Окислы серы образуются при сгорании серосодержащих ископаемых видов топлива, преимущественно угля. Сернистый ангидрид (SO2) составляет около 99% выбросов сернистых соединений, содержащихся в уходящих газах от ТЭС. SO2 - бесцветный газ с резким запахом, является одним из наиболее токсичных газообразных выбросов энергетических установок. Прежде всего, он участвует в формировании кислотных дождей. Продолжительность пребывания SО2 в атмосфере в присутствии аммиака и некоторых других веществ, время его жизни сравнительно невелико и исчисляется несколькими часами. Например, в относительно чистом воздухе оно составляет 15-20 суток. Воздействие серы на людей, животных и растения разнообразно, зависит от концентрации и различных факторов окружающей среды. Так, концентрации SО2 в воздухе более 2 мг/л вызывают у людей воспаление слизистых оболочек, а при длительном воздействии - катар дыхательных путей. Растения еще более чувствительны к присутствию SО2 в воздухе, которая вызывает торможение роста, разрушение хлорофилла растений, что приводит к повреждениям хвои и листьев, и как следствие - гибель. Металл под воздействием окислов серы интенсивно корродирует, а строительные конструкции разрушаются.
При всех процессах горения азот с кислородом образует ряд соединений: NO, N2O, NO2, N2O3, N2O4, N2O5, которые существенно различаются своими свойствами, включая время существования - сроком от 100 часов до 4,5 лет. Из окиси (NO) при окислении атмосферным кислородом образуется двуокись азота. Концентрация NO повышается одновременно с ростом температуры и со временем пребывания газа в топке, в том числе при увеличении концентрации кислорода. В топке заканчивается образование NO, его окисление до NO2 продолжается в конвективных газоотходах, а заканчивается в атмосфере. Из-за высокой растворимости в воде (дождь, облака) и сорбции на увлажненных поверхностях, азотная кислота попадает на земную поверхность. При солнечном свете окислы азота реагируют с несгоревшими углеводородами с образованием низкоатмосферного озона или смога, понижая при этом прозрачность атмосферы. Окислы азота оказывают на человека действие аналогичное окислам серы, но в более сильной степени, поскольку имеют наиболее высокую биологическую активность и оказывают сильное раздражающее действие на слизистую оболочку глаз и дыхательные пути [35].
Пентаксид ванадия (V2O5) отличается токсичностью, вызывает раздражение дыхательных путей у людей и животных, расстройство нервной системы и кровообращения, нарушение обмена веществ.
Бенз(а)пирен является своеобразным канцерогеном, способным вызывать онкологические заболевания. Поэтому сооружение тепловых электростанций производится при соблюдении требований, касающихся предельно допустимых концентраций основных выбросов предприятий, загрязняющих атмосферу отходящими газами. Предельно допустимой считается концентрация, не оказывающая прямого или косвенного вредного воздействия на человека, не снижающая его работоспособности и не влияющая на его самочувствие.
Большую экологическую опасность для людей представляют тяжелые металлы, которые при попадании в больших количествах в организм человека, в течение короткого времени они могут вызывать острое отравление, а при хроническом воздействии малых доз в течение длительного времени может проявляться канцерогенное действие хрома, мышьяка, никеля и др. В годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт, при пересчете на летальные дозы, содержится магния - 1,5 млн. доз, алюминия и его соединений - свыше 100 млн. доз, железа - 400 млн. доз. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушить легочную ткань и вызвать такое заболевание, как силикоз, которое обычно является профессиональным заболеванием шахтеров [35].
Выбросы твердых частиц. Атмосферные выбросы ТЭС, которые содержат твердые частицы механического недожога, с воздухом образуют дисперсные системы - аэрозоли, которые делятся на:
- пыль (размер частиц > 1 мкм),
- дым (размер твердых частиц < 1 мкм),
- туман (размер жидких частиц < 10 мкм).
Аэрозоли разделятся на первичные, которые непосредственно выбрасываются в атмосферу, и вторичные - образуются в атмосфере. Время существования в атмосфере аэрозолей колеблется от нескольких минут до нескольких месяцев, в зависимости от многих факторов. На высоте 1 км крупные аэрозоли существуют 2-3 суток, в тропосфере - 5-10 суток, в стратосфере - несколько месяцев. Размеры твердых частиц сильно отличаются: крупнодисперсные частицы имеют размер > 50 мкм, среднедисперсные - 50-10 мкм, мелкодисперсные < 10 мкм. Аэрозоли чаще всего содержат частицы разного размера и называются полидисперсные.
Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности. При этом возникающие твердые частицы находятся в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии, как и твердые частицы сажи или золы, выбрасываемые в атмосферу с топочными газами.
Запыление воздуха повышает отражательную способность атмосферы и является причиной значительного изменения погоды в зоне действия таких выбросов, более частых туманов и дождей. В том числе инертные твердые частицы загрязняют листовую поверхность растений, что является следствием нарушения нормального их функционирования, запыления различных сооружений и механизмов. Воздух, насыщенный пылью, приводит к заболеванию дыхательных путей человека и животных.
Выбросы влаги. Поступление влаги в атмосферу от теплоэнергетических объектов вызвано различными процессами, которые имеют различные температуры и энергии (сгорание топлива, протечки, продувки и др.). Испарительные градирни служат мощными источниками антропогенной влаги и тепла, которые оказываю влияние на термодинамический режим нижнего слоя атмосферы в пределах распространения пароконденсатного факела.
Поведение влаги в атмосфере отличается разнообразием, зависит от локальных концентраций и фазовых переходов и может производиться только в условиях естественного атмосферного влагосодержания, которое, в свою очередь, зависит от взаимодействия с литосферой и гидросферой и с тепловыми процессами.
Химическое загрязнение атмосферы происходит в результате выброса загрязняющих веществ из дымовых труб. Уровень загрязнения атмосферы определяется типом сжигаемого топлива, высотой дымовых труб, технологией очистки выбросов, характером рельефа местности, климатическими условиями атмосферной дисперсии.
Поскольку на ТЭС сжигается большое количество топлива, объем загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, весьма значителен. Результаты исследований процессов самоочищения атмосферы от твердых частиц показывают, что частицы размером более 10 мкм относительно быстро оседают на земную поверхность, в то время как частицы размером 4-10 мкм могут увлекаться дымом до высот более 1 км и перемещаться по горизонтали на расстояния в сотни и даже тысячи километров [1, 32, 33, 41]. Более мелкие частицы плохо осаждаются с дождевыми каплями и способны мигрировать в атмосфере годами [32]. Оседающие на земную поверхность частицы выбросов угольных ТЭС, содержащие большие количества тяжелых металлов, проникают в почву и грунтовые воды, а также смываются в поверхностные воды [12, 38]. Несмотря на это обстоятельство, идентифицировать зоны загрязнения при дальнем переносе частиц выбросов крайне сложно и возможно лишь с помощью тонких химико-аналитических методов. Реально выявить горизонтальный масштаб загрязнения можно лишь в десятки километров [1].
Согласно данным климатического справочника [13], высота слоя перемешивания атмосферы изменяется от нескольких сотен метров до 3 км. Отсюда следует, что вертикальный масштаб загрязнения атмосферы составляет 1 км. При залповых выбросах масштаб распространения загрязнений остается таким же, что и в штатном режиме работы ТЭС.
На состояние атмосферы оказывают влияние не только дымовые трубы ТЭС, но и градирни, пароконденсатные факелы которых могут приводить к туманам и моросящим осадкам, распространяющимся на несколько километров. При неустойчивом состоянии атмосферы пароконденсатные факелы могут подниматься до высот облаков нижнего яруса - по меньшей мере, до 1-2 км [2].
1.2 Воздействия на водные объекты
Загрязнение водных бассейнов из-за деятельности ТЭС происходит двумя путями - в результате сброса загрязненных сточных вод и вследствие вымывания и осаждения атмосферными осадками взвешенных частиц, выброшенных из дымовых труб [38]. Кроме химического загрязнения водных объектов происходит и их тепловое загрязнение вследствие функционирования системы охлаждения. Совокупное тепловое и химическое загрязнения водоемов-охладителей является следствием деградации не только водных экосистем, но и самих водохранилищ [2, 12].
Основными факторами воздействия ТЭС на водные являются выбросы теплоты, следствием которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоеме; временное повышение температуры; изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима; изменение условий паводков; изменение распределения осадков, туманов, испарений [5].
На ТЭС с охлаждающей водой сбрасывается от 4 до 7 кДж теплоты на каждый 1 кВт/ч выработанной электроэнергии. По санитарным нормам тепловые сбросы не должны повышать собственную температуру водоема более чем на 5°С в зимнее время и 3°С в летнее.
Предприятия ТЭС производят следующие сбросы сточных вод:
- на поля фильтрации;
- в поверхностные водные объекты;
- в систему канализации [28].
К сточным водам ТЭС относятся следующие воды: содержащие нефтепродукты, после обмывки поверхностей нагрева паровых котлов, сбросные после установок химической очистки, консервации и промывок оборудования, а также систем гидрозолоудаления.
Количество сточных вод, содержащих нефтепродукты, не зависит от типа оборудования и мощности станции, хотя при использовании жидкого топлива оно немного выше, чем для ТЭС на твердом топливе. Их количество в основном зависит от качества монтажа и эксплуатации оборудования электростанции.
Совершенствование конструкции оборудования, соблюдение правил его эксплуатации позволяют снижать количество поступающих в сточные воды нефтепродуктов до минимальных значений, а применение различных ловушек и отстойников позволяет исключать их попадание в окружающую природную среду [39].
Выбросы, выделяемые при производстве электроэнергии, опосредованно влияют на все компоненты окружающей природной среды, что наносит невосполнимый ущерб состоянию атмосферы, гидросферы и литосферы. Выделяют наиболее значимые последствия влияния работы ТЭС на компоненты окружающей среды:
- выбросы на поверхность воды и суши твердых и жидких топлив при транспортировке, перегрузке, переработке;
- выпадение кислот, кислотных осадков, канцерогенных металлов и веществ, при взаимодействии жидких и твердых компонентов выбросов со средой;
- изменение свойств воды, ее цветности и проч., при осаждении выбросов твердых частиц, образованных при сгорании органического топлива;
- выбросы продуктов сжигания твердых топлив (зола, шлаки), а также продуктов очистки, продувок поверхностей нагрева (зола, сажа и пр.);
- выбросы жидких и твердых радиоактивных отходов, характеризуемые условиями их распространения в гидросфере;
- использование больших объемов воды при производстве теплоэнергии приводит к изменению естественного материального баланса водной среды (перенос питательных веществ, солей и проч.);
- следствиями выбросов теплоты являются: временное повышение температуры; локальное повышение температуры в прилегающих водных источниках; изменение условий наступления паводков; изменение испарений туманов, количеств осадков; изменение условий ледостава зимнего гидрологического режима;
- постройка энергетических объектов обязательно влечет за собой изменение природного ландшафта и потребление ресурсов литосферы, что подразумевает: появление водохранилищ, вырубку лесов, изъятие пахотных земель из сельскохозяйственного оборота;
- создание водохранилищ в долинах рек или с применением естественного рельефа поверхности, создание искусственных прудов-охладителей, что является следствием: изменения количественного и качественного состава речных стоков; изменения гидрологии водного бассейна; увеличения давления на дно, проникновения влаги в разломы земной коры и изменения сейсмичности; изменения условий рыболовства, развития планктона и водной растительности; изменения микроклимата; изменения условий отдыха, бальнеологических и других факторов водной среды;