Инженерная экология

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмо-

сферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени и позволяющий установить место-

положение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снего-

вых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямы-

ми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосфе-

ры крупных промышленно – урбанизированных территорий относится много-

канальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заклю-

чается в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризо-

вать большие площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться на выработку таких способов и в отношении других за-

грязняющих веществ.

Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплекс-

ным данным. К ним, прежде всего, относятся результаты мониторинговых на-

блюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рель-

ефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде.

Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются модели измене-

ния приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС.

Конечный результат применения таких моделей – количественная оценка рис-

ка загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-

экономической точки зрения.

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.

Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К послед-

100

ним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмо-

сферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, спо-

собные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим га-

зом (4 – 5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20%.

Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие про-

мышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углеки-

слого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соеди-

нением.

К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды – насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с дру-

гими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией.

В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные ра-

дикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэро-

зольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличие в атмосфере высокой концентрации ок-

сидов азота, углеводородов и других загрязнителей; интенсивная солнечная радиация и безветрие или очень слабый обмен воздуха в приземном слое. Ус-

101

тойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необ-

ходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие ус-

ловия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. Фотохимические смоги нередкое явление над крупными городами. По своему физиологическому воз-

действию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и крове-

носной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти город-

ских жителей с ослабленным здоровьем.

Озоновый слой Земли – это слой атмосферы, близко совпадающий со стратосферой, лежащий между 7 – 8 (на полюсах), 17 – 18 (на экваторе) и 50

км над поверхностью планеты и отличающийся повышенной концентрацией молекул озона, отражающих жесткое космическое излучение, гибельное для всего живого на Земле. Его концентрация на высоте 20 – 22 км от поверхности Земли, где она достигает максимума, ничтожно мала. Эта естественная защит-

ная пленка очень тонка. Активно поглощающий ультрафиолетовое излучение озоновый слой создает оптимальные световой и термические режимы земной поверхности, благоприятные для существования живых организмов на Земле.

Концентрация озона в стратосфере непостоянна, увеличиваясь от низких ши-

рот к высоким, и подвержена сезонным изменениям с максимумом весной.

Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирую-

щих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолето-

вых лучей.

Накапливающиеся изменения озонового слоя привели к тому, что в Се-

верном полушарии в зоне от 30 до 64-го градуса северной широты с 1970 г.

общее содержание озона сократилось на 4% зимой и на 1% летом. Над Ан-

тарктидой – а именно здесь впервые была обнаружена «пробоина» в озоновом слое – каждую полярную весну открывается огромная «дыра», с каждым годом все увеличивающаяся. Если в 1990 – 1991 гг. размеры озоновой «дыры» не превышали 10,1 млн. км2, то в 1996 г., как сообщает бюллетень Всемирной ме-

теорологической организации (ВМО), ее площадь уже составляла 22 млн. км2.

Эта площадь в 2 раза больше площади Европы. Количество озона над шестым

102

континентом было вполовину ниже нормативного. Более 40 лет ВМО наблю-

дает за озоновым слоем над Антарктидой. Феномен регулярного образования

«дыр» именно над ней и Арктикой объясняется тем, что озон особенно легко уничтожается при низких температурах. Особая «активность» дыры была за-

мечена в промежуток с 2007 по 2008 годы. Именно в это время было замечено существенное ослабление слоя озона над Антарктидой – это явление было за-

мечено Европейским космическим агентством, данные засек спутник Envisat

[27]. Всего за один год дыра в Антарктиде в размере увеличилась на 2 миллио-

на квадратных километров.

Многие страны мира разрабатывают и осуществляют мероприятия по выполнению Венских конвенций об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

Стал действовать запрет на производство метилбромидов и гидрофрео-

нов. Уровень производства первых в промышленно развитых странах с 1996 г.

заморожен, гидрофреоны полностью снимаются с производства к 2030 г.

[28,29]. Однако развивающиеся страны до сих пор не взяли на себя обяза-

тельств по контролю над этими химическими субстанциями.

Рост губительного воздействия ультрафиолетового излучения вызывает деградацию экосистем и генофонда флоры и фауны, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность Мирового океана.

6.2. Факторы загрязнения гидросферы

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функ-

ций и экологического значения в результате поступления в них вредных ве-

ществ.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептиче-

ских свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, со-

103

кращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактив-

ных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Нарушено исторически сложившееся равновесие в водной среде Байкала

– уникальнейшем озере нашей планеты, которое, по подсчетам ученых, могло бы обеспечивать чистой водой все человечество в течение почти полустолетия.

Только за последние 15 лет загрязнено более 100 км3 байкальской воды. В ак-

ваторию озера ежегодно поступает более 8500 т нефтепродуктов, 750 т нитра-

тов, 13 тыс. т хлоридов и других загрязнителей. Ученые полагают, что только размеры озера и огромный объем водной массы, а также способность биоты участвовать в процессах самоочищения спасают экосистему Байкала от пол-

ной деградации.

Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех по-

казателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

Различают химические, биологические и физические загрязнители. Сре-

ди химических загрязнителей к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества),

пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. Очень опасно загрязняют воду

биологические загрязнители, например вирусы и другие болезнетворные мик-

роорганизмы, и физические – радиоактивные вещества, тепло и др.

Химическое загрязнение – наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые ки-

слоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсич-

ным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются,

выпадают в осадок, и т. д., однако, как правило, полного самоочищения за-

грязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.

104

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загряз-

нений носит временный характер.

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентраци-

ях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наибо-

лее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повы-

шенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226,

цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в ре-

зультате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания вглубь земли вместе с атмосферны-

ми водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактив-

ными горными породами.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различ-

ных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а

точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, про-

мышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрица-

тельно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в резуль-

тате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологически-

ми водами. Так, например, известно, что на площадке Кольской атомной стан-

ции, расположенной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуата-

ции температура подземных вод повысилась с 6 до 19°С вблизи главного кор-

пуса. При повышении температуры происходит изменение газового и химиче-

ского состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов – сероводорода, мета-

на. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие

105

микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загряз-

нения. По существующим санитарным нормам температура водоема не долж-

на повышаться более чем на 3°С летом и 5°С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12 - 17 кДж/м3.

Процессы загрязнения поверхностных вод обусловлены различными факторами. К основным из них относятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые вы-

бросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов.

Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них не-

очищенных сточных вод — промышленных, коммунально-бытовых, коллек-

торно-дренажных и др.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнооб-

разными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленно-

сти. Следует заметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы не только не уменьшается, но и продолжает расти.

Коммунально-бытовые сточные воды в больших количествах поступают из жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц, и т. д. В

сточных водах этого типа преобладают органические вещества, а также мик-

роорганизмы, что может вызвать бактериальное загрязнение.

Огромное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пести-

циды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смываются с сель-

скохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводче-

скими комплексами. По большей части они попадают в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а потому имеют высокую концентрацию органическо-

го вещества, биогенных элементов и других загрязнителей.

Значительную опасность представляют газодымовые соединения (аэро-

золи, пыль и т. д.), оседающие из атмосферы на поверхность водосборных бас-

сейнов и непосредственно на водные поверхности. Огромны масштабы нефтя-

ного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют

106

морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т.

д.

Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различны-

ми путями: при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др., по затрубному про-

странству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д.

К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализо-

ванные (соленые и рассолы) подземные воды или морские воды, которые мо-

гут внедряться в пресные незагрязненные воды при эксплуатации водозабор-

ных сооружений и откачке воды из скважин.

Важно подчеркнуть, что загрязнения подземных вод не ограничиваются площадью промпредприятий, хранилищ отходов и т. д., а распространяются вниз по течению потока на расстояние до 20 – 30 км и более от источника за-

грязнения. Это создает реальную угрозу для питьевого водоснабжения в этих районах.

6.3. Факторы загрязнения литосферы

Человек существует в определенном пространстве, и основной состав-

ляющей этого пространства служит земная поверхность – поверхность лито-

сферы.

Литосфера загрязняется жидкими и твердыми загрязняющими вещест-

вами и отходами. Установлено, что ежегодно на одного жителя Земли образу-

ется одна тонна отходов, в том числе более 50 кг полимерных, трудноразла-

гаемых.

Загрязнение почвы пестицидами. Почва загрязняется также при исполь-

зовании в сельском хозяйстве пестицидов. Известно, что нормальный рост растений определяется различными физическими, химическими и биологиче-

107

скими процессами, которые протекают в почве. При попадании в почву пес-

тициды могут быть включены в эти процессы с их накоплением в растениях.

Кроме того, они сохраняют устойчивость в почве длительное время, что также обуславливает их накопление в пищевых цепях.

Пестициды, или ядохимикаты, по назначению подразделяются на сле-

дующие группы:

-инсектициды, представляющие собой химикаты для борьбы с вредите-

лями сельскохозяйственных культур (тиофос, метафос, карбофос, хлорофос,

карбаматы);

- гербициды, предназначенные для борьбы с сорными травами (амины,

карбаматы, триазины);

- фунгициды, или химикаты для борьбы с грибковыми болезнями расте-

ний (бензимидазолы, морфолины, дитиокарбаматы, тетраметилтиурамдисуль-

фид);

-регуляторы роста растений;

-дефолианты, вызывающие преждевременное старение листьев расте-

ний. Они широко применяются при механизированной сборке хлопка для ус-

корения опадения листьев у хлопчатника.

Дефолианты применялись во время войны во Вьетнаме для оголения джунглей. Это позволяло американской авиации обнаружить военные базы вьетнамских партизан.

6.4.Очистка газовых выбросов от аэрозолей

игазообразных примесей

Внастоящее время с бурным развитием промышленности большое внимание уделяется ее экологической обоснованности, а именно проблеме очистки и утилизации отходов. Одним из видов отходов промышленности являются газовые выбросы предприятий.

108

Методы очистки газов по основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции [30].

Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся:

гравитационное осаждение;

инерционное и центробежное пылеулавливание;

фильтрация.

В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько приемов очистки от аэрозолей.

Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии 40–100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи, причем степень очистки составляет не выше 40-50%. Метод пригоден лишь для предварительной грубой очистки газов.

Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные пылеуловители. Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом направление движения, скорость газа на входе в аппарат составляет 10 - 15 м/с. Гидравлическое сопротивление аппарата 100 - 400 Па

(10 - 40 мм вод. ст.). Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%.

Инерционный метод можно применять для грубой очистки газов.

Помимо малой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.

109