Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эколого-аналитический контроль состояния окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
51
ходы целлюлозно-бумажной промышленности. В Уральских реках Чусовой, Исети, Тагиле и Туре концентрации меди, никеля, хрома выше предельно допустимых норм в 5–20 раз. Енисей, Ангара и Лена загрязнены медью, цинком и фенолами. Обь на всем протяжении от истока до устья загрязнена нефтепродуктами
и фенолом в концентрации от 5 до 17 ПДК.
Братское и Усть-Илимское водохранилища загрязнены сточными водами
лесопромышленных комплексов (концентрации сероводорода и других веществ
достигают сотен ПДК).
Воды Амура загрязнены медью и хромом (в 5–15 раз выше ПДК). В тяжелом экологическом положении находится Волга, на берегах которой живет
60 млн человек и где производится 30 % промышленной с сельскохозяйственной
продукции. Водозабор из Волги равен 33 % (данные на 1992 г.). Объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в ее бассейн, составляет 37 % общего их
объема на территории России. В Волгу в 1989 г. поступало 20 км3 сточных вод.
Если исходить из средненеобходимого для различных отраслей промышленности
30-кратного разбавления, то для доведения этих стоков до нормы понадобилось
бы 600 км3 чистой воды, а среднегодовой сток Волги — 250 км3. Ежегодно
в Волгу, а затем в Каспийское море поступает 367 тыс. т органики, 13 тыс. т
нефтепродуктов, 45 тыс. т азота, 20 тыс. т фосфора, что уже привело к резкому
сокращению рыбных богатств Каспия и Волги. В 1990 г. в Волге уже нельзя было
встретить здоровую рыбу. Количество фенолов в волжской воде не территории
Ярославской области превышает ПДК в 21 раз, в районе Астрахани — 5–12 ПДК.
Содержание кадмия и свинца превышает нормы, допустимые с точки зрения употребления рыбы в пищу (1995 г.). В 1998 г. правительство РФ приняло программу «Возрождение Волги». В 1999–2010 гг. предполагается коренное изменение состояние окружающей среды на Волге и ее притоках, восстановление
природных компонентов бассейна.
В целом около половины населения России в 1994 г. было вынуждено
пользоваться водой, не соответствующей гигиеническим нормам и требованиям
Государственного стандарта.
С конца 50-х гг. идет борьба за спасение крупнейшего в мире пресноводного водохранилища — озера Байкал, признанного ЮНЕСКО достоянием человечества. Целлюлозно-бумажный комбинат на его берегу использует воду Байкала для производственного процесса и недостаточно очищенные воды сбрасывает в озеро. В 1992 г. было сброшено 169 млн м3 неочищенных вод. Множество
лет обсуждается вопрос о перепрофилировании комбината. Для этого перепрофилирования требуется 500 млн долларов (1999 г.).
52
Большую угрозу представляют жидкие радиоактивные отходы производства
ядерного топлива и оружейного плутония.
В 1991 г. стали известны последствия аварий, происходивших на химкомбинате «Маяк» около Челябинска, где с конца 40-х гг. производился оружейный
плутоний, а радиоактивные отходы сливались в речку Теча. В 1951 г. произошла
авария, было облучено 124 тыс. человек, а 28 тыс. получили дозы до 170 бэр
(Бэр — биологический эквивалент рентгена. Доза в 100 бэр приводит к хронической лучевой болезни.). В 1957 г. взорвалась одна из емкостей с жидкими отходами, выбросив в воздух почти половину чернобыльской дозы. Радиоактивное
облако покрыло 23 тыс. км2, где проживали 270 тыс. человек. В Челябинской,
Свердловской и Курганской областях было облучено 450 тыс. человек, а 2,5 чернобыльских дозы заключено в отходах, сброшенных в озеро Карачай, и в водной
линзе под ним, которые могут влиться в реки обского стока, и вызвать экологическую катастрофу в Западной Сибири до Ледовитого океана.
Почти 20 чернобыльских доз заключено в емкостях вроде той, что взорвалась в 1957 г. Есть еще 200 могильников с 500 тыс. т твердых отходов и полмил-
лиардом кубических метров радиоактивной воды в системе искусственных водоемов в верховьях Течи (данные 1991 г.).
Чернобыльская катастрофа 1986 г. привела к радиоактивному загрязнению
вод Припяти, Днепра и других рек. Радиоактивные вещества в воде концентрируются микроорганизмами, планктоном и рыбой, а затем по пищевой цепи передаются другим животным и человеку. Это явление называют биоаккумуляцией.
Установлено, что радиоактивность рыбы в тысячи раз выше, чем воды, в которой
она живет.
В 1996 г. 20 стран Европы договорились объединенными усилиями бороться за сокращение вредных выбросов в общие реки и озера. Договор охватывает 150 рек и 20 озер, в том числе Урал и Днепр, Аральское море. Многие источники воды в Европе загрязнены пестицидами и удобрениями, а некоторые,
особенно в Восточной Европе, содержат опасные концентрации тяжелых металлов (включая кадмий) [Источники загрязнения водоёмов. Самоочищение водоёмов].
В августе 2011 г. было проведено совещание под эгидой Конвенции по
охране и использованию трансграничных водотоков и международных озер (Конвенция по трансграничным водам (Second Assessment of Transboundary Rivers,
Lakes and Groundwaters)). Она была проведена при тесном сотрудничестве с органами управления водными ресурсами и вопросами окружающей среды из бо-
53
лее чем 50 стран и при вовлечении более 250 экспертов. Проведенное мероприятие представляет собой наиболее полный обзор состояния трансграничных вод
в европейской и азиатской частях региона ЕЭК ООН, охватывая более 140 трансграничных рек, 25 трансграничных озер, приблизительно 200 трансграничных
подземных вод и 25 Рамсарских угодий и других водно-болотных угодий трансграничного значения [Вторая оценка трансграничных рек, озер и подземных вод].
6.5. Методы очистки сточных вод
Очисткой сточных вод называется их обработка с целью разрушения или
удаления из них вредных веществ. Методы очистки можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические.
Сущность механического метода очистки состоит в том, что из сточных
вод путем отстаивания и фильтрации удаляются имеющиеся примеси. Механическая очистка позволяет выделить из бытовых сточных вод до 60–75 % нерастворимых примесей, а из промышленных до 95 %, многие из которых (как ценные материалы) используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют раз-
личные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями
и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается
уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.
При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются
тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. Из физико-химических методов чаще
всего применяются коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д., а также
электролиз. Электролиз заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ при
протекании электрического тока. Очистка сточных вод с помощью электролиза
эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной промышленности.
Сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионно-обменных смол и высокого давления. Хорошо зарекомендовала себя очистка путем
хлорирования. Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей био-
химического самоочищения рек и других водоемов. Используются различные
54
типы биологических устройств: биофильтры, биологические пруды и др. В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления.
В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все
организмы, населяющие водоем. Перед биологической очисткой сточные воды
подвергают механической очистке, а после биологической (для удаления болезнетворных бактерий) и химической очистке, хлорированию жидким хлором или
хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.). Биологический метод
дает лучшие результаты при очистке коммунально-бытовых отходов, а также отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производства искусственного волокна. С целью уменьшения загрязнения гидросферы желательно вторичное использование в замкнутых ресурсосберегающих, безотходных процессах в промышленности, капельное орошение
в сельском хозяйстве, экономное использование воды в производстве и в быту.
6.6. Питьевая вода
Всемирная организация здравоохранения предупреждает, что 80 % заболеваний на планете вызваны потреблением некачественной питьевой воды. Проблема чистой воды стоит перед многими странами. Каждый пятый американец
в 1991 г. пил воду, загрязненную токсичными веществами (50 млн человек). Каждый год в США из-за употребления неочищенной воды заболевают около
900 тыс. человек. Конгресс США утвердил создание фонда для модернизации
55 тыс. коммунальных систем водоснабжения с целью выполнения здравоохранительных стандартов по питьевой воде, защиты систем водоснабжения от микробиологических загрязнений и предотвращения ее загрязнения свинцом, нитратами и другими вредными веществами.
В России каждая пятая проба водопроводной воды не соответствует санитарно-химическим нормам, каждая восьмая — микробиологическим, а 90 % питьевой воды в стране не соответствует рекомендуемым санитарным нормам, химическим и микробиологическим стандартам. Эту воду используют 70 % городов
и населенных пунктов. Больше всего нам портит жизнь хлор, используемый для
дезинфекции воды. Хотя вначале он спасает от инфекций, однако потом его производные начинают медленно убивать нас, так как обладают канцерогенным, му-
55
тагенным эффектом, влияют на наследственность. По данным американских исследований, у людей, постоянно употребляющих хлорированную воду, вероятность рака мочевого пузыря на 21 % и рака прямой кишки на 38 % выше, чем
у тех, кто пьет очищенную, но нехлорированную воду. Тем не менее в США хлорируется 75 % воды (1993 г.).
В Японии воду очищают с помощью озона, хотя один из его недостатков
состоит в том, что он не обладает долговременным действием соединений хлора.
Поэтому перед употреблением водопроводную воду надо очищать. Для освобождения от хлора воду целесообразно отстаивать (от нескольких часов до суток).
Для освобождения от микробов и хлора воду необходимо кипятить не более
1–3 мин. Сырую воду можно пить только в крайних случаях. Нежелательно использовать для приготовления пищи горячую водопроводную воду: горячая вода
химически более агрессивна, и это может приводить к выщелачиванию тяжелых
металлов из водопроводных труб. Тяжелые металлы накапливаются в жизненно
важных органах человека, вызывая со временем их заболевания. В последнее
время стали использоваться различные бытовые фильтры для доочистки воды.
Фильтр должен удалять микробы, хлор и его производные, тяжелые металлы,
нефтепродукты, нитраты и нитриты, пестициды. Однако опасно и вторичное загрязнение воды микроорганизмами, осевшими на самом фильтре.
Приблизительно 70 % европейцев предпочитают держать на кухне фильтры-кувшины. Каждая вторая американская семья устанавливает фильтры прямо
на кухонный кран с переключателем: вода для приготовления пищи идет через
фильтр, для мытья — минуя его. Как уже отмечалось, для питания каждого человека требуется примерно 3 л воды в день. Японцы и американцы переходят
сейчас на электрохимические фильтры. Таким фильтром является российско-английский фильтр «Изумруд». Принцип его действия основан на химической реакции, проходящей под воздействием сильного электрического поля в присутствии катализатора. В результате вода полностью очищается от микроорганизмов,
органических соединений и ионов тяжелых металлов. Удается даже снизить концентрацию минеральных солей, что практически недостижимо при любом другом способе очистки. Эти фильтры вечные, в них нет расходуемых материалов,
однако нужна электроэнергия.
Хорошо зарекомендовал себя отечественный фильтр «Аквафор», выполненный в виде насадки на кран. В этом фильтре глубокая очистка воды достигается за счет использования «Аквалена» — сорбента нового поколения. Это вещество применяется в медицине для очистки крови. Фильтр эффективно противодействует любым загрязнениям: бактериальным, тяжелым металлам, фенолу,
56
хлороформу, бензопирену. Его можно с одинаковым успехом использовать в любом регионе, а также на даче, в походе, в деловой поездке. Ресурс сменного картриджа — 1 000 л («Аквафор 300»), 4 000 л («Аквафор Модерн»), 15 000 л («Аквафор В150»). После фильтров, как бы хороши они ни были, воду лучше кипятить. Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные
воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет
опасную тенденцию дальнейшего ухудшения.
6.7. Загрязнение подземных вод
Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных
горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды
страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей
промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит
ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных
вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров. Из загрязняющих
подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы
(медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения
азота.
Перечень веществ, контролируемых в подземных водах, не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.
ЛЕКЦИЯ № 7 ПО ТЕМЕ «АТМОСФЕРА: СОСТАВ, СТРОЕНИЕ
И ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В НЕЙ»
7.1. Состав атмосферы
Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние
слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли,
считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно
становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное пространство.
Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают
57
в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот так называемый солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутри которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий
за пределы орбиты Луны, — с противоположной, ночной стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С дневной стороны эта граница
проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности
Земли. Магнитопауза является одновременно границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой называется также магнитосферой, так как в ней сосредоточены заряженные частицы (ионы), движение которых обусловлено магнитным
полем Земли.
Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,51015 т. Таким
образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное
давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.
Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства
отделяет мощный защитный слой. Космическое пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но
значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли.
Поглощением этого излучения объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.
Самый нижний, приземной слой атмосферы особенно важен для человека,
который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек
Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72 %
поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими большую часть
гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и вблизи или выше уровня океана водного.
Взаимодействие этих океанов является одним из важных факторов, определяющих состояние атмосферы.
Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (табл. 7.1). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие
газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы,
аммиак.
58
В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием
жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на
атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы — водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то
изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.
Таблица 7.1
Состав атмосферы
Газы
Содержание в сухом воздухе, %
N2
азот
78,08
O2
кислород
20,95
Ar
аргон
0,93
CO2
углекислый газ
0,03
Ne
неон
0,0018
He
гелий
0,0005
Kr
криптон
0,0001
H2
водород
0,00005
X
ксенон
0,000009
Энергообмен. Солнце является главным источником энергии, поступающей
на Землю. Находясь на расстоянии около 150 млн км от Солнца, Земля получает
примерно одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую человек называет «светом». Большая
часть этой энергии поглощается атмосферой и литосферой. Земля также излучает
энергию, в основном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, устанавливается равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой
в пространство. Механизм этого равновесия крайне сложен.
Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое
пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть
энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном — горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, присутствующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но
поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом
59
в нижних слоях атмосферы. Подобный эффект возникает в теплице, когда стекло
пропускает свет внутрь и почва нагревается. Поскольку стекло относительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев
нижних слоев атмосферы за счет присутствия водяного пара и углекислого газа
часто называют парниковым эффектом.
Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет
облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных
масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли
беспрепятственно излучает тепловую энергию в окружающее пространство. Вода,
находящаяся на поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ — водяной пар, который выносит огромное количество
энергии в нижние слои атмосферы. При конденсации водяного пара и образовании при этом облаков или тумана эта энергия освобождается в виде тепла. Около
половины солнечной энергии, достигающей земной поверхности, расходуется на
испарение воды и поступает в нижние слои атмосферы.
Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается
только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.
Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное
прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.
Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообраз-
ных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно,
если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Строго говоря, этот барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но
в данном случае этими факторами можно пренебречь. Поскольку атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только ниж-
няя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного
пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, а также поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо
отталкивается ею.
60
На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются
под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы
атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте
над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба
атмосферы, приходящемуся на единицу площади. Поэтому с высотой давление
монотонно уменьшается; а поскольку оно находится в прямой связи с плотностью,
то и плотность воздуха уменьшается с высотой.
Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим
от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала
бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые
20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа
примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так
как изменяется состав воздуха. Небольшие изменения в описанную модель вносит и уменьшение силы тяжести по мере удаления от центра Земли, составляющее вблизи земной поверхности около 3 % на каждые 100 км высоты.
В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Это происходит при поглощении солнечной ультрафиолетовой
радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят
из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение,
и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается. Выше
температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и, соответственно, сокращается поглощение энергии.
В еще более высоких слоях температура вновь повышается вследствие поглощения атмосферой наиболее коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает
положительный электрический заряд. Такие молекулы становятся положительно
заряженными ионами. Благодаря наличию свободных электронов и ионов этот
слой атмосферы приобретает свойства электропроводника. Полагают, что температура продолжает повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров
от поверхности Земли, вероятно, преобладают температуры от 5 000 С до
10 000 С. Хотя молекулы и атомы имеют очень большие скорости движения,
а, следовательно, и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших
высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]