1- 8_Экология

Министерство Образования РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ

(ТУСУР)

Кафедра экологии

Экология

Контрольная работа № 1

Вариант№ 8

2003г.

1. Поток вещества и поток энергии не тождественные понятия, хотя нередко для измерения потока веществ используются различные энергетические эквиваленты (калории, килокалории, джоули). Отчасти это объясняется тем, что на всех трофических уровнях, энергия, необходимая для жизнедеятельности организмов, передается в форме вещества потребленной пищи. Лишь растения могут непосредственно использовать для своей жизнедеятельности энергию Солнца.

Поток вещества – перемещение вещества в форме химических элементов и их соединений от продуцентов к редуцентам (через консументов или без них).

Поток энергии – переход энергии в виде химических связей органических соединений (пищи) по цепям питания от одного трофического уровня к другому (более высокому).

В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют по разным блокам экосистемы и всегда могут вновь входить в круговорот, энергия может быть использована только один раз.

2. Абиотические факторы – факторы неорганической (неживой) природы. Это свет, давление, влажность, температура и другие климатические и геофизические факторы; природа сомой среды – воздушной, водной, почвенной; химический состав среды, концентрации веществ в ней. К абиотическим факторам относят физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред (приливы, волны, ветер, акустические волны, течения), суточные и сезонные изменения в природе.

Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, стада, группы, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или, наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения. Межвидовые факторы – контакты между особями и популяциями разных видов, разнообразные пищевые связи, поедание одних организмов другими, отношения симбиоза и «сотрудничества» или хищника и жертвы, бациллоносительство и вирулентность, паразитизм.

Практическая работа № 1, вариант № 8.

Расчет уровня загрязнения атмосферного воздуха точечными источниками выбросов.

Предприятие «Калибр»

1. Характеристики предприятия:

№ варианта	Условное название предприятия, загрязняющее вещество	Высота трубы, м	Диаметр устья трубы, м	Температура ГВС, 0С	Выброс загрязняющего вещества, г/с
1	2	3	4	5	6
8	«Калибр»	21	1,6	115
	ацетон				2,2
	диоксид серы				1,6
	зола				4,1
	фенол				1,0

2) Определение максимальной концентрации вредных веществ в атмосфере:

из описания работы следует, что A = 200, F = 1, Г = 1.

Т = 115 – 24,7 = 90,3 ⁰С;

V₁ = 0,785 * 1,6² * 7 = 14,067;

r = 1000 * 7² * 1,6 * 21^-2 * 90,3^-1 = 1,969; r < 100;

q = 0,65 * (14,067 * 90,3 / 21)^1/3 = 2,551; 0,5 < q > 2;

m = (0,67 + 0,1 * (1,969)^1/2 + 0,34 * (1,969)^1/3)^-1 = 0,809;

n = 1;

C_max = 200 * M * 1 * 0,809 * 1 * 1 * 21^-2 * (14,067 * 90,3)^-1/3 = 0,034*M;

C_max (ацетон) = 0,034 * 2,2 = 0,075 мг/м³;

C_max (диоксид серы) = 0,034 * 1,6 = 0,054 мг/м³;

C_max (зола) = 0,034 * 4,1 = 0,139 мг/м³;

C_max (фенол) = 0,034 * 1,0 = 0,034 мг/м³;

3) Определение расстояния от источника выбросов, на котором достигается максимальная концентрация загрязняющего вещества:

Так как r < 100, q > 2

k = 7q^1/2 * (1 + 0,28r^1/3) = 15,104

x_max = 0,25 * (5 – F) * k * H = 0,25 * (5 – 1) * 15,104 * 21 = 317,184 м

x_max ≈ 317,2 м.

4. Определение метеорологических условий, при которых может быть достигнута максимальная концентрация загрязняющего вещества в воздухе:

Так как r < 100, q > 2

U_max = q * (1 + 0,12r^1/2) = 2,551 * 1,168 = 2,98 м U_max ≈ 3 м.

4. Определение концентрации загрязняющего вещества в атмосфере на заданном расстоянии от источника выбросов:

α = 500 / x_max = 500 / 317,184 = 1,576

Так как 1 <  < 8

S₁ = 1,13 * (0,13 * 1,576² + 1)^–1 = 0,854

Концентрация каждого загрязняющего вещества C₅₀₀ в атмосфере на расстоянии 500 м от источника выбросов:

C₅₀₀ (ацетон) = 0,854 * 0,075 = 0,06 мг/м³

C₅₀₀ (диоксид серы) = 0,854 * 0,054 = 0,05 мг/м³

C₅₀₀ (зола) = 0,854 * 0,139 = 0,1 мг/м³

C₅₀₀ (фенол) = 0,854 * 0,034 = 0,029 мг/м³

Величина отношения концентрации каждого загрязняющего вещества на расстоянии 500 м от источника выбросов к ПДК_с.с.:

ацетон: C₅₀₀/ ПДК_с.с. = 0,06/0,35 = 0,2;

диоксид серы: C₅₀₀/ ПДК_с.с. = 0,05/0,05 = 1,0;

зола: C₅₀₀/ ПДК_с.с. = 0,1/0,5 = 0,2;

фенол: C₅₀₀/ ПДК_с.с. = 0,029/0,003 = 9,7

Вариант № 8. Предприятие «Калибр»
Загрязняющее вещество (ПДКс.с., мг/м3)	М, г/с	Сmax, мг/м3	С500, мг/м3	С500/ПДКс.с.
ацетон (0,35)	2,2	0,075	0,06	0,2
диоксид серы (0,05)	1,6	0,054	0,05	1,0
зола (0,5)	4,1	0,139	0,1	0,2
фенол (0,003)	1,0	0,034	0,029	9,7
H = 21 м; D = 1,6 м; T = 1150C; ΔT = 90,30C; V1 = 14,067; r = 1,969; q = 2,551; m = 0,809; n = 1; Cmax = 0,034*M; k = 15,104; xmax ≈ 317,2 м; Umax ≈ 3 м; α = 1,576; S1 = 0,854;

Выводы:

1. Анализ полученных результатов показал, что на расстоянии 500 м от источника выбросов уровень загрязнения приземного слоя атмосферы предприятием «Калибр» составляет по ацетону 0,2 ПДК_с.с., диоксиду серы – 1,0 ПДК_с.с., золе – 0,2 ПДК_с.с., фенолу – 9,7 ПДК_с.с..

2. Для улучшения экологической ситуации на прилегающей территории можно рекомендовать предприятию «Калибр» выполнение технических мероприятий по улучшению работы системы очистки газоаэрозольных выбросов, изменение технологических процессов с целью уменьшения выбросов диоксиды серы и фенола.

Практическая работа № 1, вариант № 8.

Определение границ санитарно-защитной зоны предприятий.

Предприятие «Калибр»

Определяем значение величины х для каждого из четырех загрязняющих веществ:

x (ацетон) = 2,77 * 317,184 * (1,13 * 0,075 / 0,35 – 1)^1/2 = ?;

x (диоксид серы) = 2,77 * 317,184 * (1,13 * 0,054 / 0,05 – 1)^1/2 = 412,474 м;

x (зола) = 2,77 * 317,184 * (1,13 * 0,139 / 0,5 – 1)^1/2 = ?;

x (фенол) = 2,77 * 317,184 * (1,13 * 0,034 / 0,003 – 1)^1/2 = 3018,941.

Из сравнения численных значений величины х для загрязняющих веществ, выбрасываемых предприятием «Калибр», следует, что наибольшее значение величины х относится к фенолу. Следовательно, окончательные размеры санитарно-защитной зоны предприятия «Калибр» будут определяться выбросами фенола.

Соотношение Р/Р_о для каждого из восьми румбов (взято из учебно-методического пособия):

Р_ю/Р_о = 0,72; Р_с/Р_о = 2,96;

Р_ю-в/Р_о = 0,80; Р_с-з/Р_о = 1,28;

Р_в/Р_о = 0,64; Р_з/Р_о = 0,48;

Р_с-в/Р_о = 0,64; Р_ю-з/Р_о=0,48.

Определяем расстояние от источника выбросов до границы СЗЗ в рассчитываемом румбе (направлении ветра) розы ветров:

L_ю (фенол) = 3018,941 * 0,72 = 2173,6 м;

L_ю-в (фенол) = 3018,941 * 0,8 = 2415,2 м;

L_в (фенол) = 3018,941 * 0,64 = 1932,1 м;

L_с-в (фенол) = 3018,941 * 0,64 = 1932,1 м;

L_с (фенол) = 3018,941 * 2,96 = 8936,1 м;

L_с-з (фенол) = 3018,941 * 1,28 = 3864,2 м;

L_з (фенол) = 3018,941 * 0,48 = 1449,1 м;

L_ю-з (фенол) = 3018,941 * 0,48 = 1449,1 м.

Таблица результатов, полученных при выполнении работы:

Вариант № 8. Предприятие «Калибр»
Характеристика	Загрязняющее вещество
	ацетон	диоксид серы	зола	фенол
ПДКс.с., мг/м3	0,35	0,05	0,5	0,003
Cmax, мг/м3	0,075	0,054	0,139	0,034
xmax, м	317,184	317,184	317,184	317,184
x, м	–	412,474	–	3018,941
Lю				2173,6
Lю-в				2415,2
Lв				1932,1
Lс-в				1932,1
Lс				8936,1
Lс-з				3864,2
Lз				1449,1
Lю-з				1449,1
Рю/Ро = 0,72; Рю-в/Ро = 0,80; Рв/Ро = 0,64; Рс-в/Ро = 0,64; Рс/Ро = 2,96; Рс-з/Ро = 1,28; Рз/Ро = 0,48; Рю-з/Ро=0,48.

Чертеж границ санитарно – защитной зоны предприятия «Калибр» в масштабе 1 деление равно 1000 метров.

Вывод: размеры санитарно-защитной зоны предприятия «Калибр» определяются выбросами фенола.

4. Жилой комплекс сбрасывает в речку 60 млн. литров сточных вод в день, которые смешиваются с чистой водой в реке в соотношении 1:30. БПК сточных вод составляет 150 мг*л^-1. Какое БПК будет иметь вода в зоне загрязнения? Смогут ли в этой воде обитать пиявки и нимфы равнокрылой стрекозы?

1) Так как загрязнённая вода смешивается с чистой при соотношении 1:30, то

БПК_смеси = 1/30*150 = 5 мг*л^-1.

Ответ: БПК_смеси = 5 мг*л^-1.

2) Пиявка и нимфа равнокрылой стрекозы относятся к умеренно толерантным организмам, поэтому они смогут существовать в этой воде.

5. Человечеству потребовалось 500 тыс. лет, чтоб численность его выросла от нескольких сотен тысяч человек до 1 млрд. в 1830-м г. Однако ситуация заметно изменилась в 18-м – 19-м вв. Население перешло от состояния медленного роста, перемежающегося спадами из-за голода и эпидемий, к эпохе взрывообразного увеличения. Последние 150 лет население Земли росло и продолжает расти феноменальными, взрывообразными темпами.

Научные открытия и технические изобретения 17-го века способствовали развитию современного индустриального общества, воздействие которого на биосферу приводит по крайней мере к трем основным типам необратимых изменений в равновесии естественных экосистем:

1. Сокращается разнообразие биоценозов в средах, которые эксплуатируются человеком;

2. Нарушен круговорот веществ, т.к. отходы человека больше не минерализуются деструкторами. Деятельность микроорганизмов в воде, почве тормозится различными токсичными, загрязняющими веществами. Появились промышленные отходы, которые невозможно разложить биологическим путем и которые накапливаются в биосфере, нарушая жизнедеятельность экосистем;

3. Приток энергии за счет все возрастающего потребления угля, нефти и газа приводит к истощению невозобновляемых природных ресурсов.

Демографический взрыв 20-го века по своим последствиям для биосферы превосходит великие геологические катастрофы, которые потрясали нашу планету. Этот взрыв явился результатом резкого снижения смертности во всех возрастных группах, которое стало возможным благодаря развитию медицины и здравоохранения, успехам в борьбе с эпидемиями и голодом. И хотя в последние два десятилетия процентные темпы прироста начали снижаться, все же наиболее значимым является тот факт, что абсолютная численность населения планеты будет расти быстрее, чем раньше.

Одна из основных проблем, связанных с демографическим взрывом, заключается в том, что рост числа жителей планеты в геометрической прогрессии не подкрепляется такими же темпами роста ресурсов питания, т.к. последние могут увеличиваться только по линейному закону из-за лимита площади земель, пригодных для ведения сельского хозяйства.

Таким образом, увеличение населения Земли, стиль жизни и уровень экологического сознания людей совместно с развитием промышленности являются основными факторами деградации биосферы.

При сохранении нынешних темпов роста населения численность в 14 млрд. человек можно ожидать уже к 2030 г., т.е. ситуация становится катастрофичной на наших глазах.

6. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незакопченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.

   Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека.

   В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

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

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

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

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

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

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

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 11 т переделанного чугуна выделяется кроме 12,7 кг сернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

 

7. Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно существуют физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Наиболее существенные факторы:

• локальное механическое воздействие на рельеф – при строительстве;

• повреждение особей в технологических системах – при эксплуатации;

• сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты;

• изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС;

• изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов–охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций, идущих на смену топливным станциям на органическом ископаемом топливе. Общепризнанно, что АС при их нормальной эксплуатации намного – не менее чем в 5-10 раз «чище» в экологическом отношении тепловых электростанций на угле. Однако при авариях АС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий АС – крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.

Исходными событиями, которые развиваясь во времени, в конечном счете могут привести к вредным воздействиям на человека и окружающую среду, являются выбросы и сбросы радиоактивности и токсических веществ из систем АС. Эти выбросы делятся на газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через трубу, и жидкие сбросы, в которых вредные примеси присутствуют в виде растворов или мелкодисперсных смесей, попадающие в водоемы. Возможны и промежуточные ситуации, как при некоторых авариях, когда горячая вода выбрасывается в атмосферу и разделяется на пар и воду.

Выбросы могут быть как постоянными, находящимися под контролем эксплутационного персонала, так и аварийными, залповыми. Включаясь в многообразные движения атмосферы, поверхностных и подземных потоков, радиоактивные и токсические вещества распространяются в окружающей среде, попадают в растения, в организмы животных и человека.