Текст книги "Экология"

Помимо перечисленных газов, имеющих антропогенное происхождение, от промышленных и транспортных предприятий, предприятий бытового и коммунального обслуживания, предприятий современного высокомеханизированного сельского хозяйства в атмосферу поступают и другие загрязняющие вещества.

Оксид углерода. Оксид углерода (CO), или «угарный газ», – широко распространенный загрязнитель воздуха, содержащийся в дымовых газах любых установок сжигания органического топлива, в том числе в выхлопных газах транспорта с двигателями внутреннего сгорания. Особенность воздействия СО на многие виды животных и, в частности, на человека заключается в способности центрального атома железа Fe в молекуле гемоглобина крови образовывать с молекулой оксида углерода значительно более прочную связь, чем с молекулой кислорода. Попадая в организм, угарный газ действует как яд: он замещает кислород в гемоглобине, препятствуя общему обмену кислорода в огранизме.

Углеводороды. Углеводороды с общей формулой C_nH_m также относятся к числу основных примесей антропогенного происхождения, загрязняющих атмосферу. Они попадают в воздух с дымовыми газами теплоэнергетических установок, из хранилищ жидкого и газообразного топлива, с выхлопными газами транспорта. Если не учитывать метан, то 80 % всех содержащихся в воздухе углеводородов приходится на этан, этилен, ацетилен, нбутан, изопентан, пропан, толуол, нпентан, ксилол, изобутан. Под действием солнечного света углеводороды участвуют в образовании фотохимического смога. Кроме того, при определенных условиях они вступают в реакции с образованием канцерогенных веществ.

Сероводород. Сероводород (H₂S) является распространенным серосодержащим загрязнителем атмосферы, попадающим в нее из скважин добычи и от нефте-и газоперерабатывающих заводов, химических предприятий, целлюлозно-бумажных комбинатов и т. п. Сероводород – один из продуктов жизнедеятельности организмов (например, анаэробных бактерий). Среднее время жизни сероводорода в атмосфере около 2 сут., после чего он окисляется до диоксида серы.

Фотохимический (сухой[130]130
  Влажный (Лондонский) смог описан выше (см. разд. 9.1.1.3).


[Закрыть]) смог. Такой смог формируется в атмосфере под действием солнечного света при отсутствии ветра и низкой влажности из компонентов, характерных для выхлопных газов автомобилей. Впервые смог зафиксирован в 1944 г. в Лос-Анджелесе, когда в результате большого скопления автомобилей была парализована жизнь одного из крупнейших городов США. В результате фотохимических реакций образуются соединения, вызывающие увядание и гибель растений, сильно раздражающие слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Смог Лос-Анджелесского типа усиливает коррозию металлов, разрушение строительных конструкций, резины и других материалов. Окислительный характер такому смогу придают озон и другие образующиеся в нем вещества. Исследования, проведенные в 50-х годах в Лос-Анджелесе, показали, что увеличение концентрации озона связано с характерным изменением относительного содержания NO₂ и NO.

Озон. Озон (O3) – важный компонент атмосферы, образующий в стратосфере защитный экран от ультрафиолетового излучения Солнца. С развитием промышленности и транспорта началось увеличение содержания озона в нижних слоях атмосферы. Источником озона является оборудование, искрящее и генерирующее жесткое излучение: электросварочные аппараты, контактные устройства электропоездов, ксерокопировальные аппараты и т. п. Озон не только сильно токсичен, но и обладает свойством мутагенности.

Часть озона в тропосфере образуется в результате сложной последовательности реакций в условиях фотохимического смога. Процесс проходит при ярком солнечном свете преимущественно в крупных городах, атмосфера которых сильно загрязнена выхлопными газами автомобилей. В этом случае атомы кислорода – продукт разложения из диоксида азота:

NO₂ + hv (λ < 400 нм) → NO + O',

O' + O₂ → O₃

В присутствии оксида азота как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны к = 300–400 нм озон образуется также в результате окисления метана (и других органических веществ). При этом протекает цикл реакций, суммарное уравнение которых:

СН₄ + 4O₂ → СН₂0 + Н₂0 + 2O₃

Присутствие озона в воздухе создает серьезные негативные проблемы, ибо он (активнейший окислитель, используемый человеком для дезинфекции) разрушает некоторые молекулы, играющие большую роль в биологических процессах, ослабляет иммунную систему человека и поражает легочную ткань. В совокупности с кислотными осадками и углеводородами озон считается виновником замедления роста и гибели лесов в Европе.

Расчеты показывают, что антропогенный выброс монооксида азота NO, являющегося непременным компонентом суммы оксидов азота NO_x, удваивает приземную концентрацию O₃, а рост выбросов СН₄ (многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы) еще больше увеличивает концентрацию озона по сравнению с поступлением его из стратосферы в процессе глобальной циркуляции атмосферы.

Аэрозоли. Аэрозоли (пыли, дымы, туманы) также являются загрязнителями атмосферы. Аэрозольные частицы попадают в атмосферу либо в готовом виде в результате деятельности вулканов, пожаров, (морская соль, пыль) или при сжигании топлива и с отходящими газами промышленных

производств, либо образуются непосредственно в атмосфере в результате химических реакций между компонентами газовых выбросов, причем доля антропогенной запыленности составляет 10–20 % от общего поступления твердых частиц в атмосферу. Основная доля мирового выброса взвешенных частиц – около 94 % – приходится на Северное полушарие; максимальное их количество поступает с территории промышленно развитых стран.

Наличие аэрозолей нарушает тепловой баланс атмосферы. Появление при смоге голубоватой дымки, сопровождающееся ухудшением видимости, есть следствие образования твердых аэрозольных частиц. Запыленность атмосферы играет особую роль в общепланетарных тепловых процессах: ее рост ведет к увеличению альбедо Земли и, как следствие, к уменьшению поглощения солнечной радиации.

Образование аэрозолей с твердыми частицами в воздухе городов часто вызывается диоксидом серы SO₂, превращающимся в серную кислоту H₂SO₄, которая в свою очередь вступает в реакцию с аммиаком образуя частицы сульфата аммония (NH₄)₂SO₄.

Большая часть аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу, остается в тропосфере, причем до 80 % на высотах до 1 км. Время их пребывания в воздухе зависит от размеров частиц и на высотах до 1 км не превышает 3сут., а в верхних слоях – 30 сут.

Количество твердых частиц в воздухе сильно варьируется в зависимости от местности. В нижней тропосфере в сельских районах концентрация частиц составляет около 10 000 см^-3, а над городами превышает 100 000 см^-3. Фоновая концентрация в воздухе районов, мало подверженных воздействию антропогенной деятельности, составляет всего 200–500 см^-3 аэрозольных частиц.

Тяжелые металлы. В атмосферу в виде твердых аэрозолей попадают металлы, в том числе токсичные – ртуть, свинец, кадмий, а также их соединения. Аэрозоли образуются при сжигании угля, нефти, торфа и других горючих ископаемых, а также из дыма плавильных печей при производстве сталей и сплавов цветных металлов. В результате антропогенной деятельности в атмосферу поступает во много раз больше золота, кадмия, свинца, олова, селена, теллура и других металлов, чем из природных источников.

Для ртути выброс в результате антропогенной деятельности составляет около 1/3 всех поступлений этого металла в атмосферу. Оттуда она выпадает на сушу и с поверхностным стоком поступает в водоемы. Под действием бактерий происходит алкилирование ртути, и она становится еще более токсичной, чем металлическая. Подобные превращения характерны не только ртути, но и другим металлам и неметаллам: мышьяку, олову, свинцу, таллию, селену, кадмию и даже золоту. В алкилированной форме металлы губительны даже в количестве нескольких нанограмм.

В наибольшей степени атмосфера загрязняется свинцом, антропогенное поступление которого в воздух больше природного. Из общего количества выбросов свинца около 70–75 % принадлежит продуктам сгорания бензина с добавками соединений свинца (в основном тетраэтилсвинца Pb(С₂Н₅)₄ в качестве антидетонационных присадок). С выхлопными газами в атмосферу, а затем в почву поступает более 250 тыс. т свинца в год. Кроме того, по данным американских исследователей источниками загрязнения свинцом являются также продукты сжигания твердых отходов (13 %), индустрия (11 %) и сжигание угля и нефти (3,8 %), которые ежегодно рассеивают над континентами около 100 тыс. т свинца.

Городская пыль содержит около 1 % свинца, в дожде и снеге его до 300 мг/дм³. Ежегодно житель города поглощает около 45 мкг свинца. Содержание свинца в крови современного человека в 100 раз превышает его содержание в крови первобытного человека. Токсичное действие свинца связано с его способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах.

Серьезную опасность представляет загрязнение воздуха кадмием, антропогенный выброс которого в атмосферу (7000 т/г.) намного больше поступления из природных источников (850 т/г.). В дождевой воде его может содержаться до 50 мкг/дм³. Ежедневно в организм взрослого человека поступает до 50 мкг кадмия, хотя задерживается не более 2 мкг/сут., а остальное выводится. Хроническое воздействие даже незначительных концентраций кадмия ведет к заболеваниям нервной системы и костных тканей, нарушению ферментного обмена, дезорганизации работы почек.

Прочие вещества. Общий объем выбросов в атмосферу (см. рис. 9.2) увеличивался до конца XX в. и продолжает расти в настоящее время. Одновременно усиливается и внимание к решению возрастающих экологических проблем. К концу прошлого века в нашей стране были установлены гигиенические нормативы (допустимые уровни воздействия на организм человека) для 2100 индивидуальных веществ, тогда как для первых десяти веществ они были введены еще в 1951 г. (см. разд. 10.4.2). В соответствии с п. 7 ст. 15 Федерального закона «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.99 г. № 96-Ф3:

выброс в атмосферный воздух загрязняющих веществ, степень опасности которых для человека и ОС не установлены, запрещен.

Вода, как и воздух, является количественно неисчерпаемым природным ресурсом, но человеку и всему живому в биосфере нужна не просто вода как вещество с формулой Н₂О, а вода определенного качества, т. е. имеющая определенные прозрачность, температуру, сопутствующие примеси и т. п.

Гидросфера – это естественный фильтр-аккумулятор загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную среду, что связано с циклом глобального круговорота воды и с ее универсальной способностью к растворению газов и минеральных веществ.

Статистика показывает, что 80 % всех заболеваний в мире вызвано неудовлетворительным качеством питьевой воды:

По мере развития цивилизации человеку требовалось все больше и больше воды. Человек каменного века потреблял менее 10 л/сут, в Римском государстве – до 70 л/сут, современный житель США – около 700 л/сут, тогда как во многих современных развивающихся странах эта цифра не превышает 30 л/сут (рис. 9.10). Считается, что уровень потребления воды характеризует уровень технического и культурного развития общества. На питье и приготовление пищи человек затрачивает не более 10 % потребляемой воды, а в среднем бытовое потребление в развитых странах составляет 220–320 л/сут.

Среди отраслей экономики нашей страны первое место по потреблению воды занимает сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы необходимо 1500 т воды, 1 т риса – более 7000 т, 1 т хлопка – около 10 000 т.

Рис. 9.10. Рост удельного потребления воды в быту (по К. С. Лосеву)

Второе место отводится промышленности. Ни одно промышленное предприятие не может функционировать, не используя воду из природных источников. Потребность предприятий в воде изменяется в широких пределах и зависит от вида получаемой продукции, принятой технологии, системы водоснабжения (прямоточной или водооборотной), климатических условий и т. п. Так, для получения 1 т угля затрачивается 2 т воды, стали – 15–20 т, целлюлозы – 400–500 т, синтетического волокна – 500 м³.

Третье месте по водоемкости занимает коммунальное хозяйство городов. Значительный объем чистой воды затрачивается на разбавление, обеззараживание стоков и отбросов промышленности, сельского хозяйства, строительства, населенных пунктов и транспортных путей, т. е. на борьбу с загрязнением гидросферы.

Все перечисленное ведет к дефицитности воды и, как следствие, к планированию ее расхода не по крупности потребителей, а по необходимости удовлетворения первоочередных потребителей.

Разнообразие сточных вод принято подразделять на следующие виды:

 технологические, возникающие в технологических процессах предварительной мойки, промежуточной или финишной промывки, а также при использовании воды в качестве технологического растворителя либо носителя;

 хозяйственно-бытовые (или коммунальные), образующиеся в жилищно-бытовом секторе, а также в сфере общественного питания и санитарно-гигиенического обслуживания на предприятиях;

 поверхностные, формирующиеся за счет дождевых и талых снеговых вод, а также воды при мокрой уборке территорий с искусственными покрытиями (асфальтированными, бетонными и т. п.).

Наибольшее число стоков, загрязняющих поверхностные и грунтовые воды, образуется в энергетике, сельском и коммунальном хозяйствах. Большую роль в загрязнении вод играют вещества, выпадающие из атмосферы с осадками. В воды суши и океана поступают сера и азот в виде соединений H₂SO₄, НNО₃, (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃. Для поверхностных вод суши характерно наличие большого количества органических веществ, поступающих с территории водосборного бассейна. Фосфор в виде соединений попадает в водоемы с бытовыми сточными водами, причем 20–30 % этого количества – из синтетических моющих средств.

Постоянно увеличивается доля загрязнений, вносимых в водоемы за счет смывов атмосферными осадками удобрений и пестицидов с полей. Основная трудность в предотвращении загрязнения сточных вод объектами сельского хозяйства заключается в том, что поступление биогенных веществ с пашен рассредоточено в пространстве и в невозможности выделить «источники» и «потоки» загрязнений. Например, даже закрытие всех промышленных предприятий, расположенных на берегах Ладожского озера, или оснащение их высокоэффективными очистными сооружениями не сможет решить проблему спасения озера, ибо с сельскохозяйственных угодий в него ежегодно поступает более 86 тыс. т азота и около 7,2 тыс. т фосфора. Одна из экологических проблем XX в. – антропогенная эвтрофикация водоемов (см. разд. 6.4.2), хотя само это явление существовало всегда. Наличию залежей угля, нефти, горючих сланцев мы обязаны процессам эвтрофикации, протекавшим на нашей планете в далеком прошлом.

На воды суши ощутимо влияет мелиорация и в первую очередь ее частные виды – орошение (обводнение) и осушение. Орошение – искусственное увлажнение почвы и поверхности растений путем подачи воды осуществляется с целью обеспечения растений влагой, регулирования солевого режима почв. Однако научно не обоснованный отвод больших объемов воды из природных источников (рек, озер, болот) приводит не только к изменению уровня грунтовых вод, что вызывает засоление почв и потери их плодородия, но и к обезвоживанию самих природных источников. Так, по прогнозам ученых ряду рек угрожает судьба в ближайшем будущем не достигнуть своего природного устья, поскольку их воды по ходу течения будут полностью откачаны на промышленно-бытовые нужды.

Подобный процесс послужил, в частности, причиной истощения водных запасов Аральского моря. Если до 60-х годов прошлого века приток воды в Аральское море уравновешивал испарение (около 65 км³/г), то в начале 90-х годов он стал менее 20 км³/г. В результате уровень воды по сравнению с 1957 г. понизился на 14 м и более. Площадь Арала уменьшилась с 66,5 до 36 тыс. км², а объем воды с 1000 до 320 км³. Ныне осушенное бывшее дно моря представляет собой пустыню. Пыльные и солевые бури, возникающие время от времени, разносят песок и соль на сотни и тысячи километров, снижая плодородие земель.

Вода, непосредственно участвующая в технологическом цикле предприятий, насыщается различными химическими соединениями и взвесями. Состав стоков зависит от вида производства, исходного сырья и вспомогательных материалов, технического совершенства применяемой аппаратуры и точности соблюдения технологического регламента. Многообразие и непостоянство состава технологических сточных вод характерно для многих предприятий.

Кроме того, вода природных источников, потребляемая предприятиями промышленности и особенно энергетики, используется в значительных количествах в качестве хладагента. Сброс подогретых вод обратно в водоем меняет его биоценоз, вызывает цветение воды.

Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы суши с промышленных предприятий, принято делить на три группы:

• неразлагающиеся или очень медленно разлагающиеся в природной среде вещества, в том числе ионы металлов, минеральные соли, углеводороды нефти и т. п.;

• водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, в том числе токсичные;

• легкоусвояемые органические соединения (биогенные вещества).

Антропогенная нагрузка на воды Мирового океана в последние десятилетия значительно увеличилась. В результате резко ухудшилось качество морской воды, нанесен ущерб биологическим ресурсам океана, увеличилась опасность для здоровья людей (табл. 9.5).

Основные причины загрязнения вод морей и океанов следующие:

• сброс промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод в моря или реки, в них впадающие;

• поступление с суши стоков, содержащих вещества, применяемые в сельском и лесном хозяйствах;

• захоронение на морском дне загрязняющих веществ (радиоактивные отходы и т. п.);

• разнообразные утечки с судов морского транспорта;

• аварийные выбросы и сбросы судов, а также из подводных трубопроводов;

• добыча полезных ископаемых на морском дне;

• выпадение загрязняющих веществ с осадками из атмосферы.

Помимо перечисленного в Мировой океан поступает большое количество взвешенных частиц. В нем обнаруживаются все новые и новые загрязняющие вещества антропогенного происхождения. Доля антропогенного поступления в суммарном поступлении свинца в океан составляет 92, нефти – 88, хлорированных углеводородов – 100 %. Особенно опасны для биоценоза океана хлорорганические соединения, обладающие токсическим и канцерогенным действием. Прибрежные зоны океана подвержены процессу эвтрофикации и микробиологическому загрязнению воды в первую очередь из-за хозяйственно-бытовых стоков. Неуклонно возрастает поступление в океан нефти и нефтепродуктов.

По расчетам специалистов после 1945 г. в среднем ежегодно в океан с судов сливается не менее 2,5 млн м³ нефтепродуктов. При этом всего лишь 1 т нефти способна образовать на поверхности воды мономолекулярную пленку на площади до 12 км².

Таблица 9.5

Наиболее распространенные токсичные компоненты крупномасштабного загрязнения Мирового океана по Патину

Детергенты – поверхностно-активные синтетические вещества, используемые в составе моющих средств и эмульгаторов, с трудом подвергаются разложению микроорганизмами.

В океан не только сливают все стоки, но и сбрасывают большое количество твердых отходов. Наиболее опасны контейнеры с высокоактивными отходами атомной промышленности, содержащими трансурановые элементы, которые могут оставаться опасно радиоактивными еще несколько тысяч лет. В начале 80-х годов ХХ в. на дно океана в специальных контейнерах опускалось ежегодно около 7 тыс. т радиоактивных отходов.

В водах морей и океанов проводится также захоронение опасных ядохимикатов. Так, в начале 30-х годов прошлого века в Балтийском море в цементных контейнерах захоронено 7 тыс. т мышьяка. Такого количества мышьяка хватит для того, чтобы отравить все население планеты. В наше время уже отмечается нарушение герметичности контейнеров и утечка ядохимикатов.

Загрязнение человеком гидросферы, в том числе Мирового океана, заключается не только в сбросе сточных вод. Человек вносит изменения в гидрологический и гидрохимический сток в целом, вмешивается в естественный круговорот веществ, меняет качество воды.