Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

нением нормативов предельно допустимого выброса (ПДВ) для атмосферного воздуха или предельно допустимого сброса (ПДС) вредных веществ для водных объектов.

ПДВ определяют по каждому источнику выбросов или сбросов, которых может быть несколько на одном предприятии. При этом должно соблюдаться правило: выбросы вредных веществ от источника, а при наличии других источников – от их совокупности не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК.

Для оценки качества воздуха в помещении можно применить ранее рассмотренную простую модель (см. рис. 1.1). Однокамерная модель распространения загрязнённого воздуха в помещении показана на рис. 1.2.

Пусть проникновение воздуха в помещение и его вывод характеризуются величиной I V , где I – скорость воздухообмена. Тогда уравнение (1.7) примет следующий вид:

где CS и С – концентрации загрязнителя вне и внутри помещения

соответственно. Решение этого уравнения для стационарного состояния имеет вид

Q = I V. Такие загрязнители воздуха, как CO и NO, могут считаться консервативными (K =0). Тогда, если начальная концентрация в помещении C(0) = 0, и можно пренебречь концентрацией загряз-

Это решение может быть использовано, в частности, для определения концентрации угарного газа (CO) в помещении при использовании различных нагревателей.

21

1.3. Загрязнение водной среды и почвы

1.3.1. Загрязнение водной среды

Вода играет важную роль в нашей жизни. Вода покрывает около 70 % территории планеты и обладает физическими и химическими свойствами, которые резко отличают её от других известных жидкостей. Например, она увеличивается в объёме при охлаждении, имеет максимальную плотность при температуре 4 °С, что означает уменьшение её массы при другой температуре. Значения температуры замерзания и кипения имеет высокую разницу, поэтому вода остается жидкой в большинстве областей Земли.

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью, составляющей 4,18 кДж/(кг·К). Это предопределяет её большое влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоёмов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды.

Вода является богатейшим источником энергии – это гидроэнергия рек, энергия приливов, геотермальная и термоядерная энергия. Водные ресурсы планеты распределяются крайне неравномерно, усиливается конкуренция за воду для ирригации, промышленности, производства электроэнергии, бытовых целей. Солёные воды океанов сильно ограничивают возможность ее хозяйственного использования, а опреснение океанской воды достаточно трудоёмкое и дорогостоящее занятие. К счастью, Солнце выполняет за нас эту работу, испаряя воду и оставляя соли в океане (88 % влаги поступает именно из океанов).

Согласно определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воду следует считать загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния она становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Это определение включает физические, химические и био-

22

логические свойства воды, а также наличие в ней посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых примесей [1].

Россия обладает одним из самых больших водных ресурсов в мире: на каждого жителя приходится свыше 30 тыс. м3/год пресной воды. Тем не менее снабжение питьевой водой становится для России одной из наиболее острых экологических проблем. Около 70 % поверхностных водоёмов в России либо загрязнены, либо непригодны для использования в качестве источников питьевой воды, в результате чего почти половина населения потребляет загрязнённую воду.

Основными источниками загрязнения поверхностных водных бассейнов является регулярный сброс в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством, а также с поверхностным дренажным стоком с сельскохозяйственных угодий. Последний источник является наиболее значимым в связи с ростом применения удобрений, пестицидов, строительством ирригационных сооружений, в то время как промышленные и коммунальные стоки всё более эффективно очищаются и более тщательно контролируются.

Загрязнению, как правило, подвергаются поверхностные воды. Подземные воды более чистые, поскольку почва является хорошим биологическим и химическим фильтром.

Установлено, что более 400 типов веществ могут вызвать загрязнение вод. Вода считается загрязненной, если хотя бы по одному из трёх показателей – санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому (запах, привкус, цветность, мутность) – превышены допустимые нормы.

Важная роль, обусловливающая загрязнение воды, принадлежит микроэлементам, главным образом, тяжёлым металлам, которые являются продуктами техногенного происхождения. Перечень приоритетных загрязнителей при изучении мониторинга природных сред включает постоянно расширяющийся список элементов, среди которых наиболее вредными считаются As, Hg, Cd, Pb, Cu и др.

Для загрязняющих веществ, поступающих в водную среду, существует две группы нормативов.

23

1.Нормативы содержания, при которых охраняемые свойства водоёма не нарушаются, − предельно допустимая концентрация

(ПДК).

2.Нормативы поступления загрязняющих веществ, при которых сохраняются охраняемые данным нормативом свойства

водоёмов, − предельно допустимый сброс (ПДС).

Значения ПДК устанавливаются по наименьшей пороговой концентрации с учётом стойкости вредных веществ в воде, способности водоёмов к самоочищению, влияния на органолептические свойства воды, а также влияния на здоровье населения, использующего воду. Данные показатели относятся к санитарногигиеническим.

Но не только значениями концентрации различных загрязнителей определяется качество воды. Одним из основных параметров является количество растворённого в ней кислорода, концентрация которого обычно составляет СК = 8 – 15 мг/л, значение СК = 3 мг/л является минимально необходимым для существования популяции рыб. Этот показатель уменьшается с ростом температуры воды, а также с повышением концентрации загрязнителей.

Важнейшим показателем по микробиологическим и паразитологическим свойствам воды является величина БПК – биологическая потребность в кислороде, необходимом микроорганизмам для разложения примесей, определяющая количество бактерий в объёме воды.

На практике часто используется величина БПК5 – общее количество кислорода, потребляемое микроорганизмами за первые пять суток разложения при температуре 20 °С. По санитарным нормам значение этой величины для природных водоёмов не должно превышать 3−6 мг/л, в сточных водах это значение составляет уже от 200 до 3000 мг/л, и поэтому такие воды необходимо очищать или сильно разбавлять. Для определения величины БПК5 используется следующее соотношение:

где СК1 и СК2 – начальное и конечное содержание кислорода в

разбавленной загрязнённой воде, для которой P – фактор разбавления, отношение объёма загрязнённой воды к объёму воды с учетом

24

разбавления. В случае если в воде для разбавления содержатся микроорганизмы, то БПКW загрязнённой воды определяется из соотношения:

где БПКm – определяется для смеси загрязнённой и разбавленной воды; БПКW – для загрязнённой воды; БПКd – для разбавителя, а Vm =Vw +Vd – объем смешанной воды.

Распад органических отходов обычно рассматривается как реакция первого порядка, т.е. скорость распада пропорциональна количеству отходов:

где Lt – значение БПК, остающееся через время t, а k – коэффици-

ент скорости БПК реакции, зависящий от различных параметров среды. Решение имеет вид

где L0 – предельное значение БПК, необходимое микроорганизмам

полное количество кислорода для окисления органических отходов (рис. 1.3). Тогда можно записать:

Таким образом, коэффициент k является индикатором скорости биоразложения загрязнителей.

Другую опасность для водоёмов составляет тепловое загрязнение, вызванное сбросом нагретой воды в результате производственной деятельности человечества. Коэффициент скорости реакции в зависимости от температуры T (°C) можно описать следующим выражением:

где k20 – скорость реакции при комнатной температуре 20 °С, а

θ≈1,047.

Втабл. 1.1 приведена часть требований к качеству питьевой воды и водоснабжение населённых мест, взятые из санитарных пра-

25

вил, устанавливающих критерии безопасности для человека факторов среды его обитания и требования к обеспечению благоприятных условий его жизнедеятельности, по наличию органических и неорганических веществ.

Другим нормируемым показателем, используемым для охраны водной среды от загрязнения, является предельно допустимый сброс (ПДС). ПДС – масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

ПДС разрабатывается и утверждается для предприятий и организаций, имеющих самостоятельные выпуски сточных вод в водные объекты, прежде всего в зонах повышенного загрязнения в целях соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования.

1.3.2. Экологические проблемы загрязнения почв

Почвенный покров представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Главное значение почв состоит в накоплении органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет также функции биологического поглотителя и разрушителя различных видов загрязнения.

Почва обеспечивает человечеству 95−97 % продовольственных ресурсов. Площадь земельных ресурсов мира составляет почти

26

129 млн км2, или 86,5 % площади суши, а пригодных для ведения сельского хозяйства до 32 млн км2.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, изменении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры и факторы почвообразования – рельеф, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация. В разрушении почв и снижении их плодородия выделяют следующие процессы.

Аридизация суши – уменьшение влажности обширных территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности экологических систем под действием примитивного земледелия и нерационального использования пастбищ, в результате чего почвы превращаются в пустыни.

Эрозия почв – разрушение почв под действием ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия − смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота. Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и техники. Ирригационная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии.

Засоление почв, в основном, связано с ирригационной эрозией. За последние десятилетия 50 млн га стали непригодными для любого вида сельскохозяйственных культур по причине засоления, из них не менее 50 % площади орошаемых земель.

Особое место занимают пахотные угодья, т.е. земли, обеспечивающие питание человека. Пахотные земли неуклонно сокращаются в результате нарушения и деградации почвенного покрова, отвода земель под застройку городов, посёлков и промышленных предприятий.

Процессы почвообразования протекают очень медленно, со скоростью примерно 0,1 мм в год. Глубина почвенного покрова невелика: в среднем от 20 см в тундре до 100 см в чернозёмах. Естественное плодородие формируется очень длительное время, а его уничтожение может происходить всего за 5−10 лет. Поэтому почвы можно считать невозобновляемым ресурсом и должны рассматриваться как мировая ценность, которую необходимо охранять.

27

Интенсивное развитие промышленного производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, приводят к изменению содержания микроэлементов и возникновению техногенных пустынь.

Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий загрязнены тяжёлыми металлами, нефтепродуктами и другими токсичными веществами, оседающими или вымываемыми осадками из атмосферы (рис. 1.4). Повышенное содержание свинца в почве происходит за счёт выхлопных газов автомобилей; пестициды, фунгициды и инсектициды представляют угрозу для птиц, животных и для людей.

Почвы настолько разнообразны, что не существует даже их единой классификации. Поэтому нормирование загрязнений почв является очень сложной задачей. Основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почвы вредными веществами является предельно допустимая концентрация химических веществ в почве.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в пахотном слое почвы − концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на контактирующие среды (воду, воздух), и на здоровье человека, а также на способность почвы к самоочищению.

Нормативные значения ПДК разработаны для веществ, которые могут попасть в атмосферный воздух или грунтовые воды, снижать урожайность или ухудшать качество сельскохозяйственной продукции.

Оценка уровня химического загрязнения почв населенных пунктов проводится по разработанным показателям, которыми являются коэффициент концентрации химического элемента Kc и сум-

марный показатель загрязнения Zc [1].

Коэффициент концентрации Kc определяется как отношение реального содержания элемента в почве С к фоновому значению

Cф.

28

Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими веществами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения Zc , отражающий суммарный эффект воздействия:

i=1

где Kci – коэффициент концентрации i-го вещества в пробе из n

учитываемых веществ.

Оценка опасности загрязнения почв (см. рис. 1.4) группой веществ по показателю Zc проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв (табл. 1.2).

1.4.Обращение с бытовыми отходами

ВXIII−XIV вв. в Англии и во Франции появились первые законы, обязывающие содержать дом и улицу перед ним в чистоте. Появилась профессия мусорщика. Стали использоваться специальные повозки. Однако проблема бытовых отходов со временем при-

29

обретала всё большую остроту, так как горожане не выполняли предписания, а городские власти не контролировали этот процесс.

Уже к концу XIX в. в крупных городах вошли в практику фильтрация для очистки сточных вод, сжигание отходов, контролируемое размещение отходов на свалках и закапывание отходов. В середине XX в. проблема отходов признана одной из наиболее серьёзных, требующих применения сложных технологий.

Внастоящее время в развитых странах производится от 1 до 3 кг бытовых отходов на душу населения в день. По данным Американского агентства по защите окружающей среды, общий годовой объём твёрдых бытовых отходов (ТБО) в США за период 1960– 2005 гг. вырос почти в 3 раза и составил около 250 млн т. На сегодняшний день бóльшую часть ТБО составляют тара и упаковка.

ВРоссии ежегодно накапливается примерно 130 млн т ТБО, из них промышленной переработке подвергается только 3,5 %, остальные размещаются на свалках. На территории страны в отвалах

ихранилищах накоплено около 80 млрд т только ТБО.

На полигоны под размещение отходов в России ежегодно отчуждается примерно 10 тыс. га земель. Дефицит свободных земель приводит к тому, что свалки удаляются от города на 50−100 км, что приводит к удорожанию перевозки отходов.

Свалки являются источником загрязнения окружающей среды: атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод, однако часто они просто засыпаются слоем земли и используются затем для строительства и других нужд.

Хранение и переработка отходов приводит к загрязнению природной среды самыми разнообразными соединениями, находящимися в различных агрегатных состояниях.

ТБО современного города содержат более 100 различных токсичных и канцерогенных соединений, среди них красители, растворители, пестициды, соединения ртути, свинца, кадмия, мышьяка, лекарственные препараты и др.

Примерное время жизни различных отходов в окружающей среде может варьироваться от нескольких месяцев до тысяч лет в зависимости от состава отходов, типа почв, климата и др.

Традиционные методы обращения с отходами ориентированы на уменьшение опасного влияния на окружающую среду путём изоляции свалок от воздействия на грунтовые воды, очистку вы-

30