Транспорт как загрязнитель окружающей среды

Транспортная отрасль (от лат. transport, о — перемещаю) — ведущая отрасль экономики, осуществляющая перевозку пассажиров и грузов. В нашей стране с ее огромной территорией именно транспорт как элемент инфраструктуры объединяет в единый комплекс все отрасли экономики. Только транспорт способен обеспечить нс только нормальную жизнедеятельность государства, но и нашу национальную безопасность, целостность страны. Классификация видов транспорта возможна по нескольким признакам:

• а) по видам транспорт подразделяется на сухопутный, водный, воздушный и трубопроводный. В свою очередь, сухопутный транспорт представлен автомобильным, железнодорожным и гужевым, а водный — речным и морским. В России создана разветвленная сеть трубопроводного транспорта, состоящая из магистральных нефтепроводов, нефтепродуктопроводов и газопроводов, которые проходят по территории большинства субъектов Российской Федерации;
• б) по характеру перевозок транспорт подразделяется на грузовой и пассажирский;
• в) по назначению транспорт подразделяется на транспорт:
  • • общего пользования, обслуживающий сферу обращения товаров и население;
  • • ведомственного пользования — производственный, перемещающий грузы и людей в пределах производственной территории;
  • • личного пользования — легковые автомобили, мотоциклы, велосипеды, лодки, яхты и др.

Дадим краткую характеристику основным видам транспорта, используемого в нашей стране и мире.

Железнодорожный транспорт, разновидность рельсового транспорта, играет важную роль в функционировании и развитии товарного рынка страны, в удовлетворении потребности населения в передвижении. В настоящее время именно железные дороги являются основным звеном транспортной системы России и большинства стран СНГ. Особая роль железных дорог на просторах нашей страны определяется большими расстояниями перевозок, отсутствием внутренних водных путей в главных сообщениях Восток — Запад, прекращением навигации на реках в зимний период, удаленностью размещения основных промышленных и аграрных центров от морских путей. В связи с этим на долю железнодорожного транспорта приходится почти половина всего грузооборота и пассаж и рооборога страны.

Железные дороги в наши дни имеют массу несомненных преимуществ — высокую надежность, круглогодичность использования, большую грузоподъемность, относительно высокую скорость перемещения грузов. Серьезным успехом стало введение в оборот контейнеров, которые резко сократили время на перевалку «вагон — морское судно». На сегодняшний день наибольшей суммарной протяженностью железных дорог в мире обладают США, а самой густой сетью (км/км² территории) — Германия.

Новый период в истории железных дорог связан с началом эксплуатации скоростных железных дорог. Сначала в Японии, а затем в Европе, Китае была создана система скоростных железных дорог, допускающих движение поездов со скоростями до трехсот километров в час. Кроме того, рельсовый транспорт остается незаменимым для жителей крупных городов — мегаполисов, ибо по-прежнему велика роль пригородных железных дорог и метрополитена, выполняющих там основной пассажирооборот. В некоторых городских районах трамвай (в том числе скоростной) остается ведущим, любимым видом общественного транспорта. Скоростные пассажирские поезда типа «Сапсан» появились и в России, в ОАО «Российские железные дороги» планируют все шире использовать их для перевозки пассажиров. В связи с планируемым проведением чемпионата мира по футболу в 2018 г. в России намечено строительство сети высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ).

Вторым по важности для нашей страны видом наземного транспорта является автомобильный транспорт, перевозящий грузы и пассажиров по безрельсовым дорогам или без дорог. Автомобили используют двигатели внутреннего сгорания либо электрические двигатели. В наше время автомобильный транспорт является самым массовым по численности, хотя в историческом плане — самым молодым. Преимуществами автомобильного транспорта являются способность доставлять пассажиров и грузы «от двери до двери» без пересадок и перевалки, высокие маневренность, гибкость, скорость. Грузовые автомобили перевозят практически любые грузы, они вполне конкуренты с железной дорогой при перевозке ценных грузов, для которых критична скорость доставки. Современные междугородные автобусы отличаются повышенным комфортом, в междугородном сообщении на средних расстояниях они вполне конкурентоспособны с железной дорогой.

Водный транспорт подразделяется на речной (внутренний водный транспорт) и морской (осуществляющий перевозку пассажиров и грузов судами по акватории океанов и морей). Водный транспорт — один из древнейших видов транспорта. Главным преимуществом речного транспорта является низкая себестоимость перевозок. Только благодаря ей, невзирая на малые скорости движения (10—20 км/ч) и сезонность работы, он продолжает сохранять конкурентоспособность в транспортной отрасли. По внутренним водным путям (естественным — рекам и озерам и искусственным — каналам) речными судами транспортируются в основном массовые грузы, перевозка которых не требует высокой скорости — это строительные материалы (песок, щебень, цемент), зерно, лес, уголь, руда, а также нефть и нефтепродукты.

В то же время доля речного транспорта в перевозке пассажиров очень низка. Связано это не только с сезонностью его работы, но и с тем, что стоимость перевозок скоростными судами (на подводных крыльях, на воздушной подушке) относительно высока.

Следует отметить также важнейшую роль водного транспорта для доставки грузов и пассажиров в труднодоступные районы нашей страны, с которыми отсутствует автомобильное и железнодорожное сообщение (например, знаменитый «северный завоз»).

Кроме наземных и водных видов транспорта, свою нишу в транспортной отрасли занимает воздушный транспорт — самый быстрый и одновременно самый дорогой вид транспорта. Его воздушные суда осуществляют перевозки пассажиров (в основном на расстояния свыше тысячи километров), почты и грузов, причем вклад последней составляющей очень незначителен из-за дороговизны. Главным преимуществом воздушного транспорта является существенная экономия времени, обеспечиваемая высокой скоростью полета — и это соображение, невзирая на серьезные финансовые издержки, часто является решающим при выборе вида транспортного средства. Кроме того, во многих труднодоступных районах (в горах, районах Крайнего Севера) воздушному транспорту просто нет альтернатив.

Экономические показатели трубопроводного транспорта — наилучшие в отрасли, себестоимость перемещения одной тонны груза здесь самая низкая, ниже, чем у речного. Количество обслуживающего персонала также минимально.

К числу недостатков трубопроводного транспорта следует отнести его избирательность по отношению к характеру перемещаемых грузов. Для магистральных трубопроводов это либо жидкости (вода, нефть и нефтепродукты, спирт), либо газы (воздух, природный газ, аммиак и др.). Хотя в локальном масштабе, на уровне отдельного предприятия по трубам могут перемещаться твердые (пневмопочта или мусор) либо сыпучие материалы (пневмотранспорт муки, цемента или древесных опилок и т. п.). Кроме того, на небольшие расстояния по трубопроводам перекачиваются двухфазные среды (например, пульпа). Движение материала по трубе происходит под действием разности давлений, которая создается насосами или компрессорами.

Роль трубопроводного транспорта для современной России чрезвычайно велика. Дело в том, что в экспорте ее товаров на сегодняшний день по-прежнему преобладает сырьевая составляющая — нефть, природный газ, лес. Первые две группы товаров доставляются потребителям преимущественно по системе магистральных нефтеи газопроводов.

Загрязнение атмосферного воздуха. Одними из главных виновников ухудшения качества атмосферного воздуха в современных городах являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), являющиеся «сердцем» автомобилей, тепловозов, речных и морских судов. Несколько иначе устроены современные авиационные двигатели, но и в них механическая энергия получается за счет тепла от сжигания углеводородного топлива. При этом среди всех видов транспорта именно автомобиль является основным загрязнителем атмосферного воздуха, и вот почему:

• • во-первых, по тоннажу (величине валовых выбросов). Совершенно очевидно, что численность автомобилей несравнима с количеством тепловозов, теплоходов, самолетов и вертолетов. И хотя как мощность, так и расход топлива у типичного автомобильного мотора меньше аналогичных показателей тепловозов и самолетов, величина валового выброса загрязняющих веществ от автомобильного «поголовья» многократно превышает выброс прочих видов транспорта с двигателями внутреннего сгорания. В России немало городов, где именно автотранспорт занимает первые строки рейтингов главных загрязнителей атмосферы;
• • во-вторых, в связи с тем, что выхлопные трубы автомашин находятся непосредственно в зоне дыхания человека.

Кроме того, если наиболее экологически грязные производства расположены, как правило, в относительной удаленности от жилых районов, то автотранспорт и человек в наши дни нераздельны. И все чаще в этой паре именно автомобиль доминирует, заставляя человека приспосабливать свое жизненное пространство под нужды автомобиля.

Как известно, двигатели внутреннего сгорания делятся на два основных типа: а) двигатели с принудительным зажиганием — двигатели Отто (карбюраторные и инжекторные); б) двигатели с воспламенением от сжатия — двигатели Дизеля (дизельные). Двигателями Дизеля оснащены наиболее мощные транспортные средства: морские и речные суда, тепловозы, тракторы и сельскохозяйственная техника. Дизельные двигатели устанавливаются и на легковых автомобилях, хотя преобладающим типом моторов, по крайней мере в России, для них остается двигатель Отто в его современной инжекторной версии. Мотор Отто работает на бензине, дизельный — на дизельном топливе, «солярке».

С отработавшими газами ДВС в атмосферный воздух поступают загрязняющие вещества сотен наименований, причем состав отработавших газов этих двух типов моторов несколько различается. Перечислим основные компоненты отработавших газов:

• • оксиды азота NO_v (N₂0, NO, No₂);
• • оксид углерода СО;
• • диоксид углерода С0₂;
• • углеводороды СН_Л. (от метана до полициклических ароматических углеводородов);
• • альдегиды, кетоны, перекисные соединения;
• • сажевый аэрозоль (сажа) — только в выбросах дизельных двигателей;
• • диоксид серы (S0₂).

Для двигателя Отто с хорошо отрегулированным режимом работы охлаждение горючей смеси стенками камеры сгорания является одной из основных причин неполного сгорания топлива. Это, в свою очередь, ведет к выбросу несгоревшего топлива (составляющего до одного процента от его общего расхода), вследствие чего в атмосферу поступает более 400 видов углеводородов. Поверхностный эффект переохлаждения на стенках камеры приводит к появлению еще одного продукта неполного сгорания топлива — оксида углерода. Оксид углерода образуется как в нереобогащенной смеси из-за недостатка кислорода, так и в сильно обедненной — из-за неполного распространения пламени.

Оксиды азота образуются при газофазных реакциях в камере сгорания, их количество определяется температурой и соотношением «топливо — воздух». Механизм образования NO_v описывается тремя уравнениями Зельдовича:

Оксиды азота образуются в горячих продуктах реакции, по окончании процесса воспламенения. Наибольшая эмиссия оксидов азота при работе ДВС характерна для обедненных топливно-воздушных смесей, так как в них имеется некоторое количество избыточного кислорода при относительно высоких значениях температуры горения.

Дизельные двигатели также выбрасывают с отработавшими газами углеводороды, СО, S0₂ и NO_v, однако к этим веществам добавляется сажевый аэрозоль. Учитывая, что дизельные двигатели работают при больших коэффициентах избытка воздуха (1,4—1,7), содержание СО и углеводородов в их отходящих газах существенно ниже, а содержание оксидов азота выше, чем у двигателей Отто. Углеводороды образуются в низкотемпературных зонах камер сгорания (у стенок), где пламя гасится и сгорания не происходит.

Сажевый аэрозоль состоит из частиц углерода и тяжелых (жидких) углеводородов. Повышенная токсичность выбросов двигателя Дизеля обусловлена именно адсорбированными на поверхности сажевых частиц полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), многие из которых канцерогенны. Работа обоих типов ДВС сопровождается выбросом диоксида серы (сернистым ангидридом), что обусловлено довольно высоким содержанием серы в отечественном моторном топливе. Хотя следует отметить, что в лучших его марках, например, в дизельном топливе марок «Евро-4» и «Евро-5», содержания серы снижено в десятки раз.

На величину выбросов мотора существенно влияет его техническое состояние:

• • в процессе старения двигателя его выбросы увеличиваются;
• • при износе поршневых колец увеличивается прорыв газов через них;
• • система зажигания, работающая в нештатном режиме, может способствовать увеличению выброса углеводородов.

Отработавшие газы — не единственный источник загрязнения атмосферы автомобилем. Следует учитывать еще и пары топлива, испаряющегося из топливного бака. В основном это касается бензина, поскольку упругость паров дизельного топлива существенно ниже, поэтому испаряется оно относительно слабо.

Несколько иначе дело обстоит с загрязнением атмосферы самолетами. Существует как международный стандарт на выбросы (эмиссию) вредных веществ от авиационных двигателей в виде Пр иложения к Конвенции о международной гражданской авиации, так и специальные авиационные правила АП-34 «Охрана окружающей среды. Эмиссия загрязняющих веществ авиационными двигателями. Нормы испытания. Авиационные правила. Часть 34», утвержденные в 2003 г. Межгосударственным авиационным комитетом (МАК) стран СНГ.

В основе АП-34 лежат Федеральные авиационные правила США. Часть 34. Требования к сливу топлива и эмиссии выхлопных газов для самолетов с турбинными двигателями (FAR-34) и положения Приложения 16 к Конвенции ИКАО о международной гражданской авиации «Охрана окружающей среды, том II — Эмиссия авиационных двигателей» (2-е изд., июль 1993 г.) с последующими изменениями, а также новые требования по газовой эмиссии, принятые ИКАО в 1999 г.

В настоящее время в выбросах нормируется выброс следующих загрязняющих веществ:

• • несгоревших углеводородов (СИ);
• • оксида углерода (СО);
• • оксидов азота (NO_v);
• • дыма (сажи, С).

Кроме этого запрещается преднамеренный выброс топлива в атмосферу в зоне аэропортов. Страны Европейского союза (ЕС) проводят более жесткую, чем ИКАО (Международное агентство гражданской авиации), политику по защите окружающей среды от загрязнения авиацией.

Некоторые европейские страны (например, Швеция, Швейцария, Норвегия), не дожидаясь окончательных решений ИКАО по эмиссии загрязняющих веществ, ввели национальные штрафные санкции за сверхнормативные выбросы авиадвигателей.

Радикально повысить экологичность транспорта позволит переход на использование альтернативных видов топлива, например водорода. Моторы современного водородного транспорта, наряду с применением водорода в качестве топлива, используют еще и водородные топливные элементы. Топливный элемент — это электрохимический генератор, т. е. устройство, обеспечивающее непосредственное преобразование химической энергии в электрическую.

Подобный процесс происходит и в обычных аккумуляторных батареях, топливный элемент отличается от них двумя обстоятельствами:

• • во-первых, он действуют до тех пор, пока топливо и окислитель подаются из внешнего источника;
• • во-вторых, химический состав электролита в процессе работы топливного элемента не изменяется, поэтому он не нуждается в перезарядке.

Первые топливные элементы имели жидкий электролит, позже были разработаны их модификации с ионообменной мембраной и твердым электролитом. Коэффициент полезного действия топливных элементов несколько выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Экологичность водородного транспорта очевидна, поскольку в его выбросах отсутствуют углеводороды, оксиды углерода и серы, имеются лишь пары воды и оксиды азота (к сожалению, неустранимый компонент выбросов ДВС, поскольку при высоких температурах в его цилиндрах азот окисляется кислородом воздуха).

Широкому распространению водородного транспорта мешает отсутствие соответствующей транспортной инфраструктуры (водородных заправочных станций). Так, к концу 2008 г. во всем мире функционировали лишь около двухсот автомобильных водородных заправочных станций (АВЗС). В настоящее время во многих странах реализуются программы создания такой инфраструктуры. Например, в Соединенных Штатах Америки и Канаде это проекты:

• • водородное шоссе (штат Калифорния) — строительства 200 АВЗС на главных шоссе штата;
• • Hi Way Initiative — водородное шоссе (штат Нью-Йорк);
• • 2Н2 — водородное шоссе (штат Иллинойс);
• • водородное шоссе Флориды;
• • водородный коридор — 900 км автодорог канады между Монреалем и Виндзором.

Аналогичные проекты приняты в Европе в 2006 г. рядом компаний с мировым именем {Shell, Total France, BMW Group, Daimler AG, Ford Motor Company, General Motors Europe AG, MAN Nutzfahrzeuge AG и Volkswagen AG) был принят план развития водородной инфраструктуры дорожного транспорта в Европе. Европейцы подошли к реализации этого амбициозного проекта основательно — план состоит из трех этапов, включает научнотехнологические разработки, пилотную апробацию в нескольких городах и регионах и широкое коммерческое использование на завершающем этапе.

Водородные двигатели находят свое применение не только в автомобилях, но и на речных судах, а также в авиации (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Самолет Боинг с мотором на водородных топливных элементах.

Еще одной альтернативой двигателю, работающему на углеводородном топливе, для использования в качестве автомобильного мотора является электродвигатель. Автомобили с электрической силовой установкой называются электромобилями, т. е. автомобилями, приводимыми в движение одним или несколькими электродвигателями с питанием от аккумуляторов или топливных элементов.

С экологической точки зрения электромобили за явным преимуществом превосходят автомобили с ДВС ввиду абсолютного отсутствия выхлопных газов, а также существенно меньшей шумности. Однако их главной слабостью на сегодняшний день является отсутствие удовлетворительных источников тока для их электромоторов — современные аккумуляторы и топливные элементы не могут обеспечить электромобилям запас хода, превышающий несколько десятков километров. По этой причине электромобили пока могут использоваться лишь как городской транспорт и непригодны для междугороднего сообщения.

С целью преодоления этого недостатка был разработан так называемый гибридный автомобиль, приводимый в движение системой «ДВС + генератор + аккумулятор + привод». Обычно используется связка «электрический аккумулятор + электрогенератор + электропривод колес», хотя возможны и другие варианты, например: «ДВС + пневмоаккумулятор + пневмопривод». Главная идея гибридного автомобиля заключается в повышении КПД и минимизации экологического ущерба. В настоящее время выпуск гибридных автомобилей освоили многие ведущие автомобильные компании, особенно продвинулись в этом направлении японцы, однако цена таких автомобилей пока существенно выше, чем традиционных (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Honda Civic Hybrid, 2006.

Говоря о трубопроводном транспорте, следует отметить характерные для него источники загрязнения атмосферы:

• • утечки газа через негерметичные соединения;
• • продукты сжигания попутного нефтяного газа в факелах;
• • выбросы при работе газоперекачивающих агрегатов, работающих на природном газе;
• • а также аварийные выбросы (при разрыве газопроводов, горении проливов нефти и нефтепродуктов и т. д.).

Шум. Наряду с загрязнением атмосферы, сопровождающим работу любых ДВС, еще одним негативным фактором современного транспорта является шум. «Акустическое загрязнение» окружающей среды автотранспортом характерно для всех крупных городов. Однако в еще худшей ситуации оказывается население, проживающее вблизи аэропортов. Рев двигателей пролетающих самолетов порой столь силен, что сказывается на состоянии их здоровья. Известны прецеденты, когда суды по жалобам населения выносили решения, обязывающие владельцев аэропортов переносить взлетно-посадочные полосы с тем, чтобы уменьшить уровни шума в жилых домах.

Загрязнение транспортом объектов гидросферы. Рассмотрение транспортной отрасли как загрязнителя водных ресурсов начнем с автомобильного транспорта. Основное загрязняющее вещество, поступающее как в поверхностные водные объекты, так и в подземные воды, источником которого является автомобиль, — это нефтепродукты. Нефтепродуктами загрязнены не только моечные сточные воды, но и талый и дождевой сток с поверхности стоянок автотракторной техники, автомобильных заправочных станций, проезжей части автодорог. Несмотря на то что современные мойки автомобилей оборудованы оборотными системами водоснабжения и эффективными очистными устройствами, а ливневые сточные воды АЗС и крупных автостоянок перед сбросом в канализационные сети подвергаются очистке, свести к нулю концентрацию нефтепродуктов в сточных водах не удается.

Вторыми по значимости загрязняющими веществами являются тяжелые металлы, содержащиеся в отработавших газах ДВС. Адсорбируясь на аэрозольных частицах, тяжелые металлы вымываются из атмосферы осадками либо под действием сил гравитации оседают на земную поверхность. В дальнейшем соединения тяжелых металлов непосредственно с поверхностным стоком поступают в водные объекты, а их водорастворимые соединения диффундируют с земной поверхности в подземные водные горизонты.

Воздействие железнодорожного транспорта на объекты гидросферы аналогично и выражено несколько слабее, чем у автотранспорта.

Авиационный транспорт. Как правило, аэропорты устраиваются на открытых и выровненных территориях на значительном расстоянии от населенных пунктов, природных территорий с особым статусом охраны, природных водоемов. Учитывая, что прямое использование воды из природных источников, а также сброс в них сточных вод при эксплуатации аэропортов обычно не практикуется, загрязнение природных водных объектов возможно лишь во время паводка и ливней при попадании загрязненных вод во временные ручьи, впадающие в овражно-балочную сеть территории.

На окружающей аэропорты территории загрязнение подземных вод нефтепродуктами происходит в основном за счет утечки жидкого топлива при заправке самолетов, а также вследствие технических ошибок при его транспортировке и храпении. Ситуация усугубляется тем, что авиационный керосин способен проникать на большую глубину — зафиксированы случаи, когда его следы были обнаружены на глубине нескольких сотен метров!

Крупные отечественные аэропорты имеют собственные системы водоснабжения и водоотведения, однако не везде они способны обеспечить нормативную потребность в воде питьевого качества. Весьма актуальной для аэродромных служб проблемой остается организация отвода, очистки и сброса поверхностного стока (загрязненных дождевых, талых, топливно-моечных вод) с искусственных покрытий аэродромов. На их поверхности скапливается смесь, состоящая из пыли, продуктов сгорания топлива, частиц стирающихся шин и других веществ. Вместе с дождевыми потоками она попадает в водоемы. Современным оборудованием для очистки сильно загрязненных дождевых и талых вод оснащена лишь часть крупных аэропортов России, в основном такие воды отводятся без очистки на рельеф местности.

Говоря об объектах транспортной инфраструктуры, следует упомянуть нефтебазы. Хранение моторного топлива (автомобильных бензинов, авиационного керосина, дизельного топлива), автомобильных и авиационных масел представляет собой серьезную угрозу загрязнения нефтепродуктами объектов окружающей среды, поскольку ни одно другое загрязняющее вещество не может сравниться с нефтепродуктами по широте распространения, величине нагрузок на экосистемы.