эксплуатация этих фабрик была сначала вообще запрещена правительственными органами. Однако невозможно было долго пренебрегать коммерческими интересами, связанными с развитием экономики страны, и в 1863 г. по закону, регулирующему работу химических предприятий ("Alcali etc. Works Regulation Act."), с изменениями, внесенными в 1878, 1881 и .последующие годы, деятельность всех этих предприятий была поставлена под надзор специального инспектората, контролируемого правительством-Задачей инспектората являлось обеспечение максимальной эффективности технологических процессов в химической промышленности. При этом законодательное установление предельно допустимой массы выброса имело место лишь в двух случаях. Вместо этого инспектора действовали как советники и консультанты находящихся пот их попечением предприятий и следили за немедленным внедрением в практику всех предприятий любого нового метода снижения выбросов, где-либо разработанного.

Этот метод контроля основан не на медицинских критериях непосредственно, а на концепции химической эффективности; в соответствии с этим "щелочные инспектора", как их называют, являются людьми, более опытными в химической технологии, чем в промышленной гигиене или санитарной технике. Тем не менее такой метод контроля обеспечил возможность постоянного снижения выбросов " атмосферу из труб предприятий химической промышленности. Кроме того, такое направление -деятельности инспекций поощряло поиски способов нового использования уловленных отходов, превращающих выбросы в товарные продукты. Следует отметить, что хотя в США органы борьбы с загрязнением воздуха отходами химических предприятий руководствуются принципами коммунальной гигиены, но практически направление их деятельности почтя полностью совпадает с таковой Британского "щелочного инспектората". Опыт показал, что инспектор, ограничивающийся только гигиеническим аспектом проблемы, хотя и может контролировать количество выбросов данного предприятия, но, не будучи химиком-технологом, он не способен разобраться в тех технологических процессах, которые загрязняют атмосферу, и поэтому не может помочь промышленнику техническими советами в области снижения количества выбросов, а иногда и превращения отходов в товарный продукт, дающий дополнительный доход.

"Лос-Анжелосское" загрязнение. Новый тип загрязнения атмосферы

С 1943 г. Л ос-Анжел ос стал жертвой атмосферного загрязнения нового типа, названного "смогом" (smog), и создавшего городу мировую известность. Хотя теперь и считают, что подобные загрязнения характерны почти (для всех крупных городов мира, но Лос-Анжелос первым подвергся действию высоких концентраций этих новых загрязнений; этому способствовали два обстоятельства; проявляющиеся здесь более отчетливо по сравнению с большинством других городов мира. Во-первых, по метеорологическим условиям город характеризуется очень слабой естественной вентиляцией, во-вторых, в нем не используется каменный уголь, но сжигается в очень больших количествах бензин. В результате этого концентрация сернистого ангидрида в атмосфере города крайне низка, но в силу застоя воздуха над городом создается очень высокая концентрация других загрязнений, которые, как считают в настоящее время, являются продуктами сгорания бензина.

За время последней мировой войны Лос-Анжслос превратился в высокоразвитый индустриальный центр и его население очень быстро увеличилось. С 1944 г. жители этого города начали периодически испытывать влияние местных атмосферных условий, приводивших временами к появлению голубоватого тумана, сохранявшегося иногда в течение нескольких дней, резко снижавшего видимость и сопровождавшегося различными болезненными ощущениями е горле, насморком, слезотечением, а также головной болью. Специалисты по проблеме воздушных загрязнений, прибывшие из восточных городов США для изучения положения, первоначально решили, что причиной является сернистый ангидрид, который может вызывать некоторые из указанных выше симптомов, хотя обычно и не все сразу. Однако осуществление программы уменьшения выброса в воздух сернистого ангидрида различными промышленными предприятиями (я том числе и нефтеочистительными заводами) не привело к ожидаемому уменьшению смога. В результате дальнейших исследований пришли к заключению, что пары бензина (углеводороды) под влиянием энергии солнечного излучения вступают в реакцию с двуокисью азота или некоторыми другими веществами, присутствующими в атмосфере, и эта реакция приводит к образованию каких-то органических соединений, еще не идентифицированных с достаточной определенностью, которые, как считают, являются сильными окислителями. В экспериментальных условиях было показано, что продукты реакции, возникающей под влиянием ультрафиолетового излучения между углеводородами и двуокисью азота, обладают слезоточивым действием, характерным для лос-анже-лосского тумана. Поэтому меры по борьбе со смогом были направлены на предупреждение выброса в воздух паров бензина из резервуаров нефтеочистительных заводов. Однако и эти меры не дали ожидаемых результатов. И когда вновь вернулись к этому вопросу, было обращено внимание на то, что 2,5 млн. автомобилей в Лос-Анжелосе потребляет в день около 20 млн. л. бензина, и в силу несовершенства автомобильного карбюратора в атмосферу ежедневно выбрасывается свыше тысячи тонн углеводородов. Это означает, что в новой ситуации опять возникает старая проблема, а именно, что основной причиной загрязнения атмосферного воздуха является очень большое число мелких потребителей топлива, в данном случае бензина. Так же как и в случаях множества мелких очагов использования каменного угля для бытовых нужд в Сан-Луи и Питтсбурге, законодательное запрещение выброса в воздух выхлопных газов автомобилей не является выходом из положения. Эта проблема должна быть решена на основе технического прогресса, который создаст возможность почти 100% использования горючего автомобильным двигателем. Такова в настоящее время ситуация в Лос-Анжелосе. Результаты десятилетних исследований загрязнений воздуха в этом городе побудили специалистов в этой области во всех других крупных городах мира пересмотреть планы своей деятельности на будущее. Если причиной возникшей в Лос-Анжелосе проблемы являются углеводороды автомобильных выхлопов, то эта же проблема может возникнуть и в других городах, как только постоянно растущее количество автомобилей в них достигнет достаточного уровня. Научные статьи по вопросам смога в Лос-Анжелосе очень многочисленны; большинство из них собрано в изданиях трудов конференций, посвященных проблеме атмосферных загрязнений в Лос-Анжелосе (California State Department of Public Health, 3955, National air pollution symposia, 1949, 1952, 1955; Stanford Research Institute, 1954).

Эта проблема должна быть решена "а основе технического прогрессу, который создаст возможность почти 100% использования горючего автомобильным двигателем.

История научного анализа проблемы атмосферного загрязнения

Ниже приводится краткий обзор научных исследований по проблеме атмосферного загрязнения, причем из обзора почти полностью исключены работы, относящиеся к инженерно-техническому прогрессу в области очистки выбросов с помощью различного рода фильтров и осадителей. Хотя эти работы интересны и очень важны, но в них идет речь об улавливании уже известных веществ, в то время как жизненно важное значение в данной проблеме .принадлежит идентификации атмосферных загрязнений с целью выявления их источников. История этого вопроса тесно связана с развитием промышленной гигиены, ибо очень часто открытия, сделанные в лабораториях промышленной гигиены, где основным критерием являлось здоровье рабочих, оказывались применимыми и к изучению загрязнения атмосферного воздуха, где движущей силой исследований было благополучие городского жителя,

1890-1905 гг.

Из диаграмм, представленных на рис. 1 и 2, видно, что в период 1890-1905 гг. наблюдалось постоянное увеличение количества ежегодно публикуемых работ по проблеме атмосферных загрязнений. Как показывает рис. 2, работы касались преимущественно методов борьбы с выбросом дыма. При анализе предложений по этому вопросу обнаруживается, что большинство из них основывалось на простом "здравом смысле" в области борьбы с задымлением воздуха. 1890 т. относился еще к эре "здравого смысла", в течение которой поистине удивительные достижения в текстильной промышленности, железнодорожном транспорте и в общей механизации совершались в Великобритании людьми, не имевшими научной подготовки, но обладавшими природным умом и железной волей. Это был период, когда призыв "сжигать свой дым" был подхвачен инженерами, администраторами, а широкой публикой, среди которых многие даже не представляли себе реально, что этот призыв означает. Не трудно убедиться в том, что очень многие из рекомендовавшихся способов предупреждения выбросов дыма были основаны на том предположении, что при нагреве дыма до достаточно высокой температуры можно добиться его сгорания. Такое убеждение существовало вопреки тому факту, что в химическом разделе доклада Лондонской выставки средств предупреждения дыма 1883 г. (Frankland, 1883), давшем наиболее глубокий анализ природы горения, было показано, что для этого необходима не только высокая температура, но и достаточная подача кислорода. Однако, как это обычно бывает, тесного контакта между инженерами и химиками не существовало, поэтому научный анализ химии горения намного опередил практическое внедрение этих знаний в инженерные проекты, предусматривающие максимально полное сжигание топлива.

Однако и в период до 1900 г. имеется .ряд заслуживающих внимания сообщений. Среди них было 5 .работ, посвященных вредному действию сернистого ангидрида на растения. В одной из них (Watson, 1899) работники в г. Кью (вблизи Лондона) отметили, что с помощью преднамеренной задержки роста растений (предоставления отдыха растениям) в период фумигации можно предохранить их от повреждения. Этот факт был недавно заново открыт в Калифорнии. В другом сообщении (Ost a. Weh-mer, 1899) указывалось, что коричневые или красные пятна на листьях растений состоят из разрушенных, наполненных воздухом клеток. Эти данные также недавно подтвердил Bobrov (1952) при изучении дымового тумана (смога) в Лос-Анжелосе.

В это же время появилась оригинальная статья Ringelmann (1898) с описанием его шкалы для определения густоты дыма, а также первое описание метода светопоглощения для количественного определения загрязнений в тонко распыленном воде-(Fritzsche, 1898). Witz в статье 1885 г. высказывал предположение, что причиной снижения содержания озона в воздухе Парижа в течение 10 лет является увеличение концентрации сернистого ангидрида в атмосфере (эта теория вновь была выдвинута при изучении ситуации в Лос-Анжелосе, где полагали, что малая концентрация сернистого ангидрида обусловливает возможность образования в воздухе высоких концентраций азона и других окислителей). Кроме того, появилось два сообщения, в которых была описана методика осаждения дыма на вращающемся бумажном барабане, не уступающая способу термического осаждения (Stationary Engr, 1892; Thomson, 1892).

Таким Образом, хотя в этом периоде и существовали различные явно ненаучные предложения (типа отсасывания тумана при помощи трубопроводов, проложенных на улицах, и выброса его через большие высокие трубы), весьма напоминающие глупейшие предложения, сделанные в 1945 г. в Лос-Анжелосе, однако большинство фундаментальных вопросов, касающихся происхождения, природы и закономерностей распространения атмосферных загрязнителей, было решено с определенной степенью точности.

1905-1915 гг.

В течение этого периода сильно возрос интерес к различным аспектам влияния воздушных загрязнений; как видно из графиков, число исследований в этом направлении значительно преобладает над количеством различного рода технических предложений. Очень многие работы, Связанные с медицинским направлением этих исследований, касаются клинических и эпидемиологических вопросов, и, как и следовало ожидать, появлялись противоречащие друг другу сообщения, ибо мнения, основанные на клинических наблюдениях, не могут быть очень надежными. Согласно общему уровню медицинских исследований, дым, сернистый ангидрид и другие загрязнения атмосферного воздуха вызвали возникновение нежелательных клинических проявлений. Не было, однако, единодушного мнения по вопросу о том, могут ли обычные загрязнения городского воздуха представлять смертельную опасность. В это время появилась одна статья (Sci. Amer, 1914, Ь), в .которой указывалось на большую частоту рака в районах потребления каменного угля. В течение этого периода в США было проведено массовое обследование городов в поисках основы для разработки плана мероприятий по борьбе с дымом.

Начато было также общее обследование задымленности воздуха в городах Великобритании.

В Германии эта проблема развивалась глазным образом в следующих направлениях: а) оценка ущерба, наносимого растениям сернистым ангидридом, и подлежащего компенсации, согласно Германскому законодательству, б) изучение закономерностей распространения газообразных отходов из фабричных труб. Но, как видно из заголовков немецких статей, большинство работ проведено на уровне промышленных исследований и не имеет Существенного значения. По-видимому, соображения о возможном вредном влиянии загрязнения воздуха на здоровье населения не привлекали в Европе большого внимания.