Лекции по "Экологии"

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 20 Июня 2013 в 00:50, курс лекций

Описание работы

Лекция 1. Основы общей экологии 1.1
Формирование экологии как науки
Экология как научная дисциплина сформировалась в начале XX века, а в
качестве широкого научного направления стала рассматриваться только с середины
60-х годов минувшего столетия.
В буквальном переводе слово «экология» означает учение о «доме» (от
греческого «ойкос» - местообитание, жилище, дом и «логос» - учение). Впервые этот
термин и общее определение экологии было сделано немецким биологом Э. Геккелем
в 1866 г. В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал:
«Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы:
изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой,
как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или
враждебных отношений с теми животными и растениями с которыми он прямо или
косвенно вступает в контакт»

Скачать архив (1.83 Мб) Сколько стоит заказать работу?
Файлы: 1 файл

Основы экологии. Лекции.pdf

— 1.86 Мб (Скачать файл)
Page 1
Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический
университет
Кафедра охраны труда и окружающей среды
 Давиденко В. А.
Конспект
лекции по курсу:
«ОСНОВЫЭКОЛОГИИ»
для студентов всех
специальностей
Алчевск
2006
Page 2

Лекция 1. Основы общей экологии 1.1
Формирование экологии как науки
 Экология как научная дисциплина сформировалась в начале XX века, а в
качестве широкого научного направления стала рассматриваться только с середины
60-х годов минувшего столетия.
В буквальном переводе слово «экология» означает учение о «доме» (от
греческого «ойкос» - местообитание, жилище, дом и «логос» - учение). Впервые этот
термин и общее определение экологии было сделано немецким биологом Э. Геккелем
в 1866 г. В своем капитальном труде «Всеобщая морфология организмов» он писал:
«Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы:
изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей его средой,
как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных или
враждебных отношений с теми животными и растениями с которыми он прямо или
косвенно вступает в контакт». Как видно из приведенной цитаты Э. Геккель
рассматривал в качестве предмета экологии взаимоотношения животного с
окружающей средой, что к настоящему времени существенно изменилось.
В последние десятилетия изменился взгляд на экологию как на сугубо
естественную науку. В экологии стали прослеживаться два направления.
Представители одного из них - антропоцентрического - рассматривают человеческое
сообщество как новое царство, наряду с царствами минералов, растений и животных.
Представители другого - биоцентрического - включают людей с их деятельностью в
сферу интересов общей экологии. Они считают, что человек - млекопитающее,
подчиняющееся законам природы и его развитие идет параллельно с развитием
других организмов. При этом основой является то, что человек, получив
неограниченную власть над природой, сам является ее скромной составляющей
частичкой. Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности
населения, с огромным увеличением масштабов потребления энергии и невиданным
ранее научно-техническим прогрессом, которые чрезвычайно расширили
человеческие возможности воздействия на окружающую среду. Изменилось лишь
относительное значение этих законов, усложнилась их зависимость от человека.
Цивилизация по-прежнему продолжает зависеть от природы, и не только от
энергетических и материальных ресурсов, но и от таких жизненно важных процессов,
как, например, круговороты воздуха и воды в природе.
Рост общественного интереса оказал глубокое влияние на академическую
экологию. До 1970 года на нее смотрели, главным образом, как на один из разделов
биологии. Хотя и сейчас экология уходит своими корнями в биологию, она вышла за
ее рамки, переросла в новую интегрированную дисциплину, образующую мост между
естественными, техническими и общественными науками. На настоящий момент при
накопленном значительном экспериментальном и теоретическом материале экологию
необходимо рассматривать как комплексное научное направление, которое обобщает,
синтезирует данные естественных, технических и социальных наук о природной среде
и взаимодействии ее с человеческим обществом. Все большее признание приобретают
взгляды на экологию как науку об экосистемах и не только природных, но и
созданных человеком. Основным практическим результатом экосистемной концепции
 1
Page 3

явилось осознание необходимости перестройки экономики в соответствии с
экологическими законами. В соответствии с этим современная экология не только
изучает законы функционирования природных и антропогенных систем, но и
ищет оптимальные формы взаимоотношения природы и человеческого
сообщества.
Разработанные в экологии методы исследований могут быть использованы и в
других областях науки, что кстати успешно практикует и сама экология, широко
используя достижения физики, математики, химии, геологии, климатологии и других
дисциплин. Растет социальная роль экологических знаний, следствием чего является
взаимосвязь экологии с такими общественными дисциплинами, как правоведение,
экономика, политология, философия, социология и др.
Происшедшие в последние годы экологические катастрофы поставили
человечество перед выбором идеологии дальнейшего взаимоотношения с природой,
осознанием опасности экологического кризиса, катастрофических преобразований
планетарной системы. Предотвращение разрушения биосферы возможно только на
основе экологических знаний, которые помогают рационально эксплуатировать
природные ресурсы, управлять природными, аграрными, техногенными и
социальными системами. «И нет силы на Земле - писал В. И. Вернадский - которая
могла бы удержать человеческий Разум в его устремлении». Великий ученый верил,
что течение событий будущего может быть определенно волей и разумом человека,
планета вступит в новый этап развития экологии - ноосферу - эру, управляемую
человеческим разумом, гарантирующим прогрессивное развитие на основе
экологически грамотного использования и приумножения природных ресурсов. «В
истории биосферы перед мировым сообществом открывается огромное будущее, если
оно не будет употреблять свой разум и труд на самоистребления». Эти слова В. И.
Вернадского выдвигают на данном этапе развития общества основную задачу
современной экологии - найти пути управления природными, антропогенными
системами, человеческим обществом и биосферы в целом в соответствии с
законами природы, а не вопреки им, найти гармонию между экономическими и
экологическими интересами человека.
Экология - наука будущего и, возможно, существование жизни на Земле будет
зависеть от ее прогресса. К настоящему времени экология как наука может быть
подразделена по предмету изучения, основным объектам, средам и т. п.
Общая экология, которая иногда именуется глобальной экологией,
мегаэкологией, панэкологией, представляет собой науку, изучающую определенную и
необходимую для живого организма или фактора среды совокупность природных и
социальных явлений, предметов, организмов, оказывающих на них значительное
воздействие.
Аутэкология (аутоэкология) представляет собой раздел экологии, который
изучает особенности реагирования и взаимодействия видов живых организмов с
факторами окружающей среды. В настоящее время из аутэкологии в качестве
самостоятельной научной дисциплины выделилась популяционная экология,
предметом научных исследований которой является популяция живых организмов,
существующих в определенных условиях среды и под влиянием которых она
развивается и видоизменяется.
2
Page 4

Синэкология - это раздел экологической науки, который изучает
закономерности развития и существования сообществ живых организмов в
конкретных изменяющихся условиях среды обитания.
Среди экологических наук особое место занимает социальная экология, которая в
отличие от других имеет предметом исследования далеко еще неопознанную форму
существования живых организмов, а именно «социум». Такая форма существования
присуща только человеку, как живому существу, обладающего разумом и на его
основе создавшему специфическое надсообщество - человечество. Социальная
экология как научная дисциплина рассматривает взаимоотношения в глобальной
системе «человеческое общество - окружающая среда» и изучает взаимодействия и
взаимосвязи человеческого общества с природной средой и созданной техногенной
средой. Она разрабатывает научные основы природопользования, которые
предполагают повышение качества жизни человека в среде его обитания с
одновременным обеспечением сохранения природы.
Существенное место в развитии экологических наук отводится геоэкологии,
которая играет значительную роль в антропогенных воздействиях, в деградации
ландшафтов, в нарушении биогенных циклов.
В последнее время широкое распространение получили различные вариации
прикладной экологии, к которой относятся промышленная (инженерная) экология,
сельскохозяйственная экология, экология горного производства, строительная
экология и ряд других.
Прикладные аспекты экологической науки служат основой для развития
технической инженерной дисциплины, а именно охраны окружающей среды. Поле
деятельности охраны окружающей среды составляют инженерные мероприятия и
инженерные сооружения, направленные на сохранение природы и ее компонентов при
различных видах человеческой деятельности, на рекультивацию природной среды, на
восстановление живых организмов и т. п.
Особое место в цикле экологических наук занимает ноосферология, которая
изучает возможности формирования высшей стадии развития биосферы. Она связана с
возникновением и становлением цивилизованного общества, с периодом, когда
разумная деятельность человека станет определяющим фактором развития.
Ноосферология как наука находится в самом начале своего становления и имеет
предметом изучения возможность создания и управления единством человека и
природы в виде процесса ноогенеза, как конструктивной модели вероятного будущего
человечества.
Полная схема структуры экологических наук (Н. Ф. Реймерс) приведена на рис.1
Page 5

1.2. Основные аспекты охраны окружающей среды
 Как уже отмечалось, охрана окружающей среды является технической
(инженерной) составляющей экологической науки, базирующейся на прикладной
экологии. Охрана окружающей среды - не только практическая деятельность, но и
особая интегрированная наука. Ее главная цель - достижение гармонии между
человеком и природой, когда удовлетворение растущих потребностей общества в
естественных ресурсах сочетается с их сохранением и воспроизводством. В более
широком масштабе под охраной природной среды понимается система
государственных, общественных и международных мероприятий, направленных на
сохранение и качественное улучшение природных ресурсов в хозяйственных,
научных, культурных целях как отдельных стран, так и всего человечества.
Проблема охраны окружающей среды имеет целый ряд аспектов, основными из
которых являются: экологический, технико-экономический и социально-
политический.
Экологический аспект связан с защитой природной среды от загрязнения -
важнейшего фактора, лимитирующего жизнь и деятельность человека.
Загрязнение - это привнесение в природную среду или возникновение в ней
новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических
агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего
уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации вышеперечисленных
агентов в окружающей среде; увеличение количества этих агентов сверх недавно
наблюдавшейся нормы. Загрязнение может возникать в результате естественных
причин, например, извержение вулкана, лесные и торфяные пожары, пыльные бури и
т. п. (загрязнение природное) и под влиянием деятельности человека - загрязнение
антропогенное. Кроме того, выделяют первичные (непосредственно из источника)
загрязнения и вторичные (в ходе разложения первичных, или химических реакций с
ними). Еще различают стойкие (неразлагающиеся) загрязнения, которые
аккумулируются в трофических целях.
Особую опасность представляют антропогенные загрязнения, которые
отличаются значительным разнообразием и существенными темпами роста за
незначительный геологический период. Основные виды антропогенных загрязнений
окружающей среды представлены на рис. 2.
 4
Page 6

В соответствии с приведенной на рис. 2 классификацией все антропогенные
загрязнения подразделяются на четыре основные группы: физическое, химическое,
биологическое и эстетическое.
Физическое загрязнение связано с изменением физических, температурно-
энергетических, волновых и радиационных параметров окружающей среды. Так,
тепловое воздействие проявляется, например, в деградации вечной мерзлоты, со
связанными с зонами распространения вечномерзлых пород мерзлотными процессами
и явлениями (термокарст, солифлюкция, наледи и др.) и даже в изменении
структурных особенностей некоторых грунтов при высоких температурах (под
металлургическими и кирпичными заводами и т. п.) и условий жизни людей.
Источниками теплового загрязнения в городе служат: подземные газопроводы
промышленных предприятий (140 - 160°С), теплотрассы (50 - 150°С), сборные
коллекторы и коммуникации (35 - 45 °С) и т. д. К этой группе относятся воздействие
шума и электромагнитное излучение, причем источниками последнего служат
высоковольтные линии электропередач, электроподстанции, антенны радио - и
телепередающих станций, а в последнее время также микроволновые печи,
компьютеры, радиотелефоны. При длительном воздействии электромагнитных полей,
как отмечает Жигалин, даже у здоровых людей отмечается повышенная утомляемость,
головные боли, чувство апатии.
Химическое загрязнение - увеличение количества химических компонентов в
определенной среде, а также проникновение в нее химических веществ, которые ей не
присущи, или в концентрациях, превышающих обычную норму. Именно этот вид
загрязнений является наиболее опасным для природных экосистем и качества жизни
человека, в связи с тем, что он поставляет в природную среду различные токсиканты
(аэрозоли, тяжелые металлы, пестициды, детергенты, пластмассы и другие
химические вещества и соединения). По некоторым данным в настоящее время в
окружающей среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, причем их
перечень ежегодно пополняется еще примерно на 250 тыс. новых химических
соединений. Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными
свойствами, среди которых особенно опасны те, которые включены в «список
ЮНЕСКО», а это почти 200 наименований: бензол, бенз(а)пирен, пестициды (ДДТ,
элдрин, линдан и др.), асбест, тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.),
разнообразные красители и пищевые добавки. По данным Всемирной организации
здравоохранения (ВОЗ), в мире около 600 млн. человек подвергается воздействию
атмосферы с повышенной концентрацией диоксида серы и более 1 млрд. человек, т. е.
каждый шестой житель Земли, с вредной для здоровья концентрацией взвешенных
частиц (аэрозоли, пыль, сажа и др.).
Биологическое загрязнение - случайное или связанное с деятельностью
человека проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические
устройства, а также в природные экосистемы чуждых им растений, животных и
микроорганизмов (бактериологическое). Особенно загрязняют природную среду те
промышленные производства, которые изготавливают антибиотики, ферменты,
вакцины, сыворотки, кормовой белок, биоконцентраты и т. п., т. е. предприятия
микробиологической промышленности, при промышленном биосинтезе и
существующих технологиях, в выбросах которых присутствуют живые клетки
микроорганизмов. К биологическому загрязнению относят также преднамеренную
или случайную интродукцию или чрезмерную экспансию живых организмов. Это, к
 5
Page 7

примеру, известные переселения кроликов и овец в Австралию, пресноводной рыбы
ратана в водоемы Центральной России и др. Кроме того, в наличии в городах свалок и
несвоевременная уборка твердых бытовых отходов привели к численному росту
синантропных животных и птиц: крыс, голубей, ворон, насекомых.
Эстетическое загрязнение - это, как правило, связанное с деятельностью
человека преднамеренное или случайное изменение визуальных доминант природных
или антропогенных ландшафтов (строительство, горнодобывающая промышленность,
сельское хозяйство и т. п.). Практически всегда, во всяком случае до последнего
времени, эти действия создают сооружения или изменяют природные ландшафты в
значительных масштабах и главное «неадекватные» сложившимся визуальным
образам. Изменения визуальных доминант негативно влияют на параметры,
определяющие качество жизни человека, вызывая иногда даже психофизические
расстройства и другие изменения в здоровье людей.
Сведения о видах, составе, концентрации и распространении различных
загрязнений важны при определении допустимой нагрузки на окружающую
природную среду, обусловленной антропогенным фактором, и для прогноза
возможных изменений в среде.
Защита окружающей природной среды от загрязнения при коренном решении
экологического аспекта должна базироваться на принципах безотходного
производства. Загрязнение необходимо предотвращать путем осуществления
соответствующих организационно-технических мероприятий, применения более
совершенной техники и технологии, переработки отходов в процессе
производственного цикла, разумного использования всех компонентов
перерабатываемого сырья.
Промежуточной ступенью в борьбе с загрязнением является малоотходное
производство, когда неблагоприятное воздействие на окружающую среду не
превышает уровня, допускаемого санитарно-гигиеническими нормами, но по
технологическим, экономическим, организационным или другим причинам часть
сырья и материалов идет в отходы и направляется на длительное хранение или
захоронение.
Технико-экономический аспект проблемы охраны природной среды связан с
истощением природных ресурсов земного шара, несовершенством существующих
технологий их добычи, что приводит к значительным потерям полезных ископаемых,
высокой стоимостью и недостаточной эффективностью природоохранных
мероприятий, постоянным ростом демографической нагрузки (увеличение
народонаселения на планете) на природу, урбанизацией образа жизни человека.
Население планеты постоянно растет. Особенно бурный его рост
прослеживается, начиная с 1600 г. (гтс. 3). В настоящее время население Земли
Page 8

превысило 6 млрд. человек, а к 2010 г. - достигнет примерно 11-13 млрд. человек.
При этом следует отметить, что в конце прошлого столетия в богатых странах рост
населения замедлился, а в бедных - продолжает увеличиваться. Рекордсменом в этом
направлении остается Африка, где ежегодный прирост населения составляет 2,8 % (в 3
раза выше, чем в США), а в Кении он достигает 4,2 %. В Индостане прирост
населения - 2,5 %, на Ближнем Востоке - 2 % в год. Такой бурный рост
народонаселения потребует увеличения объемов промышленного производства,
выработки энергии, продуктов питания, что естественно усилит потребление
природных ресурсов.
Общество XXI века будет еще более «городским», а из 5 самых крупных
городов мира 3 будет находиться в странах «третьего мира»: Мехико (более 18 млн.
человек), Сан-Паулу, Калькутта. Это приведет скорее всего к «трущобной
урбанизации». Смягчить демографические проблемы сможет стабилизация
численности населения Земли. И некоторые страны уже проводят более или менее
жесткую политику регулирования рождаемости: в Китае разрешен один ребенок в
семье, в Индии - двое детей. Однако по данным Международного Банка
Реконструкции и Развития (МБРР), решительный поворот к сокращению рождаемости
в этих странах могут обеспечить только разумные социальные преобразования:
поднятие жизненного уровня, улучшение социального обеспечения, повышение
уровня образования и грамотности населения. Но даже при благополучной реализации
такого сценария демографическая проблема сохранит остроту и в XXI веке. К 2025 г.
население слаборазвитых стран составит 84 % всех жителей Земли, в то время как в
настоящее время - около 68 %. Следует отметить, хотя демографические проблемы и
глобальны, решение их не может быть стандартным для всех стран.
Социально-политический аспект охраны природы основан на существенной
разнице социально-экономического развития различных стран мире и идеологии
решения природоохранных проблем. Естественно, что более богатые и экономически
развитые государства имеют возможность использовать в промышленности
передовые, экологически чистые технологии, выделять больше средств на решение
экологических проблем, внедрять более надежные и эффективные природоохранные
мероприятия.
 1.3. Эволюция взаимодействия общества и природы
 В истории развития взаимодействия человека и природы, а вернее
человеческого общества и природы прослежуется несколько периодов, которые
характеризуются качественными отличиями.
На заре своей истории общество из-за своей малочисленности, ограниченности
потребностей, примитивного культурного уровня и даже страха перед силами
природы не могло нанести ей существенного вреда. Необходимые потребности
человека полностью удовлетворялись изъятием из природной среды незначительного
количества животных и растений, которые использовались для питания,
благоустройства жилища, обогревания и т. п. Загрязнение окружающей природной
среды первобытным человеком ограничивалось отходами жизнедеятельности и
примитивного хозяйства. Этот период от палеолита до неолита (от 2 млн. до 8 - 4 тыс.
лет до нашей эры) характеризуется использованием каменных приспособлений,
изделий из костей животных, гончарнойпосуды. Человек взаимодействовал с
 7
Page 9

природой как обычный биологический вид. Этот период зарождения
взаимодействия человека и природы можно отнести к стихийному. Человек в
основном использовал окружающие его ресурсы и практически не влиял ни на их
количество, ни на их качество и не мог оказать какого-либо ощутимого воздействия
на природу.
В эпоху неолита начинает развиваться рыболовство, охота, земледелие. На этот
период приходиться первый демографический взрыв, когда плотность населения на
Земле увеличилась в 10 раз. Этот второй исторический период - период
эмпирического использования природы - характеризуется стремительным развитием
производительных сил, использованием сил природы, полезных ископаемых,
развитием земледелия, скотоводства, возникновением ремесленичества, металлургии,
горного дела и др.
Особенно показательными в этот период являются средние века, во время
которых были изобретены порох, селитра, краски, кислоты и т. п. Начинают
развиваться естественные науки, техника, строительство, кораблестроение. Строятся
города, заводы, каналы, машины и механизмы, разрабатываются технологии.
Численность населения заметно возрастает и к 1600 году превышает 500 млн. человек.
Антропогенное влияние на природу становится все ощутимее. В отдельных
случаях природа уже не в состоянии залечить нанесенные ей повреждения. Так,
например, развитие скотоводства в древней Мессопотамии привела к опустошению
земель, интенсивное земледелие производилось до истощения почвы, полностью
уничтожаются отдельные виды животных, птиц и растений. В атмосферу выделяются
антропогенные продукты сгорания топлива: оксид и диоксид углерода, оксиды азота,
соединения серы и др.
В целом же в этот период влияние человеческого общества хотя и достигло
значительных масштабов, но еще не вызвало деградации природы, способность
окружающей среды к саморегулированию, самовосстановление природной среды пока
еще позволяет преодолевать нанесенный человеком ущерб.
Третий период - это инженерно-техническое преобразование природы: добыча
полезных ископаемых карьерным и подземным способами, металлургические,
химические, нефтеперерабатывающие заводы - гиганты, новые материалы и
вещества. Все это явилось следствием качественного скачка в развитии науки и
техники, приведшего к тому, что антропогенные воздействия по своему
значению для биосферы вышли на один уровень с естественными планетарного
масштаба. Преобразования ландшафтов в города и иные поселения человека,
в сельскохозяйственные угодья и промышленные комплексы охватили уже более 29
% территории земной поверхности. Объем перемещаемого
в процессе
производственной деятельности вещества в настоящее время на порядок выше
вовлеченного в естественные рельефообразующие процессы. Расход кислорода в
промышленности и на транспорте составляет в пределах всей биосферы порядка 10
% планетарной продукции фотосинтеза; в некоторых странах техногенное
потребление кислорода превышает его производство растениями. В наше время
антропогенное воздействие становится направляющей силой дальнейшей эволюции
экосистем.
В условиях экологического кризиса 50 - 70 г.г. минувшего столетия
потребительские концепции сменились озабоченностью человечества судьбой
биосферы, появились различные общественные движения, отражающие реакцию
людей на разрушение среды своего обитания. К концу XX века мир убедился, что
дальнейшее развитие экономики невозможно без охраны окружающей природной
 8
Page 10

среды. В то же время нельзя охранять окружающую среду, не развивая экономику.
Взаимосвязь экологии и экономики и является основой новой экологической
концепции. В развитие этой концепции в июне 1992 г. была проведена
Международная Конференция ООН в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и
правительств, которая так и называлась «Окружающая среда и развитие» (ОСР). В
конференции участвовали представители 180 стран. Итогом работы конференции
ОСР явилось принятие трех согласованных основополагающих документа, имеющих
историческое значение: Декларация РИО по окружающей среде и развитию;
Заявление о принципах глобального консенсуса и Повестка дня на XXI век, или
Повестка 21. Основным лейтмотивом, под которым проходила эта конференция,
было устойчивое развитие. Устойчивое развитие в соответствии с принятыми
документами конференции ОСР подразумевает: 1) право людей на здоровую и
плодотворную жизнь в гармонии с природой; 2) охрану окружающей среды как
неотъемлемую часть процесса развития; 3) удовлетворение потребностей в
благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущих поколений; 4)
уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между
бедными и богатыми в каждой стране; 5) совершенствование природоохранного
законодательства; 6) исключение моделей развития производства и потребления, не
способствующих устойчивому развитию.
Достигнуть
устойчивого
развития
можно
лишь
после
решения
беспрецедентных по масштабу социальных, экономических и экологических
задач. Путь этот длительный. По мере продвижения по нему представления
будут меняться, потребности людей - соизмеряться с возможностями
природы, средства удовлетворения потребностей - совершенствоваться. И только
для ранних этапов следует разрабатывать прогнозные и программные документы. На
следующем этапе должны осуществляться структурные преобразования в
экономике и экологизация всех сфер природопользования.
На последних этапах устойчивого развития решаются проблемы гармонизации
взаимодействия с природой всего мирового сообщества. В конечном счете
устойчивое развитие должно привести к победе разума во взаимоотношениях
Человека с Природой.
Page 11

Лекция 2. Биосфера - живая оболочка Земли
 Учение о биосфере было создано учеными за последние 100 - 150 лет.
Термин «Биосфера», сфера жизни в науках о Земле, предложил австрийский
геолог Э. Зюсс в 1875 г.
Учение о биосфере получило наиболее полное выражение в трудах
выдающегося ученого, академика В.И. Вернадского (1863 - 1944 г.г.). Он первый
подошел к деятельности живых организмов на планете с геохимических позиций,
установил закономерности изменения в составе основных ее частей под влиянием
жизнедеятельности организмов и раскрыл тесную связь эволюции этих геосфер с
эволюцией биосферы. «Человечество как живое существо непрерывно связано с
материально-энергетическими
процессами
определенной
геологической
оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть то нее
независимым ни на одну минуту». Эти слова Вернадского в полной мере
отражают суть биосферы.
 2.1 Общие сведения о биосфере
 Биосфера - «область жизни», представляет собой внешнюю оболочку
Земли, включающую все живые существа и среду их обитания. Согласно
представлениям В.И. Вернадского биосфера включает в себя четыре основных
компонента:
живое вещество - совокупность всех живых организмов;
биогенное
вещество
- продукты, образовавшиеся
в результате
жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф,
нефть, почвенный гумус и др.);
биокосное
вещество
- преобразованное
живыми
организмами
неорганическое вещество (приземный слой атмосферы, некоторые осадочные
породы и т. п.);
косное вещество - горные породы в основном магматического
неорганического происхождения, слагающие земную кору.
Границы биосферы определяются наличием необходимых условий для
жизнедеятельности живых организмов. В этой связи верхняя граница биосферы
проходит в нижней части атмосферы на высоте 20 - 25 км, где еще встречаются
известные формы организмов. Нижняя граница биосферы ограничена высокой
температурой земных недр и проходит на глубине около 3 км. Исходя из этого,
биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, а также
верхнюю часть литосферы. В целом биосфера занимает даже при самых
максимальных значениях распространения слой в 39 км, что в сравнении с
размерами Земного шара величина весьма скромная.
В истории биосферы Земли исключительную роль сыграли водоросли и
другие растения. Используя энергию Солнца, потребляю углекислоту из воздуха и
минеральные вещества из жидких и твердых фаз, они создавали органическое
вещество, которое служило основой для развития всего живого на Земле,
продуцировали кислород атмосферы и гидросферы, изменяя со временем состав этих
геосфер,наконец,активно участвовали в формировании верхней части
 11
Page 12

литосферы, железных руд, каменного и бурого угля, нефти, торфа и других
полезных ископаемых.
В начальный период геологической истории Земли наблюдалось отсутствие
на ней жизни (1,5 - 2 млрд. лет), но создавались условия для образования первых
живых организмов. За счет органического вещества (аминокислот),
синтезированного в абиатических процессах с участием ультрафиолетовых
солнечных лучей, возникли первые мельчайшие анаэробные и гетеротрофные
живые организмы. Атмосфера Земли не содержала свободного кислорода и
состояла из азота, аммиака, оксида углерода, водяных паров, хлора и
сероводорода. Жизнедеятельность организмов явилась причиной образования в
атмосфере свободного кислорода, который под влиянием ультрафиолетовых
лучей обеспечил формирование озонового экрана в верхних слоях атмосферы,
защитившего дальнейшее развитие жизни на планете. Недостаток пищи
способствовал эволюции дрожжеподобных анаэробных организмов,
возникновению видов способных к фотосинтезу. 600 млн. лет назад содержание
кислорода в атмосфере составляло только 3 % от современного содержания.
Возникли многоклеточные организмы, а потом произошел эволюционный взрыв,
в море образовались губки, черви, кораллы, моллюски, морские макрофиты и др.
350 - 400 млн. лет назад живые организмы вышли из морей на сушу. К концу
палеозойской эры (220 млн. лет назад) в атмосфере повысилось количество
углекислого газа, изменился климат, произошла смена растительного и
животного мира, сформировались залежи горючих полезных ископаемых.
 11
14
 Биомасса Земли достигла современного уровня - 10-10 т.
Эволюция биосферы неоднократно сопровождалась скачкообразным
развитием живого вещества. В кайнозойскую эру голосеменные растения
сменились современными покрытосеменными, цветковыми, а холоднокровные
пресмыкающиеся
были
вытеснены
теплокровными
животными,
млекопитающими. Эволюционный процесс привел к появлению человека -
наиболее высокоорганизованного биологического вида.
 2.2. Экосистемы - предмет экологии
 Определить предмет экологии удобно, исходя из концепции об уровнях
организации живой материи и иерархии биологических систем.
Биосистемы - это биологические системы, в которых биотические
компоненты разных уровней организации (от генов до сообществ) упорядоченно
взаимодействуют с окружающей средой, т. е. абиотическими компонентами
(энергией и веществом), составляя с нею единое целое. Согласно современным
представлениям выделяют шесть ступенек на «лестнице жизни»; генетические
системы, клеточные системы, системы органов, системы организмов,
популяционные системы, экологические системы. Системы, которые
расположены выше уровня организмов: популяционные системы и экосистемы -
изучает экология.
Популяция - это совокупность разновозрастных особей одного вида,
обменивающихся генетической информацией, объединенными общими
условиями существования, необходимыми для поддерживания численности в
течение длительноговремени.Популяция характеризуется рядомпризнаков,
 12
Page 13

носителями которых является группа, но не отдельные особи: плотность,
рождаемость, смертность, распределение в пространстве и др. в экосистемах
популяции образуют сообщества - биоценозы.
Биоценоз - это совокупность популяций, которая функционирует в
определенном пространстве абиотической среды - биотопе. Структура биоценоза
формируется потоком энергии и круговоротом веществ. Биоценоз и биотоп
функционируют как единое целое, называемое экологической системой.
Экосистема - это надорганизменная система, в которой биотический
компонент представлен биоценозом, а абиотический - биотопом. Отсюда
следует, что биосфера - это сумма экосистем, включающая все живые организмы,
взаимосвязанные с физической средой Земли. Экосистема не жизнеспособна без
взаимосвязи с популяционными системами и биосферой в целом, равно как и
человеческая цивилизация не может существовать вне мира природы.
Самое важное следствие иерархической организации живой природы
состоит в том, что по мере объединения подсистем в более крупные
функциональные единицы у этих новых систем возникают уникальные свойства,
которых не было на предыдущем уровне. В экологии эти качественно новые
свойства называются эмерджентными. Суть принципа эмерджентности
заключается в том, что биологические системы обладают свойствами, которые
нельзя свести к сумме свойств составляющих их подсистем. Эти свойства нельзя
предсказать на основании свойств подсистем низшего порядка, составляющих
систему следующего, более высокого уровня организации.
Хотя данные, полученные при изучении какого-либо уровня, и помогают
раскрыть закономерности функционирования следующего уровня, с их помощью
никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие в более
высокоорганизованной системе. Эмерджентные свойства возникают в результате
взаимодействия компонентов экосистемы, свойства которых не изменяются, а
интегрируются, обуславливая появление уникальных новых свойств целого. При
каждом объединении подмножеств в новое множество возникает, по крайней
мере, одно новое свойство.
Для иллюстрации эмерджентных свойств можно привести пример из
химии. Водород и кислород соединяясь в определенном соотношении, образуют
воду - жидкость, совершенно не похожую ни на водород, ни на кислород,
свойства которых невозможно предсказать, на основании свойств исходных
газов.
Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов:
абиатическими - компоненты неживой природы: неорганические вещества и
химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой
материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий,
железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.); органические вещества, связывающие
абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты,
белки, гуминовые вещества и др.); воздушная, водная или твердая среда
обитания; климатический режим и др.
Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп
организмов. Первая группа организмов - продуценты или автотрофные
организмы - подразделяется на фото- и хемоавтотрофов.
 13
Page 14

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет,
а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном
углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения
и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету
органические вещества углеводы или сахара (СН2О)п:
СО
 2
 +Н
 2
 О = (СН
 2
 О)п + О
 2
 .
Хемоавтотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических
реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии,
окисляющие аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты:
2NH
 3
 + 3О
 2
 = 2HNO
 2
 + 2Н
 2
 О + Q,
2HNO
 2
 + О
 2
 = 2HNO
 3
 + Q.
Химическая энергия (Q), выделяемая при этих реакциях, используется
бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов. Главная роль в
синтезе органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам.
Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика.
Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 150
млрд. т органического вещества, аккумулирующего солнечную энергию.
Вторая группа организмов - консументы или гетеротрофные организмы
осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы
используют органические вещества в качестве источника и питательного
материала, и энергии. Их делят на фаготрофов и сапротрофов.
Фатотрофы питаются непосредственно растительными или животными
организмами. К ним относятся в основном крупные животные -
макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества
мертвых остатков.
Третья группа организмов - редуценты. Они участвуют в последней стадии
разложения - минерализации органических веществ до неорганических
соединений (углекислый газ, вода и др.). редуценты возвращают вещества в
круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. К редуцентам
относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.)
- микроконсументы.
Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без
редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли
бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той
форме, которую мы знаем, прекратилась бы.
Функционирование экосистемы обеспечивается взаимодействием трех
оновных составляющих: сообщества, потока энергии и круговорота веществ
(рис.4).
Поток энергии направлен в одну сторону, часть ее преобразуется
автотрофами в органическое вещество, но большая часть энергии, проходя через
экосистему, покидает ее в виде тепловой энергии.
В отличие от энергии, элементы питания и воды могут использоваться
многократно. Размеры импорта и экспорта элементов питания варьируют в
зависимости от типа, размера и возраста экосистем. Все экосистемы в биосфере
являются открытыми, они должны получать энергию, вещества и организмы из
среды на входе и отдавать их в среду на выходе экосистемы.
 14
Page 15

Рис.4 Блоковая модель (по Ю. Одуму)
А - автотрофы; Г - гетеротрофы;
3 — запасы питательных веществ
Взаимодействие автотрофных и гетеротрофных процессов является
наиболее важной функцией любых экосистем. В течение значительного
геологического периода, начиная приблизительно с кембрия (600 млн. - 1 млрд.
лет назад), небольшая, но заметная часть синтезируемого органического вещества
не расходовалась, а сохранялась и накапливалась в осадках. Именно
преобладающие скорости синтеза над скоростью разложения органических
веществ и явилось причиной уменьшения содержания углекислого газа и
накопления кислорода в атмосфере.
Это подтверждается составом атмосферы Земли, резко отличающейся от
условий на других планетах Солнечной системы.
Значительное накопившееся количество кислорода сделало возможным
появление и эволюцию высших форм жизни. Избыток органической продукции
(300 млн. лет назад) привел к образованию горючих ископаемых. За счет
накоплений этой энергии позже человек смог совершить промышленную
революцию. За последние 60 млн. лет в атмосфере выработалось
флуктуирующее, но относительно постоянное соотношение кислорода (21 %) и
углекислого газа (0,03 %).
Установившееся соотношение скоростей автотрофных и гетеротрофных
процессов является одной из главных функциональных характеристик
экосистем. Соотношение кислорода и углекислого газа в атмосфере
характеризует баланс автотрофных и гетеротрофных процессов в биосфере в
целом. Установившееся равновесие автотрофных и гетеротрофных процессов на
Земле поддерживается благодаря способности экосистем и биосферы к
саморегуляции.
Саморегуляция экосистем обеспечивается внутренними механизмами,
устойчивыми интегрированными связями между их компонентами,
трофическими и энергетическими взаимоотношениями. Сообщество организмов
и физическая среда развиваются и функционируют как единое целое. Об этом
 15
Page 16

прежде всего свидетельствует состав атмосферы Земли с уникально высоким
содержанием кислорода. Умеренные температуры и благоприятные для жизни
условия кислотности также были обеспечены ранними формами жизни.
Координированное взаимодействие растений и микроорганизмов сглаживало
колебания физических факторов. Например, аммиак, выделяемый организмами,
поддерживает в воде, почвах и осадках величину рН, необходимую для их
жизнедеятельности. Без этого значения рН могли бы стать такими низкими, что
организмы не выжили бы в этих условиях.
Равновесие в экосистемах обеспечивается избыточностью организмов,
выполняющих одинаковые функции. Например, если в сообществе имеется
несколько видов растений, каждое из которых развивается в своем
температурном режиме, то скорость фотосинтеза в течение длительного
времени может оставаться почти неизменной. При возрастании стресса система
может оказаться неспособной возвратиться на прежний уровень, хотя и остается
управляемой. Для экосистем возможно не одно, а несколько состояний
равновесия. После стрессовых воздействий они часто возвращаются в другое,
новое, состояние равновесия. Вспомним, что огромное количество углекислого
газа, поступающего в атмосферу в результате деятельности человека,
поглощается буферной карбонатной системой океана и автотрофами. Но по
мере увеличения притока углекислого газа буферная емкость биосферы может
оказаться недостаточной, и в атмосфере установиться новое равновесие между
кислородом и углекислым газом. В этом случае даже очень небольшие
изменения могут иметь далеко идущие последствия.
Стабильность экосистем в экологии означает свойство любой системы
возвращаться в исходное состояние после того, как она была выведена из
состояния равновесия. Стабильность определяется устойчивостью экосистем к
внешним воздействиям. Выделяют два типа устойчивости: резистентную и
упругую.
Резистентная устойчивость - это способность экосистемы сопротивляться
нарушениям, поддерживая низменными свою структуру и функцию.
Упругая устойчивость - способность системы быстро восстанавливаться
после нарушения структуры и функции.
Системе трудно одновременно развить оба типа устойчивости: они
связаны обратной связью, а иногда исключают друг друга. Например,
калифорнийский лес из секвойи устойчив к пожарам (высокая резистентная
устойчивость), но если сгорит, то восстанавливается очень медленно или вовсе
не восстанавливается (низкая упругая устойчивость). А заросли вереска очень
легко выгорают (низкая резистентная устойчивость), но быстро
восстанавливаются (высокая упругая устойчивость).
Наблюдения в природе показывают, что заброшенные поля или
выжженный лес постепенно завоевываются многолетними дикими травами,
затем кустарниками и, в конце концов деревьями. Развитие экосистем во
времени известно в экологии под названием экологических сукцессии.
Экологическая сукцессия - это последовательная смена биоценозов,
преемственно возникающих на одной и той же территории под воздействием
природных или антропогенных факторов.
 16
Page 17

Некоторые сообщества остаются стабильными многие годы, другие
быстро изменяются. Изменения происходят во всех экосистемах естественным
или искусственным путем. Естественные изменения являются закономерными и
управляются самим сообществом. Если сукцессионные изменения
определяются в основном внутренними взаимодействиями, то говорят об
аутогенной, т. е. самопорождающейся сукцессии.если изменения вызываются
внешними силами на входе экосистемы (шторм, пожар, воздействие человека),
то такую сукцессию называют аллогенной, т. е. порожденной извне.
Сукцессия - это направленное предсказуемое развитие экосистемы до
установления равновесия между биотическим сообществом - биоценозом и
абиотической средой - биотопом. В процессе сукцессии популяции организмов,
функциональные связи между ними закономерно сменяют друг друга. Между
развитием экосистемы, популяции, организма, а также сообщества людей
существует множество параллелей.
В отличие от сукцессии эволюция экосистем представляет собой
длительный процесс их исторического развития. По сути дела, эволюция
экосистем - это история развития жизни на Земле от возникновения биосферы
до наших дней.
 2.3. Круговорот веществ в биосфере
 Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ:
большой, или геологический (абиатический) и малый, или биологический
(биотический).
Большой круговорот веществ наиболее четко проявляется в циркуляции
воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота
веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в
другое в масштабе планеты.
Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на
перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды,
растворение минералов и т. п. Движение воды и воздуха, в свою очередь,
приводит к эрозии, перемещению, перераспределению, осаждению и
накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение
длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться
на сушу - и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются
вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре.
Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и
твердое состояния и обратно - один из главных компонентов абиотической
циркуляции веществ. В круговороте воды суммарное испарение
компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из
океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше
наоборот, осадков выпадает больше, чем испаряется воды. В связи с тем, что из
океана воды испаряется больше, чем возвращается, значительная часть осадков,
используемых экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами,
производящими пищу для людей, состоит из воды, испаряющейся из моря.
Излишки воды с суши стекают в озера и реки, а оттуда снова в океан.
 17
Page 18

На базе большого геологического круговорота веществ возникает
круговорот органических веществ или малый биологический круговорот. В
основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения
органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют
одну из главных ее особенностей.
В отличие от геологического, биологический круговорот веществ
характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического
вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии.
Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает
огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь на Земле
продолжала существовать, химические элементы должны постоянно
циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из
протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. Все
планетарные циркуляции веществ тесно переплетены, образуя общий
глобальный круговорот веществ, перераспределяющий энергию, поступающую
от Солнца. Иными словами все химические элементы участвуют и в большом, и
в малом круговороте веществ.
Более или менее замкнутые пути движения химических элементов
называются биогеохимическими циклами. Из почти ста химических элементов,
встречающихся в природе, 30 - 40 являются биогенными, т. е. необходимыми
организмам. Некоторые из них, такие, как углерод, водород, кислород, азот,
фосфор, нужны организмам в больших количествах - макроэлементы, другие -
в малых или даже ничтожных - микроэлементы. Жизненно важные для
организмов элементы, которых насчитывается 21, всегда участвуют в
биогеохимических циклах, которые называют круговоротом питательных или
биогенных веществ.
В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный
фонд - большая масса медленно движущихся частиц (в основном,
небиологическая часть) и подвижный, или обменный, фонд - меньший, но
более активный, который быстро обменивается между организмами и
окружающей их средой.
Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда
более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на
два типа: круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере
и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными
биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме
круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора и
других биогенных элементов.
Таким образом, благодаря круговороту веществ в биосфере, химические
элементы в природе, имеющие вполне конкретные количественные параметры,
являются практически неисчерпаемыми. По этому поводу академик В.Р.
Вильяме писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства
бесконечного - это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е.
вовлечь его в круговорот. Наличие такого уникального природного явления в
биосфере в значительной мере способствовало развитию жизни на Земле.
 18
Page 19

Лекция 3. Защита атмосферы от загрязнения.
3.1. Общие сведения об атмосфере
 Атмосфера - это внешняя газообразная оболочка Земли, принимающая
участие вместе с нею во вращательном движении вокруг оси. Масса атмосферы
оценивается в 5,15 х 10
 9
 т. Атмосфера представляет собой смесь газов, среднее
содержание которых в приземном слое приведено в табл.1. Кроме этого, в
воздухе постоянно присутствуют водяные пары, взвешенные частицы и аэрозоли.
Состав атмосферного воздуха
Таблица 1
Концентрация, %
Компонент
массовая
объемная
Азот, N
 2
 75,52
78,084
Кислород, О
 2
 23,22
20,948
Аргон, Аг
1,21
0,934
Углекислый газ, СО
 2
 0,04
0,033
Неон, Ne
1,8 х10
 -3
 18x10
 -4
 Криптон, Кr
1,0 х 10
 -4
 11 х 10
 -5
 Ксенон, Хе
8,0x10
 -6
 9 х10
 -6
 Гелий, Не
5,24 х 10
 -5
 5,2 х10
 -4
 Водород, Н
 2
 6,0 х10
 -5
 6 х10
 -5
 Метан, СН
 4
 2,5 х
 -
 10
 -6
 2Х10
 -4
 По высоте атмосфера подразделяется на несколько слоев, каждый из
которых отличается по температуре, плотности и химическому составу:
тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера), экзосфера.
Мощность (высота) атмосферы составляет 3000 - 5000 км. По химическому
составу атмосферу Земли подразделяют на нижнюю часть (до 100 км)
гомосферу, имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю часть
- гетеросферу, неоднородного химического состава, резко отличающегося по
качественному и количественному показателям от воздуха в нижней части.
Границы между слоями (сферами) атмосферы называются паузами (рис. 5).
Тропосфера - это приземная нижняя часть атмосферы, т.е. зона, где обитает
большинство живых организмов, в том числе человек. Она простирается на
высоту 16 - 18 км от поверхности Земли на экваторе, а на полюсах до 8 км. В
этом слое сосредоточено более 80 % массы всей атмосферы. В тропосфере
находится большая часть космической и антропогенной пыли, водяного пара,
азота, кислорода и инертных газов. С высотой в тропосфере прослеживается
закономерное понижение температуры воздуха. В среднем 0,6°С на каждые 100
м. Физические процессы, развивающиеся в тропосфере, оказывают глубокое
влияние на климатические условия различных районов нашей планеты. К числу
 19
Page 20

этих процессов относятся поглощение солнечной радиации, приводящее к
неравномерному нагреву земной поверхности и перемещению воздушных масс,
формирование потока длинноволнового излучения, уходящего от Земли в
космическое пространство, влагооборот, связанный с образованием облаков и
выпадением осадков.
Рис. 5. - Вертикальный разрез атмосферы
Весьма важное значение имеет терморегулирующая функция атмосферы,
осуществляемая в тропосфере. Эта функция протекает благодаря парниковому
эффекту, который повышает среднюю температуру планеты и смягчает различия
между дневными и ночными температурами.
Миллиарды тонн углекислого газа ежедневно поступают в тропосферу при
сжигании различных видов топлива: дров, торфа, угля, нефти, газа. Миллионы
тонн метана каждый год выделяются при добыче угля, газа, и нефти. Кроме того,
в тропосфере увеличивается содержание водяного пара. Все вместе эти газы и
создают парниковый эффект. Как стеклянная крыша в парнике, пропуская
солнечную радиацию, не дает уходить теплу, так и накопившиеся в тропосфере
 20
Page 21

парниковые газы, задерживая длинноволновое тепловое излучение Земли, не
дают уходить теплоте в космос.
Энергетический бум минувшего столетия увеличил содержание
углекислого газа в атмосфере на 25 %, а метана - на 100 %. Если рост добычи и
использования топлива будет идти такими же темпами, то к 2010 г. будет
выбрасываться около 10 млрд. т углерода в год, и концентрация СО
 2
 в атмосфере
значительно возрастет.
За последние 100 лет потепление на Земле составило 0,5 - 0,7°С; в 1890 г.
средняя температура была приблизительно 14,5°С, а в 1990 г. - 15,0 - 15,2°С.
Большинство ученых считают это следствием парникового эффекта.
Последствие парникового эффекта, которое вызывает наибольшее опасение
- это подъем уровня Мирового океана. Международная конвенция климатологов
в Австрии (1988 г.) спрогнозировала к 2030 - 2050 г.г. повышение температуры
на 1,5 - 4,5°С, что может вызвать подъем уровня океана на 0,5 - 1,0 м, а к концу
XXI века на 2 м. Сработают ли данные прогнозы? В природе действуют и
обратные связи. Фотосинтез и Мировой океан являются буферной системой,
потребляющей углекислый газ. Вопрос заключается в том, что в какой мере они
смогут компенсировать избыточное поступление в атмосферу СО2? С другой
стороны, возрастающая запыленность атмосферы вследствие промышленных
выбросов твердых частиц будет припятсвовать поступлению солнечной радиации
на Землю.
И все-таки из-за неопределенности ситуации с потеплением климата нельзя
отказываться от стратегического планирования, мириться с уничтожением лесов,
повышенными выбросами в атмосферу парниковых газов.
Выше тропосферы расположена стратосфера - до высоты 50 - 55 км от
поверхности Земли, масса ее составляет около 20 % от общей массы атмосферы.
До высоты 20 км температура в ней несколько снижается, а затем начинает
повышаться до - 3°С на высоте 55 км. Отличительной особенностью стратосферы
является повышенное содержание в ней озона, максимальные концентрации
которого прослеживаются на высотах 20 - 25 км. Благодаря этому вокруг
планеты образуется озоновый экран (озоносфера), защищающий биосферу от
смертоносных ультрафиолетовых лучей.
Истощение озонового слоя в атмосфере приводит к увеличению потока
ультрафиолетовых лучей на земную поверхность, что создает опасность для
жизненных процессов на Земле. По данным Всемирной организации
здравоохранения, уменьшение содержания озона на 1% приводит к увеличению
кожных раковых заболеваний у людей на 6 %. Средняя концентрация озона в
стратосфере составляет приблизительно 0,0003 %, хотя и колеблются в разных
географических областях. Колебания концентрации озона даже до 30 % в одном и
том же месте считаются нормальными. Колебания среднего уровня могут
достигать 10 % и обусловлены, вероятно, естественными флуктуациями
содержания озона. Уменьшение количества озона в стратосфере в результате
деятельности человека может привести к образованию озоновых дыр, которые
представляют собой значительные пространства в озоновом слое с заметно
пониженным (50 % и более) содержанием озона.
В начале 80 -х годов прошлого века было отмечено значительное
уменьшение содержания озона в стратосфере над южной полярной областью
 21
Page 22

земного шара (октябрь 1985 г., английская станция Халми - Бей, Антарктида -
снижение содержания озона на 40 % против минимальных значений, на японской
станции - уменьшение вдвое; весной 1987 г. - по космическим съемкам - эта
зона занимала площадь 7 млн. км ). Аналогичное явление наблюдалось и в 1992
г., когда также было зарегистрировано существенное снижение содержания озона
(примерно на 50 %) над Антарктидой и прилегающей зоной в Южной Америке
(Чили и Аргентина). С весны 1986 г. такие явления отмены и в Арктике, но
размеры озоновой дыры здесь почти в 2 раза меньше антарктической. В феврале
1993 г. над Арктикой наблюдалось снижение содержания озона на 10 - 40 %.
Кроме этого, были отмечены небольшие по размерам озоновые дыры над
Канадой, Скандинавией, Якутией.
Причины образования озоновых дыр объясняют по-разному. Одни ученые
выдвигают гипотезу о связи данного явления с естественными циклами в
природе, на которые раньше не обращали внимания. По наиболее
распространенной в настоящее время гипотезе и по данным многочисленных
международных экспедиций в Антарктиде следует, что разрушению озонового
слоя способствуют интенсивные полеты сверхзвуковых транспортных самолетов
и многоразовых космических аппаратов и наличие в стратосфере значительного
количества хлорфторуглеводородов (фреонов).
В первом случае происходит загрязнение стратосферы водой и оксидами
азота, способными разрушать озон:
По данным НАСА, один запуск космического корабля типа «Шаттл»
переводит в обычный кислород 10 млн .т. озона. В целом же этот вид воздействия
может привести к разрушению 10 % озонового слоя планеты.
Во втором случае, попадя в стратосферу, хлорфторуглеводороды, широко
используемые в качестве аэрозолей, хладоагентов и растворителей, разрушаются
под воздействием ультрафиолетового излучения, а атомы хлора, выделяющиеся
при этом, взаимодействуют с озоном:
Образовавшийся монооксид хлора (СЮ) вступает в реакцию с атомами
кислорода и восстанавливает хлор:
Затем возникает цепная реакция.
Производство хлорфторуглеводородов в мире очень значительно. Так,
только США дают половину всего их количества - 800 - 900 тыс.т. в год. Эти
вещества не только воздействуют на озон, но и поглощают инфракрасное
излучение, что может усугублять парниковый эффект.
Кроме этого, ученые осознали, что фреоны и сверхзвуковая авиация вовсе
не единственные факторы, наносящие ущерб озоновому слою. Ядерные взрывы
также высвобождают в больших количествах оксиды азота, разрушающие озон.
Следовательно, в случае ядерной войны ультрафиолетовая радиация может стать
 22
Page 23

такой же проблемой, как и радиоактивные осадки. Выхлопные газы автомобилей
и удобрения, вносимые в почву - также являются источниками выделения в
атмосферу оксидов азота. Известно, что бром в виде метилбромида СН
 3
 Вг,
широко используемый в сельском хозяйстве, тоже может разрушать озон.
Сколько его улетучивается в атмосферу, пока неизвестно. Предполагают, что
большие количества таких промышленных химикатов, как четыреххлористый
углерод CCI
 4
 и метилхлороформ CH
 3
 CI
 3
 , могут выделять значительные
количества хлора.
Наряду с этим, существуют явления и процессы, которые тормозят
разрушение озона. Метан и оксиды азота (NO и NO
 2
 ) в тропосфере способствуют
образованию озона. Таким образом, действует комплекс противоположно
направленных факторов.
Но даже если предположить, что эти противоположные процессы
компенсируют друг друга, то вследствие перемещения озона из одного слоя
атмосферы в другой могут происходить нарушения естественного равновесия.
Последствия этого пока неизвестны. Поэтому для решения проблемы на данном
этапе необходимо снизить негативное воздействие антропогенного фактора на
защитный озоновый слой стратосферы.
Так, в США использование хлорфторуглеводородов в 1979 г. было
запрещено законом. Однако применения этих соединений в холодильниках и
кондиционерах в последние годы вновь возросло.
Международная конференция по этой проблеме (Монреаль, 1987 г.)
приняла резолюцию сократить выпуск хлорфторуглеводородов к концу XX века
на 50 %. В материалах конференции ООН (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) отмечено,
что принятая резолюция выполняется не всеми странами. В связи с этим
правительствам всех стран предложено ратифицировать или принять
Монреальскую резолюцию (протокол) и поправки к ней 1990 г. Это означает, что
развитые страны должны в ближайшее время сделать взносы в Венский и
Монреальский целевые фонды по озоновому слою и содействовать передаче
технологий замены хлорфторуглеводородов развивающимся странам.
Мезосфера расположена выше стратосферы до высоты 80 км от земной
поверхности. Главная ее особенность - резкое понижение температуры до минус
75° - 90°С у верхней границы. Здесь наблюдаются так называемые серебристые
облака, состоящие из ледяных кристаллов.
Ионосфера (термосфера) простирается до высоты 800 км. Для нее
характерно значительное повышение температуры (более 1000°С). Под
действием ультрафиолетового излучения газы в ионосфере находятся в
ионизированном состоянии. С этим состоянием связано возникновение
полярного сияния, как свечение газов. Ионосфера обладает способностью
многократного отражения радиоволн.
Экзосфера - внешняя оболочка атмосферы Земли распространяется от
высоты 800 км до высот 3000 - 5000 км. В этом диапазоне высот температура
возрастает до 2000°С. Весьма важным является тот факт, что скорость движения
газов в этой сфере приближается к критическому значению 11,2 км/с. В составе
экзосферы преобладают атомы водорода и гелия.
Как видно из рис.4, температура в атмосфере меняется весьма сложным
образом и в паузах имеет максимальное или минимальное значения. Чем больше
 23
Page 24

высота подъема над земной поверхностью, тем меньше атмосферное давление.
Вследствие большой сжимаемости атмосферы ее давление уменьшается от
среднего значения 760 мм рт.ст. (101325 Па) на уровне моря до 2,3 х 10
 -3
 мм рт.ст.
(0,305 Па) на высоте 100 км и лишь до 1 х 10
 -6
 мм рт.ст. (1,3 х 10
 -4
 Па) на высоте
200 км. Состав атмосферы не является постоянным по высоте и изменяется в
довольно широких пределах. Основные причины этого: сила земного
притяжения, диффузионное перемещение, действие космических и солнечных
лучей и испускаемых ими частиц высокой энергии. В результате этого более
тяжелые атомы и молекулы газов опускаются в нижнюю (приземную) часть
атмосферы, а в ее верхней части остаются более легкие, которые частично
мигрируют в космическое пространство.
 3.2. Загрязнение атмосферы
 Загрязнения атмосферы подразделяются на естественные и антропогенные.
Естественными источниками загрязнений атмосферного воздуха служат прежде
всего вулканические выбросы, лесные и степные пожары, пыльные бури,
биологические процессы в зонах болот и др. Эти выбросы не оказывают
отрицательного воздействия на природные экосистемы, за исключением
широкомасштабных катастрофических природных явлений. Так, например, при
извержении вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 г. было выброшено в
атмосферу 18 км пепла, что вызвало уменьшение поступления солнечной
радиации на 10 % и снижение среднегодовой температуры на 0,5°С в северном
полушарии на протяжении трех лет после извержения. Но такие явления в
природе бывают весьма редки.
Гораздо существеннее влияние на атмосферу оказывают антропогенные
выбросы и особенно химическое загрязнение, обусловленное привнесением в нее
химических веществ и соединений. Они приводят к антропогенным изменениям в
атмосфере: разрушение озонового слоя, кислотные дожди, понижение
прозрачности воздуха, усиление парникового эффекта, фотохимический смог,
ослабление самоочищения атмосферы и др.
Основными загрязнителями атмосферы являются оксиды углерода, диоксид
серы, оксиды азота и твердые вещества, которые выбрасываются в воздух в
значительных количествах (табл.2).
Таблица 2
Выбросы в атмосферу основных загрязнителей в мире
Вредное вещество
Выбросы, млн.т/год
Оксиды углерода
Диоксид серы
Оксиды азота
Твердые вещества
16х10
 3
 150
68
57
Значительный ущерб атмосфере наносят и другие вредные вещества,
которые выбрасываются в меньших количествах: аммиак, сероводород,
формальдегид, фенол, бенз(а)пирен и др.
 24
Page 25

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят теплоэнергетика,
транспорт, промышленность, что наглядно видно из данных, приведенных в
табл.3.
Таблица 3
Содержание выбросов (в %) различными отраслями хозяйственной
деятельности в развитых странах мира
Страны
Отрасль
СНГ
США
Япония
Франция Мексика
Теплоэнергетика
Автотранспорт
Промышленность
Прочие
29
14
51
6
17
55
23
5
20
35
40
5
25
23
47
5
30
45
15
10
В Украине в загрязнении воздуха существенный вклад вносят выбросы
от стационарных источников предприятий энергетики (33 %), металлургии (25%),
угольной (23 %), химической и нефтехимической промышленности (2 %). При
этом вклад автотранспорта в загрязнение атмосферного воздуха составил около
1,8 млн.т (1995 г.), что составляет 24 % от общего объема выбросов в Украине.
Среди наиболее распространенных загрязнителей воздуха по
количественным показателям выбросов (более 1,5 х 10 млн.т) первое место
занимает углекислый газ, который образуется в основном при сжигании топлива.
С начала индустриального периода на Земле содержание СОг в воздухе
увеличилось в 2 раза, а за последние 30 лет - на 25 %. В настоящее время его
концентрация в атмосферном воздухе превысила 0,003 %. По прогнозам
специалистов к 2060 г. количество СОг должно удвоится. Содержание
углекислого газа в воздухе до 1 - 2 % безвредно для человека. При концентрации
СОг в 3 % учащается дыхание и сердцебиение, появляется головная боль и шум в
ушах, повышается кровяное давление, замедляется пульс. При дальнейшем
повышении концентрации диоксида углерода в воздухе человек теряет сознание.
Большинство ученых предполагают, что повышение концентрации ССЬ будет
стимулировать рост растений, в результате чего повысится количество
поглощеямого углекислого газа и выделяемого кислорода. Поэтому прямой
угрозы здоровью человека нет.
Антропогенные выбросы оксида углерода несколько меньше выбросов ССЬ
и составляют около 300 млн.т в год. В незагрязненном воздухе уровень
содержания СО невелик. Основными источниками выбросов оксида углерода
являются автомобильный транспорт и тепловые электростанции. В природе,
однако, постоянно происходят процессы, приводящие к поглощению СО,
который может окисляться в углекислый газ атмосферным кислородом, но эта
реакция протекает чрезвычайно медленно. Из воздуха оксид углерода удаляется,
поглощаясь микроорганизмами почвы, диффундируя в стратосферу, где вступает
в реакцию с реакционно-способными атомами и молекулами. Молекулы СО
химически не активны, но обладают специфической особенностью прочно
связываться с гемоглобином крови - железосодержащим белком, выполняющим
роль переносчика кислорода. Эта способность оксида углерода в 210 раз выше,
чем у О
 2
 . Вследствие этого у человека, вдыхающего в течение нескольких часов
 25
Page 26

воздух, содержащий ОД % СО
 2
 , на 60 % снижает нормальную способность крови
снабжать организм кислородом. Это означает, что во столько же раз интенсивнее
должно работать сердце. Поэтому медики считают, что загрязнение воздуха
оксидом углерода способствует развитию сердечных недугов.
Соединения серы относятся к одним из самых вредных газов из числа
наиболее распространенных загрязнителей атмосферы. Наиболее опасным для
жизни и здоровья людей является диоксид серы, ежегодные выбросы которого в
мире превышают 150 млн.т в год. Он образуется в основном при сжигании
топлива. Причем выбросы диоксида серы, обусловленные работой
теплоэнергетических установок, сжигающих органическое топливо, составляют
100 млн. т в год.
Известно, что все виды угля и нефти характеризуются различным
содержанием в них серы. В связи с требованиями, предъявленными к
органическому топливу по содержанию серы, низкосернистые уголь и нефть
пользуются большим спросом и продаются по более высокой цене. Если бы
человечеству удалось уловить хотя бы третью часть этих выбросов и получить из
них товарную серу, то можно было бы закрыть все добывающие и
перерабатывающие серу предприятия.
Не все вредное воздействие вызывается самым диоксидом серы. Основной
ущерб наносит триоксид серы SO
 3
 , образующийся при окислении SO
 2
 . Диоксид
серы нелегко окисляется в чистом воздухе. Однако в присутствии пылеобразных
частиц оксидов металла под воздействием кислорода SO
 2
 очень быстро
превращается в SO
 3
 . Реакция протекает на поверхности частиц, которые играют
роль гетерогенного катализатора. В газах, выбрасываемых тепловыми
электростанциями, содержится значительное количество тонкоизмельченных
твердых веществ, находящихся во взвешенном состоянии. Окислению диоксида
серы способствует также наличие в воздухе капель влаги, т.е. тумана и облаков.
Растворенный в воде SO
 2
 окисляется довольно быстро. Еще одной возможностью
превращения SO
 2
 в SO
 3
 является фотохимическое окисление. Поглощение
молекулой диоксида серы фотона с длиной волны более 300 нм приводит к
переходу одного из ее электронов с одной орбиты на другую, более высокую.
При этом молекула переходит в возбужденное состояние, повышается ее
реакционная способность
где SO
 2
*
 - электронно-возбужденная молекула SO
 2
 .
Образовавшийся тем или иным способом, в зависимости от конкретного
состояния атмосферы, SO
 2
 растворяется в капельках влаги с образованием серной
кислоты:
Повышенное содержание оксидов серы в воздухе приводит к различным
заболеваниям, главным образом к легочным. Так, при длительном воздействии
 26
Page 27

SO
 2
 на организм человека возникает хронический бронхит. Оксид серы и серная
кислота разрушают хлорофилл в листьях растений, в связи с этим ухудшается
фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается количество древесных
насаждений, урожайность сельскохозяйственных культур, а при высоких
концентрациях и продолжительном воздействии растительность погибает.
Особенно сильно повреждаются хвойные леса. Кислотные дожди повышают
кислотность почв, снижают эффективность удобрений. Особенно сильно влияние
кислотных осадков на дерново-подзолистые и торфяные почвы.
Выбросы диоксида серы ускоряют коррозию и разрушение машин,
механизмов, металлоконструкций, зданий и сооружений. Существенному
повреждению при этом подвергаются архитектурные памятники и исторические
сооружения Англии, Греции, Франции, Италии и других стран.
В то же время современная промышленность не может развиваться без
использования серы. Так, для изготовления одного автомобиля требуется 14 кг
серы, для получения 1 т целлюлозы - 100 кг.
Оксиды азота (монооксид N0 и диоксид NO
 2
 ) образуются при сжигании
всех видов топлива и представляют особую опасность для здоровья человека.
Основными источниками выбросов оксидов азота в атмосферу является
автотранспорт, авиация, тепловые электростанции, металлургия и другие отрасли
промышленности. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в мире
превышают 68 млн. т в год.
Высокие концентрации оксидов азота локализуются вблизи источников
выбросов и приводят к появлению смога.
Смог - сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных
центрах, обусловленное застаиванием больших масс воздуха. Существует два
вида смога: лондонского типа (восстановительный) и лос-анжелесского типа
(окислительный).
Восстановительный смог представляет собой густой туман с примесью
дыма и газовых отходов производства. Максимальный уровень загрязнений
такого смога обычно наблюдается рано утром при температуре 0°С и высокой
влажности, усиливаясь при температурной инверсии. Такой смог раздражающе
действует на бронхи и дыхательные пути.
Окислительный или фотохимический смог достигает максимального
уровня загрязнений в середине суток при температурах 24° - 32°С и низкой
влажности, также усиливаясь при температурной инверсии. Окислительный смог
возникает в результате фотохимических реакций при определенной физико-
географической обстановке: высокой концентрации оксидов азота,
углеводородов, озона и других загрязнителей в условиях интенсивной солнечной
радиации и безветрия или очень слабого обмена воздушных масс в приземном
слое.
По своему физиологическому воздействию на человеческий организм
фотохимический смог крайне опасен, особенно для дыхательной и кровеносной
систем. При воздействии такого смога возникает стойкая неспособность крови к
усвоению и переносу кислорода.
Антропогенные загрязнения пылью и другими твердыми веществами
атмосферы относительно невелики и составляют 5 - 10 % от количества пыли,
образующейся при извержении вулканов, лесных пожаров, ветровой эрозии
 27
Page 28

почвы и т.д. Однако состав техногенной пыли весьма опасен. Так, тепловые
электростанции при сжигании в течении одного года (1992 г.) 2,1 млрд. т
каменного и 0,8 млрд. т бурого угля выбросили в атмосферу 225 тыс. т мышьяка,
153 тыс. т кобальта. Основная часть такой пыли находится в трехкилометровом
приземном слое над городами. Частицы пыли размером 4-10 мкм поднимаются
до высоты 1 км и более, а более крупные частицы при безветренной погоде
образуют купол на высоте 300 - 350 м, постепенно оседая на землю. Количество
пыли, выпадающей в год на поверхность Земли, составляет (т/км
 2
 ): в Париже -
до 260, Лондоне - до 399. В Нью-Йорке солнечная радиация в два раза ниже, чем
в пригородах. Аэрозоли, выбрасываемые предприятиями и транспортом служат
центрами конденсации, что приводит к повышению облачности и туманов. В
Москве пасмурных дней в 3 - 4 раза больше, чем в отдаленных от
промышленности районах. В Париже число туманных дней в году возросло за
последние 50 лет с 90 до 150.
Высокая запыленность атмосферного воздуха приводит к легочным и
аллергическим заболеваниям. По данным Всемирной организации
здравоохранения (ВОЗ) более 20 % населения промышленно-развитых районов
страдает от различных форм аллергии в связи с загрязнением пылью и
аэрозолями атмосферы.
Выпадая на земную поверхность техногенная пыль наносит существенный
ущерб сельскому хозяйству. Так, на территории Рура (Германия) урожайность
сельскохозяйственных культур в зонах загрязнения атмосферы пылью
(источники - угольные шахты, горящие терриконы, коксовые заводы и тепловые
электростанции) снизилась на 10 %, что наносит ущерб в 33 - 36 млн. марок в
год. Кроме того, ущерб, наносимый по этой причине лесам, оценивается в 15-20
млн. марок в год, а ущерб садоводству - в 32 -356 млн. марок в год. Всего
прямой ущерб сельскому хозяйству в пределах Рурской промышленной зоны в
результате загрязнения атмосферного воздуха антропогенной пылью составляет
80 - 90 млн. марок в год.
 3.3. Мероприятия по защите атмосферы
 Природоохранные мероприятия по защите атмосферного воздуха
подразделяется на две группы: мероприятия, снижающие выброс загрязняющих
веществ и уровень вредных воздействий и мероприятия, позволяющие снижать
степень распространения загрязняющих веществ.
К первой группе относятся следующие мероприятия:
-
совершенствование технологических процессов внедрение
экологически чистых технологий (малоотходных и безотходных);
-
изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов
(удаление серы из топлива, переход с угля на нефть или газ, с
бензинового топлива на водородное и др.);
-
установка газоочистных и пылеулавливающих установок;
-
использование трубопроводов, гидро - и пневмотранспорта для
пылящих материалов;
-
комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов,
производство которых связано с загрязнением атмосферы.
28
Page 29

Вторая группа природоохранных мероприятий включает в себя:
- доочистку используемых ресурсов перед поступлением к потребителю
(установка кондиционеров и воздуховодов для очистки воздуха в
помещении и т.п.);
- устройство санитарных защитных зон вокруг промышленных
предприятий, озеленение городов и поселков;
- оптимальное расположение промышленных предприятий и
автотранспортных магистралей (с учетом гидрометеорологических
факторов) для минимизации их отрицательных воздействий;
- рациональную планировку городской застройки с учетом розы ветров
и шумовых нагрузок.
На современном этапе промышленного развития наиболее важным
является применение установок и сооружений для очистки газовых и пылевых
выбросов в атмосферу.
Для очистки выбросов от пыли обычно используют ее осаждение в
гравитационном, центробежном, электрическом и акустическом полях. Кроме
этого, для фильтрования газов от пыли используют различные фильтры:
тканевые, с набивкой или с насыпным фильтрующим слоем. Осаждение пыли в
гравитационном поле осуществляется с помощью пылеосадочных камер.
Пылеосадочные камеры используются для осаждения крупной и тяжелой пыли
с размером частиц 100 мкм. Камера представляет собой короб, пустотелый или с
полками, прямоугольного сечения с бункером внизу для сбора пыли (рис.5).
Площадь сечения камеры значительно больше площади
Рис.5. Пылеосадочная камера.
сечения подводящих газоходов, поэтому газовый поток двигается в камере очень
медленно, со скоростью не более 0,5 м/с, и пыль оседает. Простота конструкции и
небольшие затраты на установку и эксплуатацию являются преимуществами
пылеосадных камер, а громоздкость и низкая эффективность улавливания - их
недостатками. При установке внутри камер перегородок, замедляющих скорость
запыленного потока воздуха и увеличивающих время прохождения через камеры,
коэффициент улавливания пыли повышается до 80 - 85 %.
 29
Page 30

Установками центробежного типа, применяемыми для осаждения пыли,
являются циклоны (рис.6). В циклонах запыленный газовый поток вводится через
Рис.6. Схема строения циклона:
- вход газов; 2 - корпус циклона; 3 - пылевой бункер;
4 очищенных газов.
выход
входной патрубок внутрь корпуса и совершает вращетельно-поступательное
движение вдоль корпуса к бункеру. Под действием центробежных сил на стенках
циклона образуется пылевой слой. Отделение пыли от газа (воздуха) происходит
при повороте газового потока в бункере на 180°. Очищенный от пыли поток
воздуха (газа) образует вихрь и покидает циклон через выходную трубу
(внутренний цилиндр). При уменьшении размера циклона эффективность
очистки увеличивается, так как величина центробежной силы обратно
пропорциональна радиусу вращения частиц пыли. Поэтому батарея из
нескольких (обычно восьми) небольших параллельных циклонов более
эффективна, чем один большой циклон (рис.7)
 30
 1
Рис.7. Схема построения батарейного циклона
Page 31

Орошаемые скрубберы по внешнему виду похожи на циклоны, но принцип
их работы основан на поглощении пыли водой, которая либо разбрызгивается
форсунками, либо подается непрерывно против потока запыленного воздуха.
Загрязненная пылью вода подвергается очистки и вновь поступает в скруббер.
Электрофильтры - наиболее совершенные аппараты для очистки газов от
частиц пыли и тумана. Процесс очистки основан на так называемой ударной
ионизации газа в зоне разряда. Запыленный поток воздуха (газа) подается через
электрическое поле высокого напряжения, где он ионизируется, и частички пыли
приобретают электрический заряд. Заряженные пылинки прилипают к
положительному электроду, осаждаются и сбрасываются в бункер.
Периодическая очистка фильтра достигается встряхиванием электродов. В
промышленных условиях используют несколько типов конструкций сухих и
мокрых электрофильтров. В зависимости от формы электродов различают
трубчатые и пластинчатые электрофильтры (рис.8), при оптимальных условиях
эксплуатации эффективность пылеулавливания электрофильтров может
достигать 99 %.
Рис.8. Пластинчатый электрофильтр.
При фильтровании запыленный воздух проходит через пористые
материалы, осаждающие пыль. Для грубой очистки применяют гравий, кокс,
металлические стружки, стекловолокно, а для тонкой очистки - металлические
сетки, смоченные специальным маслом, пористую бумагу, ткани. Наибольшее
распространение получили матерчатые рукавные фильтры, которые работают по
принципу пылесоса. Основные свойства, используемых для фильтрации тканей,
приведены в табл.4.
 31
Page 32

Таблица 4.
Основные свойства фильтрующих тканей
Устойчивость к
воздействию
Основное
волокно
Средний
диаметр
улавливаемых
частиц пыли,
мм
Термостойкость,
°С
кислот
щелочей
Пористость,
%
Хлопок
20
65-80
Низкая
Высокая
60
Шерсть
27
80 - 200
Невысокая
Низкая
86
Нитрон
24
130
Высокая
Невысокая
83
Лавсан
20
140
Высокая
Невысокая
75
Стекло
8
250 - 300
Высокая
Невысокая
55
В металлическом шкафу, разделенном перегородками на ряд секций,
помещаются группы рукавных фильтров. Верхние концы рукавов заглушены и
подвешены к раме. С помощью этой рамы рукава периодически встряхиваются и
задерживаемая ими пыль попадает в сборочный бункер. Эффективность очистки
выбросов от пыли с помощью рукавных фильтров достигает 98 - 99 %. Рукавные
фильтры используются для окончательной очистки воздуха после циклонов, так
как они улавливают не более 2/3 содержащейся в запыленном потоке пыли.
Выбор способа пылеулавливания обусловлен степенью запыленности
воздуха, размерами частиц пыли и технико-экономическими показателями их
работы, которые приведены в табл.5.
Таблица 5.
Технико-экономическое сравнение способов пылеулавливания
Эффективность
Стоимость
Расход
Способ, устройство
пылеулавливания
основного
электроэнергии
оборудования
Циклон *
1
1
1
Батарейный циклон
2
2
1,5
Пылеосадочная камера
0,8
0,5
1
Орошаемый скруббер
4
6
0,5
Матерчатые фильтры
15
10
2
Электрофильтр
6
10
0,2
* - показатели циклона приняты за единицу.
Очистка выбросов от вредных газообразных и токсичных примесей
осуществляется различными способами: абсорбция, адсорбция, хемосорбция,
каталитическое сжигания и др.
При абсорбции поглощающую жидкость (абсорбент) выбирают в
зависимости от растворимости в ней удаляемого газа, температуры и его
парциального давления. Абсорберы представляют собой аппараты типа
орошаемых скрубберов, в которых используется принцип абсорбции
загрязнителей. При абсорбции происходит конвективная диффуция (переход)
 32
Page 33

газообразных компонентов очищаемого газа в жидкие поглотители (абсорберы).
Для очистки воздуха от хлора, паров серной и соляной кислот, фтористых
соединений применяют абсорберы в виде водных растворов щелочей (соды). От
диоксида серы воздух очищают с помощью абсорберов, орошаемых раствором
аммиака. Для удаления из технологических выбросов аммиака, хлорводорода и
фторводорода в качестве абсорбента используют воду, так как растворимость в
ней этих газов существенна. Регенерация растворителя, т.е. десорбция из него
уловленных газов, производится путем повышения температуры или понижения
давления в термических или вакуумных десорберах (рис.9).
Рис.9. Схема абсорбции и десорбции газов.
В адсорбционных установках происходит процесс избирательного
поглощения вредных компонентов газовой смеси твердыми веществами. При
физической адсорбции молекулы адсорбента вступают в химическое
взаимодействие с молекулами газовой смеси. При этом к адсорбентам
предъявляются следующие требования: большая адсорбционная способность,
селективность, химическая инертность, механическая прочность, способность к
регенерации, низкая стоимость. Наиболее распространенные адсорбенты
активные угли, силикагели, алюмосиликаты.
Адсорбционные установки применяют для очистки газов от сероуглерода и
других загрязнителей. С увеличением температуры адсорбционная способность
снижается. На этом свойстве основан процесс регенерации, которую
осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры выше
рабочей, либо продувкой его горячим паром или воздухом.
Хемосорбция основана на поглощении газов реагентами с образованием
малолетучих или малорастворимых соединений. Примером может служить
 33
Page 34

Очистка газовоздушной смеси от сероводорода с применением мышьяково-
щелочного реагента:
Регенерация раствора производится окислением его кислородом,
содержащимся в очищенном воздухе:
В этом случае побочным продуктом является сера. Могут применяться и
другие реагенты и иониты. Иониты - это твердые вещества, способные
обмениваться ионами с фильтруемыми через них жидкими или газообразными
смесями. Это или природные материалы (цеолиты, глины), или синтетические
полимеры (смолы). Например, при фильтровании газовой смеси, содержащей
аммиак, через влажный ионит катионного типа (катионит) происходит
присоединение аммиака к катеониту:
Подобные реакции происходят и при удалении диоксида серы из газовой
смеси с помощью ионитов анионного типа (анионитов):
Регенерация ионитов осуществляются промывкой их водой, слабыми
растворами кислот (для катионитов), щелочей или содой (для анионитов).
Каталитические методы очистки газов основаны на использовании
катализаторов, ускоряющих химические реакции. В последнее время эти методы
применяются для нейтрализации оксидов азота NO и углерода СО в нетоксичные:
газообразный азот N
 2
 и диоксид углерода СО
 2
 . При этом используются различные
катализаторы: медно-никелевый сплав, платину на глиноземе, медь, никель, хром
и др.:
 34
Page 35

Вода!
Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни
запаха, тебя невозможно описать, тобой
наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя
сказать, что ты необходима для жизни: ты
сама жизнь. Тынаполняешь нас радостью,
которую не объяснить нашими чувствами...
Ты самое большое богатство на свете.
Антуан де Сент-Экзюпери
Лекция4. Охрана и рациональноеиспользование водных ресурсов.
4.1. Значение воды в природе и в жизни человека.
 Вода представляет собой одну из наиболее важных компонент,
обеспечивающих жизнь на нашей планете. Она прошла сложный эволюционный
процесс вместе с биосферой и является ее неотъемлемой составной частью.
Обладая рядом аномальных свойств, вода влияет на протекание в экосистемах
сложнейших физико-химических и биологических процессов. К таким свойствам
относятся очень высокие и максимальные среди жидкостей теплоемкость,
теплота плавления и испарения, поверхностное натяжение, растворяющая
способность, диэлектрическая проницаемость, прозрачность. Кроме того, для
воды характерна повышенная миграционная способность, определяющая ее
взаимодействие с другими, в том числе и вмещающими средами. Перечисленные
свойства создают потенциальную возможность накопления в воде очень больших
количеств разнообразных загрязняющих веществ, в том числе патогенных
микроорганизмов.
Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так
как с ней связано зарождение и развитие живого существа, а следовательно, и
всей биосферы. В живых организмах она участвует в процессах обмена,
обеспечивая нормальное развитие жизни. Главную роль в жизнедеятельности
организмов на суше играет пресная вода, соленость которой не превышает 1 %.
Человек на 60 - 80 % состоит из воды. При потере 12 % воды у человека
останавливается сердце, а потеря 6 - 8 % - вызывает обморок. Твердая морковь
содержит 90 % воды, а огурцы - более 95 %.
Вода, полярные шапки и ледники образуют на Земле сплошную оболочку,
называемую гидросферой. Гидросфера состоит из вод океанов, морей, озер, рек,
ледников, подземных вод, а также вод атмосферы и живых организмов. При этом
на долю пресных вод приходится только 2 % от общего объема гидросферы
Земли. Наибольшая глубина Мирового океана составляет 11022 м (Марианская
впадина, Тихий океан), в земной коре вода в жидкой фазе доходит до глубины 10
- 12 км, а глубже она существует только в парообразном и химически связанном
состояниях; в атмосфере вода встречается до высоты 1 0 - 1 8 км, причем с
 35
Page 36

высотой количество влаги быстро снижается; в Антарктиде мощность ледяного
покрова достигает 4 км.
Температура воды в океане меняется до глубины 200 - 300 м в зависимости
от времени года, колеблясь от 25°С у экватора и до 0°С в приполярных областях.
С 200 - 300 м до 1500 м температура воды в океане постепенно снижается до 2 -
0°С и далее остается постоянной. В полярных областях на глубине от 50 - 100 м
до 500 м температура воды несколько повышается, а к придонным слоям
понижается до 0°С и ниже.
Средняя плотность океанической воды составляет 1,025 г/см
 3
 при
минерализации 35 г/л. В растворе такой воды присутствуют почти все элементы
периодической системы, в значительных количествах встречаются хлор, натрий,
кальций, магний и др. В составе пресных вод суши с минерализацией до 1 г/л
преобладают карбонаты кальция. Минерализация подземных вод изменяется от
сотых долей грамма до 500 - 600 г/л. В рассолах преобладают хлориды натрия и
кальция.
Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию Солнца, определяют
климат и изменение погоды на Земле. Вода участвует в биологическом
круговороте веществ. Платон считал воду наряду с огнем, землей и воздухом
одним из четырех начал всего существующего на Земле.
Исключительна роль воды и в жизни человеческого общества. Водоемы
превратились в транспортные пути, речные потоки, приливы морей и океанов,
океанические течения - в источник дешевой электроэнергии. Пресная вода
является сырьем для получения продукции в самых различных областях
народного хозяйства. Вода используется в качестве охладителя двигателей и
компрессоров на тепловых электростанциях и растворителя в химической
промышленности, ею поливают зеленые насаждения. При этом, сельское
хозяйство потребляет пресной воды больше, чем все другие отрасли народного
хозяйства. Чтобы вырастить 1 тонну пшеницы требуется 1500 т воды, а 1 тонну
риса - 7000 т.
 4.2. Водные ресурсы и их распределение
 Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах - почти 94 %, а
остальные 6 % приходятся на другие составляющие части гидросферы. Общий
объем воды в гидросфере составляет более 1,45 млрд. км
 3
 . Распределение воды в
гидросфере приведено в табл.6
Таблица 6
Распределение воды в гидросфере Земли
Части гидросферы
Объем, тыс.км
% от общего объема
Мировой океан
1 370 323
93,96
Подземные воды, всего
60 000
4,12
в том числе в зоне активного
водообмена
4 000
0,27
Ледники
24 000
1,65
Озера
280
0,019
Почвенная влага
85
0,006
 36
Page 37

Речные воды
Водяные пары атмосферы
Вся гидросфера
1,2
14
1 454 703,2
0,0001
0,001
----
Площадь гидросферы достигает 70,8 % площади поверхности земного
шара, тогда как ее объем - всего около ОД % объема планеты. Толщина
равномерно распределенной пленки воды по поверхности Земли равна всего 0,03
% ее диаметра. Доля поверхностных вод в гидросфере весьма мала, но они
обладают исключительной активностью (меняются в среднем каждые 11 дней), и
это служит началом формирования почти всех источников пресных вод на суше.
Количество пресной воды в гидросфере составляет 2,5 % от общего объема, при
этом почти две трети этой воды заключено в ледниках Антарктиды, Гренландии,
полярных островов, льдин и айсбергов, горных вершин. Подземные воды
находятся на различной глубине (до 200 м и более); глубокозалегающие
подземные водоносные горизонты минерализированы, а иногда и засолены.
Кроме воды собственно в гидросфере, водяных паров в атмосфере, подземных
вод в почвах и земной коре имеется еще и биологическая вода в живых
организмах.
Ежегодный объем испаряющейся с поверхности планеты влаги (включая
транспирацию растениями) оцениваются примерно в 500 - 575 тыс.км
 3
 , причем
430 - 500 тыс. км испаряется с поверхности Мирового океана, на долю суши
приходится, таким образом, чуть больше 70 тыс.км
 3
 испаряющейся влаги. За это
же время в виде осадков на поверхность всех континентов выпадает 120 тыс.км
 3
 .
Анализ водного баланса Земли показывает, что общее количество осадков,
выпадающих на поверхность Мирового океана, всегда меньше испарения, так как
часть испарившейся воды уносится на сушу и уже там выпадает в виде осадков. В
среднем с поверхности океана ежегодно испаряется слой воды, равный 1400 мм, а
осадков выпадает только 1270 мм. Разницу балансирует речной сток в океан. На
суше, наоборот, количество атмосферных осадков больше, чем количество
испарившейся влаги, до 38 % всех выпавших осадков речной сток уносит в океан.
Наиболее богата водными ресурсами на единицу площади Южная
Америка, затем следует Европа, Азия и Северная Америка. Менее всего
обеспечены запасами воды Австралия и Африка. По объему речного стока
наиболее обеспечена водными ресурсами Азия. Среднегодовой сток рек
крупнейших стран мира приведен в табл.7.
Таблица 7
Водные ресурсы крупнейших стран мира
Водообеспеченность на
Страна
Среднегодовой сток рек, км
 3
 одного жителя
тыс.м
 3
 /год
Бразилия
5668
59,5
б. СССР
4384
17,5
Китай
2880
3,8
Канада
2740
128,0
США
2345
11,4
Индия
1586
2,9
 37
Page 38

Периодически происходят отклонения в объеме стока рек во времени -глобальные
циклические вариации стока с периодами от 2 до 3, 5 - 7, 11 - 13 и 11 - 28 лет.
Периоды высоких и низких вод наблюдается синхронно в нескольких регионах,
но иногда на совпадают на разных континентах.
Количество воды в водоемах суши устойчиво уменьшается, в то же время
уровень Мирового океана повышается на 1,2 мм в год. Причинами этого
является, прежде всего, вырубка лесов, осушение болот, уменьшение количества
осадков на суше и др.
С неравномерным распределением водных ресурсов по территории земного
шара и нерациональным их использованием связан дефицит воды в мире. По
данным ООН, 23 % городского и 80 % сельского населения не обеспечены
питьевой водой удовлетворительного качества, при общем уровне суточного
потребления воды около 50 млрд.т, что в несколько раз превосходит объемы
добычи полезных ископаемых на Земле. Поскольку ресурсы пресных вод
размещены на нашей планете крайне неравномерно и больше половины
территории приходится на зоны с недостаточным увлажнением, широко
используется дорогостоящая опресненная морская вода в странах Аравийского
полуострова, районах Персидского залива, Гибралтара, на Кюрасау, Бермудских,
Багамских и других островах. Только в районе Персидского залива действует
более 50 опреснительных установок. Ряд стран вынужден импортировать
пресную воду (Алжир, Сингапур и др.). Острый дефицит воды существует в
Японии, Алжире, Тунисе, Италии, Эфиопии, Пакистане и других странах. Общий
дефицит пресной воды на планете составляет 20 млн.м
 3
 /сут.
В этих условиях потребление воды промышленностью увеличивается
ежегодно на 6 %. Вода расходуется почти во всех технологических процессах:
растворении, смешивании, очищении, охлаждении и др. Наиболее влагоемкими
являются производство искусственного волокна и шерстяных тканей, очистка
нефтепродуктов, металлургия. Для производства 1 т меди требуется 5000 т воды,
1 т каучука - 2500 т, 1 т капрона - 5600 т, 1 т бумаги - 1000 т, 1 т стали - 300 т, 1
т синтетического волокна - 250 т, 1 т хлопка - 200 т.
Значительные количества воды расходуются и на бытовые нужды, В
среднем на одного человека в Украине приходится около 170 л воды в сутки, в
больших городах - до 300 л/сут. В Лондоне на каждого жителя приходится
только 170 л воды в сутки. При мойке дорог в городах и других населенных
пунктах расходуется 12 - 15 м
 3
 воды на 1 га площади. В расчете на
шестимиллиардное население земного шара пресные водные ресурсы в
настоящее время потребляются в объеме 18700 км
 3
 . Распределение водных
ресурсов среди различных хозяйственных потребителей Земли приведено в
табл.8.
Таблица 8
Распределение водных ресурсов Земли при населении 6 млрд. человек
Вид потребления воды
Объем потребления воды, км
 3
 Ирригация
Промышленность
7000
1700
 38
Page 39

Бытовые нужды
Разбавление сточных вод
Другие виды потребления
600
9000
400
И Т О Г О
18700
 4.3. Загрязнение водных ресурсов
 Антропогенное воздействие на гидросферу проявляется прежде всего в
виде физического (тепловое, радиоактивное), химического (химические
соединения, пестициды, удобрения, поверхностно-активные вещества) и
биологического загрязнения.
Но дело не только в загрязнении, с водой у человечества весьма сложные
отношения. Человек в последние годы стал оказывать существенное влияние на
гидросферу и водный баланс планеты. Антропогенные преобразования вод
континентов уже достигли глобальных масштабов, нарушая естественный режим
даже крупнейших озер и рек земного шара. Этому способствовали строительство
гидротехнических сооружений (водохранилищ, оросительных каналов, систем
переброски воды), увеличение площади орошаемых земель, обводнение
засушливых территорий, урбанизация и т.п.
По масштабам негативного воздействия на гидросферу главенствующее
положение занимает химическое загрязнение. При этом вода загрязняется
отходами, поглощающими кислород (дезоксигенезирующими агентами),
суспензиями (взвесями), различными токсичными веществами (пестицидами,
гербицидами, соединениями мышьяка, ртути и др.), веществами, вызывающими
эвтрофикацию водоемов (ускорение естественных процессов старения водных
систем), различными солями, нефтепродуктами, отходами предприятий
органического синтеза, детергентами, бытовыми и сельскохозяйственными
сточными водами, включая стоки с сельскохозяйственных угодий,
обрабатываемых пестицидами и минеральными удобрениями и т.п.
Неорганические примеси производственных сточных вод содовых,
сернокислотных, азотнотуковых заводов содержат кислоты, щелочи, соли
различных металлов, сернистые соединения, минеральные взвешенные вещества.
Органические
примеси
присутствуют
в
сточных
водах
нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, предприятий пищевой и
легкой промышленности, заводов органического синтеза, синтетического каучука
и пластмасс, коксохимических заводов и др. В этих стоках содержатся
нефтепродукты, нафтеновые кислоты, аммиак, альдегиды кетоны, чрезвычайно
опасные для водоемов фенолы, спирты, синтетические смолы, меркаптаны и
другие вредные вещества.
Во многих странах Европы, США наблюдается значительное загрязнение
рек и озер. Примером угрожающего загрязнения европейских рек может служить
Рейн, на берегах которого проживает более 20 млн. человек четырех стран.
Загрязненная вода Рейна ежегодно выносит в море более 2,5 млн.т
промышленных отходов. В Голландию Рейн приносит 120 тыс.т железа, 85 т
 39
Page 40

ртути, 100 т мышьяка, 1500 т свинца и т.п. В настоящее время в Рейне
практически не ловят рыбу, тогда как 60 - 70 лет назад здесь вылавливали до 150
тыс. т лосося в год. В Украине наиболее загрязненными являются речки
бассейнов Западного Буга, Северского Донца и Приазовья. Основными
загрязнителями этих рек отмечены аммонийный и нитратный азот, фенол,
нефтепродукты, соединения меди, цинка, марганца и др.
Одним из наиболее неблагоприятных последствий загрязнения водоемов
является эвтрофикация. В эвтрофировании водоемов принимают участие два
главных биогенных элемента - азот и фосфор. Главным источником биогенных
элементов в поверхностных водах все больше становятся удобрения. Так, средняя
концентрация нитратов в поверхностных водах США составляет около 2 мг/л, в
реках Великобритании среднегодовая концентрация нитратного азота колеблется
в пределах 0,4 - 6,2 мг/л. Также важным источником поступления фосфора в
водные экосистемы служат атмосферные аэрозоли, выбрасываемые
предприятиями теплоэнергетики, заводами по производству удобрений, при
сжигании твердых бытовых отходов на мусороперерабатывающих заводах.
Много фосфора поступает в атмосферу, а затем попадает в водоемы с осадками
при антропогенной эоловой эрозии почвенного покрова (3700 - 6600 тыс. т/год).
Только от сжигания твердого ископаемого топлива выбрасывается в атмосферу
до 60 тыс. т/год фосфора. Зачастую из атмосферы в водоемы биогенов (особенно
фосфора) поступает больше, чем со сточными водами.
Увеличение поступления биогенных веществ в Великие Американские
озера привело к их эвтрофированию, при этом особенно пострадали озера Эри и
Мичиган. В эвтрофированных озерах произошла перестройка в трофических
цепях, в фитопланктоне доминирующую роль приобрели сине-зеленые водоросли.
Аналогичные процессы происходят в Женевском, Ладожском, Балатоне и других
крупных озерах. Обилие азота и фосфора в водной толще эвтрофированных озер
способствовало размножению перидиниевых водорослей, что привело к
возникновению ежегодных «красных приливов» (с апреля по июнь). Цветение
воды резко ухудшило ее качество и создало трудности для водоснабжения
прилегающих населенных пунктов.
«Эпидемия» антропогенного эвтрофирования водных экосистем привлекла
внимание к древнейшим организмам, появившемся еще в архее (2 -3 млрд. лет
назад) - к сине-зеленым водорослям. В настоящее время их около 2000 видов,
причем они вездесущи - широко распространены в водоемах, почве и т.д.
Основными их питательными веществами являются фосфор и азот. Это и
привело к массовой вспышке численности сине-зеленых водорослей в водоемах и
в конечном счете к их деградации (ухудшение качества воды, изменение состава
гидробионтов, заморы рыб и др.).
Загрязнение гидросферы нефтепродуктами представляет особую опасность
для морских экосистем, так как по последним оценкам от 20 до 30 % поверхности
Мирового океана покрыто нефтяными пленками. Эти пленки, чрезвычайно
тонкие, но весьма активные, способны нарушать важнейшие физико-химические
процессы в океане, что приводит к весьма нежелательным последствиям
глобального масштаба, а на более низких уровнях отрицательно влияет на
функционирование гидробиоценозов. Нефтяные пленки, будучи молекулярно
устойчивыми, накапливаются в поверхностном слое воды, в донных осадках,
 40
Page 41

морских организмах и, передаваясь по трофическим цепям, создают угрозу
здоровью человека при употреблении в пищу рыбы и морепродуктов. По
расчетам специалистов в морские воды ежегодно поступает около 3,5 млн. т
нефти и нефтепродуктов. В 2000 году объем ежегодных морских перевозок
составил около 1,8 млрд. т нефти из более чем 3,5 млрд. т добычи ее на планете.
В связи с непрерывно возрастающим загрязнением поверхностных вод
подземные водные ресурсы становятся практически единственным источником
хозяйственно-питьевого водоснабжения населения многих стран мира.
Положение усугубляется тем, что пригодные для питья подземные воды залегают
в самой верхней, наиболее подверженной загрязнению части артезианских
бассейнов и других гидрогеологических структур, а реки и озера составляют
всего 0,019 % общего объема воды. Опасность загрязнения подземных вод
заключается в том, что подземные водные ресурсы (особенно артезианские
бассейны) являются конечным резервуаром накопления загрязнителей как
поверхностного, так и глубинного происхождения. Поэтому охрана подземных
вод от загрязнения и истощения, их рациональное использование в настоящее
время имеют важнейшее экологическое значение.
 4.4. Основные методы очистки сточных вод
 В зависимости от вида процессов, протекающих в очистных аппаратах и
сооружениях, методы очистки сточных вод подразделяются на механические,
физико-химические, биологические и безреагентные. На очистных сооружениях
накапливаются большие количества осадков, которые подготавливают к
дальнейшему использованию: обезвоживают, сушат, обезвреживают и
обеззараживают. При необходимости сточные воды, прошедшие, полную
биологическую очистку, подвергают доочистке. После очистки, перед сбросом в
объекты гидросферы, сточные воды обеззараживаются с целью уничтожения
патогенных микроорганизмов.
Механическая очистка предназначена для задержания нерастворимых
примесей. К сооружениям для механической очистки относятся: решетки и сита
(для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных
примесей, песка), отстойники (для медленно оседающих и плавающих примесей),
фильтры (для мелких нерастворимых примесей), гидроциклоны (для
механических примесей и нефтепродуктов), центрифуги (для задержания
примесей
минерального
происхождения). Специфические
загрязнения
производственных сточных вод удаляются с помощью жироловок,
нефтеловушек, масло- и смолоуловителей и др. Очистные сооружения данной
категории располагаются по высоте обычно таким образом, чтобы вода из одного
в другое поступала самотеком. Механическую очистку как самостоятельный
метод применяют в тех случаях, когда осветленную воду используют повторно
для некоторых технических или производственных целей, а также, если
небольшое количество сточных вод после очистки сбрасывают в очень мощный
водоем. Во всех остальных случаях механическая очистка служит первой стадией
в комплексе водоочистных мероприятий. При механической очистке удается
задерживать до 60 % нерастворимых примесей.
 41
Page 42

Физико-химические методы очистки применяются, в основном, для
производственных сточных вод (в случае бытовых стоков их применение
ограничено по экономическим соображениям). К этим методам относятся:
реагентная очистка (нейтрализация, коагуляция, озонирование, хлорирование и
др.), сорбция, экстракция, эвапорация, флотация, электродиализ и др.
Наибольшее распространение получили методы реагентной очистки с
применением коагулянтов.
При этом в сточные воды вводят реагент, который вступая в химическую
реакцию с находящимися в воде примесями, осуществляет более полное
выделение нерастворимых примесей, коллоидов и части растворенных
соединений, что приводит к уменьшению их концентрации в стокам переводу
растворимых соединений в нерастворимые или в растворимые, но безвредные,
изменению реакции сточных вод, в частности их нейтрализации. Это дает
возможность
для
дальнейшего
осаждения
и
фильтрования
мелких
нерастворимых, коллоидных и частично растворенных примесей. В качестве
коагулянтов используют сернокислый алюминий, хлорное железо, сернокислое
железо, известь и др. В ряде случаев физико-химическая очистка обеспечивает
такое эффективное удаление загрязнений, что последующая биологическая
очистка не требуется.
Биологическая очистка сточных вод основана на использовании
микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности разрушают
органические соединения, т.е. минерализуют их. Микроорганизмы используют
органические вещества в качестве источника питательных веществ и энергии.
Сооружения биологической очистки условно делят на два типа: сооружения, в
которых процессы протекают в условиях, близких к естественным, и те, в
которых очистка происходит в искусственно созданных условиях. К первым
относятся поля фильтрации и биологические пруды, ко вторым - биофильтры и
азротенки.
Поля фильтрации представляют собой земельные участки, искусственно
разделенные на секции, по которым равномерно распределяются сточные воды,
фильтрующиеся через поры грунта. Профильтрованная вода собирается в
дренажных трубах и канавах и стекает в водоемы. На поверхности почвы
образуется биологическая пленка из аэробных микроорганизмов, способных
минерализовать органические вещества. Кислород может проникать в грунт на
глубину до 30 см; глубже минерализация осуществляется в результате
жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.
Биологические пруды - это специально созданные неглубокие водоемы, где
протекают естественные биохимические процессы самоочищения воды в
аэробных и анаэробных условиях. Пруды сооружаются как для первичной
биологической очистки, так и для доочистки сточных вод после прохождения
через биофильтры и аэротенки. Насыщение воды кислородом происходит
вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза, но может
применяться и искусственная аэрация.
В качестве биофильтров используются сооружения, в которых создаются
условия для интенсификации естественных биологических процессов. Это
резервуары с фильтрующим материалом, дренажем и устройством для
распределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств
периодически разливается по поверхности загрузки, профильтровывается и
 42
Page 43

отводится во вторичный отстойник. На поверхности фильтра постепенно
образуется биопленка из различных микроорганизмов, которые выполняют ту же
функцию, что и на полях фильтрации, т.е. минерализуют органические вещества.
Отмершая биопленка смывается водой и задерживается во вторичном
отстойнике.
Аэротенки - это резервуары, в которые поступают сточные воды после
механической очистки, активный ил и непрерывно воздух. Хлопья активного ила
представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов - минерализаторов
(бактерий, простейших микроорганизмов, червей и др.). для нормальной
жизнедеятельности этих микроорганизмов необходима непрерывная аэрация
воды. Из аэротенка сточная вода в смеси с активным илом поступает во
вторичные отстойники, где и осаждается. Основная масса его возвращается в
аэротенки, а вода подается в контактные резервуары для обеззараживания.
К безреагентным методам очистки сточных вод относятся обработка стоков
в магнитных и электрических полях и облучение их в различных участках
спектра.
Метод магнитной обработки сточных вод успешно применяется на
промыслах. Наиболее заметно магнитное поле влияет на осадкообразование при
контакте стоков с железными трубами. Скорость фильтрации через
искусственный фильтр намагниченного стока очищаемой воды (при
определенной напряженности поля) в 1,5 - 2 раза превышает скорость
фильтрации ненамагниченного стока. Магнитная обработка промышленных
стоков обеспечивает снижение или предотвращение забивания осадком
трубопроводов, снижение скорости кольматации.
Электрокоагуляция и электрофлотация применяются для очистки сточных
вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты. Этот метод основан на
анодном растворении металлического алюминия или железа и образовании в
прианодном пространстве хлопьев осадка, обладающих высокой адсорбционной
способностью к эмульгированным коллоидно - растворимым нефтепродуктам.
На аноде вследствие электролиза воды выделяется также водород, который
флотирует образовавшиеся хлопья гидроокиси алюминия или железа. В
результате происходит интенсивное осветление сточной воды и значительное
снижение концентраций нефтепродуктов в воде.
Доочистка сточных вод требуется, если по условиям водоотведения перед
сбросом в водоем необходимо дополнительно снизить концентрацию
взвешенных веществ, азота, фосфора, биологическую потребность в кислороде
(БПК) и др. Кроме того, доочистка необходима при повторном использовании
сточных вод в технологических процессах водоотведения. Для доочистки от
взвешенных веществ применяют: микрофильтры, фильтры с плавающей
загрузкой, установки для пенной флотации и др.
Для снижения БПК используют коагуляционные, сорбционные и
озонаторные установки в сочетании с фильтрами. Доочистку от азота и
фосфора применяют для предотвращения эвтрофирования водоемов и обрастания
трубопроводов и аппаратов водорослями. Для удаления фосфора широко
практикуют реагентный метод с использованием извести, сульфатов алюминия
и железа. Минеральные соединения азота (нитриты, нитраты и соли аммония)
удаляют с помощью физико-химических методов.
 43
Page 44

Обеззараживание (дезинфекция) является заключительным этапом
обработки сточных вод перед сбросом в водоемы. Наибольшее распространение
получил способ дезинфекции путем хлорирования газообразным хлором или
хлорной известью. Применяют также электролизные установки для получения
гипохлорита натрия из поваренной соли. Возможно обеззараживание очищенной
воды и другими бактерицидными веществами.
Производственные сточные воды, не поддающиеся очистке
перечисленными методами или если эти методы не применимы по технико-
экономическим показателям, подвергаются выпариванию.
Обработка осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод,
производится с целью снижения их влажности и объема, обеззараживания и
подготовки к утилизации. После механической очистки на устройствах
задерживаются грубые отбросы (тряпки, бумага, остатки продуктов и др.),
которые вывозят на свалки или после дробления направляют в специальные
сооружения. Песок из песколовок поступает на песковые площадки для
обезвоживания, а затем вывозится и используется по назначению. Для обработки
осадков из отстойников используют самостоятельную группу сооружений:
иловые площадки, метантенки, аэробные стабилизаторы, установки для
обезвоживания и сушки. Наиболее широко используются метантенки.
Метантенки представляют собой герметически закрытые резервуары, где
анаэробные бактерии в термофильных условиях (t° = 30 - 43 °С) сбраживают
сырой осадок из первичных и вторичных отстойников. В процессе брожения
выделяются метан, водород, углекислый газ, аммиак и другие газы, которые
могут затем использоваться для разных целей. Осадки сточных вод, выгружаемые
из метантенков, имеют влажность 97 % и неудобны для утилизации. Для
уменьшения их объема применяют обезвоживание на иловых площадках или
вакуум-фильтрах, центрифугах или других сооружениях. В результате этого
обезвоженный осадок уменьшается в объеме в 7 - 15 раз и имеет влажность 50 -
80 %. Аэробная стабилизация осадков осуществляется в резервуарах, где
органическая часть длительное время минерализуется аэробными
микроорганизмами при постоянном поступлении воздуха.
Сжигание осадков применяется, если они не подлежат другим видам
обработки и утилизации. Мировой опыт показывает, что 25 % образующихся на
очистных сооружениях осадков используются в сельском хозяйстве, 50 %
размещается на полигонах и 25 % сжигается. В связи с ужесточением санитраных
требований к качеству осадков, уменьшается возможность использования их в
сельском хозяйстве. Специалисты все больше обращаются к сжиганию осадков.
Огромные объемы неочищенных или недостаточно очищенных сточных
вод поступают в гидросферу в результате чего приходят в негодность многие
заборы природной пресной питьевой воды, резко сокращаются ее запасы. Все это
превращает ее в острый дефицит, вынуждает использовать в быту воды плохого
качества, что приводит к заболеваниям населения.
Для сокращения объемов сбрасываемых в водоемы сточных вод наиболее
радикальным средством в настоящее время является применение оборотных
систем водоснабжения, которые исключают сброс загрязненных вод в
гидросферу и предусматривают повторное использование их после
соответствующей очистки для технологических нужд. Однажды взятая вода из
 44
Page 45

водоема уже не исключается из системы водопровод – канализация - очистные
сооружения - промышленный водопровод. При этом происходят потери воды из
замкнутой системы за счет испарения или извлечения с осадком, образующемся
при очистке, а также в результате утечек на различных участках системы. Эти
потери восполняются путем забора свежей воды. Оборотное водоснабжение
позволяет в значительной мере снизить расход свежей воды. На предприятиях
нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности оборот воды
доведен до 97 %, и сегодня стоит вопрос об исключении на них сброса
отработанных промышленных вод в водоемы.
 45
Page 46

Лекция 5. Охрана и рациональное использование
богатств литосферы
5.1. Общие сведения о литосфере
 Литосфера - внешняя «твердая» оболочка Земли, включающая в себя
земную кору и верхнюю часть мантии (субстракт).
Площадь суши земного шара без ледников и полярных шапок составляет
133, 4 млн. км
 2
 . Из них 55,4 млн. км
 2
 находится в тропиках, 24,3 млн. км
 2
 - в
субтропиках, 22, 5 млн. км
 2
 - в зоне умеренного климата и 21, 2 млн. км
 2
 - в
полярной зоне.
Среди богатств литосферы особое значение для жизнедеятельности
человека имеют почвы и минеральные ресурсы, содержащиеся в ее недрах.
Почва - это природное образование, сформировавшееся из продуктов
разрушения горных пород под влиянием живых организмов и природных
факторов и обладающее способностью обеспечивать растения необходимыми для
их жизнедеятельности условиями. Способность почвы обеспечивать растения
питательными веществами, водой, воздухом, теплом называется плодородием
почвы.
Почвы образуются из продуктов разрушения горных пород под влиянием
климата, рельефа, растительности и животных организмов. Поскольку
климатические условия на земном шаре неодинаковы, то и почвы отличаются
большим разнообразием и зональностью.
Наиболее оптимальные условия для формирования почв создавались в зоне
луговых степей, где при сравнительно ровном рельефе выпадало достаточное
количество атмосферных осадков (500 - 600 мм/год), климат был умеренно
теплым и развивалась обильная травянистая растительность. В этих условиях
образовались наиболее плодородные почвы - черноземы.
К северу от зоны луговых степей влаги в почву поступало больше, но тепла
не хватало, и формировалась в основном лесная растительность. Там, где вода
застаивалась из-за наличия глин и низкой испаряемости, развивались болотные
растения. В лесной зоне получили распространение темно-серые, серые и светло-
серые почвы, подзолы, дерново-подзолистые, болотные почвы и торфяники.
В сухих степях и полупустыне достаточно тепла, но не хватает влаги,
поэтому растительных органических остатков в почву поступает мало.
Формируются каштановые, бурые, серо-бурые почвы, сероземы, солонцы и
солончаки.
В почве, в отличие от горных пород, имеется органическое вещество -
перегной, образующееся из остатков отмерших растений под влиянием
деятельности микроорганизмов. Растительные остатки содержат углеводы, белки,
жиры, лигнин, пектины, сахара. Микробы и простейшие животные, обитающие в
почве, используют эти вещества в качестве пищи, разлагают их, переводя в
глюкозу, аминокислоты, глицерин, полифенолы, хиноны. Одновременно при
помощи своих ферментов микробы синтезируют новую форму органического
вещества - почвенный перегной, а также углекислый газ, воду, аммиак, окислы
азота и т. д. Процесс преобразования породы в почву является частью
 46
Page 47

биологического круговорота веществ. Почва образуется в течение тысячелетий и
располагается по поверхности Земли слоем от 10 до 200 см. Она является
необходимым условием существования растений, животных и микроорганизмов.
Главными элементами питания растений являются азот, углерод, калий и фосфор,
поступающие из перегноя. Содержание азота в почве составляет 0 , 1 - 2 %,
фосфора - 0,008 %, калия - 1 %, кальция - 2 %, углерода - 5 % и т. д. Азот и
углерод входят в состав белка. Количество азота в перегное, перегноя в почве и
мощность почвенного слоя служат показателями плодородия почвы. Самыми
плодородными почвами являются черноземы, содержащие от 6 до 10 % гумуса,
самые бедные - подзолистые почвы (1 - 3 %).Черноземные почвы с высокой
продуктивностью при оптимальной влажности дают урожаи пшеницы до 40 - 63
ц/га. Один квадратный метр чернозема способен дать 400 - 630 г зерна. При
потреблении 120 кг зерна в год на душу населения 1м пашни может с избытком
обеспечить хлебом дневной рацион одного человека.
На долю пахотных земель приходится около 1,5 млрд. га, или 10 - 11 %
всей площади суши, пастбища и сенокосы занимают приблизительно 3 млрд. га,
или 20 % площади суши. По данным ООН, 20 % площади суши располагаются в
слишком холодном климате, 20 % - в слишком жарком и засушливом, 20 %
занимают очень высокие горы и 10 % составляют сильно защебненные почвы
крутых склонов. Резервы сельскохозяйственных земель на планете исчерпаны.
Население земного шара распределено неравномерно и обеспеченность пашней в
разных странах неодинакова, что видно из данных, приведенных в табл. 9.
Страны, наиболее обеспеченные пашней, являются основными производителями
сельскохозяйственных продуктов. На каждого жителя планеты в настоящее время
приходится в среднем около 0,4 га пашни.
Таблица 9
Земельные ресурсы некоторых стран в расчете на душу населения
Количество на душу населения, га
Страна
Всего земли
Пашни
Луга и пастбища
США
4,53
0,84
1,26
Канада
46,15
2,02
0,97
Аргентина
11,93
1,02
6,16
Австралия
60,49
3,50
35,47
Украина
1,22
0,68
0,17
б. СССР
9,23
0,92
1,54
Франция
1,07
0,35
0,27
Великобритания
1 0,44
0,13
0,22
Швеция
5,56
0,37
0,05
Китай
1,27
0,15
0,24
Индия
0,60
0,29
0,03
Япония
0,35
0,05
0,01
Украина занимает третью часть общей территории центрально европейских
государств и владеет почти 40 % мировой площади черноземов. Государственный
земельный кадастр Украины насчитывает 15,5 млн. га особенно ценных
продуктивных земель, из них черноземы - 11,9 млн. га (76,8 %).Если не считать
площадь природных кормовых угодий, то часть земель категории
 47
Page 48

«ненарушенные хозяйственною деятельностью» составляет в Украине 27,4 %. В
Канаде этот показатель достигает 65 %, в России - 47 %.
Минеральные ресурсы в целом представляют собой все пригодные для
употребления вещественные составляющие литосферы. Они могут быть
использованы как минеральное сырье или источники энергии (ископаемое
топливо, металлическое и неметаллическое сырье). Эти ресурсы относятся к
исчерпаемым (невозобновляемым). Развитие человечества со времени его
зарождения и становления связано с использованием минерального сырья,
извлекаемого из земных недр. Постоянно увеличивающийся расход сырья
приводит к возрастанию темпов их добычи, в частности, с 1955 по 1985 г.
мировая добыча бокситов возросла в 11 раз, фосфоритов и калийных солей -
более чем в 5 раз, молибдена - почти в 7 раз, железной и хромовой руды - в 3,5
раза и т. д. Естественно, что запасы минерально-сырьевых ресурсов, особенно
залегающих в доступных для современного уровня техники зонах литосферы,
далеко небезграничны, а главное, практически невозобновимы.
Прогнозы о количестве возможных запасов специалистами осуществляются
весьма разноречиво. Считается, что для промышленно развитых и
развивающихся стран мира запасов угля, железной, марганцевой и хромовых руд,
фосфатного сырья должно хватить еще на 100 - 800 лет. Однако запасов весьма
важных полиметаллических руд, содержащих никель, кобальт, вольфрам,
молибден, медь, свинец, цинк, олово, очень мало - лет на 30 - 50,
В последние годы резко возросла добыча энергетических видов сырья -
нефти и природного газа. К середине 90-х годов минувшего столетия в мире было
добыто около 3600 млн. т нефти, из которых 40 % приходится на США,
Саудовскую Аравию и Россию. Добыча природного газа в 1995г. в мире
составила около 2200 млн. м
 3
 , из них на страны СНГ приходится почти 40 % и на
США - около 25 %. Возрастает в мире добыча золота. Если в 1988г. она
составляла 1920 т, то в 1999 г. - почти 2200 т (из этой добычи наибольшая доля
приходится на ЮАР - более 650 т, США - более 320 т, страны СНГ - более 250 т,
Австралия - 240 т). Следует отметить, что более 90 % всех добываемых полезных
ископаемых приходится на нефть и газ. По данным специалистов, за последние
30 лет добыча полезных ископаемых увеличилась почти в 10-20 раз. Благодаря
геолого-разведочным и поисковым работам увеличиваются мировые запасы
многих видов сырья. Запасы основных видов минерального сырья в
промышленно развитых, включая и Украину, и развивающихся странах
приведены в табл. 10.
Перспективным источником минеральных ресурсов является дно Мирового
океана, где запасы стройматериалов практически неограниченны. Весьма
разнообразен и спектр других полезных ископаемых. Морские ресурсы рутила,
золота, платины, алмазов примерно сопоставимы с запасами на суше. Запасы
фосфоритов достигают 90 млрд. т, а железомарганцевых конкреций - около 2 -
Зтрлн. т. В шельфовых зонах океана уже добывается 65 % циркониевого и 25 %
ториевого сырья. У берегов Бразилии и Индии добывают олово, а на шельфе
Африки - алмазы. В будущем весьма перспективны железомарганцевые
конкреции на дне океана, содержащие около 20 ценных элементов, но пока их
добыча с глубины более 4000 м представляет сложную техническую проблему.
 48
Page 49

Таблица 10
Запасы основных видов минерального сырья в промышленно
развитых и развивающихся странах
Запасы, млн. т
Виды сырья
извлеченные к 1981г.
добываемые к 2000г.
Уголь
719 817
780 000
Железные руды
89 282
130 500
Марганцевые руды
2 343
2 900
Никель
36 335
51015
Кобальт
1891
3 250
Вольфрам
1 650
2 381
Молибден
6 784
10 450
Бокситы
12 637
20 100
Хромовые руды
3 504
3 547
Медь
390
541
Свинец
109
161
Цинк
147
255
Олово
2 946
4 330
Фосфатное сырье
31 276
31220
Калийные соли
16 220
15 427
Сера самородная
319
567
Асбест
71
119
В нестоящее время более 20 % нефти и газа добывается со дна моря, а через
10-20 лет это количество, по прогнозам специалистов, удвоится. Значительный
интерес представляют рудные отложения Красного моря, в центральной части
которого на глубине свыше 2000 м обнаружены горячие рассолы (температура
выше 60°С). В них содержание железа в 8000 раз, цинка в 500 раз, меди в 100 раз
выше, чем в морской воде. Основные виды минерального сырья дна Мирового
океана приведены в табл. 11.
Таблица 11
Основные виды минеральных ресурсов дна Мирового океана
Тип отложений
Вещество или элемент
Геологическое положение
1
2
3
Обломочные отложения
Россыпные отложения
Углеводороды
Строительные материалы:
галечник, гравий, песок
кварцевый, карбонатный
детрит, ракушечник
Железо, золото, платина,
олово, торий, цирконий,
алмазы, титан,
редкоземельные элементы и
др.
Нефть и газ
Прибрежные акватории,
шельф
Прибрежные зоны и
акватории
Континентальные
окраины и бассейны
 49
Page 50

1
 2
3
островных дуг
Гидротермальные
рудные
образования
Железо, марганец, цинк,
медь, серебро, золото и др.
Зоны разломов и центры
спрединга
Железомарганцевые
конкреции
Марганец, железо, титан,
кобальт, медь, никель,
молибден и др.
Глубоководные акватории
(4000-6000м)
Фосфориты
Фосфор, уран,
редкоземельные элементы и
др.
Побережье и прибрежные
зоны
 5.2. Загрязнение и разрушение основных ресурсов литосферы
 В результате хозяйственной деятельности человека происходит разрушение
и загрязнение почв. При этом почва может разрушаться механически и
измениться химически. Механическое разрушение и удаление верхних слоев
почвы называют эрозией. Различают эрозию водную и ветровую. На развитие
процессов эрозии влияют климат, рельеф, характер растительности. Водная
эрозия проявляется там, где рельеф местности волнистый, естественный
растительный покров разрушен и часто выпадают дожди ливневого характера
или очень быстро весной тает снег. Водная эрозия бывает плоскостная и
струйчатая. При плоскостной эрозии происходит смыв почвы по всей
поверхности склона. При струйчатой эрозии сначала возникают промоины,
которые зачастую переходят в овраги. Эрозия проявляется тогда, когда
распахиваются легкие по механическому составу почвы, не соблюдается
чередование культур (севооборот) на полях, когда пахота производится не
поперек, а вдоль склона и т. п. Особенно обедняют почвы монокультуры. В
результате возделывания из года в год одних и тех же культур из почвы
выбираются одни и те же вещества. Монокультуры стали причиной
катастрофического разрушения почв в ряде развивающихся стран. В этих странах
стихийное развитие сельского хозяйства, потребительское отношение к почвам и
массовое внедрение монокультур было основой хозяйственной политики.
Истощенные земли теряют свою устойчивость против эрозионных воздействий.
Причиной возникновения водной эрозии может стать небольшая яма на
склоне, выкопанная для добычи глины или песка, карьеры, из которых добывают
гравий, песок или глину. Водная эрозия особенно сильно проявляется весной или
осенью, когда текут талые и дождевые воды, а поверхность лишена
растительности. В Украине наиболее подвержены водной эрозии земли в юго-
восточном и центральном регионах страны. Доля смытых сельскохозяйственных
угодий в Луганской области составила 84 %, в Донецкой - 62 %, в Одесской,
Кировоградской, Харьковской - до 49 %.
Ветровая эрозия проявляется в степных районах, где часто дуют ветры
большой скорости, и происходит выдувание, перенос и отложение мельчайших
почвенных частиц. Ветровой эрозии подвергаются участки с распыленными
 50
Page 51

бесструктурными почвами, с утраченным растительным покровом. Пыльные
бури возникают при скорости ветра до 35 м/с, в воздух при этом поднимается
огромное количество почвенных частиц. При пыльных бурях почвенный слой
сносится с больших площадей. Ветровой эрозии подвергаются почвы при
строительстве различных объектов, дорог, коммуникаций, когда уничтожается
естественный растительный покров, при добыче полезных ископаемых открытым
способом. В Украине ветровая эрозия более всего проявляется в степной зоне,
особенно в ее Черноморско-Приазовской части. Всего в Украине насчитывается
около 20 млн. га дефляционно опасных сельскохозяйственных угодий.
Существенный вред почве наносит загрязнение ее мусором,
нефтепродуктами, цементом, тяжелыми металлами, токсичными веществами и
др. Цементная пыль, выбрасываемая цементными заводами, забивает поры
почвы, нарушая ее газообмен с окружающей средой. Пустая порода, извлекаемая
из шахт и карьеров, золоотвалы и шлакоотвалы также загрязняют почву
мельчайшими частицами золы и шлаков и вымываемыми из них щелочами и
вредными веществами. Сельскохозяйственное производство является причиной
загрязнения почвы различными ядохимикатами, применяемыми для борьбы с
насекомыми, вредителями и сорной растительностью. Эти яды стойкие и долго
не разрушаются в почве. Многие из них распадаются от 3 до 6 лет, а некоторые
даже в течение 50 лет. Большой вред также наносят почвам кислотные дожди,
содержащие серную, соляную и азотную кислоты, попадающие на них в
результате выбросов транспорта, тепловых электростанций металлургических и
химических заводов и т. п.
Почва не является пассивной по отношению к попадающим в нее
загрязнениям. Микробы и живые организмы почвы перерабатывают их. В 1 см
 3
хорошей почвы содержатся миллионы микроорганизмов. В результате
деятельности микробов, насекомых и мелких животных происходит деградация
загрязнителей и почва самоочищается. Но эта способность почвы не
беспредельна, при интенсивном и постоянном загрязнении она может быть
полностью утрачена.
Развитие горнодобывающей промышленности приводит к изъятию из
природного кругооборота и нарушению значительной части поверхности Земли.
Большие площади плодородных земель отчуждаются при открытом способе
разработки месторождений, обеспечивающем добычу наиболее объемных масс
полезных ископаемых: топливных, железорудных, строительных.
Добыча полезных ископаемых подземным способом также отрицательно
влияет на состояние природных ландшафтов. Вследствие сдвижений и
деформаций горных пород на поверхности шахтных отводов образуются
провалы, прогибы, мульды сдвижения, которые заполняются грунтовыми
подземными водами с верхних водоносных горизонтов, а также паводковыми
водами и атмосферными осадками. Просадка поверхности земли с обводнением и
заболачиванием больших территорий происходит в результате выемки пластов
угля и подземной добычи железной руды на шахтах и рудниках Львовско-
Волынского бассейна, Западного Донбасса и Кривбасса. Так, в Кривом Рогу
величина проседаний над горными выработками достигает 3 - 3,5 м, а в пойме
реки Самара и ее притоков - 2,7 - 5,6 м. Всего на территории Украины
интенсивное проседание земли зафиксировано на площади более 700 тыс. га.
 51
Page 52

При добыче полезных ископаемых неизвлеченным остается значительное
количество ценного сырья. Так, при подземной добыче потери угля составляют
30 - 40 %, на открытых горных работах - 10 %; при добыче нефти 60 - 70 %,
природного газа - 70 %, руд черных и цветных металлов - 25 %. Много
минерального сырья теряется и при переработке. Например, при обогащении
медных руд около одной трети меди выбрасывается в отвалы. Кроме того, еще
мало используются редкие и сопутствующие металлы - серебро, цинк и другие
полезные компоненты руд. Главная причина потерь минерального сырья -
недостаточно совершенная технология добычи и переработки полезных
ископаемых. Потери минерального сырья при добыче ведет к преждевременному
истощению месторождений полезных ископаемых. Необходимость компенсации
экономического ущерба от потерь полезных ископаемых эксплуатацией новых
месторождений ведет к отторжению дополнительных плодородных земель,
загрязнению почвы породными отвалами и шламами, нарушению земной
поверхности над горными выработками.
Отрицательное влияние подземных горных выработок, а также процессов
обогащения и др. заключается также в засорении и отчуждении плодородных
земель породными отвалами. Так, только на территории Украины накоплено
огромное количество (25 млрд. т) промышленных отходов угольной,
горнорудной, металлургической, энергетической и других отраслей народного
хозяйства, из которых 80 % (20 млрд. т) сосредоточено в Донбассе и заключено в
1200 породных отвалах угольных шахт, 63 хвостохранилищах обогатительных
фабрик, 11 золошлаковых отвалах металлургических комбинатов и тепловых
электростанций и др. Этого количества отходов достаточно, чтобы покрыть всю
территорию Украины слоем толщиной до 2 см, а территорию Донбасса - до 13
см. На каждого жителя Украины приходится около 500 т, а Донбасса - 4000 т
промышленных отходов. Ежегодно их количество в Украине возрастает на 100 --
150 млн. т. Под промышленными отходами занято около 160 тыс. га
плодородных земель. В составе породных отвалов содержится большое
количество вредных и токсичных веществ, которые вместе с ливневыми водами
смываются с терриконов и попадают в почву, загрязняя ее.
 5.3. Охрана и рациональное использование природных
ресурсов литосферы
 Как уже отмечалось, огромные площади плодородных земель нарушаются,
загрязняются, отчуждаются в результате добычи полезных ископаемых,
складирования промышленных отходов, проведения строительных работ и т. п.
Почва является невозобновляемым природным ресурсом. Условия, в
которых сформировались современные почвы, на Земле уже не существуют.
Поэтому на месте испорченных и разрушенных земель будут формироваться
качественно иные почвы. Процесс восстановления почв, разрушенных
естественным путем идет очень медленно (сотни лет). В некоторых случаях после
разрушения почвы на поверхности оказываются породы каменистые, засоленные
вредными солями, бесплодные, на которых не может развиваться естественная
растительность. Во всех этих случаях необходимо восстанавливать землю
искусственно, применяя специальные мероприятия.
 52
Page 53

Процесс восстановленияиспорченныхдеятельностьючеловеказемель называется
рекультивацией.Под рекультивацией понимают комплекс работ,
направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной
ценности нарушенных земель определенной целевой направленности. Основными
направлениями рекультивации являются:
 -
 сельскохозяйственный
-
создание
на
нарушенных
землях
сельскохозяйственных угодий (пашни, сенокосов, садовых насаждений и
т. п.);
 -
 рыбохозяйственный - устройство в понижениях техногенного рельефа
водоемов различного назначения;
 - лесохозяйственный - создание лесонасаждений различных типов;
- рекреационный - оформление на нарушенных землях объектов отдыха
 (парки, лесопарки, туристические базы и др.);
 - строительный приведение нарушенных земель в состояние, пригодное для
 промышленного и гражданского строительства;
-
 биологическая или техническая консервация нарушенных земель
породных и золошлаковых отвалов, хвостохранилищ, которые негативно
влияют на окружающую среду и когда проведение рекультивации
экономически невыгодны.
Рекультивация нарушенных земель проводится в два этапа: технический и
биологический.
Технический этап включает подготовку нарушенных земель для
последующего целевого использования в народном хозяйстве. При этом
выполняются: планировка, формирование откосов, снятие, транспортирование и
нанесение плодородного слоя почвы на земли, которые рекультивируются,
устройство дренажной сети и т. п. Работы на данном этапе рекультивации
выполняют горные предприятия или другие специализированные организации.
Биологический этап включает мероприятия по восстановлению плодородия
земель. К этим мероприятиям относятся: посев трав-мелиораторов, сидерация,
внесение органических и минеральных удобрений и другие агротехнические
мероприятия. Работы второго этапа выполняются сельскохозяйственными,
лесохозяйственными организациями.
Наиболее трудоемкими работами технического этапа являются
планировочные, доля которых в ряде случаев составляет 80 % затрат на
рекультивацию. Планировочные работы подразделяются на грубые и чистовые.
Главная задача планировочных работ - приведение техногенного рельефа в
состояние, пригодное для целевого использования. При создании
сельскохозяйственных угодий на землях, которые рекультивируются, при
выравнивании земель их поверхность должна иметь следующий наклон: для
пашни - не более 2°, для лугов и пастбищ - 2 - 4°, под сады и ягодники - 5°.
Планировочные работы при рекультивации нарушенных земель проводятся
стадиями. Грубые планировочные работы - предварительное выравнивание
поверхности с производством основного объема земляных работ. В зависимости
от масштабов рекультивации и направления дальнейшего использования
рекультивируемых земель планировочные работы могут быть сплошными,
частичными или террасными. Чистовые планировочные работы - это
окончательное выравнивание поверхности и исправление микрорельефа при
 53
Page 54

незначительных объемах земельных работ. Необходимость в проведении
чистовых планировочных работ возникает, как правило, после усадки пород
отвалов, засыпанных котлованов, провалов, мулъд и т. п. Чистовая планировка
производится перед нанесением потенциально плодородных почв через 1-2 года
после отсыпки отвала. Это позволяет значительно снизить объемы завозимых
плодородных земель за счет отсутствия впадин. При проведении планировочных
работ используют различные землеройные машины и оборудование: экскаваторы,
бульдозеры, погрузчики, скреперы, грейдеры и т. п.
Завершение операций технического этапа рекультивации производится
путем создания рекультивируемого слоя с благоприятными для выращивания
растений свойствами. Кондиционирование плодородного рекультивированного
слоя начинается с проведения работ по мелиорации поверхностного слоя пород и
смесей, которые составляют поверхностный слой земли. К этим работам
относятся известкование, гипсование, внесение песка и т. п. Этим
обеспечиваются определенные химические и структурные характеристики
поверхностного слоя пород, необходимые для успешного развития корневой
системы и создание микрофлоры, которая обеспечивает жизнедеятельность
растений.
Комплекс работ по восстановлению почвенного слоя и растительности
включает в себя горные работы по снятию, сохранению и повторному
использованию почвы, биомелиоративные работы по восстановлению
плодородия перемещаемого слоя почвы, биологическое освоение
рекультивированных земель. В процессе выполнения горных работ
осуществляется упреждающее селективное снятие почвенного слоя. Слой почвы
наносится на поверхность земли после завершения планировочных и других
работ по подготовке участка, который рекультивируется. При наличии токсичных
пород производится их химическая мелиорация.
Инженерная подготовка земель, которые рекультивируются, включает в
себя комплекс мероприятий, обеспечивающих приведение нарушенных горными
работами земельных участков до состояния, природного для промышленного и
гражданского
строительства, сельскохозяйственного, лесохозяйственного,
рекреационного использования. К инженерным мероприятиям относятся:
отведение поверхностных вод, защита от подтоплений и заболачивания, борьба с
балкообразованиями и эрозией почв, устройство дорог, подъездов и других
сооружений, которые способствуют быстрому освоению рекультивируемых
участков.
При благоприятном рельефе отведение поверхностных вод осуществляется
самотеком за счет правильно созданного наклона поверхности. В противном
случае необходимо создание простейших гидротехнических сооружений. При
формировании отвалов необходимо создавать условия, которые предупреждают
водную эрозию откосов. Это достигается обустройством террас на откосах
отвалов. Для исключения ветровой эрозии почв на рекультивируемых землях
обеспечивается их достаточная связь с грунтовыми водами, особенно в
засушливых районах.
При составлении проектов рекультивации нарушенных земель необходимо
решение следующих противоэрозийных заданий:
 54
Page 55

-
 в зонах возможной водной эрозии - создание водоустойчивой поверхности
(почвенного покрытия, регулирование стоков талой воды и атмосферных
осадков);
 -
 в зонах, подверженных ветровой эрозии – создание ветроустойчивых
поверхностей, снижение скорости ветра в приземном слое и сокращение
размеров пылесборных площадей.
Биологический этап рекультивации начинается с организации и проведения
биомелиоративных работ по восстановлению плодородности нанесенного
слоя почвы или создания на материнских почвах плодородных субстрактов.
Биомелиоративные работы, направленные на создание необходимой структуры
и плодородия почвенного слоя, включают в себя комплекс агротехнических
приемов с целью улучшения физико-химических и биологических свойств
верхнего слоя пород. Восстановление плодородия почв длится несколько лет,
а его эффективность определяется правильным чередованием различных
культур, которые сажаются в определенной последовательности. Это дает
возможность накапливать гумус и ряд других, необходимых для почвы, веществ.
При производстве биологического этапа рекультивации в случае ее
сельскохозяйственной направленности решаются следующие вопросы: подбор
мелиоративных севооборотов; технология обработки грунтов; нормы и
периодичность внесения органических и минеральных удобрений, а также (при
необходимости) мелиорантов. Как правило, освоение рекультивированных
земель начинается с 3 - 4 - летнего выращивания многолетних трав.
В тех случаях, когда техническим этапом не предусмотрено нанесение
гумусового слоя почвы, а рекультивируемый слой представлен потенциально
плодородными породами, мелиоративные севообороты включают 6-10 -летнее
выращивание бобовых трав, нетребовательных к плодородию почв. При этом
норму внесения минеральных удобрений на рекультивированных землях
увеличивают в 1,5 - 2 раза, а гноя - в 2 раза по сравнению с теми, которые
рекомендуются
для
плодородных земель. При использовании
рекультивированных земель под пашню и многолетние насаждения производят
обустройство полезащитных посадок, дерево-кустарниковой растительности
соответственно к зональным и специальным рекомендациям. Озеленение
осуществляется быстрорастущими и неприхотливыми к плодородию почв
растениями, деревьями, кустарниками, которые обеспечивают создание
продуктивного защитного лесонасаждения.
Мероприятия по охране почв и повышению плодородия земель
разнообразны и многоплановы, но они должны осуществляться в комплексе, как
единая система, дополняя друг друга и усиливая эффективность остальных.
Важнейшим направлением в землепользовании является правильная
организация территории, формирование культурного агроландшафта. Так, в
основных земледельческих районах Украины пашня занимает от 45 до 80 % (для
сравнения во Франции - 42 %, в Германии - 32 %, в США - 27 %). Экстенсивное
земледелие привело к распахиванию луговых земель, наклонных и крутых
склонов, на которых должны расти леса, кустарники и травы. В каждом
конкретном районе должно быть разработано свое, научно обоснованное,
соотношение между пашней, лесом, лугами, болотами, водоемами, которое
позволит получить максимальный хозяйственный эффект и сохранит
 55
Page 56

окружающую среду, в частности литосферу. Не менее важным направлением
является организация и соблюдение полевых, кормовых, противоэрозийных и
других севооборотов. Необходимо оптимизировать размеры полей в
севооборотах, так как у нас они зачастую имеют очень большие размеры, перейти
к нарезке полей севооборотов по контурам грунтовых различий, а не разбивать
разногрунтовые участки на правильные прямоугольники в угоду
механизированной обработке, так как каждая почвенная разновидность созревает
для обработки не одновременно, требует различных форм обработки, разных
норм внесения гноя, удобрений и извести. Для сохранения физических свойств
(структуры, пористости, оптимального водно-воздушного режима) необходимо
резко сократить количество обработок почвы, перейти на легкие
обрабатывающие машины и механизмы. Требует пересмотра и подходы к
основной обработке почвы. Опыт Канады и других стран показывает, что
необходимо отказаться от традиционного плуга. Новая бесплужная система
обработки почвы была разработана украинским агрономом Овсинским И.Е. в
1899г. Суть системы заключается в глубоком роспушивании почвы
специальными плоскорезами без переворачивания земляного пласта. Стерня и
питательные остатки остаются на поверхности, которые в аэробных условиях
превращаются преимущественно в гуминовые кислоты. При такой вспашке в 3 -
4 раза снижается интенсивность эрозии на склонах, увеличивается содержание
гумуса и запасы влаги в почве. Бесплужная обработка почвы является одним из
элементов минимальной обработки, которая сохраняет почву и ее ценные
свойства. Оптимальным вариантом в этом направлении является нулевая
обработка, когда механическое возделывание почвы осуществляется один раз в
несколько лет. При высокой культуре поля можно производить посев навесными
агрегатами в лунки, пробуренные в почве. Такие агрегаты шагают по полю,
опускаясь для бурения лунок, внесения удобрений и семян в лунки и их
закрытия. В настоящее время технология нулевой обработки почвы
совершенствуется и в дальнейшем найдет широкое применение. Значительно
снижает загрязнение почвы органическое (биологическое) земледелие, которое
является альтернативой ультрахимизированному способу земледелия.
Органическое земледелие основано на использовании органических удобрений;
гноя, торфа, сапропелей, сидератов и др.
Не менее важным аспектом охраны природных ресурсов литосферы и их
рационального использования является улучшение и сохранение окружающей
среды при извлечении минеральных богатств из недр. В этой связи снижение
потерь полезных ископаемых является важнейшей задачей, которая диктует
создание в этих целях новых более прогрессивных технологий и систем
разработки месторождений открытым и подземным способами. Не менее важным
условием оздоровления окружающей среды и, прежде всего, литосферы является
снижение разубоживания полезных ископаемых, то есть их обеднения в
результате смешивания с пустыми породами при добыче и транспортировании.
Вследствие разубоживания руд в последующие процессы переработки и
складирования хвостов обогащения вовлекается на 20 - 25 % больше твердых
отходов, чем это могло бы быть при чистой выемке. Это наносит существенный
урон литосфере, поскольку требуется выделение более значительных площадей
для размещения хвостохранилищ, отрицательное воздействие которых на
 56
Page 57

окружающую среду общеизвестно. Как и потери, разубоживание руд особо
велико при разработке морфологически сложных рудных месторождений
цветных, редких и благородных металлов, где показатели разубоживания
достигают 50 %. Таким образом, снижение потерь и разубоживания при
разработке полезных ископаемых является серьезной проблемой рационального
использования недр.
Ежегодно из недр Земли и с ее поверхности человечество забирает более 10
млрд. т минеральных и почти столько же органических сырьевых продуктов. От
10 до 99 % исходной массы сырья превращаются в отходы, которые
сбрасываются на отчужденные земли. Отходы, размещенные в породных и
золошлаковых отвалах и хвостохранилищах, сокращают площади плодородных
земель, загрязняют почву вредными и токсичными веществами. Наряду с этим во
многих отвалах содержится значительное количество полезных веществ. Они
превратились в техногенные месторождения полезных ископаемых, разработка
которых по некоторым видам сырья экономически выгоднее, чем традиционными
способами добычи. Кроме того, разработка техногенных месторождений снизила
бы негативное влияние их на литосферу.
Комплексное использование минерального сырья является одним из
важнейших направлений охраны недр. Комплексное использование сырья
включает как извлечение всех компонентов (редких и рассеянных элементов,
солей, отдельных гранулометрических фракций, остаточных полиминеральных
продуктов и т. п.), так и использование самой агрегатно-минеральной основы
полезных ископаемых, отходов производства, т. е. превращения их в полезную
продукцию. Комплексное использование минерального сырья является базой для
применения безотходных технологий, которые в силу тех или иных причин не
находят широкого применения. Промежуточной ступенью безотходного
производства является малоотходная технология, при которой вредное
воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого
санитарными нормам, но по техническим, экономическим, организационным или
другим причинам часть сырья и материалов переходит в отходы. При этом
предусматриваются возможности для применения образующихся попутных
отходов в производствах или отраслях народного хозяйства, которые могли
строить свою деятельность на них как на вторичных минеральных ресурсах.
 57
Page 58

Лекция 6, Радиоактивные, шумовые, тепловые,
электромагнитные загрязнения окружающей среды и борьба с
ними
 6.1. Радиоактивное загрязнение
Радиоактивное загрязнение биосферы является одним из опаснейших видов
воздействия человека при его производственной деятельности в современных
условиях. В целом этот вид загрязнения представляет собой превышение
естественного уровня содержания в окружающей среде радиоактивных веществ.
Оно может быть вызвано испытаниями ядерного оружия, ядерными взрывами и
утечками радиоактивных компонентов в результате аварий на атомных
электростанциях, на предприятиях по производству и обогащению ядерного
топлива и ядерных боеприпасов при их транспортировке, при разрушениях на
транспортных средствах с ядерными двигателями (надводные и подводные суда,
космические аппараты и т. п.), на предприятиях по захоронению ядерных
отходов, в научно-исследовательских лабораториях, при добыче радиоактивных
руд и т. п. В частности, при авариях на АЭС особенно резко увеличивается
загрязнение окружающей среды радионуклидами (стронций - 90, цезий - 141,
йод - 131, рутений - 106 и др.). Так, в результате аварии на Чернобыльской АЭС в
1986г., которая по своим глобальным последствиям является крупнейшей
экологической катастрофой в истории человечества, в окружающую среду было
выброшено около 30 радионуклидов с периодом полураспада от 11 часов
(криптон - 85) до 24 100 лет (изотопы плутония). Суммарный выброс
радиоактивных продуктов в атмосферу оценивается в 77 кг (для сравнения - при
взрыве атомной бомбы над Хиросимой было выброшено только 740г
радионуклидов), причем большая их часть сконцентрировалась в радиусе 300 -
400 км от Чернобыльской АЭС. Искусственными радионуклидами была
загрязнена значительная часть европейской части бывшего СССР (Украина,
Белоруссия, Россия, Латвия, Литва, Эстония, Молдавия). Загрязнение затронуло
также Польшу, Германию, Австрию, Румынию, Венгрию, Швецию, Финляндию.
Особенно сильное воздействие на природные экосистемы сказалось в
радиусе 30 км от разрушенного реактора, где полностью исключается
жизнедеятельность человека. В этой зоне сильно пострадали хвойные леса (в
основном из сосны обыкновенной), которые более чувствительны к радиации,
чем лиственные породы. Площадь погибших сосновых лесов составила более 600
га, а пораженных - 15 тыс. га. Огромны экономические потери от Чернобыльской
катастрофы: долгосрочное изъятие из хозяйственного оборота 144 тыс. га
сельскохозяйственных угодий, 492 тыс. га лесов, затраты на дезактивацию,
отселение жителей и т. п. Произошло значительное загрязнение радионуклидами
(йод — 131, стронций - 90, цезий - 137 и др.). В пострадавших районах резко
повысилась заболеваемость анемией, сердечно-сосудистыми, легочными
болезнями, раковыми опухолями, усилились вспышки инфекций, резко
уменьшились показатели рождаемости. Отмечены случаи мутаций у домашних и
диких животных и растений.
58
Page 59

Прошло почти 15 лет с момента Чернобыльской катастрофы, однако ее
последствия все более ощутимы. Особую угрозу для человечества представляет
изотоп йода - 131, в общем-то с малым периодом полураспада, но создавший
значительную дозу облучения примерно в течение одного месяца после своего
образования. При попадании в организм человека он концентрируется в
щитовидной железе. В зонах радиационного загрязнения с уровнем 1 Ku/км у
взрослых и детей отмечались симптомы «чернобыльской болезни»: головная
боль, сухость во рту, увеличение лимфоузлов; возросли случаи рака гортани и
щитовидной железы. Этот изотоп нанес колоссальный радионуклидный
«йодный» удар по населению огромной части Европы. По прошествии
стольких лет продолжают отмечаться загрязнения сельскохозяйственных
угодий цезием -137 и стронцием - 90, что видно из данных, приведенных в
табл. 12.
Таблица 12
Площади сельскохозяйственных угодий, загрязненные цезием - 137 и
стронцием - 90 в областях Украины (1996г.)
Плотность по цезию - Плотность по стронцию
137, Ku/км
 2
 90, Кu/км
 2
 до 1 1-5
5-15 более до 1
1-5
5-15 бо-
Область
Всего
сельхоз-
угодий,
тыс. га
15
лее
15
Винницкая
1326,6 1227,1 99,0 0,5
— 1010,4 272,7
43,5 —
Волынская
137,5
122,1
15,4 —
—
19,3
3,4
—
—
Житомирская
1479,3 1122,7 274,9 61,5 20,2 109,2 1076,9 104,3 0,6
Ивано-
203,0
170,8 32,2
—
—
23,6 170,9
9,3
—
Франковская
Киевская
1346,9 1104,9 198,2 28,9 14,9
29,7 96,1
44,6 0,2
Ровенская
670,9
514,4 145,0 11,5
—
38,9 75,1
3,4
Сумская
313,9
302,6 11,0 0,3
—
293,0 20,9
—
—
Тернопольская
231,8
231,4 18,8
—
—
18,8 122,4
—
—
Хмельницкая
235,8
211,8 23,5
—
—
52,2 170,9 20,5 —
Черкасская
568,0
414,8 146,6 6,5
0,05
—
—
—
—
Черновицкая
335,6
118,2 17,2 0,2
—
23,7
97,0
5,0
—
Черниговская
1836,9 1762,2 68,8 5,4
0,5
53,0 1694,6 87,7 0,6
ВСЕГО
8485,7 7303,0 1050,6 114,
8
35,65 1671,6 3800,9 318,3 1,4
Приведенные данные должны стать хорошим уроком и учтены при планировании
развития энергетики и проектирования новых АЭС. Возможно, подобные АЭС и
необходимы, но только при условии обеспечения абсолютного уровня
безопасности.
В настоящее время по данным Международного агентства по атомной
энергетике (МАГАТЭ), число действующих реакторов достигло почти 430 при их
общей электрической мощности более 320 ГВт (примерно 17 % мирового
производства электроэнергии). Данные о действующих в мире АЭС приведены в
табл. 13.
 59
Page 60

Таблица 13
Количество действующих АЭС в мире и их доля в общем объеме
вырабатываемой электроэнергии
Страна
Число действующих
Доля вырабатываемой
реакторов
электроэнергии,%
Франция
55
74,5
Бельгия
7
61,0
Южная Корея
9
50,0
Венгрия
4
48,8
Швеция
12
45,0
Швейцария
5
42,0
Испания
10
38,4
Финляндия
4
35,4
Тайвань
6
35,2
Болгария
5
33,0
Япония
39
27,8
Великобритания
39
21,7
США
ПО
19,0
Украина
13
17,3
Канада
18
15,6
Аргентина
2
11,4
ЮАР
2
7,4
Нидерланды
2
5,4
Индия
7
1,6
Больше всего АЭС находится в США, затем следуют Франция,
Великобритания, Япония. Однако мировое лидерство принадлежит Франции,
АЭС которой вырабатывают почти 75 % необходимой ей энергии. По общему
признанию, ядерная энергетика, при условии строжайшего выполнения
необходимых требований безопасности, в определенной мере более экологична,
чем тепловая энергетика, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу
(зола, диоксиды углерода и серы, оксиды азота и др.), а также не уничтожает
невозобновляемые запасы горючих полезных ископаемых. Так, во Франции
быстрое наращивание мощностей АЭС позволило в последние годы значительно
снизить выбросы диоксида серы и оксидов азота в секторе энергетики
соответственно на 70 и 60 %.
Ядерная энергетика вызывала мало опасений до чернобыльской трагедии.
Чернобыльская катастрофа расколола мировое общественное мнение.
Противники ядерной энергетики читают, что на данном этапе развития научных
знаний, технологий, образцов техники и оборудования, образования,
квалификации персонала АЭС существует опасность не просто радиоактивных
загрязнений, а глобальных ядерных катастроф. Они предлагают принять
мораторий на сооружение новых АЭС хотя бы на ближайшие 25 - 50 лет, для
обеспечения научных и технологических исследований по безопасности ядерной
энергетики. Следуя этому мнению, Швеция намерена в ближайшие годы закрыть
6 своих АЭС, Австрия так и не ввела в строй свою единственную АЭС. В
Германии прошли акции протеста против функционирования АЭС.
 60
Page 61

Большинство промышленно развитых стран продолжают развивать
ядерную энергетику. При этом все зависит от того, в какой степени будет
обеспечена безопасность. В Японии, например, уровень техники безопасности
столь высок, что крупнейшая в мире АЭС Фуксима построена в сейсмоопасной
зоне (до 10 баллов). Япония вообще стала лидером наращивания мощностей
АЭС: более половины строящихся атомных электростанций - японские. В
Германии, бунтующее против АЭС население, зазывают на станции, чтобы
показать надежность систем безопасности.
Анализ ожидаемых темпов развития мировой ядерной энергетики, оценки
экологических и социальных ущербов от происшедших тяжелых аварий
показывает, что вероятность повреждения активной зоны реактора без
превышения допустимого санитарными правилами и нормами уровня не должна
превышать 1 событие на 10
 5
 реакторо - лет, а с радиоактивностью выше
установленных пределов -10
 6
 – 10
 7
 реакторо- лет. Иными словами, целью
работ по повышению устойчивости к тяжелым авариям ядерных
энергоустановок является разработка радикальных мер по снижению
вероятности этих аварий в 100 раз. Такова основная стратегия развития мировой
ядерной энергетики на ближайшие 30 - 50 лет.
Предприятия по добыче и обогащению ядерного топлива являются
потенциальными загрязнителями окружающей среды радиоактивными
веществами. В большинстве случаев при условии соблюдения комплекса
природоохранных мероприятий в процессе разработки месторождений и
функционирования уранперерабатывающих предприятий радиационный фон
сохраняется в рамках допустимых пределов. К сожалению еще нередки случаи,
когда в этих случаях наблюдается радиоактивное загрязнение. Так, в Украине, в
г. Желтые Воды Днепропетровской области при разработке урановых
месторождений в 50-тые годы минувшего столетия произошло значительное
радиоактивное загрязнение окружающей среды. Это связано с использованием
радиоактивных материалов при строительстве дорог, тротуаров, жилых домов. В
настоящее время в Желтых Водах функционирует 11 промышленных
предприятий, несколько шахт, гидрометаллургический завод, перерабатывающий
урановое сырье. В результате этого, мощность экспозиционной дозы гамма-
излучения на территории города колеблется в пределах от 8 до 33 мкР/год;
величина гамма-фона на 92 % территории составляет в среднем 16,5 мкР/час, а на
8 % - более 30 мкР/час, в том числе на 3 % территории около 120 мкР/час. При
этом концентрация радона в помещениях в 70 % случаев при обследовании
превышала 100 Бк/м , что в 20000 раз выше нормы.
Серьезную проблему воздействия радиации на биосферу представляют
радиоактивные отходы. К ним относятся побочные биологически вредные
вещества, которые содержат антропогенные радионуклиды. Радиоактивные
отходы опасны прежде всего тем, что содержащиеся в них радионуклиды могут
рассеиваться в биосфере и вызывать различные генетические изменения в
клетках живых организмов, в том числе и человека. Они классифицируются по
различным признакам: агрегатному состоянию, периоду полураспада, удельной
активности, составу излучения и т. п. (рис 10).
 61
Page 62

Рис. 10. Классификация радиоактивных отходов по различным
признакам
Среди радиоактивных отходов по агрегатному состоянию наиболее
распространенными считаются жидкие, образующиеся на АЭС, радиохимических
заводах и исследовательских центрах. Значительны также и объемы твердых
радиоактивных отходов, в частности в реакторах АЭС общей мощностью 1 Гвт за
год образуется 300 - 500 м
 3
 твердых отходов, а от переработки облученного
топлива еще 10 м
 3
 высокоактивных, 40 м
 3
 среднеактивных и 130 м
 3
низкоактивных отходов.
Во многих странах, имеющих АЭС и радиохимические заводы по
производству плутония, накопились значительные количества радиоактивных
отходов. Так, только на территории России суммарная активность
незахороненных отходов составляет более 4 млрд. Ки, что эквивалентно 80
«Чернобылям». В Великобритании отходы атомной промышленности к 2000г.
составили 585 тыс. м
 3
 , из них высокой и средней активности - около 100 тыс. м
 3
 .
Проблема захоронения в ближайшее время может стать еще более острой и
актуальной, так как, по данным МАГАТЭ, после 2000г. более 65 ядерных
реакторов АЭС и 260, используемых в научных целях ядерных устройств, у
которых срок службы превысил 30 лет, должны быть ликвидированы.
В настоящее время нередко еще используются безнадежно устаревшие
методы обращения с радиоактивными отходами: высокоактивные отходы
концентрируются и изолируются, средне- и низкоактивные разбавляются и
распыляются, загрязняя окружающую среду. Наиболее приемлемый вариант
решения проблемы радиоактивных отходов - это захоронение их на
значительную глубину в земную кору. Так, высокоактивные отходы чаще всего
хранят в наземных и подземных емкостях (шахты, штольни, преимущественно в
залежах каменной соли, скважины в монолитных скальных породах и т. п.).
 62
Page 63

6. 2. Шумовое загрязнение
 Человек живет в мире различных звуков, которые по разному
воспринимаются его организмом и соответственно вызывают неодинаковую
реакцию. Природные звуки, как правило, благоприятно влияют на организм
человека. Однако, значительное количество шумов антропогенного характера,
многие из которых человек даже и не слышит, негативно отражаются на его
самочувствии и здоровье. В основном эти шумы возникают при эксплуатации
различных машин или выполнении технологических процессов, поэтому они
называются техническими или производственными.
Шум
это различные звуки, которые мешают нормальной
жизнедеятельности человека и вызывают неприятные ощущения. Звук
представляет собой колебательное движение упругой среды, которое
воспринимается нашим органом слуха. Звук, который распространяется в
воздушной среде называется воздушным шумом, а передающийся по различным
конструкциям (металлическим, бетонным, кирпичным и т. п.) - структурным.
Шумы антропогенного происхождения наиболее существенное и
масштабное негативное влияние на жизненные функции людей оказывают в
атмосферном воздухе. Проблема влияния шумового загрязнения на людей
настолько серьезна для большинства промышленно развитых стран, что для ее
изучения создана Международная ассоциация по борьбе с шумом.
Человек способен различать шумы в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц.
Длительное влияние шума вызывает в организме различные негативные
изменения. Наиболее распространенным заболеванием шумовой этиологии
является глуховатость, которая медленно прогрессируя, приводит к полной
глухоте. Шум - причина и активизатор многих тяжелых заболеваний: гастритов,
язвы желудка, сердечно-сосудистых, истощения нервной системы и психического
расстройства.
Наиболее мощными источниками звукового загрязнения окружающей
среды являются транспортные средства, технологическое оборудование
промышленных и бытовых предприятий: вентиляторные и компрессорные
установки, электротрансформаторы и др. Следует заметить, что вентиляторные
установки наравне с компрессорными станциями наиболее распространены по
сравнению с другими источниками шума.
Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим
повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в
воздухе по сравнению с атмосферным в невозбужденной среде называют
звуковым давлением р (Па). Звуковая волна характеризуется частотой f,
амплитудой колебания А, длиной волны λ, скоростью распространения С.
Скорость звука в воздухе при температуре 20°С составляет 334 м/с, в стале - 500
м/с, в бетоне - 4000 м/с.
При распространении звуковых волн происходит перенос энергии, которая
определяется интенсивностью звука J (Вт/м ). В условиях свободного звукового
поля интенсивность звука измеряют средним количеством энергии, которая
проходит в единицу времени через единицу поверхности, нормально
расположенной в направлении распространения звука и может быть определена
по формуле
 63
Page 64

где р - мгновенное значение звукового давления, Па;
ρ-плотность воздуха, кг/м
 3
 .
Минимальная интенсивность звука, воспринимаемая ухом человека,
называется порогом чувствительности. Верхним пределом интенсивности звука,
который человек еще способен воспринимать, называется порогом болевого
ощущения. Интенсивность звука на границе болевого порога в 10
 6
 раз превышает
интенсивность звука на пороге чувствительности. Органы слуха человека
наиболее чутки к частотам колебаний от 1000 до 3000 Гц.
Единицей измерения уровня интенсивности звука принят 1 бел (Б). Бел -
это десятичный логарифм отношения интенсивности звука к пороговой
интенсивности J
 o
 . В практике акустических расчетов пользуются величиной,
равной 0,1 Б, которая называется децибелом (дБ). Уровень звукового давления L
(дБ) определяют из выражения
Ощущение шума зависит не только от уровня звукового давления, но и от
спектра гармонических колебаний. С учетом этого выделяют следующие
октавные полосы стандартных среднегеометрических частот: 63, 125, 250, 500,
1000,2000,4000,8000 Гц.
Для успешного решения проблемы защиты окружающей среды от шума
необходимо знать его допустимый уровень. Уровень шума промышленных
предприятий, технологических установок, транспортных средств и т. п. должен
обеспечивать допустимый уровень шума в жилых помещениях, на территории
жилой застройки в соответствии с санитарными нормами 3077 - 84.
Нормируемыми параметрами постоянного шума является уровень звукового
давления в стандартных октавных полосах L (дБ) или уровень звука L
 A
 (дБА), а
непостоянного - эквивалентные уровню звука L
 A экв
 (дБА), максимальные уровни
звука L
 A
 MAX
(
 Д
 БА).
Эквивалентный (по энергии) уровень звука L
 A экв
 непостоянного шума -это
уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет то же
среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в
течение определенного интервала времени. Максимальный уровень звука L
 A
 MAX
-
это уровень звука, который отвечает максимальному показанию шумомера в
течение 1 % времени измерения.
Необходимость проведения мероприятий по снижению уровня шума,
который распространяется эксплуатационными источниками, определяется на
основании замеров соответствующих уровней L, L
 A экв
 , L
 A
 MAX
и сравнения их с
нормированными.
При акустических расчетах источников шума, излучающих его в
окружающую среду, расчетные точки, в которых определяются допустимые
уровни звукового давления, выбирают на расстоянии 2 м от площади остекления
окон близрасположенных жилых домов и зданий различного назначения (школы,
больницы, клубы и т. п.). На территории жилых микрорайонов расчетные точки
 64
Page 65

выбираются на расстоянии 2 м от границы территории на высоте1,2 м от
поверхности земли.
Для снижения шума в окружающей среде применяются следующие
мероприятия, позволяющие снизить его нормируемый уровень или до значений,
близких к нему.
1. Уменьшение уровня звуковой мощности источника шума достигается
заменой шумного, устаревшего оборудования агрегатами с улучшенными
звуковыми характеристиками, правильным расчетом режима их работы.
2. Оптимальная ориентация источника или места излучения шума
относительно расчетной точки. С этой целью устройства для забора и выбросов
воздуха или газовоздушных смесей аэродинамических установок следует
располагать таким образом, чтобы излучение шума происходило в сторону,
противоположную от жилой застройки. При этом, например, для воздухозаборной
шахты снижение уровня звукового давления составляет 15 дБ.
3. Расположение
источника
шума
по
возможности
на
более
удаленномрасстоянииотрасчетнойточкиили,наоборот,жилойзастройкиотпромыш
ленныхпредприятий,аэродромов и т.п. Затухание звука в воздухе становится
особенно заметным на высоких частотах, что видно из данных, приведенных
в табл. 13.
Таблица 13
Затухание звука в воздухе при различных частотах
Среднегеометрические
частоты октавных
полос, Гц
63
125
250
500
1000
2000 4000
8000
Затухание звука в
воздухе, дБ/км
0
0,7
1,5
3
6
12
24
48
4. Использование средств звукопоглощения при производстве акустической
обработки шумных помещений, через окна которых шум распространяется в
атмосфере.
5. Уменьшение шума на пути его распространения от источника до
расчетной точки. Этого можно добиться различными путями, применяя способы
звукоизоляции, акустические экраны и глушители шума.
 6. 3. Тепловое загрязнение окружающей среды
 Тепловое загрязнение окружающей среды связано, в первую очередь, с
работой тепловых и атомных электростанций, предприятий, расходующих воду
на охлаждение (теплоэнергетика, коксохимическое производство, доменные печи
и др.). Особенно велико тепловое загрязнение водоемов сбрасываемыми
нагретыми водами ТЭС и АЭС. Удельное количество теплоты, отводимое с
охлаждаемой водой при нагреве ее в конденсаторах турбин на 8 - 10°С составляет
на тепловых электростанциях 4,3 кДж/кВтч при расходе воды 100-130 кг/кВтч,
на АЭС - 7,3 кДж/кВт-ч при расходе воды 170 - 200 кг/кВтч.
Общая площадь охладительных систем ГЭС только в России превышает 35
тыс. га. Например, Краснодарская ТЭЦ сбрасывает в час 100 тыс. м
 3
 воды с
температурой около 50°С. Сброс тепловых вод электростанций приводит к
повышению температуры в водоемах, снижению в воде содержания кислорода,
 65
Page 66

отрицательно воздействует на функционирование водной среды, развитие водных
организмов, водорослей, беспозвоночных, рыб. Потепление водоемов под
влиянием сбросов нагретой энергетическими предприятиями воды вызывает
изменения в поведении водоплавающих птиц. Некоторые из них, например, утки
не улетают на юг, а остаются зимовать на теплых водоемах.
Теплота антропогенного происхождения в глобальном масштабе еще
несоизмеримо мала по сравнению с теплотой, которая поступает от Солнца,
космоса, а также земных недр и составляет только около 0,005 % этого
количества. Естественно, что на тепловой баланс планеты она существенно не
может повлиять. Однако на отдельные регионы, экологические системы или
биоценозы влияние теплового загрязнения от концентрированных источников
становится все более ощутимым. Так, негативное тепловое воздействие
проявляется, например, в деградации вечной мерзлоты, со связанными с зонами
распространения вечномерзлых пород мерзлотными процессами и явлениями
(термокарст, солифлюкция, наледи и др.), а также в изменении структурных
особенностей некоторых грунтов при высоких температурах (под доменными и
мартеновскими печами, кирпичными заводами и т. п.) и условий жизни людей.
Изменение теплового режима в сезонных колебаниях температуры в районе
Красноярска за счет попусков воды из водохранилища Красноярской ГЭС
выразились в снижении температуры в реке Енисей летом и ее повышение зимой
относительно температуры окружающего воздуха. Это привело к увеличению
количества острых респираторно-вирусных заболеваний у жителей Красноярска.
Источниками теплового загрязнения в городах являются подземные
газопроводы промышленных предприятий (140 - 160°С), теплотрассы (50 -
150°С), сборные коллекторы и коммуникации (35 - 45°С) и т. д. Тепловое
загрязнение атмосферы наиболее ярко выражено в крупных городах, где
температура воздуха в центре на 2 - 4°С выше, чем на окраинах. В отдельных
городах эта разница достигает 8°С. Влияние повышенной температуры в городах
охватывает значительные площади. Так, при радиусе города Москвы, равным
примерно 17 км, влияние теплового загрязнения атмосферы прослеживается на
расстоянии до 60 км от центра. Высота антропогенной тепловой зоны в
атмосфере достигает 300 м. В следствии наличия повышенной температуры в
городе преобладают восходящие потоки воздуха.
Многие проблемы теплового загрязнения окружающей среды могут быть
решены путем внедрения оборотных систем водоснабжения с водоохлаждением
воды перед поступлением в водоемы.
В
энергоемких
отраслях
промышленности
-
химической
и
нефтехимической, черной и цветной металлургии, целлюлозно-бумажной и
других - широко используют вторичные энергоресурсы с высоким
температурным потенциалом (более 150°С). К ним относятся доменный,
конверторный и другие горячие отбросные газы; тепло отходящих газов и
жидкостей различного технологического оборудования, отработанного пара и
горячей воды.
Низкотемпературные вторичные энергоресурсы с температурой 30 - 70°С
(тепло серной и фосфорной кислот, газовый конденсат аммиачных производств,
отходящие газы содовых и цементных печей) заключены, как правило, в
агрессивных загрязненных жидкостях и газах. Тепло низкого потенциала,
 66
Page 67

которое с помощью стандартного оборудования отвести практически
невозможно, не находит потребителей в пределах основного технологического
цикла. Однако можно использовать это тепло для производства холода и
электрической энергии, теплоснабжения промышленных предприятий,
населенных пунктов и парниковых хозяйств, опреснения воды и т. д.
Для хранения стоков, например, содовых предприятий создают гигантские
пруды - накопители, откуда со сточными водами уходят миллионы гигакаллорий
тепловой энергии в год. Эту энергию можно использовать для отопления и
горячего водоснабжения самих предприятий и прилегающих к ним жилых
районов, объектов социально-бытового назначения в зимнее время. Летом на
этих предприятиях снижается производительность технологических линий из-за
повышения температуры окружающей среды. Производство холода на основе
сбросового тепла позволило бы избежать снижения объемов вырабатываемой
продукции.
Арсенал технических средств, обеспечивающих эффективное
использование бросовых тепловых ресурсов, пока весьма скуден. Для решения
этой проблемы учеными должны быть созданы специальные энергетические
установки и аппаратура для работы с агрессивными средами, загрязненными
газами и жидкостями. Необходим выпуск утилизационной и теплоиспользующей
холодильной аппаратуры, энергетических фреоновых турбоустановок и агрегатов
по термическому обезвреживанию, уничтожению или регенерации отходов
промышленных предприятий, установок для использования тепла серной и
фосфорной кислот, тепла сбрасываемых в водоемы жидкостей, специальных
теплоиспользующих холодильных установок, систем воздушного охлаждения
технологического оборудования с «пиковыми» холодильными машинами и т. д.
 6.4. Электромагнитное загрязнение
 В последние годы в связи с ростом количества радио- и телепередающих
станций, использующих ультракороткий диапазон радиоволн, широкое
распространение радиотелефонов, а главное персональных ЭВМ и других
электронных устройств иногда значительной мощности, появился еще один вид
загрязнения электромагнитный или, так называемый «электронный смог»,
заключающийся в высокой концентрации микроволн, которые оказывают
негативное воздействие на здоровье человека.
Устройства генерирующие, передающие и использующие электрическую
энергию, создают в окружающей среде электромагнитные поля. Наиболее
дешевыми и доступными способами доставки электроэнергии к потребителю
являются воздушные линии электропередач (ЛЭП). С ростом передаваемого
напряжения и развития сети ЛЭП все более сильным становится влияние на
биосферу электромагнитных полей. Данными, полученными специалистами
США, где протяженность ЛЭП превышает 3 млн. км, установлено отрицательное
влияние излучений на биологические процессы в организмах, активность
гормальных реакций, синтез генетического материала, поток химических веществ
и т. д. Организм человека, находящегося в электромагнитном поле, поглощает его
энергию, в тканях возникают высокочастотные токи с образованием теплового
эффекта. Интенсивность поглощения энергии электромагнитных полей
 67
Page 68

определяется мощностью поля, продолжительностью облучения и длиной волны
колебаний. Чем сильнее мощность поля, короче длина волны и продолжительнее
время облучения, тем сильнее негативное воздействие на организм человека. Для
оценки биологического воздействия электромагнитных полей на организм
человека различают две зоны воздействия: зону индукции (ближнюю) и зону
излучения (дальнюю).
Ближняя зона расположена на расстоянии от источника, равном одной
шестой части длины волны. В этой зоне магнитная составляющая напряженности
поля выражена слабо и поэтому ее действие на окружающую среду
незначительно. В зоне излучения проявляется эффект воздействия обеих
составляющих поля - электрической и магнитной. Этот эффект характеризуется
поверхностной плотностью потока энергии, выраженной в ваттах на квадратный
метр.
Совместное воздействие нескольких источников излучения оценивается
согласно выражению
где Е
 1
 Е
 2
 ... E
 n
 . - напряженности электрического поля, создаваемые
каждым источником в конкретном месте, В/м.
Биологический эффект воздействия имеет двоякий характер. В первом
случае, характеризующимся продолжительным (хроническим) воздействием
малоинтенсивного поля (Е < 1 кВ/м), возникают нарушения электрофизических
процессов в центральной нервной и сердечно-сосудистой системах организма,
щитовидной железы, генеративной функции. Во втором случае,
характеризующимся индукцией поверхностных зарядов, при нахождении
человека и животных под линиями электропередач с напряженностью поля более
1 кВ/м в его теле возникают искровые разряды, покалывания рук, вздыбливание
волос. При напряженности электрических полей промышленной частоты 20 - 50
кВт/м уже через 1 - 2 часа в растениях происходит слабое обесцвечивание
листьев с последующим их отмиранием. При напряженности электрического
поля в 100 кВ/м и более может произойти воспламенение растений.
Основным способом защиты от электромагнитного излучения,
испускаемого ЛЭП, является удаление жилой застройки на безопасное
расстояние. Плотность потока мощности убывает по их мере удаления от
источника по экспотенциальному закону. Величину, обратную коэффициенту
затухания, называют глубиной проникновения поля в поглощающую среду.
Глубина проникновения зависит от свойств проводящей среды и угловой
частоты. С помощью этих характеристик можно определить размеры защитных
экранов.
Размеры охранных зон ЛЭП определяются из условия, согласно которому
на их границах не должно быть превышений предельно допустимого уровня
(табл. 14).
Защитные мероприятия по охране городских территорий от
электромагнитного загрязнения предусматривают устройство различных экранов,
в том числе из зеленых насаждений (кустарников, деревьев). При защите
больших селитебных зон в качестве экранов используются различные
конструктивные элементы зданий и сооружений. Снижение уровня
напряженности поля ЛЭП осуществляется применением заземленных тросов,
 68
Page 69

расположения под линиями высоких классов напряжения линий более низких
классов. Весьма перспективной является замена воздушных линий кабельными
или комбинированными воздушно-кабельными системами передачи
электроэнергии, а также подземной прокладки высоковольтных ЛЭП, хотя они и
дороже в 10 - 12 раз воздушных линий.
Таблица 14
Размеры охранных зон ЛЭП с различным напряжением
Ширина зоны поля, м
Напряжение
ЛЭП, кВ
Минимально
Допустимые
расстояния, м
Ширина
охранной
зоны, м
Е-0,1 кВ/м
Е - 1 кВ/м
35
110
220
330
500
3
4
5
6
10
15
20
25
30
50
-
10
20
25
45
-
8
11
17
23
Для защиты людей от вредного электромагнитного загрязнения,
создаваемого радиотехническими объектами устраивают санитарно-защитные
зоны. Такими зонами являются площади, примыкающие к техническим
территориям данных источников излучения, у которых внешняя граница
определяется на высоте 2 м от поверхности земли по нормируемым предельно-
допустимым уровням. Возможно ослабление (экранирование) электромагнитных
излучений строительными конструкциями. Материалы стен и перекрытий зданий
в различной степени поглощают и отражают электромагнитные волны. Так,
например, масляная краска отражает до 30 % электромагнитной энергии
сантиметрового диапазона. Напряженность электрического поля в зданиях,
имеющих неметаллическую кровлю, в пределах санитарно-защитных зон ЛЭП
напряжением 330 - 500 кВ может быть снижена установкой заземленной
металлической сетки на крышах этих зданий. Металлические кровли зданий
также заземляют не менее, чем в двух точках.
 69
Page 70

Лекция 7. Экологическое нормирование и регламентация выбросов
загрязнений в окружающую среду
7.1. Экологическое нормирование
 Существует несколько точек зрения на подходы и методологию
нормирования качества окружающей природной среды. Основные принципы
разработки стандартов качества природных сред сводятся к следующему:
1. Любое изменение природной среды следует рассматривать как
недопустимое - «нулевая» стратегия.
2. Нормативы должны устанавливаться в соответствии с
технологическими возможностями снижения уровня загрязнений и контроля за
их содержание в окружающей среде.
3. Допустимый уровень загрязнения следует устанавливать таким,
чтобы затраты на его достижение не были больше стоимости ущерба при
неконтролируемом загрязнении.
4. Нормативы должны устанавливаться такие, при которых не будет
никаких прямых или косвенных вредных воздействий на людей. При этом любое
измеримое повышение концентрации или другого воздействия с возможными
патологическими изменениями в организме человека рассматривается как
потенциально вредное.
Первый подход излишне жесткий, так как не все изменения в природной
среде приводят к негативным последствиям. В то же время нетронутая
окружающая среда не всегда соответствует требованиям людей. Например, даже
незагрязненная морская вода не может быть использована для питьевых целей.
Необходимо учитывать, что эволюция биосферы и развитие цивилизации
неизбежно приводит к качественным скачкам в потоках веществ и энергии.
Поэтому было бы неразумно придерживаться «нулевой» стратегии, которая
подразумевает активное противодействие любым изменениям. Утопично
пытаться нормативными предписаниями законсервировать современное
состояние биосферы. Хотя, конечно, следует выделять компоненты и параметры
природной среды, которые должны сохраняться без существенных изменений. В
каждом конкретном случае необходимо тщательно оценивать, какие изменения в
экосистемах являются угрожающими. Стрессовые состояния, связанные с
преувеличением опасности, также могут иметь негативные последствия и
создавать новые психологические, социальные, экономические и даже
экологические проблемы.
Второй принцип широко применяется в некоторых странах (Германия,
Швеция, Норвегия, Дания и др.), где нет единого подхода к нормированию
содержания вредных и токсичных веществ в природной среде. Так, нормы сброса
многих загрязняющих веществ в воду устанавливаются по принципу снижения
загрязнения до возможного минимума, который обеспечивают наилучшие
технологии. Например, Международная Хельсинская комиссия установила
единую норму сброса фосфора со сточными водами (1,5 мг/л) для стран
Балтийского моря с учетом существующих технологий.
 70
Page 71

Иногда будущие стандарты качества устанавливают ниже технически
достижимых уровней, чтобы стимулировать разработку необходимой
технологии: пример - нормы для выхлопных газов автомобилей. Конечно,
нормативы, установленные по такому принципу, не исключают тяжелых
последствий и для людей, и для природных экосистем. Эти нормы могут быть
либо недостаточно, либо излишне строгими, так как не всегда требуется столь
глубокая очистка, которая достигается дорогостоящими технологиями.
Третий принцип кажется излишне меркантильным. Отказ от борьбы с
загрязнениями в том случае, если стоимость природоохранных мер больше
стоимости наносимого ущерба, по существу, подвергает опасности жизнь,
здоровье и благополучие человека. Кроме того, при таких расчетах часто не
учитывают отдаленных последствий. Например, в городе Тайлер (штат Техас,
США) с 1954 по 1972 г.г на асбестовом заводе руководство не устанавливало
необходимое защитное оборудование, и рабочие длительное время подвергались
негативному воздействию асбестовой пыли. В течение этих лет 40 человек из 900
умерли. Рабочие подали в суд на владельцев и правительство. Компенсация
составила 200 млн. долларов. Общее число исков от рабочих асбестовых заводов
и вдов уже умерших рабочих возрастало с каждым годом и составило 10-12
тысяч уголовных дел. Ответственность за вызванные асбестовой пылью смерти и
нанесенный ущерб здоровью оценивалась уже в 38 млрд. долларов, что,
несомненно, превышало затраты на пылеулавливание и другие защитные
мероприятия. Одна из крупных компаний, получив миллиардные иски, объявила
о своем банкротстве. К сожалению, многие рабочие умирали, не дождавшись
решения своих дел.
Четвертый принцип, ориентированный на сохранение здоровья людей,
считается единственно правильным в Украине, России и других странах бывшего
СССР.
В соответствии с этим в бывшем СССР были введены нормативы
загрязнений атмосферного воздуха в 1951г., раньше чем во многих странах мира.
Нормативы были представлены в виде предельно допустимых концентраций
(IIДК), выраженных в мг/м
 3
 . ПДК - это такая максимальная концентрация
вредного или токсичного вещества в воздухе иди воде при поступлении которой
в организм человека в течение определенного или неограниченного времени в
нем не наблюдаются патологические изменения. В основу установленных ПДК
положены исследования влияния вредных и токсичных веществ на людей и
животных, а также на растительность, климат, прозрачность атмосферы и
бытовые условия жизни человека. При этом нормирование производится по
наиболее чувствительному показателю (принцип лимитирующего показателя).
Так, если запах ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного
влияния на людей и окружающую среду, то нормирование ведется по
показателям обоняния (порог обоняния). Если вещество оказывает на
окружающую среду вредное воздействие в меньших концентрациях, чем на
человека, то при нормировании учитывается порог действия этого вещества на
окружающую среду.
В Украине и многих других странах установлены два норматива:
максимальная разовая ПДК, при которой обнаруживаются рефлекторные реакции
у человека (запах, световое ощущение и т. д.) при 20-минутном воздействии
 71
Page 72

вещества, и среднесуточная ПДК, которая не оказывает вредного воздействия на
человека при неограниченно длительном вдыхании. Санитарные нормы качества
воздуха устанавливают ПДК вредных и токсичных веществ для рабочей зоны,
для воздуха, поступающего из систем вентиляции, и для населенных пунктов (в
последнем случае объем воздуха от поверхности земли до уровня верхних этажей
самых высоких зданий). В пределах зон санитарной охраны курортов, на
территориях санаториев, пансионатов и домов отдыха, городов с населением
более 200 тыс. человек загрязнения воздуха по каждому вредному и токсичному
веществу не должны превышать 0,8 ПДК. Гигиенические нормативы в Украине
установлены для более 200 вредных и токсичных веществ и 35 комбинаций
атмосферных загрязнений. Наиболее жесткие нормы ПДК вредных веществ в
воздухе установлены для населенных пунктов (табл. 15).
Таблица 15
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном
воздухе населенных пунктов
Вещество
Максимальная разовая,
Среднесуточная,
мг/м
мг/м
Азота диоксид
0,085
0,085
Азотная кислота
0,4
0,4
Акролеин
0,03
0,03
Аммиак
0,2
0,2
Ацетон
0,35
0,35
Бензол
1,5
0,8
Бензин (в пересчете на углерод)
5,0
1,5
Бутилен
3,0
3,0
Ванадия пентаоксид
—
0,002
Дихлорэтан
3,0
1,0
Марганец и его соединения
—
0,01
Мышьяк
—
0,003
Пыль нетоксичная
0,5
0,15
Сажа (копоть)
0,15
0,05
Сернистый ангидрид
0,5
0,05
Сероводород
0,008
0,008
Сероуглерод
0,03
0,005
Углерода оксид
3,0
1,0
Уксусная кислота
0,2
0,06
Фенол
0,01
0,01
Фтористые соединения
0,02
0,005
Хлор
0,1
0,03
В современных условиях атмосферный воздух населенных пунктов
одновременно загрязняется несколькими вредными веществами. Концентрация
каждого из этих веществ может быть меньше предельно допустимой, но
совместное их присутствие вызывает такой же негативный эффект, как если бы
их содержание превышало ПДК. Это явление называется эффектом суммации
действия. Например, таким эффектом обладают следующие сочетания вредных
 72
Page 73

веществ в воздухе: ацетон-фенол, сернистый газ - сероводород,
ацеталъдегид -винилацетат, озон - диоксид азота - формальдегид,
сернистый газ - фенол, сернистый газ - диоксид азота, фурфурол -
метанол - этанол, сернистый и серный ангидрид - аммиак - окислы азота,
сернистый газ - фториды и др. при совместном содержании в воздухе
нескольких вредных веществ, обладающих суммацией действия должно
соблюдаться следующее условие
 1
2
1
2
 ...
1,
 n
n
 Ñ
Ñ
Ñ
Ï ÄÊ
Ï ÄÊ
Ï ÄÊ
 +
+ +
≤
 где C
 1
 ,C
 2
 ...С
 п
 - фактические концентрации вредных веществ в
атмосферном воздухе, мг/м ;
ПДК
 1
 ПДК
 2
 ...ПДК
 n
 -предельно допустимые концентрации этих
веществ в атмосферном воздухе, мг/м .
Если при расчете сумма будет превышать единицу, то пылегазовые
выбросы подлежат очистке в обязательном порядке, как и в тех случаях, когда в
составе выбросов содержатся вредные вещества, концентрации которых
превышают ПДК.
Гигиенические нормы вредных веществ в водоемах - ПДК (мг/л) в Украине
разработаны более чем для 650 вредных веществ. При анализе качества воды
определяется содержание в ней вредных веществ (мг/л) и сравнивается с их
соответствующим ПДК. Предельно допустимые концентрации некоторых
вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-
бытового водопользования приведены в таблице 16.
Таблица 16
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде водных
объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования
Наименование вредного
ПДК,
Наименование вредного
ПДК,
вещества
мг/л
вещества
мг/л
Аммиак
2,0
Нитраты (по азоту)
10,0
Бензин
0,1
Ртуть
0,005
Бутиловый спирт
1,0
Свинец
0,1
Бром
0,2
Синтанол ДС - 10
0,1
Винилацетат
0,2
Скипидар
0,2
Гексахлоран
0,02
Стирол
0,1
Дибутилфталат
0,2
Стрептоцид
0,5
ДДТ
0,1
Толуол
0,5
Диметилаамин
0,1
Трикрезилфосфат
0,005
Динитротолуол
0,5
Формальдегид
0,05
Диэтилртуть
0,0001
Фенол
0,001
Изопрен
0,005
Фталиевая кислота
0,5
Капролактам
1,0
Фурфурол
1,0
Карбофос
0,05
Хлорофос
0,05
Керосин
ОД
Цианиды
0,1
Метанол
3,0
Цинк
1,0
Метилацетат
0,1
Четыреххлористый углерод
0,3
Никель
0,1
Этиленгликоль
 1,0
 73
Page 74

Содержание вредных веществ в воде является одним из показателей ее
качества. Качество - это характеристика состава и свойств воды, определяющая
возможность ее использования для целей хозяйственно-питьевого, культурно-
бытового, рыбохозяйственного и технического назначения. Для оценки качества
воды анализируется ее химический состав и физические свойства. К показателям
качества воды относятся: температура, запах, вкус, прозрачность, биохимическое
потребление кислорода, реакция среды.
Нормативы ПДК, равно как и требования к качеству воды, в Украине
разработаны в двух вариантах: для водных объектов хозяйственно-питьевого и
культурно-бытового водопользования и для рыбохозяйственных водоемов.
Рыбохозяйственная ПДК - это такая максимальная концентрация вредных
веществ в воде, при которой не наблюдается гибель рыб и кормовых организмов,
не снижается товарная ценность рыбы. В настоящее время в Украине
установлено ПДК для 150 вредных веществ. Для каждой из указанных категорий
водных объектов устанавливается перечень показателей, характеризующих
качество воды и основные требования к ним (табл. 17).
Таблица 17
Общие требования к качеству воды в зависимости от категории
водоиспользования
№ Показатель качества
Категория водоиспользования
воды
хозяйственно-питьевое
водоемы культурно-
водоснабжение
бытового назначения
1
2
3
4
1. взвешенные
Не более, чем на 0,25мг/л
Не более, чем на 0,75мг/л
вещества
выше природного содержания
выше природного
содержания
2. Наличие
Отсутствие пленок и пятен
Отсутствие пленок и пятен
плавающих
масел, жиров и скопления
масел, жиров и скопления
примесей (веществ) других примесей
других примесей
3. Запах, привкусы
Вода не должна иметь запахи и Вода не должна иметь
привкусы интенсивностью
запахи и привкусы
более 2 баллов, обнаруживае -
интенсивностью более 2
мых непосредственно или при
баллов, обнаруживаемых
последующем хлорировании
непосредственно или при
последующем хлориро-
вании
4. Окраска (цветность) Не должна обнаруживаться в
Не должна обнаруживать-
столбике воды высотой 20 см
ся в столбике воды высо -
гой 10 см
5. Температура
Не должна повышаться более
Не должна повышаться
чемна3°Спосравнениюсо
болеечемна3 °С по
Среднемесячной температурой сравнению со среднеме -
воды самого жаркого месяца за сячной температурой воды
последние 10 лет
самого жаркого месяца за
последние 10 лет
6. Реакция
6,5 - $,5 рН
6,5 - 8,5 рН
7. Минеральный состав Сухой остаток не должен
Нормируется по приведен-
 74
Page 75

1
2
3
4
превышать 1000 мг/л, в том
ному показателю
числе хлоридов -350 мг/л,
«Привкусы»
сульфатов - 500 мг/л
8. Растворенный
Не менее 4 мг/л в любое время Не менее 4 мг/л в любое
кислород
года
время года
9. Биохимическая
Полная потребность воды в
Полная потребность воды
потребность в
Кислороде при 20°С не должна
в кислороде при 20°С не
кислороде
превышать 3 мг/л
должна превышать 6 мг/л
10 Наличие
Вода не должна содержать
Вода не должна содержать
возбудителей
возбудителей заболеваний
возбудителей заболеваний
заболеваний
11 Содержание
Не должны содержаться в
Не должны содержаться в
токсичных веществ
концентрациях, которые могут концентрациях, которые
оказать прямо или косвенно
могут оказать прямо или
вредное воздействие на
косвенно вредное
Организм и здоровье человека воздействие на организм и
здоровье человека
В случае одновременного использования водного объекта или его участка
для различных нужд народного хозяйства при определении качества воды
исходят из более жестких требований в ряду одноименных нормативов.
 7. 2. Регламентация выбросов загрязнений в окружающую
среду
 Объемы предельно допустимых выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС) вредных
веществ и микроорганизмов, загрязняющих воздух, воду, почву,
устанавливаются с учетом производственных мощностей объекта и данных о
вредных последствиях по каждому источнику загрязнения. При формировании
территориально-производственных комплексов, развитии промышленности и
сельского хозяйства, строительстве и реконструкции городов и другой
хозяйственной деятельности должны устанавливаться предельно допустимые
нагрузки (ПДН) на окружающую природную среду. Цель расчетов ПДН -
обеспечение наиболее благоприятных условий жизни населения, предотвращение
разрушения и необратимых изменений естественных экологических систем.
Согласно действующим правилам основной принцип, заложенный в расчеты
ПДВ, ПДС и ПДН - это обеспечение таких объемов поступления загрязнений в
окружающую среду, при которых не нарушаются установленные лимитирующие
требования.
Конечная цель расчетов ПДВ - обеспечение концентраций вредных
веществ в атмосферном воздухе, не превышающих ПДК. Для точечных
источников с круглым устьем расчет ведется следующим образом. Вначале
определяют максимально возможную фактическую концентрацию вещества в
воздухе на расстоянии Хм от источника загрязнения при неблагоприятных
метеорологических условиях:
 75
Page 76

(7.1)
где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации
атмосферы;
М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в
единицу времени, г/с;
F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания
вредных веществ в атмосферном воздухе;
т и п - коэффициенты, учитывающие условия выхода
газовоздушной смеси из устья источника выброса;
Н - высота источника выброса над уровнем земли (для наземных
источников при расчетах принимает Н = 2 м), м;
η -безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа
местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с
перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, η =1;
ΔT - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной
смеси (Т
 г
 ) и температурой окружающего атмосферного воздуха
(Тв), °С;
V
 1
 - расход газовоздушной смеси, м
 3
 /с.
Значение
коэффициента
А, соответствующее
неблагоприятным
метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в
атмосферном воздухе максимальна принимается для расположенных в Украине
источников высотой менее 200 м в зоне от 50 до 52 ° сев. шир., равным 180, а
южнее 50° сев. шир. - 200.
Значение мощности выброса М при проектировании предприятий
определяется расчетом в технологической части проекта или принимается в
соответствии с действующими для данного производства (процесса)
нормативами.
Расход газовоздушной смеси определяют по формуле
где Д -диаметр устья источника выброса, м;
ω
 0
 - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья
источника выброса, м/с.
Значение безразмерного коэффициента F принимается:
а) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли,
золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически
равнанулю) - 1;
б) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме отмеченных выше) при среднем
эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90 % - 2; от 75
до90 % - 2,5; менее 75 % и при отсутствии очистки - 3.
При определении значения AT следует принимать в расчетах температуру
окружающего атмосферного воздуха Т
 в
 , равной средней максимальной
температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, температуру Т
 г
 -
 76
Page 77

по действующим для данного производства технологическим нормативам. Расчет
производят по формуле
Значения коэффициентов тип определяются в зависимости от параметров
f, V
 m
 ,V
 1
m
 и fe:
(7.4)
(7.5)
(7.6)
(7.7)
Коэффициент m определяется по формулам:
(7.8)
(7.9)
Коэффициент п при f < 100 определяется в зависимости от V
 m
пo
формулам:
(7.10)
(7.11)
(7.12)
При f > 100 или ΔT≈0 коэффициент п вычисляется по формулам (7.8) и (7.9).
Для f > 100 (или ΔT≈0) и V
 1
m
 ≥ 0,5 (холодные выбросы) при расчете С
 м
 вместо формулы (7.1) используется формула
(7.13)
где
причем п определяется по формулам (7.10) - (7.12) при V
 m
 = V
 1
m
 Аналогично при f< 100 и V
 m
 < 0,5 или f > 100 и V
 1
m
 < 0,5 (случаи предельно
малых опасных скоростей ветра) расчет С
 м
 вместо (7.1)производится по формуле
(7.14)
(7.15)
(7.16)
Расстояние Х
 м
 от источника до места, где создается максимальная
приземная концентрация вредного вещества находят по формуле
(7.17)
 77
Page 78

где d - коэффициент, определяемый для нагретых и холодных
газопылевых смесей из выражений:
(7.18)
(7.19)
(7.20)
Для холодных выбросов при f >100 или ΔT≈0 значение d находится по
формулам:
(7.21)
(7.22)
(7.23)
В соответствии с этим можно рассчитывать ПДВ (при этом необходимо
учитывать фоновые концентрации тех же вредных веществ в атмосферном
воздухе) по формуле
(7.24)
При выбросе нескольких вредных веществ в атмосферный воздух
необходимо соблюдать правило суммации согласно выражению
(7.25)
где С
 і
 - концентрация i -го вещества, мг/м ;
ПДК
 і
 - предельно допустимая концентрация i -го вещества;
С
 Фі
 ;- фоновая концентрация і-го вещества, мг/м ;
п - число суммируемых веществ.
Согласно действующим нормам санитарно-гигиенические требования к
качеству воды относятся только к местам или створам водопользования, а не ко
всей акватории водного объекта. В водотоках контрольный створ, в котором
состав и свойства воды должны соответствовать нормативным, расположен на
расстоянии 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования. Для
водоемов рыбохозяйственного назначения контрольный створ устанавливается на
расстоянии 500 м от выпуска сточных вод. В непроточных водоемах контрольная
зона должна соответствовать нормативам в радиусе 1 км от пункта
водопользования.
Предельно допустимый сброс устанавливается при этом для каждого
контролируемого вещества с учетом фоновой концентрации, категории
водопользования, норм качества воды и ассимилирующей способности водного
объекга.
При проектировании выпуска сточных вод прогноз санитарного состояния
водоема в контрольном створе может быть выполнен согласно выражению
где q - количество поступающих сточных вод;
С
 к.ст
 ., С
 ст
 и С
 ф
 - соответственно концентрация веществ
одного вида в контрольном створе, сточных водах и в
водном объекте до сброса сточных вод (фоновая);
(7.26)
 78
Page 79

γ- коэффициент смешивания;
Q - расход воды в водном объекте.
Если С
 к.ст
 ≤ ПДК, то прогноз благоприятный. В противном случае
необходимы специальные меры, в основном по очистке сточных вод (или
снижению их объема).
При сбросе загрязняющих веществ, относящихся к различным классам
вредности и к одной группе по лимитирующим признакам вредности вначале
рассчитывают концентрацию каждого вещества в контрольном створе согласно
выражению (7.26). После этого проверяют, соблюдается ли условие
где С
 1
к.ст
 , С
 2
к.ст
 , , С
 п
к.ст
 концентрации вредных веществ в
контрольном створе;
ПДК
 1
 , ПДК
 2
 ... ПДК
 П
 - предельно допустимые концентрации
этих веществ в воде.
Если сумма отношений концентраций веществ одного лимитирующего
признака вредности к соответствующим ПДК оказалась больше единицы, то
следует рассмотреть возможные способы снижения каждого вещества. При этом
имеется возможность выбора такой схемы очистки сточных вод, при которой
уменьшаются концентрации лишь наиболее легко удаляемых веществ.
Затем выполняют повторный проверочный расчет с учетом эффективности
осуществленных мероприятий, чтобы удостовериться, что сумма отношений
концентраций к ПДК в створе водопользования не больше единицы.
 79
Page 80

Page 81

Page 82

Page 83


Информация о работе Лекции по "Экологии"