Környezetvédelem (KM002_1)

A légkör keletkezése Környezetvédelem (KM002_1) 3a. Antropogén légszennyezés, levegőtisztaság-védelem 2015/2016-os tanév I. félév Dr. habil. Zseni Anikó egyetemi docens SZE, AHJK, Környezetmérnöki Tanszék A Föld keletkezésekor: főleg H 2, He, CO 2, NH 3, CH 4, N 2, CO, H 2 O alkotja (redukáló hatású légkör) vulkáni működés: gázok H 2 O fotodisszociáció: O 2 UV hatására: O 3 élet kialakulhat a tengerekben fotoszintézis: O 2 -t termel (oxidáló hatású légkör) kb. 300 millió éve a maihoz hasonló O 2 szint CO 2 szint: csökken a földtörténet során (logaritmikus skála!) A légkör összetétele present atmospheric level légzésre lehetőség van UV szűrés már hatékony Gáz Koncentráció Tartózkodási térfogat% ppm idő Állandó nitrogén N 2 78 10 6 év oxigén O 2 20,9 5*10 3 év argon Ar 0,934 neon Ne 18,18 hélium He 5,24 10 7 év Változó szén-dioxid CO 2 350 15 év metán CH 4 2 4 év hidrogén H 2 0,5 6,5 év ózon O 3 (0-5)*10-2 2 év Erősen változó vízgőz H 2 O 40-40 000 10 nap szén-monoxid CO (1-20)*10-2 4 hónap nitrogén-dioxid NO 2 (0-3)*10-3 6 nap ammónia NH 3 (0-2)*10-2 7 nap kén-dioxid SO 2 (0-2)*10-3 4 nap 1

A légkör szerkezete elektromágneses jelenségek UV-elnyelés, rövid- és hosszúhullámú rádióadások visszaverése A légkör tömegarányos és térfogatarányos összetétele (Bolygónk születése nyomán) vízszintes légmozgás, O 3 réteg (20-25 km-en) meteorológiai folyamatok, szennyezések színtere (László Ferenc: Környezetvédelem korszerűen nyomán) Levegőszennyezők Légszennyező források Levegőszennyező: származásától és állapotától függetlenül az az anyag, amely olyan mértékben jut a levegőbe, hogy azzal az embert és a környezetét kedvezőtlenül befolyásolja vagy anyagi kárt okoz természetes légszennyező anyagok a Föld felszínén egyenletesen helyezkednek el a képződési sebesség kb. egyenlő az atmoszférából történő távozás sebességével antropogén légszennyező anyagok az emberi források általában koncentráltak a képződés sebessége általában gyorsabb, mint a távozásé pontszerű források pl. kémény, kürtő, szellőző diffúz források hulladéklerakók felszíne, pernyehányók, meddőhányók vonalas légszennyező források pl. közút, vasút, légifolyosó, vízi út Elsődleges gázhalmazállapotú légszennyezők Másodlagos szennyezőanyagok 2

Légszennyező emberi tevékenységek A közlekedés légszennyezése Az emisszió fajtája és mennyisége számos tényezőtől függ: lakosság száma az energiatermeléshez és fűtéshez használt tüzelőanyag fajtája az ipari termelés mértéke, korszerűsége a légszennyező anyagok leválasztásának foka gépjárművek száma és műszaki színvonala éghajlat stb. emisszió: 50%-a a közlekedésből 25%-a a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből 25%-a az iparból származik azaz oxidációs, égési folyamatokból! A gépkocsik kipufogó gázainak összetétele Komponens Benzinmotorok Dízelmotorok Hatás nitrogén 74-77 tf% 76-78 tf% oxigén 0,1-3 tf% 2-14 tf% vízgőz 3-6 tf% 0,5-6 tf% nem mérgező CO 2 5-12 tf% 1-6 tf% CO 0,5-10 tf% 100-2000 ppm NO x 500-3000 ppm 200-5000 ppm szénhidrogének 100-10000 ppm 10-500 ppm mérgező aldehidek 0-200 ppm 0-50 ppm korom 0-2 mg/m 3 10-1100 mg/m 3 benzpirén 10-20 μg/m 3 0-10 μg/m 3 rákkeltő Környezetvédelem A közlekedés légszennyezése (folyt.) Gépkocsik számának és életkorának alakulása hazánkban (KSH) a két motortípus különbsége különböző égésfolyamatok, más üzemanyag eltérő kibocsátás NO x emisszió döntően a közlekedésből származik a kipufogógáz emisszió csökkentésének lehetőségei: műszaki fejlesztések gondos karbantartás benzin ólomtartalmának csökkentése, ólommentes benzin (Mo.-on megvalósult) gázolajak kéntartalmának csökkentése 3

A nehéz tehergépjárművek és autóbuszok szennyezőanyag kibocsátására vonatkozó követelmények alakulása A levegő-benzin arány hatása a kipufogógáz-összetételére és az égetés hatásfokára (Moser-Pálmai 1992) A nehéz tehergépjárművek és autóbuszok szennyezőanyag kibocsátására vonatkozó követelmények alakulása A szállított áru mennyiségének változása 4

Az áruszállítás teljesítményének változása A vasúti és légi közlekedés személyszállítási teljesítménye 1 árutonna km = 1 tonna áru 1 km-re történő elszállítása XY árutonna km = X tonna áru Y km-re történő elszállítása ( = X Y) A közösségi közlekedés teljesítményének változásai a helyi személyszállításban Az energiatermelés légszennyezése Az 1000 MW teljesítményű erőművekben elégetett tüzelőanyagokból származó gáz-emissziók átlagos mennyisége (Kerényi, 1988 nyomán) Emisszió Széntüzelésű erőmű Olajtüzelésű erőmű Földgáztüzelésű erőmű t/év % t/év %* t/év %* SO 2 480 000 100 130 000 27 12 0 NO x 66 000 100 60 000 91 36 000 55 CO 1 400 100 12 1 0 0 szénhidrogének 600 100 980 163 0 0 aldehidek 39 100 160 410 44 0 összes gázemisszió 548 039 100 191 000 35 36 056 7 szilárd részecskék 100 000 100 2 000 2 420 0 *: a széntüzelésűek kibocsátásának %-ában 5

Az energiatermelés légszennyezése (folyt.) A települések SO 2 és szilárd részecske emissziója elsősorban a kommunális fűtés és az ipari hőenergia termelés üzemanyagaitól és berendezéseitől függ levegőtisztaság szempontjából legkedvezőbb a gáz és legkedvezőtlenebb a szén (a hagyományos, nem megújuló energiaforrásokat használó fűtési módok közül) Ipari légszennyező források Rendkívül változatos szennyező anyagok, pontszerű források, pl.: szénbányák: szén-, meddőpor cementgyárak: porszennyezés kohászat: CO, CH 4, vaspor acélgyártás: vas-oxid foszforműtrágya-gyártás: HF timföldgyártás: HF szerves vegyipar, NaCl elektrolizáló üzemek: Cl 2 szerves vegyipar, ércek klórozó pörkölése, klórtartalmú hulladékok égetése: HCl kénsavgyártás, cellulózipar: SO 2 nitrogénműtrágya-, salétromsavgyártás: NO x A mezőgazdasági tevékenységből származó légszennyezések Légszennyező anyagok szántóterületekről: porszennyezés Mo.: 70%-a mg-i művelés alatt, ennek kb. fele szántott hónapokig fedetlen műtrágyák pora növényvédőszerek (peszticidek): különösen, ha repülőről szórják őket pl. klórozott szénhidrogének, szerves foszfátészterek természet biológiai egyensúlyát veszélyeztetik üvegházhatású gázok (ÜHG): CO 2, N 2 O, CH 4, fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluorkarbonok (PFC-k), kén-hexafluorid (SF 6 ) ezeken kívül: vízgőz, halonok, ózon, egyéb klór-flourkarbon vegyületek (CFC-k) savasodást okozó gázok: SO 2, NO x, NH 3 ózonprekurzorok: NMVOC, NO x, CO, CH 4 szálló por 6

CO 2, CH 4, N 2 O HFC, PFC, SF 6 CO 2 : szén-dioxid fosszilis tüzelőanyagok elégetése erdőégetés erdőhiány miatti lekötés csökkenés mészkőfelhasználás CH 4 : metán természetes forrásai: bomlás, fermentáció antropogén forrásai: rizstermelés, hulladékok bomlása, bányászat, energia-ipar, biomassza tüzelés, kérődzők N 2 O: dinitrogén-oxid műtrágyázás, gyártási folyamatok (salétrom, adipin, glioxil, glioxálsav) HFC-k: fluorozott szénhidrogének freonok kiváltására alkalmazzák az 1990-es évek 2. felétől hazánkban (hűtőberendezések hűtőközegeként) PFC-k: perfluorkarbonok CF4 és C 2 F 6 primer Al előállításakor 2006-ban megszűnt hazánkban az Al előállítás kibocsátás megszűnt SF 6 : kén-hexafluorid sűrűsége a levegő 5-szöröse nagy villamos szilárdság nagy zárlati teljesítményű hálózatok megszakítóiban gáztöltet Freonok és halonok A magyar nemzetgazdaság és a háztartások üvegházhatásúgáz-kibocsátásának megoszlása összetevők szerint freonok (fluorozott, klórozott szénhidrogének): pl. CFCl 2, CFCl 3 hűtőközeg, vivőanyag halonok: C + F + Cl + Br atomokból állnak tűzoltás 1986 Monterali egyezmény: felhasználásuk csökken, Magyarországon megszűnt stabilak feljutnak a sztratoszférába is fotokémiai folyamatok klóratomok ózont lebontják sztratoszférikus ózon mennyiségét hazánk felett továbbra is csökkentik 2011-ben összesen: 73,4 M t CO 2 egyenérték, ebből: 60,5 M t: nemzetgazdaság termelő ágazatokból (82%) 12,9 M t: lakossági eredetű (18%) 7

A magyar nemzetgazdaság üvegházhatású gázkibocsátásának mennyisége és szerkezete Üvegházhatású gázok kibocsátása hazánkban (KSH) 28% 23% 17% 15% 17% CO 2 kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) N 2 O kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) főként műtrágyázás (NH 4 NO 3 bomlásakor) 8

CH 4 kibocsátó források hazánkban, 2010 (KSH) szennyvíziszap rothasztók, hulladéklerakók: kevés helyen hasznosítják a keletkező metánt állattenyésztés: technológiailag nemigen csökkenthető Egy főre jutó bruttó CO 2 -kibocsátás Európa országaiban, 2011 EEA Ózonréteg károsító gázok felhasználása hazánkban (KSH) Kén-dioxid (SO 2 ) legfőbb ok: tüzelési folyamatok káros hatásai: légzési nehézségek klorofil bontása épületek károsítása vízben jól oldódik: H 2 O + SO 2 H 2 SO 3 Az igényeket importból fedeztük, előállítás hazánkban nem volt fajlagos kibocsátás: olajtüzelés: 1000 mg/mj, szén: 600 mg/mj, földgáz: 10 mg/mj 9

Kén-dioxid kibocsátás hazánkban (forrás: VM) Nitrogén-oxidok (NO x ) 2NO + O 2 = 2NO 2 3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO legfőbb források: égési folyamatok (közlekedés!) káros hatások: tüdő- és légúti ártalmak savas esők szmogképződés Nitrogén-oxid kibocsátás hazánkban (forrás: VM) Nitrogén-oxidok kibocsátása hazánkban, 2010 (forrás: VM) ~60% 10

Nitrogén-dioxid éves terheltségi szint alakulása hazánkban (forrás: OMSZ) A magyar nemzetgazdaság és a háztartások savasodást okozó gázkibocsátásának megoszlása összetevők szerint NH 3 : 98%-a mezőgazdaságból NO x : 65%-a szállítás, raktározás háztartások: 15% az összes emisszióból Az ország SO 2 szennyezettsége az éves átlagok alapján (2008) Az ország NO x szennyezettsége az éves átlagok alapján (2008) forrás: OMSZ városok: nem egyértelmű tendenciák a NO x immisszióban nagy átmenő gépjármű forgalmú települések: NO x koncentráció nő forrás: OMSZ 11

Levegő-minőség és szennyezés Illékony szerves vegyületek VOC: Volatile Organic Compounds NMVOC: No Metan Volatile Organic Compounds: nem metán illékony szerves vegyületek NO x -kal reakció fotokémiai füstköd antropogén források: tüzelőanyagok, üzemanyagok, oldószerek párolgása SO 2 éves határérték: 50 μg/m 3, NO 2 éves határérték: 40 μg/m 3 Policiklusos aromás szénhidrogének Szén-monoxid (CO) PAH: Policyclic Aromatic Hydrocarbons nagy molekulasúlyú, 4-7 benzolgyűrű összekapcsolódásából eredő vegyületek források: gépkocsik kipufogógáza (mintegy 30 PAH) szerves anyagok magas T-n történő kezelése fitomassza égetés rákkeltők emisszió: 3400 Mt/év (Földön) források: 80%-ban természetes források tüzelőberendezés, közlekedés tökéletlen égési folyamatok eredménye rendkívül mérgező (CO-hemoglobin) NO x jelenlétében Nitro-PAH 12

Felszínközeli ózon (O 3 ) A magyar nemzetgazdaság ózonprekurzorkibocsátásának mennyisége és szerkezete fotokémiai szmog fő alkotója 59% közlekedési eredetű légszennyező anyagokból napfény hatására keletkezik NO 2 NO + O O + O 2 O 3 sejteket elpusztítja ember: tüdőszövetek roncsolása, tüdőödéma Mo: felszínközeli ózonkoncentráció nőtt 2000-ben 337 ezer t NMVOC egyenérték 2011-ben: 234 ezer t NMVOC egyenérték (31%-os csökkenés) A magyar nemzetgazdaság és a háztartások ózonprekurzorgáz-kibocsátásának megoszlása összetevők szerint Szálló por teljes emisszió: 70% gazdaság, 30% háztartások NOx: 65% szállítás, raktározás NMVOC: 44% háztartások PM 10 : 10 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (10-5 m) PM 2,5 : 2,5 μm és az az alatti átmérőjű részecskék (2,5 x 10-6 m) (1 mm = 1000 μm) forrásai: természetes, antropogén ipari üzemekben technológiai folyamatok során, pl.: ásvány- és ércőrlés cementgyártás szilárd energiahordozók (szén) elégetésekor fafeldolgozás dízelüzemű járművek keletkezés helyén nagyon nagy koncentráció is lehet káros hatás nem rögtön, tüdőelváltozások minél kisebb méretű, annál nagyobb az egészségügyi kockázat különösen ha nehézfémeket, nehezen lebomló szerves anyagokat tartalmaz 13

A PM 10 kibocsátás fő forrásai hazánkban, 2009 (OMSZ) A magyar nemzetgazdaság 10 mikrométer átmérő alatti szálló por (PM 10 ) kibocsátásának mennyisége és szerkezete fűtés gazdaság: 2000-ben: 46 ezer t, 2011-ben 20 ezer t teljes kibocsátás: 45 ezer t, ebből háztartások: 25 ezer t (56%), gazdaság: 20 ezer t (44%) A magyar nemzetgazdaság 2,5 mikrométer átmérő alatti szálló por (PM 2,5 ) kibocsátásának mennyisége és szerkezete A PM 2,5 kibocsátás fő forrásai hazánkban, 2009 (forrás: OMSZ) 39% 34% fűtés gazdaság: 2000: 23 ezer t, 2011-ben 7,2 ezer t teljes kibocsátás: 31,3 ezer t, ebből háztartások 24,1 ezer t (77%), gazdaság 7,2 ezer t (23%) 14

PM 10 koncentrációja hazánkban (forrás: OMSZ) PM 10 határérték túllépések a mérőpontok %-ban hazánkban (forrás: OMSZ) 40 μg/m 3 50 μg/m 3 éves határérték PM 10 : 40 μg/m 3 határérték túllépések: jellemzően fűtési időszak fűtés + gyakrabban van légköri inverziós időszak Az ország PM 10 szennyezettsége az éves átlagok alapján (2008) A PM 2,5 koncentráció éves átlagai (forrás: OMSZ) WHO irányelv: 10 μg/m 3 15

Magyarországi légszennyezettségi helyzet összefoglalva A légszennyező anyagok kibocsátása a rendszerváltozást követő években a gazdasági visszaesés és szerkezetváltás hatására csökkent, az ország légszennyezettsége általában javult 1990-es évek: közlekedés vált a legnagyobb légszennyező forrássá: a közlekedési eredetű NO x, szilárd anyag, CO, CO 2 kibocsátás, felszínközeli O 3 terhelés nőtt Korábban jelentős iparral rendelkező területek: légszennyezés csökkent A települések forgalmas területeinek légszennyezése növekedett: különösen a NO x, a por és a felszínközeli O 3 A nagyobb településektől, szennyezőanyag-kibocsátásoktól távol, a mezőgazdasági területeken, erdőkben, természetvédelmi területeken a levegő minősége általában kifogástalan A levegő öntisztulása A, a szennyező anyag eltávozik a légtérből (és egy másik szférát szennyez!) pl. ülepedés, kimosódás, kondenzáció, adszorpció, abszorpció B, a szennyező anyagok kevéssé ártalmas anyagokká alakulnak át C, a szennyező anyagok koncentrációja csökken, felhígul (de az összmennyiség nem változik!) Füstköd (szmog) képződés nagyvárosok és ipari területek fölött esetenként létrejövő, füstből, porból, reaktív kémiai komponensekből álló szennyeződés ). meteorológiai viszonyok (szélsebesség, turbulencia, diffúziós paraméterek, inverziós időjárási helyzet) fontos szerepe redukáló (Londoni típusú) füstköd oxidáló (Los Angeles típusú) füstköd Gázterjedési módok összehasonlítása a) szétterjedés normális körülmények között b) szétterjedés inverziós időjárási körülmények között 16

Londoni típusú szmog Kialakulása: Az inverziós réteg kialakulása (Environmental Science alapján) főleg télen jön létre (3-5 C) magas páratartalom (>80%) szélcsend inverziós légréteg fő kiváltó ok: fűtés (szén) a szennyezett, el nem távozott levegőnek magas a CO, por, korom, SO 2 -tartalma általában hajnalban jelentkezik redukáló típusú 1952. London: kb. 1600 haláleset, hirtelen halál (SO 2, kénsav a tüdőbe jut tünetek: kötőhártya-gyulladás, fejfájás, mellkasi fájdalom, köhögés, légszomj, hányás, hasi görcs voltak) Fotokémiai szmog (Los Angeles típusú) A halálozások száma, valamint a levegő kén-dioxid és füstkoncentrációja, London, 1952. dec. (Moser-Pálmai 1992) nagyvárosokra jellemző meleg, napsütéses napokon: 25-35 C alacsony páratartalom, kis szélsebesség fő kiváltó ok: autók kipufogógázai (autópályák, autóutak!) NO x, CO, szénhidrogének oxidáló típusú UV sugárzás hatására: NO 2 NO + O (atomos) O 2 + O O 3 gerjesztett O-atomok OH - szénhidrogének lebontása szerves gyökök peroxi-acetil-nitrát (PAN) 17

A fotokémiai szmog jellegzetes reakciói Fotokémiai szmog (folyt.) csökken a tüdő vitálkapacitása, a látásélesség, koncentrálóképesség szemirritáció, köhögés, ingerlékeny légutak, fejfájás, torokfájás, légzési nehézség, asztmás roham növények is károsodnak (csökken a fotoszintézis és a gyökérlégzés) PAN koncentrációja 0,02 ppm fölötti: órákon belül károsodik a vegetáció A fotokémiai szmog komponensei koncentrációjának időbeli változása A levegőszennyezés elleni védekezés műszaki lehetőségei növekvő UV sugárzás redukáló komponensek fogyasztják az ózont az energiahordozók struktúrájának megváltoztatása (szénről földgázra: SO 2 emisszió csökkenne) a tüzelőanyagok vagy a füstgázok kéntelenítése magas kémények építése (mennyiség nem csökken!) zárt technológiák alkalmazása üzemek áttelepítése (mennyiség nem csökken!) gépkocsik emissziójának szabályozása stb. porleválasztás gáztisztítás szennyező anyagok leválasztása levegőből 18

Légszennyező anyagok leválasztása Szilárd szennyezők leválasztása levegőből a tisztítás mértékét környezetvédelmi előírások határozzák meg tisztítási hatásfok nő költség exponenciálisan nő további feladat: mi legyen a leválasztott komponenssel a tisztítás után Száraz leválasztás Szilárd szennyezők Nedves leválasztás a tisztítás során a szennyező komponenseket ártalmatlan anyagokká alakítják vagy a szennyező anyagokat hasznosítható alakban nyerik vissza, újra felhasználják vagy a tisztítás során csak dúsulnak a szennyező anyagok, további kezelésükről vagy elhelyezésükről gondoskodni kell tömegerőn alapuló leválasztás centrifugális erőn alapuló leválasztás elektrosztatikus leválasztás leválasztó mozgó alkatrész nélkül leválasztó mozgó alkatrésszel nedves elektrosztatikus leválasztás Tömegerőn alapuló leválasztás Porszűrők Porkamrák (Moser-Pálmai 1992) Tömlős szűrő porleverő berendezéssel és ellenáramú öblítő gázvezetéssel 1: tömlőtartó, 2: pillangószelep, 3: tisztítás alatti kamra (Moser-Pálmai 1992) 19

Centrifugális erőn alapuló leválasztás Elektrosztatikus leválasztás Multiciklon (Moser-Pálmai 1992) Örvénycsövek (Moser-Pálmai 1992) Elektrosztatikus leválasztók szerkezeti megoldásai (Moser-Pálmai 1992) Nedves leválasztás a porszemcséket folyadékkal nedvesítik, a mosófolyadékhoz kötődve azok a gázfázisból távoznak berendezései pl.: permetes mosók Permetező mosótorony (Moser-Pálmai 1992) töltetes tornyok nedves dinamikus berendezések tányéros tornyok nedves centrifugális berendezések Venturi-mosók (gázporlasztásos mosók) 20

Gáz halmazállapotú szennyezők leválasztása levegőből Gáz halmazállapotú szennyezők adszorpció abszorpció Szennyező anyag leválasztása kondenzáció Szennyező anyag átalakítása termikus égetés katalitikus égetés katalitikus redukció Töltetes tornyok (Moser-Pálmai 1992) véggázok biológiai tisztítása 21