Лекции по "Геоэкология"

Оборотно-повторная система водопользования – это один из путей экономии свежей воды и снижения расходов на очистку сточных вод. Очевидна необходимость полного прекращения сброса как очищенных, так и неочищенных сточных вод, т.к. водная среда неблагоприятна для обезвреживания стойких остаточных загрязнителей. Концепция приоритета очистных сооружений может быть разорительной для любого государства, т.к. по мере количественных изменений и качественного роста производства такие сооружения будут все дороже и сложнее. Главным направлением работ по борьбе с качественным истощением водных ресурсов является только прекращение сброса сточных вод. Обычно называют три пути к этой цели: создание безотходной, безводной и бессточной технологий.

Высшая форма безотходной технологии это применение технологических методов производства, при которых никакие вредные для природной среды отходы вообще не образуются.

Другой путь – создание комплекса предприятий с цепочечной, от одного к другому, схемой использования их отходов. Однако безотходная технология пока еще только разрабатывается.

Некоторые ученые считают, что безводная, или сухая, технология решит проблему расхода воды промышленными предприятиями и исключит образование сточных загрязненных вод. Однако при безводных технологических процессах происходит активное загрязнение атмосферы, а через нее и водных объектов. Реальным путем предотвращения поступления сточных промышленных вод в водоемы является применение оборотного водоснабжения. При этом состав сточных вод, образующихся на предприятиях, кондиционируется на таком уровне, чтобы они вновь могли применяться на том же предприятии.

Дальнейшее расширение замкнутых систем оборотного водоснабжения является основным направлением развития водного хозяйства ТЭС. Развиваются оборотные системы водоснабжения и в атомной энергетике.

Значительно снизить потери воды в водооборотном цикле помогает внедрение аппаратов воздушного охлаждения. Например, для ТЭС предлагаются особые аппараты, так называемые сухие градирни. В них отработанная тепловая вода охлаждается воздухом в замкнутом теплообменном аппарате. Потери воды на испарение при этом исключаются. Сухие градирни широко используются в теплоэнергетике. В России они установлены на ряде ГРЭС и АЭС. Эффективность работы сухих градирен может быть повышена, если использовать отходящий теплый воздух для обогрева теплиц. Широкое распространение аппараты воздушного охлаждения получили в США, Франции, Германии, Венгрии и других странах.

С целью рационализации водопользования в промышленности нередко используются очищенные городские сточные воды. Для восстановления качества сточных вод прибегают к использованию земледельческих полей орошения.

В большинстве отраслей промышленности постоянно ведется поиск водосберегающих технологий. Особенно сложно утилизировать сточные воды, методы очистки которых не разработаны или слишком дороги. Для этого осуществляется закачка сточных вод в подземные горизонты. Вскрывают один или несколько широко распространенных водоносных горизонтов, которые при достаточной мощности (7 – 10 м) и хорошей проницаемости могут обеспечить многолетнюю эксплуатацию установки. Пласт-коллектор должен быть хорошо изолирован от пресных или ценных минеральных вод.

Приемистость скважин для закачки бывает до 2000 – 5000 м3/сут. при давлении на устье в 5 – 10 атм. Если пласты или пласты-коллекторы представлены мелко трещиноватыми или слабо пористыми породами, то необходима тщательная подготовка сточных вод, обеспечивающая минимальное остаточное количество твердых частиц (от 2 до 10 мг/л в зависимости от соотношения размеров пор и частиц).

В России подземное захоронение сточных вод используется в нефтяной промышленности (закачка промысловых вод) и при анилино-красочном производстве.

Водоснабжение крупных городов часто требует создания сложных водохозяйственных систем, в которые входят каналы, водохранилища, подземное накопление вод и др. Экологические проблемы, связанные с такими мероприятиями, выходят за рамки управления городской средой, хотя все такого рода действия должны быть направлены на удовлетворение потребностей горожан и оптимизацию среды их обитания. Подтопление в городах связано с созданием водохранилищ, утечкой воды из городской сети, при строительстве мостов, каналов, зданий, подземных магистралей и др.

Загрязнение подземных вод в городах происходит главным образом в результате: 1) фильтрации загрязненных дождевых, талых и поливомоечных вод; 2) потери воды в системах канализации и очистных сооружениях и 3) проникновения в водоносные горизонты стоков с мест захоронения твердых отходов, а также с прилежащих полей, где применяются минеральные удобрения и ядохимикаты.

Другой причиной загрязнения подземных вод служит их частичное истощение. Происходящее при этом снижение напоров приводит к усилению питания эксплуатируемых водоносных горизонтов за счет перетекания из вышележащих горизонтов и подтягивания поверхностных вод. Так возникают химическое и бактериальное загрязнение подземных вод и их качественное истощение. Большая угроза качеству подземных вод в районах городов исходит от быстро растущих свалок.

3.3. Загрязнения  атмосферы городов

Над городами происходит существенное насыщение воздуха загрязняющими веществами. Это связано с огромными масштабами продуцирования и выброса антропогенных аэрозолей, углекислого газа и паров воды. Твердые, жидкие и газообразные вещества и аэрозоли, выбрасываемые предприятиями, образуются в основном от сжигания топлива в стационарных установках и в двигателях внутреннего сгорания.

Атмосферное загрязнение является ведущим в экосистеме городов. Оно наиболее интенсивно поглощается человеком во время дыхания. Например, свинец, поступающий с воздухом, абсорбируется кровью до 60%, из воды – лишь 10%, а из пищи –5%.

Главную роль в загрязнении атмосферы городов играет автотранспорт. Его доля в крупных городах превышает 80%; особенно опасны выбросы оксидов азота.

Большую роль в ухудшении качества воздуха играют мощные тепловые электростанции, работающие на пылевидном, низкосортном топливе. Универсальными загрязнителями атмосферного воздуха населенных мест являются домовые топки.

При сжигании углей (зольность от 1 до 15%) вынос золы в воздух может достигать 80 – 90% от ее общего количества. В составе летучей золы преобладают кремний, кальций, магний, алюминий, а содержатся в почти все элементы, кроме благородных газов.

Н.С. Касимов и А.И. Перельман ввели представление о коэффициенте эмиссионной нагрузки городов Е = Р/N, т. е. соотношении количества выбросов (Р) в атмосферу к численности горожан (М) за год. Величины коэффициентов, полученные для городов с различными видами промышленности, позволили им предложить ряд градаций.

L – до 0,3 т/чел. в год  – многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией;

М – 0,3 – 1 т/чел. в год – крупные города с нефтехимической и химической промышленностью и другие промышленные центры;

N – 1 – 2 т/чел. в год –  города с черной и цветной  металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью (Липецк, Нижний Тагил, Краснотурьинск, Ангарск и др.);

 Р – 2-3 т/чел. в год  – четыре города: Новотроицк, Красноперекопск, Череповец, Магнитогорск;

R – 3– 5 т/чел. в год –  только Темиртау (Е = 4,4);

S – >5 т/чел. в год –  уникальная нагрузка (Е = 12-13).

Данная разработка позволяет понять, сколь тяжело приходится в моменты наихудших атмосферных условий жителям городов с максимальными коэффициентами эмиссионной нагрузки. Однако в какие-то периоды люди в городах с очень сильно загрязненной атмосферой дышат чистым воздухом. Так, например, в Норильске, где сильные арктические ветры неделями не позволяют дымо-газовым эмиссиям лечь на город, и они уносятся в тундру и лесотундру. Важно и то, что Норильск – компактный город, а будь он растянутым как Воркута, то заводские выбросы чаще тревожили бы горожан.

Частицы пыли, присутствующие в воздухе городов, обычно имеют размеры от 1 – 2 до 20 – 40 мкм. Среди мелких частиц много сульфатных, а также содержащих свинец, мышьяк, селен, кадмий и цинк. В составе пыли присутствуют частички асбеста, поскольку его применяют в тормозных устройствах и механизмах сцепления транспорта. Между тем, этот удобный для промышленного использования силикат обладает канцерогенными свойствами.

В городах угарный газ (СО) в большей степени продуцируется автотранспортом. В крови СО соединяется с гемоглобином и образуется карбоксигемоглобин. Допустимое содержание последнего в крови 1 – 5%, но оно часто превышено, и это ведет к обострению сердечно-сосудистых заболеваний, в особенности стенокардии. По другим данным, уже при содержании карбоксигемоглобина в 2,5 – 4% нарушаются процессы мышления, а при его концентрации в 10% ослабевают реакции водителя на сигналы для управления автомобилем.

Сернистый ангидрид (SO2) в наибольшей степени выбрасывается предприятиями энергетики и промышленности при сжигании угля, нефти и мазута. В угле содержание серы обычно колеблется от 0,5 до 6%, в нефти и мазуте – от 0,5 до 3%. Практически отсутствует сера в природном газе, мало ее в торфе (до 1%), который также обладает низкой зольностью (2 – 6%).

Оксиды азота в соотношении примерно NО 90% и NО2 10% образуются из азота и кислорода воздуха в условиях высоких температур, которые достигаются в двигателях и топках при сжигании ископаемого топлива. В воздухе значительная часть NО преобразуется в гораздо более опасное соединение – NО2.

Двуокись азота (NО2) – газ с неприятным запахом. Даже при малых концентрациях, порядка 230 мкг/м3, треть людей ощущает его присутствие. Газ ослабляет способность глаз адаптироваться в темноте. Присутствие двуокиси азота в количестве всего 56 мг/м3 вызывает затруднение дыхания даже у здоровых людей, а для больных астмой и эмфиземой легких опасны и более низкие концентрации. NО2   действует на кровь подобно угарному газу и усиливает восприимчивость людей к инфекциям.

Загрязнение воздуха полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ) связано с работой автотранспорта, ТЭЦ, но особенно с действием таких предприятий, как нефтеперерабатывающие, металлургические, коксохимические и алюминиевые.

Серьезное загрязнение воздуха ПАУ фиксируется в ряде крупных городов России. Наибольшую опасность представляют: 1,2-бензатрацен (С|8Н12), 3,4-бензапирен (С20Н12), 1 – 2-бензапирен (С20Н12), 3,4-бензфлуорантен (С20Н14), 1,2,5,6-дибензатрацен (С22Н14), коронен (С24НН). Особенно опасен 3,4-бензапирен, называемый также бенз(а)пиреном и являющийся своего рода индикатором присутствия в смеси других канцерогенов. Попадая в дыхательные пути человека, ПАУ постепенно накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование злокачественных опухолей.

Обычным является превышение ПДК по бенз(а)пирену на крупных перекрестках и вблизи автомагистралей. ПДК бенз(а)пирена в воздухе населенных мест – 1 нг/м3, в воздухе рабочей зоны – 0,15 мкг/м3.

Бенз(а)пирен – наиболее известное вещество из группы ПАУ. Он образуется при нагревании органического материала в условиях недостатка кислорода и представляет собой желтоватые пластиночки или иголки, нерастворимые в воде. Этот канцероген присутствует в отработавших газах автомобилей, особенно с дизельными двигателями. Обнаруживается в дыме коптилен, в сигаретном дыме и в мясе, обжаренном на дыму.

Очень опасное загрязнение воздуха создают предприятия цветной металлургии, которые наряду с соединениями серы и азота выбрасывают различные соединения тяжелых металлов. В городах, где нет предприятий цветной металлургии, главной причиной высоких концентраций в воздухе цинка, кадмия, сурьмы и, возможно, серебра, олова и индия может быть работа мусоросжигательных заводов. Основная масса ядовитых соединений свинца выбрасывается в атмосферу автотранспортом, работающим на этилированном бензине, но в большинстве стран его использование запрещено.

Имеются указания на то, что и медь в городском воздухе появляется вместе с выхлопными газами автотранспорта. Особую природу имеет цинк. Он попадает в атмосферу городов из различных источников, но, несомненно значительная его часть поступает при изнашивании шин.

В некоторых городах отмечается повышенное содержание в атмосфере кадмия, который по токсичности уступает только ртути и свинцу. Наибольшее количество кадмия рассеивается в окружающую среду при его производстве и при переработке металлолома. Повышенные количества кадмия содержат выхлопные газы дизельных моторов.

В атмосфере происходит трансформация многих ингредиентов антропогенных выбросов, в результате чего образуются так называемые вторичные аэрозоли. Характер выпадения таких аэрозолей на города и примыкающие к ним территории зависит от динамики воздушных масс, осадков, а также от силы выброса загрязняющих веществ (наличие высоких труб) и архитектуры города с точки зрения ее приспособленности к очищающему действию ветров.

Загрязняющие вещества интенсивно удаляются ветром или осадками из воздуха городов и накапливаются в нем в безветренную погоду. Особенно плохо они рассеиваются при наличии тумана, когда концентрация поллютантов в приземном слое воздуха может многократно увеличиваться. Примерно такая же ситуация создается в условиях температурной инверсии воздуха, когда холодные воздушные массы застаиваются в крупных понижениях рельефа или на равнинных территориях.

Районами с высоким потенциалом загрязнения воздуха (по метеорологическим условиям) на зарубежных территориях являются Центральная Аляска, северо-восток Великих равнин, Калифорнийское побережье, приокеанические пустыни Атакама, Намиб, Западная Сахара; в России – почти вся Восточная Сибирь, Саяны, Алтай и Кольский полуостров.

Представление о том, как дымовые облака от промышленных предприятий городов распространяются на другие территории, дают наблюдения с летательных аппаратов. По фотографиям с них удалось проследить, например, как дымовое облако, образованное в Лос-Анджелесе, увлекалось бризами в глубь суши и проникало в соседние районы по горным долинам. Есть данные о смоге, возникшем 16 января 1955 г. над Лондоном и двигавшемся в направлении южного побережья Англии в виде облака шириной около 20 км и глубиной около 3,5 км.