Загрязнение окружающей среды. 11

Вступление. 

      На  всех стадиях своего развития человек  был тесно связан с окружающим миром.  Но с тех пор как появилось  высокоиндустриальное общество,  опасное  вмешательство  человека   в  природу резко усилилось,  расширился объём этого  вмешательства,  оно стало  выражать разнообразные проявления  и  сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.  Расход невосполнимых  видов  сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики,     так на них строятся города и заводы.  Человеку приходится все больше вмешиваться  в  хозяйство  биосферы  - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время  подвергается  нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее  существенных процессов, любой  из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

      Наиболее  масштабным  и  значительным  является  химическое загрязнение среды несвойственными  ей  веществами  химической природы. Среди  них - аэрозольные и газообразные  загрязнители промышленно-бытового происхождения.  Прогрессирует и накопление углекислого  газа в атмосфере.  Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную  тенденцию  в  сторону повышения среднегодовой температуры на планете.

      Вызывает  тревогу у экологов   и продолжающееся загрязнение Мирового  океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать  существенные нарушения  газо-  и водообмена между гидросферой и атмосферой.    Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы.  В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере. 
 

1.Объекты и источники загрязнения окружающей среды.

 Загрязнением  в узком смысле считается привнесение  в какую-либо среду новых, не  характерных для неё физических, химических и биологических агентов  или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде.

      Непосредственными объектами загрязнения  (акцепторами загрязняющих веществ)  служат основные компоненты экотопа  (местообитание биотического сообщества): атмосфера, вода, почва. Косвенными  объектами загрязнения (жертвы загрязнения) являются составляющие биоценоза – растения, животные, микроорганизмы.

        Источники загрязнения весьма  разнообразны: среди них не только  промышленные предприятия и теплоэнергетический  комплекс, но и бытовые отходы, отходы животноводства, транспорта, а также химические вещества, намеренно вводимые человеком в экосистемы для защиты полезных продуцентов от вредителей, болезней и сорняков.

    Среди ингредиентов загрязнения – тысячи химических соединений, особенно металлы  и оксиды, токсические вещества, аэрозоли. Разные источники выбросов могут быть одинаковыми по составу и характеру загрязняющих веществ. Так, углеводороды поступают в атмосферу и при сжигании топлива, и от нефтеперерабатывающей, и от газодобывающей промышленности.

    Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид (главным образом микроорганизмы), подающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации – предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

    Различают антропогенные загрязнители, разрушаемые  биологическими процессами и неразрушаемые  ими (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому  быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты веществ, а потому разрушаются организмами в пищевых цепях.

    Загрязнения окружающей среды подразделяют на природные, вызванные какими-то естественными, обычно катастрофическими причинами (извержение вулкана, селевой поток и т.п.), и антропогенные, возникающие в результате деятельности людей.

    Среди антропогенных выделяют загрязнение  биологическое – случайное или  благодаря деятельности человека; механическое – засорение среды агентами, оказывающими лишь механическое воздействие без физико-химических последствий; химическое – изменение естественных химических свойств среды, в результате которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени, или проникновение в среду веществ, нормально отсутствующих в ней или в концентрациях, превышающих норму.

    Загрязнение физическое подразделяется на: 1) тепловое (термальное), возникающее в результате повышения температуры среды  главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов и воды; 2) световое – нарушение естественной освещённости местности в результате воздействия искусственных источников света, приводящее к аномалиям в жизни растений и  животных; 3) шумовое, образующееся в результате увеличения интенсивности и повторяемости шума сверх природного уровня; 4) электромагнитное, появляющееся в результате изменения электромагнитных средств среды (от линии электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых некоторых промышленных установок и т.п.), приводящее к глобальным и местным геофизическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах; 5) радиоактивные, связанные с превышением естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.

    Загрязнение микробиологическое (микробное) – появление  необычно большого количества микроорганизмов, связанное с массовым их размножением на антропогенных субстратах или  средах, изменённых в ходе хозяйственной  деятельности человека.

    С экологических позиций загрязнение означает непросто внесение в атмосферу, почву или воду тех или иных чуждых им компонентов. В любом случае объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз. Кроме того, избыток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов, поскольку вредные вещества по сути дела и есть экологические факторы. Следовательно, режим этих факторов (или их состав) отклоняется от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы иного обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биогеоценоза в целом. Таким образом, с экологической позиции загрязнению можно дать следующее определение: загрязнение окружающей среды есть любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушается или снижается её продуктивность.

    Загрязнение среды – сложный многообразный  процесс. Отходы производств оказываются  обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и  способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав в ткани живого организма, или активно окисляться на воздухе. Понятно, что такие вещества оказываются ядами по отношению ко всему живому.

1.1. Основные загрязняющие вещества. 

      В основном существуют три основных  источника  загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем, загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное  производство. Источники загрязнения - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия,  особенно цветной металлургии, которые выбрасывают  в  воздух  оксиды  азота,  сероводород,  хлор, фтор,  аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути  и мышьяка;  химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в  воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ,  работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

      Атмосферные загрязнители разделяют на первичные,  поступающие непосредственно  в  атмосферу, и  вторичные,  являющиеся  результатом превращения последних.    Так, поступающий в атмосферу  сернистый газ окисляется до  серного ангидрида,  который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты.  При  взаимодействии серного ангидрида  с  аммиаком  образуются кристаллы сульфата аммония.

      Подобным  образом, в результате химических,  фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами                          и компонентами атмосферы,  образуются  другие  вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70%  ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными   примесями  пирогенного  происхождения  являются следующие: 

а) Оксид углерода.  Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.  В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т.  Оксид углерода является соединением,  активно реагирующим  с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. 

б) Сернистый  ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или  переработки  сернистых  руд (до 170 млн. т. в год).  Часть  соединений  серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество  выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 %  от общемирового выброса. 

в) Серный  ангидрид. Образуется  при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является  аэрозоль или раствор серной  кислоты  в дождевой воде,  который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.  Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой  влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее  11 км.  от таких предприятий,  обычно  бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной  кислоты.  Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. 

г) Сероводород  и сероуглерод.  Поступают в атмосферу  раздельно        или  вместе с другими соединениями серы.  Основными источниками выброса являются предприятия  по  изготовлению  искусственного волокна,  сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы.  В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. 

д.) Оксилы  азота.  Основными  источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения,  азотную кислоту и нитраты,  анилиновые красители,  нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид.  Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в  год. 

е) Соединения фтора.  Источниками  загрязнения  являются предприятия по производству алюминия,  эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в  атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия         и кальция. Соединения характеризуются токсическим  эффектом.  Производные  фтора  являются сильными инсектицидами. 

ж) Соединения  хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих  соляную  кислоту,  хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.  В атмосфере встречаются как примесь  молекулы хлора  и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.  В металлургической промышленности при  выплавке  чугуна  и  при  переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых  металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц,  определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы,  свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода. 

1.2. Аэрозольное загрязнение атмосферы. 

Аэрозоли - это  твердые или жидкие частицы,  находящиеся  во взвешенном состоянии в воздухе.  Твердые компоненты аэрозолей  в  ряде случаев особенно опасны для  организмов,  а у людей вызывают специфические  заболевания.  В  атмосфере  аэрозольные  загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная  часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного  происхождения.  Большое  количество пылевых частиц образуется также в ходе  производственной деятельности людей.  Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже: 
 

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ  ПРОЦЕСС.

ВЫБРОС  ПЫЛИ, МЛН. Т/ГОД 

1.   Сжигание  каменного угля  93,600 

2.   Выплавка  чугуна   20,210 

3.   Выплавка  меди (без очистки) 6,230 

4.   Выплавка  цинка   0,180 

5.   Выплавка  олова (без очистки) 0,004 

6.   Выплавка  свинца   0,130 

7.   Производство  цемента  53,370  
 

      Основными источниками искусственных аэрозольных  загрязнения воздуха являются ТЭС,  которые потребляют  уголь высокой  зольности, обогатительные фабрики,  металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы.  Аэрозольные  частицы  от этих источников  отличаются большим разнообразием химического   состава. Чаще  всего  в  их составе обнаруживаются соединения   кремния, кальция и углерода,  реже - оксиды металлов: железа,   магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена,  мышьяка,  бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. 
 

      Еще большее разнообразие свойственно  органической пыли,  включающей алифатические  и  ароматические  углеводороды, соли кислот.  Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов,  в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

      Постоянными источниками аэрозольного загрязнения  являются  промышленные отвалы  -  искусственные  насыпи из переотложенного  материала, преимущественно вскрышных  пород,  образуемых  при   добыче полезных  ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности,  ТЭС.

      Источником  пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так,  в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых  веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли.

      Производство  цемента  и   других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.  Основные технологические  процессы этих производств  -  измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

      К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные,  включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации,  взаимодействуя  с  другими  атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией.  В  результате этих реакций образуются перекисные соединения,  свободные радикалы,  соединения углеводородов с оксидами азота и  серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных   газообразных и аэрозольных примесей    в приземном слое воздуха.

      Обычно  это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно  над  источниками газопылевой  эмиссии существует   инверсия - расположения слоя более холодного  воздуха под теплым, что препятствует  воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются   под слоем инверсии,  содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного   в природе фотохимического тумана. 

1.3. Фотохимический туман (смог). 

      Фотохимический  туман представляет собой  многокомпонентную  смесь газов и аэрозольных  частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога  входят  озон, оксиды азота  и серы,  многочисленные органические соединения перекисной природы,  называемые в совокупности фотооксидантами.

      Фотохимический  смог возникает в результате фотохимических  реакций при определенных условиях:  наличии в атмосфере высокой  концентрации  оксидов азота,  углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации  и  безветрия  или очень слабого  обмена воздуха в приземном слое при мощной и в  течение не менее суток повышенной инверсии.  Устойчивая  безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации  реагирующих веществ.

      Такие условия  создаются  чаще  в  июне-сентябре и реже зимой.   При  продолжительной ясной погоде солнечная  радиация  вызывает   расщепление  молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.  Атомарный кислород с молекулярным   кислородом дают озон.  Казалось бы,  последний, окисляя оксид   азота, должен снова превращаться в  молекулярный  кислород, а оксид азота - в диоксид.  Но этого не происходит. Оксид азота   вступает в реакции с олефинами выхлопных газов,  которые при   этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида  азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.

      Возникает циклическая реакция, в итоге  которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс  в  ночное время прекращается. В  свою очередь озон вступает в реакцию  олефинами.  В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана  оксиданты.  Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

      Такие смоги - нередкое явление над Лондоном,   Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы  и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм   человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских  жителей с ослабленным здоровьем. 

1.4. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК). 

      Приоритет в  области   разработки   предельно   допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР.  ПДК - такие концентрации, которые   на человека и его потомство прямого  или  косвенного воздействия,    не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а  также  санитарно-бытовых  условий  жизни  людей.

      Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми  ведомствами, осуществляется в ГГО (Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций  сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК,  а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами,  наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов  приводят  к  величине   концентраций сернистого ангидрида,  а затем суммируют.

      Максимальные  разовые концентрации основных  загрязняющих  веществ были наибольшими  в Норильске (оксилы азота и серы),  Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ).  Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими  веществами  находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации  характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами  зависит  от вида промышленности,  развитой в городе.  Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности,  то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха,  однако проблема снижения  выбросов  многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной. 
 

2. Химическое загрязнение  природных вод. 

      Всякий  водоем  или водный источник связан с окружающей его   внешней  средой.  На него оказывают влияние  условия формирования поверхностного или подземного водного стока,  разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное   строительство, транспорт,  хозяйственная и бытовая деятельность человека.  Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду,  классифицируют  по  разному,  в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

      Химическое  загрязнение представляет собой изменение  естественных   химических  свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли,  кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические  остатки,  поверхностно-активные  вещества, пестициды). 
 

2.1. Неорганическое загрязнение. 

      Основными неорганическими  (минеральными)   загрязнителями  пресных и  морских  вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.  Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном,  а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический  эффект  некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен     в таблице 3.1.

      Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным источникам инфекции водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапазон рН промышленных  стоков (1,0 - 11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0  или выше 8,0 ,  тогда как рыба в пресной  и  морской  воде может существовать только в интервале рН 5,0 - 8,5.  
 

      Среди основных источников  загрязнения  гидросферы  минеральными веществами и биогенными элементами следует упомянуть предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых  земель ежегодно вымывается около 6 млн. т солей. К 2000 году  возможно увеличение их массы до 12 млн. т/год.

      Отходы, содержащие ртуть,  свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится  далеко за пределы территориальных  вод. Загрязнение ртутью значительно  снижает первичную продукцию  морских экосистем,  подавляя  развитие фитопланктона. Отходы,  содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек.  Дальнейшая ее   миграция сопровождается  накоплением метиловой ртути и ее   включением в трофические цепи водных организмов.

      Так, печальную известность  приобрела  болезнь Минамата,  впервые обнаруженную японскими учеными у людей,  употреблявших в пищу рыбу, выловленную  в заливе Минамата, в который бесконтрольно  сбрасывали промышленные стоки  с  техногенной ртутью. 

2.2. Органическое загрязнение. 

      Среди вносимых в океан с суши растворимых  веществ, большое  значение для обитателей водной среды имеют  не  только  минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в  океан  органического  вещества  оценивается  в  300  -  380 млн. т/год. Сточные воды,  содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество,  пагубно влияют на состояние водоемов.  Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие                 или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества,  такие как сероводород, которые приводят к полному загрязнению воды в реке.  Наличие суспензий  затрудняют также проникновение света на глубину, и замедляет процессы фотосинтеза.

      Одним из основных санитарных требований,  предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества  кислорода.  Вредное действие оказывают все загрязнения, которые, так или иначе, содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно активные вещества - жиры,  масла, смазочные материалы - образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между  водой и атмосферой,  что снижает степень насыщенности воды кислородом. 

      Значительный  объем  органических  веществ, большинство  из которых не свойственно природным  водам, сбрасывается в реки вместе                с промышленными и бытовыми  стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах. Информация о содержании некоторых органических веществ в промышленных сточных водах предоставлена ниже: