Источники выбросов аммиака

Поступление аммиака в окружающую среду связано как с природными, так и антропогенными источниками. К первым относят различные микробиологические процессы (процессы разложения, жизнедеятельность почвенных организмов и др.). Антропогенные источники в первую очередь связаны с сельским хозяйством и химической промышленностью.

Природные источники выбросов аммиака

Основными природными (биогенными) источниками выбросов аммиака являются почва и растительность, которые при определенных условиях могут выделять данное загрязняющее вещество. Вклад таких источников может составлять 6-38 % валового поступления аммиака [155, 193]. К биогенным источникам также можно отнести и диких животных, выбросы от которых для некоторых стран составляют более 1 % валового поступления аммиака в атмосферу [223]. Следует отметить, что оценка выбросов от естественных источников связана с большим количеством неопределенностей и в большинстве инвентаризаций не выполняется.

Сельское хозяйство

Изучение поступления аммиака в окружающую среду от сельскохозяйственных источников W. А. Н. Asman, N. Hutchings, А. Г. Рябошапко, В. D. Harris и др. показало, что вклад сельского хозяйства в валовые выбросы аммиака может достигать 70-80 % [71, 146, 187]. При этом основными источниками выбросов являются животноводство (включая внесение органических удобрений) и растениеводство (внесение минеральных удобрений).

Животноводство

Многие страны уделяют большое внимание улучшению точности оценок выбросов аммиака от животноводства, так как данная категория вносит основной вклад в валовые выбросы данного соединения [246] (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Вклад сельскохозяйственных источников в валовые выбросы аммиака, % [246]

Категория

животных

Среднее значение для стран Европы

Диапазон значений для стран Европы

Нидерланды

Германия

Испания

Великобритания

Животноводство

67

34-93

50

72

29

37

скотоводство

34

7-72

19

42

7

27

свиноводство

16

5-52

14

19

16

5

птицеводство

15

0-51

17

11

9

7

Выбросы аммиака от животноводства связаны с метаболизмом и микробиологическими процессами, происходящими в отходах жизнедеятельности животных. Азот выделяется в форме мочевины или мочевой кислоты с мочой животных, а также в составе сложных органических соединений с пометом. При их разложении азот в основном высвобождается в форме аммония и аммиака. Исследования, выполненные G. W. VanZoon, показали, что в глобальном масштабе до 20 % азота, содержащегося в отходах жизнедеятельности животных, поступает в атмосферу в виде аммиака [290].

Выбросы аммиака от животноводства можно условно разделить на две составляющие:

выбросы непосредственно от мест содержания животных; выбросы от операций обращения с навозом (уборка, хранение, использование в качестве удобрений) [146, 153, 187, 204, 223].

Основными факторами, влияющими на выбросы аммиака на стадии содержания животных, являются: содержание азота в корме;

тип животных (крупный рогатый скот, свиньи, птица и др.), группа животных (молочный крупный рогатый скот, свиноматки, бройлеры и т. д.), возраст и производительность животного (удой, вес);

доля азота, переходящая из корма в продукцию (молоко, мясо, яйца и др.);

система содержания животных, включая методы хранения навоза внутри сооружений и подстилочный материал;

метеорологические условия и микроклиматические параметры мест содержания животных, в частности, температура и влажность воздуха;

время, проводимое животными внутри и вне сооружений (выпас) [50, 187, 223, 253, 283].

Поступление аммиака в атмосферу от различных процессов обращения с навозом зависят от:

системы уборки / хранения навоза вне сооружений; методов внесения навоза, физико-химических характеристик почв (влажность, pH и др.);

свойств животноводческих отходов, включая вязкость, содержание аммонийного азота и pH;

метеорологических условий, включая количество осадков, температуру атмосферного воздуха, относительную влажность, скорость и направление ветра;

высоты и густоты растительности при внесении удобрений на пастбища и сенокосные угодья [187, 199, 223].

Значительное количество разноплановых факторов, влияющих на выбросы аммиака, делает оценку выбросов от животноводства весьма сложной и трудоемкой. Определение пространственной структуры выбросов затруднено также сложной геометрией источников. Источники выбросов аммиака при производстве продукции животноводства могут быть:

точечными (сооружения для содержания животных с механической вентиляцией);

квазиточечными (сооружения для содержания животных с естественной вентиляцией, места хранения навоза); площадными (внесение удобрений, выпас животных). Растениеводство (внесение азотных удобрений)

В глобальном масштабе выбросы аммиака от использования азотных минеральных удобрений составляют около 9 млн т, или 10 % от использованных азотных удобрений [199]. Вклад внесения минеральных удобрений в выбросы аммиака от сельского хозяйства в среднем для Европы составляет 19 % [186].

При внесении азотных удобрений в зависимости от ряда факторов происходит химическое и физическое поглощение аммиака минеральной и органической частью, а также его биологическое окисление.

На поступление аммиака в атмосферу влияют тип удобрений, объемы и метод внесения, а также свойства почв (общая емкость поглощения, механический состав, влажность, структура, содержание и состав гумуса, реакция среды, скорость инфильтрации и емкость катионного обмена) и другие факторы [21, 42, 157, 199]. При внесении азотных удобрений в виде мочевины они быстро гидролизуются до карбоната аммония ((NH4)2C03) и ионов аммония, которые являются основным источником аммиака. При гидролизе мочевины также образуется С02, который увеличивает pH, что также приводит к испарению аммиака из почвы [187].

В водном растворе аммиака азот выступает в основном в форме NH3 и значительно меньше в форме NH4OH [21]. Ввиду наличия большого количества свободного аммиака в его водном растворе возможны потери азота во время внесения в почву.

Обычно потери аммиака в виде аммиака от использования минеральных удобрений в Европе изменяются в пределах от 1 до 4 %. Несколько выше потери при использовании сульфата аммония (между 2 и 20 %) и мочевины (15-20 %) (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Выбросы аммиака при использовании азотных удобрений,

% от содержания азота

Тип удобрений

Источник данных

[187]

[134]

[130]

Сульфат аммония

8

5-15

8

Аммиачная селитра

2

1-3

2

Безводный аммиак

4

4

1

Мочевина

15

15-20

15

Сложные фосфаты аммиака

2-5

5

4

Другие сложные азотные удобрения

2

1-5

2,5-4

Влажность почвы является важным фактором; минимальными выбросами характеризуются умеренно-влажные почвы [21]. Исследования, проведенные в Европе, показали, что влияние типа удобрения на объем выбросов проявляется при pH почвы выше 7 [165, 199]. Передвижение и удержание жидких азотных удобрений, и, соответственно, выбросы аммиака в значительной степени зависят от механического состава почвы. Чем легче почвы и чем крупнее песок, тем выше потери за счет улетучивания [21]. В то же время увеличение содержания органического вещества, а следовательно, и емкости поглощения почвы приводят к снижению выбросов аммиака [21].

При повышении температуры атмосферного воздуха увеличивается соотношение NH3/NH4, что приводит к снижению растворимости аммиака в воде и увеличению диффузии аммиака на границе атмосфера - почва, т. е. происходит увеличение выбросов аммиака [199].

Несельскохозяйственные источники

Вклад несельскохозяйственных источников в валовые выбросы аммиака на глобальном уровне не превышает 15 % [148]. Исследования, выполненные S.M. Roe в 2004 г., показали, что если на уровне страны основной вклад в выбросы аммиака вносит сельское хозяйство, то на уровне города - промышленность, коммунальное хозяйство (обработка сточных вод, захоронение отходов) и транспорт [192].

Захоронение и обработка отходов. Компостирование

Бытовые отходы содержат значительное количество азота, часть которого выделяется в виде аммиака [132, 223]. Вклад данного источника в выбросы от несельскохозяйственных источников составляет около 5 %. В некоторых странах из-за необходимости снижения объема отходов, размещаемых на свалках, увеличивают объем компостируемых отходов, что также приводит к поступлению аммиака в атмосферу. Согласно [192] для территорий с интенсивным сельскохозяйственным производством вклад такого источника может составлять 4 % ежегодного валового выброса аммиака.

Основными факторами, влияющими на выбросы аммиака при компостировании отходов, являются: состав отходов и условия компостирования. Последние включают аэрацию, механическое перемешивание, влажность отходов и температурный режим компостирования [126].

Сжигание бытовых отходов приводит к гораздо меньшему объему выбросов аммиака, чем их захоронение. В то же время необходимость в регулировании выбросов оксидов азота от установок сжигания отходов обуславливает использование установок селективного каталитического и некаталитического восстановления, что может привести к увеличению выбросов аммиака [223].

Промышленные процессы

К основным промышленным источникам поступления аммиака в атмосферный воздух относится производство минеральных азотных удобрений, аммиака и азотной кислоты (в Европе выбросы аммиака от производства азотной кислоты составляют

0,1 % валовых выбросов). В глобальном масштабе вклад промышленности в выбросы аммиака составляет 0,5 % [186].

Объем поступления аммиака в атмосферу от предприятия по производству удобрений зависит от профиля завода, типа технологического процесса, времени функционирования производства, наличия и типа очистного оборудования. Аммиак может выбрасываться на различных стадиях производства, например, при превращении аммиака в азотную кислоту, образовании и гранулировании нитрата аммония. Источником выбросов аммиака является также выброс его излишков в конце технологического цикла [186, 191, 222, 237, 250]. Выбросы аммиака от таких предприятий находятся в пределах от 0,01 до 12,5 кг/т произведенных удобрений в зависимости от перечисленных выше факторов.

Имеются данные о том, что производство сахара, цемента, взрывчатых веществ, кокса, бумаги и целлюлозы и ряд других промышленных производств также являются источниками поступления аммиака в атмосферу, но вклад этих источников в валовые выбросы данного загрязняющего вещества незначителен [192, 223].

Очистка сточных еод

Предприятия по очистке сточных вод перерабатывают большие объемы отходов, обогащенных азотом, что при определенных условиях приводит к значительным выбросам аммиака [165]. Вклад данной категории в валовые выбросы составляет около 2 % [186].

Обычно в городских сточных водах содержится 20- 50 мг/л соединений азота в виде аммиака или производных аммония и таких органических веществ, которые в процессе обработки легко превращаются в аммоний [46]. Большая часть азота, поступающего на очистные сооружения в составе сточных вод, находится в виде органических соединений и аммонийного азота. В процессе очистки азот из органических соединений переходит в аммонийный, который в результате аэрации окисляется до N02 и N03. Выбросы аммиака при очистке сточных вод происходят в результате абсорбирования свободных водных

(неионизированных) форм аммиака, содержащихся в сточных водах. Количество азота, выброшенного в газовой форме, значительно варьирует в зависимости от большого числа биологических, химических, технологических и метеорологических факторов [192]. Следует отметить, что при типичных значениях pH сточных вод (6,5-8,0) более 90 % аммонийного азота находится в форме NH^, т. е. недоступной для абсорбирования, что обуславливает минимальные выбросы аммиака [192]. При использовании аэробных процессов при очистке сточных вод выбросы аммиака будут ниже, чем при использовании анаэробных процессов [165].

Стационарное сжигание топлива

Аммиак выбрасывается при сжигании топлива как продукт неполного сгорания, а также при использовании установок селективного каталитического восстановления и селективного некаталитического восстановления для снижения выбросов оксидов азота [223]. На глобальном уровне вклад топливосжигающих установок в валовые выбросы аммиака составляет 2,6 % [186].

Сокращение выбросов оксидов азота с помощью установок каталитического и некаталитического восстановления основано на реакции восстановления с аммиаком или мочевиной. Для обоих процессов соотношение NH3 к NOv сильно влияет на объемы выбросов оксидов азота. При соотношении 1:1 эффективность селективного каталитического восстановления обычно достигает 80 %, селективного некаталитического восстановления - 40 %. Избыток аммиака может привести к большей эффективности снижения выбросов оксидов азота и в то же время вызовет утечки аммиака. Концентрация аммиака в дымовых газах, отходящих от установок по снижению выбросов азота, может изменяться от менее 0,8 до более 800 мг/м3. В среднем данный показатель составляет 4-8 мг/м3 для систем селективного каталитического восстановления и 16-24 мг/м3 - для систем селективного некаталитического восстановления [187].

Использование аммиака

Аммиак - хладагент с очень высокой энергетической эффективностью и в настоящее время является доминирующим в области производства пищевых продуктов. Эффективность охлаждения систем с ним примерно в четыре раза выше, чем у систем с другими хладагентами [47, 192]. Выбросы от процессов охлаждения обусловлены утечками, которые выражаются в долях от объема использования охладителя. Существует четыре типа утечек от систем охлаждения: первичные, эксплуатационные, периодические и при демонтаже установки.

Первичные утечки связаны с производством, испытанием эксплуатационных характеристик, транспортировкой, установкой, начальной загрузкой и запуском охладительной системы. Эксплуатационные происходят периодически и связаны с утечками от установок и выбросами от очистных сооружений. К периодическим утечкам относят выбросы, произошедшие в результате аварий и нарушения условий эксплуатации. При демонтаже оборудования также есть вероятность выбросов аммиака [192].

Аммиак используется и в некоторых других промышленных процессах (металлургии, производстве полимеров, красителей), что также сопровождается выбросами данного соединения вследствие технологических потерь.

Передвижные источники

Значимым источником выбросов аммиака на урбанизированных территориях в последнее время являются транспортные средства [192]. Доля автотранспорта в валовых выбросах аммиака может достигать 5-6 % [246]; в городе доля транспорта превышает 40 % [192].

Исследование, проведенное в Калифорнии, показало увеличение выбросов аммиака от малых грузовых автомобилей с 1999 по 2006 г. на 38 % [286]. Данный факт обусловлен использованием каталитических конверторов для снижения выбросов оксидов азота. Бензиновые двигатели, оборудованные каталитическими конверторами, генерируют аммиак вследствие реакции, протекающей в конвертере между оксидом азота и водородом [165]. При снижении выбросов оксида азота от двигателей, работающих на дизельном топливе, также используют мочевину или аммиак, что приводит к выбросам последнего в атмосферу.

Выбросы аммиака от двигателей внутреннего сгорания зависят от метода контроля выбросов оксидов азота, а также от вида топлива и класса автомобильного средства [165, 192, 223].

Увеличение содержания аммиака в выбросах автомобилей, оборудованных катализатором, связано в первую очередь со сжиганием топлива в условиях недостатка воздуха. В современных двигателях эту проблему решают путем установки компьютерного оборудования на двигателях автомобилей согласно требованиям стандарта EURO III и более новых стандартов выбросов. Производители каталитических конверторов экспериментируют с другими катализаторами или комбинацией катализаторов, которые могут привести к более низким выбросам аммиака.

Прочие источники

К прочим источникам выбросов аммиака относят лесные пожары, сжигание сельскохозяйственных отходов на полях [107, 223] и жизнедеятельность человека. Выбросы аммиака от сжигания биомассы обусловлены плохими условиями перемешивания, при которых азот биомассы, находящийся в восстановленной форме, поступает в атмосферу в виде аммиака. В глобальном масштабе выбросы аммиака от этого источника находятся в пределах от 2,5 до 7 тыс. т [223].

В результате процессов метаболизма аммиак поступает в окружающую среду от человека при дыхании, с потом и другими выделениями. Оценки поступления аммиака от этого источника варьируют в широких пределах от 0,04 до 1,3 кг/чел./год, что обусловлено учетом различного числа составляющих, таких как дыхание, потоотделение, курение сигарет, домашние животные и др. [132, 151, 192, 193].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >