Инженерные способы защиты окружающей среды. Ч.1. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Л. Б. Сафонова, Л. Н. Звягина

ИНЖЕНЕРНЫЕ СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Часть 1

Учебное пособие

2-е издание, переработанное и дополненное

Воронеж 2025

УДК 502(075.8)

ББК 20.1я7 С217

Рецензенты:

направление подготовки «Техносферная безопасность» Воронежского института высоких технологии (руководитель направления подготовки канд. техн. наук, доц. Е. В. Семенова);

С. А. Сазонова, канд. техн. наук, доц. зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности Воронежского государственного педагогического университета

Сафонова, Л. Б.

Инженерные способы защиты окружающей среды: учебное посо-

С217 бие [Электронный ресурс] / Л. Б. Сафонова, Л. Н. Звягина. — 2-е изд., перераб. и доп. — Электрон. текстовые и граф. данные (1,0 Мб). — Воронеж:

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2025. — Ч. 1. — 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM): цв. — Сиcтем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows 10; SVGA c разрешением экрана 1024х768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. — Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-1251-8 ISBN 978-5-7731-1252-5 (Ч. 1)

Учебное пособие содержит материал по курсу «Экология» раздела «Инженерная экология».

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профили «Электромеханика», «Электроснабжение»), 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»), в рамках изучения дисциплины «Экология».

Ил. 5. Табл. 3. Библиогр.: 11 назв.

УДК 502(075.8) ББК 20.1я7

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Электроэнергетика и электротехника», «Электроника и наноэлектроника», и соответствует программе дисциплины «Экология», а также будет полезно и для студентов других специальностей и направлений, изучающих экологию.

Изложенный в пособии материал содержит сведения, которыми должен руководствоваться будущий специалист в зависимости от своей конкретной инженерной специализации, обеспечивая стабильный необходимый уровень природоохранной подготовки с учетом новых концепций управления техносферным развитием.

Перед авторами стояла задача проработать и систематизировать обширный круг инженерно-прикладных вопросов, формирующих необходимую базу знаний современного инженера. Современный специалист должен: определять приоритеты при обосновании методов и средств охраны окружающей среды и рационального природопользования, разрабатывать и внедрять передовые технологии и конструкции в структуре экологически чистых производств, проектировать экологически безопасные объекты и производства в различных отраслях народного хозяйства.

Учитывая многообразие инженерных способов защиты окружающей среды, авторы не стремились привести их к единообразию, чтобы показать студентам возможно более широкий спектр подходов к прогнозным оценкам влияния промышленности на окружающую среду.

Современная экология – это фундаментальная наука о природе, являющаяся комплексной и объединяющая знания основ нескольких классических наук – биологии, геологии, географии, климатологии, ландшафтоведения…

Инженерная экология – большой раздел экологии, рассматривающий воздействие промышленности на природу и наоборот, влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов. Инженерная экология несет ответственность за оптимальное управление техносферой планеты в аспекте глобальной безопасности. В практическом плане формирует индустри- ально-технологические решения по обеспечению устойчивого компромисса между природой и обществом на локальном, региональном и глобальном уровнях.

3

ЛЕКЦИЯ 1

КЛАССИФИКАЦИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Для удовлетворения своих потребностей люди осуществляют хозяйственную деятельность. Основу хозяйственной деятельности составляет производство. Техника (от греч. techne – искусство, мастерство) – совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обеспечения непроизводственных потребностей общества. Главное назначение техники – полная или частичная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и повышения его производительности. Во взаимодействии общества и природы техника играет двоякую роль. С одной стороны, с её помощью человек удовлетворяет многие свои потребности, но с другой – люди, применяя технику, вызывают в природе изменения, нежелательные для всех обитателей биосферы. Находясь в органической связи с природой, современное общество преобразует её посредством техники, причём в таких масштабах, которые обусловили формирование техносферы Земли. Под техносферой понимают планетарное пространство, находящееся под воздействием производственной деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности.

В настоящее время объём антропогенного воздействия на природу стал слишком велик и приблизился к пределу устойчивости биосферы. Существенное сокращение площади естественных биоценозов, уменьшение биологического разнообразия нарушают природные потоки вещества и энергии, вызывают количественное и качественное обеднение биосферы. Потребление и изъятие человеком возобновляемых природных ресурсов – пресной воды, почвы, биомассы растений – достигло критической скорости. Отходы производственной деятельности загрязняют окружающую среду, так как они содержат множество материалов, не утилизируемых в природных круговоротах. Загрязнение ведёт к неблагоприятным изменениям климата, создаёт угрозу здоровью людей, взывает деградацию экосистем. На потоках вещества и энергии в природе стала сказываться существенная разомкнутость антропогенного круговорота веществ; появились признаки нарушения биосферного равновесия, ослабления средообразующей и средорегулирующей функций биосферы. В настоящее время резко сократились и продолжают быстро уменьшаться запасы невозобновимых, главным образом минеральных и топливных ресурсов, что создаёт серьёзные экономические проблемы.

Природа отвечает на возрастающее антропогенное давление часто непредвиденными изменениями. Антропогенное преобразование ландшафтов и загрязнение среды нередко имеют неконтролируемые последствия, приводящие к возникновению зон повышенного экологического риска, экологических бедствий и экономических потерь. Избирательное воздействие на отдельные виды микроорганизмов, растений или животных, исключение этих организмов из природных сообществ вызывает неконтролируемые цепные реакции, которые затрагивают многие виды, нарушают устойчивость экосистем. Химическое и

4

радиационное загрязнение среды ускоряет мутации и приводит к появлению новых биологических форм, обладающих повышенной устойчивостью, а иногда и опасными для человека свойствами.

Человек оказался в ловушке противоречия между своей биологической сущностью и нарастающим отчуждением от природы. Современная цивилизации приобрела черты цивилизации потребления, экономика которой поддерживается преимущественно за счёт диктата предложения и провокации большого числа второстепенных, необязательных потребностей. Именно их удовлетворение ведёт в основном к избыточной техногенной нагрузке на природу.

С точки зрения знаменитого эколога Б. Коммонера существует пять основных видов антропогенного воздействия на биосферу.

1.Упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов.

2.Концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения.

3.Рост числа ядовитых отходов от химических производств.

4.Введение в экосистему новых видов.

5.Появление генетических изменений в организмах растений и животных. По экологическим последствиям антропогенные воздействия делятся на

положительные и отрицательные.

В качестве примеров положительных антропогенных воздействий можно привести восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель.

К отрицательным антропогенным воздействиям на природу относятся вырубка леса на больших площадях, засоление и опустынивание земель, чрезмерное добывание некоторых видов животных.

Одним из наиболее опасных видов отрицательного антропогенного воздействия на природу является загрязнение.

Загрязнением называется поступление в окружающую среду любых твёрдых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем. К загрязнителям биосферы, представляющим огромную опасность для человека и природных биотических сообществ, относятся диоксид серы, тяжёлые металлы, канцерогенные вещества, в частности без(а)пирен, нефть и нефтепродукты, пестициды, оксид углерода, оксиды азота, радионуклиды, диоксины.

По видам изменений, вносимых в окружающую среду, загрязнения можно сгруппировать в следующие категории:

1.Ингредиентное загрязнение – это загрязнение веществами, чуждыми естественным биогеоценозам (минеральное и органическое); К минеральному ингредиентному загрязнению относятся продукты сгорания ископаемого топлива, отходы химического производства. Примерами органического ингредиентного загрязнения являются бытовые стоки и мусор, отходы животноводческих ферм.

2.Параметрическое загрязнение – это загрязнение, которое связано с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное);

5

3.Биоценотическое загрязнение – это загрязнение, которое вызывает нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (браконьерство, акклиматизация видов);

4.Стациально-деструкционное загрязнение – загрязнение, которое связано с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования. Стацией называется место обитания популяции. К стациаль- но-деструкционному загрязнению относятся вырубка лесных насаждений, эрозия почв, урбанизация.

В зависимости от масштаба загрязнения делят на глобальные, региональные и локальные. Глобальным называется загрязнение, которое обнаруживается

влюбой точке планеты, в том числе на большом расстоянии от источника. Региональное загрязнение – это возникновение в окружающей среде не характерных для неё физических, химических, биологических и информационных агентов или превышение естественного уровня концентраций упомянутых агентов, выявляемое на значительном пространстве, но не охватывающее всю планету. Локальным называется загрязнение небольшого региона. В зависимости от факторов, вызывающих загрязнения различают природные и антропогенные загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате воздействия естественных источников (пыльные бури, извержение вулканов, сели и др.). Антропогенное загрязнение – это загрязнение, вызванное хозяйственной деятельностью человека (промышленные предприятия, транспорт и др.).

В результате хозяйственной деятельности человека создаются нообиогеоценозы. К ним относятся технобиогеоценозы, образующиеся в процессе развития промышленных предприятий; агроценозы, формирующиеся в результате сельскохозяйственной деятельности; урбабиогеоценозы, создаваемые в результате строительства городов. Нообиогеоценоз включает в себя дополнительное сообщество, которое называется нооценозом. Нооценоз представляет собой совокупность общества, средств труда и продуктов труда. При появлении в структуре экологической системы объектов промышленного производства образуется при- родно-техническая геосистема. Природно-технической геосистемой называется совокупность природных и искусственных объектов, формирующаяся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природными объектами.

Агроценоз – это сообщество, созданное человеком для своих целей, с определенным уровнем и характером продуктивности. Различия между агроценозом и природными экосистемами заключаются в следующем:

1.Резко снижено разнообразие организмов. Видовую бедность агроценозов человек поддерживает сложной системой агротехнических мер.

2.Виды, культивируемые человеком, не могут выдерживать борьбу за существование без поддержки человека.

3.Агроценозы получают, кроме солнечной, дополнительную энергию благодаря деятельности людей, улучшающих условия роста культивируемых организмов.

4.Чистая первичная продукция агроценоза (биомасса растений) удаляется из агроэкосистемы человеком в виде урожая и не поступает в цепи питания.

6

5. Агроценозы, в отличие от природных экосистем, не являются саморегулирующимися системами, поэтому они не могут существовать без поддержки человека.

ЛЕКЦИЯ 2

АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ

Роль атмосферы в природных процессах очень велика: она определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает её от вредного воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения. Циркуляция атмосферного воздуха оказывает влияние на местные климатические условия, а через них – на режим рек, почвенно-растительный покров. За последнее время в результате антропогенного воздействия в атмосфере произошли значительные изменения. Химическое загрязнение атмосферы представляет огромную опасность для человечества. Вещества, попадающие в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека, не просто изменяют её состав, но оказывают существенное влияние на сложившиеся в результате длительного развития процессы, протекающие в ней. Огромное негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха оказывают газообразные и аэрозольные выбросы промышленного и бытового происхождения. По сравнению с другими компонентами среды обитания человека, атмосфера характеризуется большей пространственной мобильностью и загрязняется наиболее быстро. Результаты экологических исследований свидетельствуют о том, что загрязнение атмосферы – самый мощный и постоянно действующий фактор, оказывающий влияние на здоровье человека и состояние окружающей среды. С загрязнением атмосферы связывают в первую очередь заболеваемость дыхательных путей, патологию сердечно-сосудистой системы, увеличение распространенности аллергических заболеваний.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу можно разделить на следующие группы.

1.Газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода и др.).

2.Жидкие (кислоты, щёлочи, растворы солей и др.).

3.Твёрдые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа и пр.).

Газы и пары образуют с воздухом смеси, а твёрдые и жидкие частицы – аэрозоли (дисперсные системы), которые подразделяют на пыль (размеры частиц более 1 мкм), дым (размеры твёрдых частиц менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10 мкм). Пыль, в свою очередь, может быть крупнодисперсной (размер частиц более 50 мкм), среднедисперсной (50 – 10 мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм). В зависимости от размера жидкие частицы подразделяются на супертонкий туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсный туман (0,5 – 3,0 мкм), грубодисперсный туман (3 – 10 мкм) и брызги (свыше 10 мкм). Следует отметить, что аэрозоли чаще полидисперсные, т. е. содержат частицы различного размера.

7

Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха, на долю которых приходится приблизительно 98 % в общем объёме выбросов вредных веществ, являются диоксид серы (SO2), диоксид азота (NO2), оксид углерода (СО) и твёрдые частицы.

Диоксид серы может вызвать раздражение и повреждение слизистых оболочек у человека и животных, а также спазм бронхов. Он нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Одними из наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха являются оксиды азота. Эти вещества составляют примерно 1/3 часть всех токсичных выбросов промышленного происхождения. В природе оксиды азота выбрасываются в атмосферу во время лесных пожаров. Большие концентрации оксидов азота в городах и окрестностях промышленных предприятий связаны с хозяйственной деятельностью человека. В значительном количестве оксиды азота поступают в атмосферу в результате работы теплоэлектростанций и двигателей внутреннего сгорания. Оксиды азота выделяются при синтезе азотной кислоты, во время процессов, связанных с получением мышьяковой кислоты и арсената натрия, серной кислоты по нитрозному способу, с получением щавелевой и хромовой кислот, алифатических и ароматических нитросоединений, анилиновых красителей; при изготовлении фотопленки, искусственного шёлка, при травлении металлов; при взрывных работах в угольных шахтах, при сварке, плазменной резке металлов; при силосовании зерна. Воздействие воздуха, загрязнённого оксидами азота, на здоровье человека весьма значительно. При контакте оксидов азота с влажной поверхностью лёгких образуются азотная HNO3 и азотистая HNO2 кислоты, поражающие альвеолярную ткань, что вызывает отёк лёгких. При отравлении оксидами азота в крови образуются нитраты и нитриты. Нитриты вызывают расширение сосудов и снижение кровяного давления. Они приводят к превращению оксигемоглобина в метгемоглобин, что нарушает снабжение кислородом клеток организма. При острых отравлениях высокими концентрациями оксидов азота возможен смертельный исход. В случае хронических отравлений у человека возникают хронические воспалительные заболевания верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, разрушаются коронки зубов. Иногда у людей, подвергшихся воздействию больших концентраций оксидов азота, может появляться желтоватое окрашивание на коже кистей рук и ноздрей.

Веселящий газ N2O применяется в качестве исходного продукта для получения азида натрия; в медицине используется в смеси с кислородом для анестезии при хирургических операциях. В больших концентрациях этот газ вызывает удушье вследствие вытеснения кислорода из лёгких. Газовые смеси, которые содержат 20 %, 30 % и 50 % веселящего газа ухудшают кратковременную память у человека.

Оксид азота NO выделяется в качестве промежуточного продукта при получении азотной кислоты окислением аммиака или азота воздуха. В природе оксид азота может выделяться в атмосферу в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Концентрация оксида азота в сигаретном дыме равна 0,32 мг/л. На начальной стадии острого отравления появляется общая слабость, го-

8

ловокружение, онемение ног. Затем снижается кровяное давление. При тяжёлой форме отравления замедляется пульс, изменяется цвет крови по причине образования метгемоглобина из оксигемоглобина, увеличиваются печень и селезёнка. Оксид азота может вызывать паралич и судороги. Последствия отравления выражаются в ослаблении памяти и мышечной силы.

Диоксид азота NO2 выделяется при использовании концентрированной азотной кислоты, например, при нитровании глицерина, при травлении меди и медных сплавов. Этот газ применяется в качестве гомогенного катализатора при получении серной кислоты камерным способом. В природе некоторое количество диоксида азота образуется при извержении вулканов и электрических разрядах в верхних слоях атмосферы. Диоксид азота обладает сильным раздражающим воздействием на дыхательные пути, особенно глубокие, что приводит к развитию токсического отёка легких. Этот газ угнетает аэробное дыхание и стимулирует анаэробное окисление в лёгочной ткани. Предельно допустимая концентрация для диоксида азота составляет 9 мг/м3, для оксида азота – 30 мг/м3.

Одним из наиболее распространённых загрязнителей атмосферного воздуха является оксид углерода (СО), или угарный газ. В городском воздухе концентрация оксида углерода часто превышает концентрацию любого другого загрязнителя. При повышенных концентрациях оксид углерода является смертельно опасным ядом. Его ядовитые свойства объясняются тем, что оксид углерода обладает значительно более высоким сродством к гемоглобину, чем кислород. Таким образом, чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше его молекул связывается с гемоглобином и тем меньше кислорода переносится от лёгких к различным тканям, что ведёт к кислородному голоданию и гибели организма. Опасность оксида углерода усугубляется тем, что органы чувств человека не в состоянии обнаружить его присутствие, так как этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, поэтому отравление им может произойти совершенно незаметно.

Внастоящее время в результате деятельности человека в атмосферу выделяется около 300 миллионов тонн оксида углерода в год. Причём 70 % – 75 % антропогенных выбросов образуется в результате сжигания бензина в двигателях внутреннего сгорания, около 10 % – в результате сжигания угля и дров, приблизительно столько же – в результате сжигания бытовых отходов и около 5

%– в результате лесных пожаров. Некоторая часть оксида углерода попадает в атмосферу вследствие технологических потерь в промышленности, например, металлургической, нефтеперерабатывающей, химической.

Кроме того, источником оксида углерода является табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Установлено, что курильщики поглощают вдвое больше оксида углерода, чем некурящие.

Внастоящее время к основным антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относят следующие отрасли: автотранспорт, теплоэнергетика, предприятия чёрной и цветной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, машиностроение, производство стройматериалов и т. д. Выхлопные газы автомобильных двигателей внутреннего сгорания содержат большое количест-

9

во токсичных соединений, например, бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и оксиды углерода и особо опасные соединения свинца (из этилированного бензина). Период существования этих загрязнителей длится от нескольких минут до 5 лет. Огромный вред влечёт за собой попадание в атмосферу бенз(а)пирена. Он является одним из наиболее опасных транспортных загрязнителей. Бенз(а)пирен представляет собой сильное канцерогенное вещество, получаемое при производстве каменноугольной смолы, каменноугольного пека, сланцевой смолы, сланцевых масел. Оно содержится в сырой нефти, нефтепродуктах, древесном дыме, продуктах пиролиза древесины и торфа. Существует гипотеза, что бенз(а)пирен не обладает самостоятельной канцерогенной активностью, а только создаёт условия для онкогенных вирусов. По химическому составу и свойствам, а также по воздействию на организм человека компоненты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания объединяют в несколько групп.

Впервую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ. В этой группе необходимо обратить внимание на углекислый газ в связи с его ролью в возникновении парникового эффекта.

Ко второй группе относится оксид углерода, или угарный газ. Отравление угарным газом может возникнуть у водителей автотранспортных средств при ночёвках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже.

Всостав третьей группы входят оксиды азота, главным образом оксид азота и диоксид азота. Эти газы образуются в камере сгорания при температуре

2800 С и давлении около 1 МПа. Диоксид азота тяжелее воздуха, поэтому может накапливаться в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Вчетвёртую группу входят различные углеводороды: этан, метан, бензол, ацетилен. Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное влияние на сердечно-сосудистую систему. Кроме того, углеводороды обладают канцерогенными свойствами.

Пятую группу составляют альдегиды. В выхлопных газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется при режиме холостого хода, когда температура сгорания в двигателе не очень высокая. Формальдегид представляет собой бесцветный газ. Он тяжелее воздуха, легко растворяется в воде. Формальдегид раздражает слизистые оболочки дыхательных путей, поражает центральную нервную систему. Акролеин, или альдегид акриловой кислоты, является бесцветным ядовитым газом. Он оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки. Уксусный альдегид представляет собой газ, токсичный для человека.

Вшестую группу входят взвешенные твёрдые частицы: продукты износа двигателя, аэрозоли, масла.

Вседьмую группу входят сернистый газ и сероводород, которые входят в состав отработавших газов, если в транспортном средстве используют топливо

сповышенным содержанием серы.

10