Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Методы экологических исследований
Изучение любых взаимодействий между организмами и средой может быть основано только на анализе количественных показателей состояния организмов и среды. Поэтому методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования.
Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические наблюдения; измерения температуры, прозрачности, солености воды и анализ ее химического состава; определение характеристик почвенной среды, радиационного фона, определение химической и бактериальной загрязненности среды и т.п.
Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Определение биомассы и продуктивности различных сообществ организмов позволяет оценить биопродукционный потенциал отдельных территорий и акваторий, а также глобальный природный фонд органического вещества биосферы и пределы его использования.
Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. Применяются экспериментальные подходы. Этим путем устанавливаются оптимальные или граничные условия существования. Так определяются критические и летальные дозы веществ, по которым рассчитывают предельно допустимые концентрации и воздействия, лежащие в основе экологического нормирования.
Кибернетические исследования и методы математического моделирования приобретают все большее значение в экологии. Существуют близкие к реальным процессам математические модели распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения реки. На первое место выдвигаются численные методы имитационного моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники. Быстро совершенствуются приемы глобального моделирования. Они позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития.
1.1.2 Цели и задачи экологии.
Целью экологии является изучение законов функционирования экологических систем всех уровней и биосферы в целом в условиях природопреобразующей деятельности человечества и выработка тактики и стратегии поведения человечества в целях оптимизации функционирования этих систем.
Основные задачи экологии:
Разработка концепции развития общества, которые гарантировали бы соблюдение пределов воздействия на окружающую среду, ее существование и развитие.
Понятие о среде обитания. Экологические факторы среды.
Среда обитания - это природное окружение живого организма. Она слагается из множества неорганических и органических компонентов, включая привносимые человеком. При этом некоторые из них могут быть необходимы организмам, другие не играют существенной роли в их жизни. Важные для жизни организма компоненты окружающей среды, с которыми он неизбежно сталкивается, называются экологическими факторами.
Экологические факторы могут быть необходимы или вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Условия существования - это совокупность экологических факторов, обусловливающих рост, развитие, выживание и воспроизводство организмов. Все многообразие экологических факторов обычно подразделяют на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы - это совокупность важных для организмов свойств неживой природы. Эти факторы можно разделить на химические (состав атмосферы, воды, почвы) и физические (температура, давление, влажность, течения и т. п.). Разнообразие рельефа, геологических и климатических условий порождают и огромное разнообразие абиотических факторов. Первостепенное значение из них имеют климатические (солнечный свет, температура, влажность); географические (продолжительность дня и ночи, рельеф местности); гидрологические - течение, волнение, состав и свойства вод; эдафические (гр. edaphos - почва) - состав и свойства почв и др. Все факторы могут влиять на организмы непосредственно или косвенно. Например, рельеф местности влияет на условия освещенности, влажность, ветер и микроклимат.
Биотические факторы - это совокупность воздействий жизнедеятельности одних организмов на другие. Для каждого организма все остальные - важные факторы среды обитания, они оказывают на него не меньшее действие, чем неживая природа. Эти факторы тоже очень разнообразны. Все многообразие взаимоотношений между организмами можно разделить на два основных типа: антагонистические (гр. antogonizsma - борьба) и неантагонистические.
Антагонистические - это такие отношения, при которых организмы двух видов подавляют друг друга или один из них подавляет другой без ущерба для себя. Основные формы этого вида биотических отношений: хищничество, паразитизм и конкуренция
Неантагонистические взаимоотношения теоретически можно выразить многими комбинациями: нейтральные, взаимовыгодные, односторонние и др. Основные формы этих взаимодействий - симбиоз, мутуализм и комменсализм.
Иногда очень трудно провести грань между симбиозом и мутуализмом, между комменсализмом и паразитизмом и другими взаимодействиями. Однако четко наблюдается тенденция перехода по ходу эволюции от паразитизма к комменсализму и мутуализму, так как в условиях, когда лимитированы некоторые ресурсы, кооперация дает преимущества.
Антропогенные факторы - это совокупность различных воздействий человека на неживую и живую природу.
Воздействие человека может быть прямым и косвенным. К прямому воздействию относят потребление, размножение и расселение человеком как отдельных видов животных и растений, так и создание целых биоценозов. Косвенное воздействие осуществляется путем изменения среды обитания организмов: климата, режима рек, состояния земель и др. По мере роста народонаселения и технической вооруженности человечества удельный вес антропогенных экологических факторов неуклонно возрастает. Наиболее очевидное проявление антропогенного влияния - загрязнение окружающей среды.
1.3. Понятие об экосистеме
1.3.1 Состав и структура экосистем
Взаимодействие живых организмов и неживой природы происходит в рамках определенной системы (экологической системы) и определенным образом организовано. Экосистема – это относительное устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов и его среда обитания, где живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии (рис. 1.1).
«Среда на входе»
«Среда на выходе»
1. Автотрофы, зеленые
растения,
продуценты
3. Гетеротрофы,
детритофаги,
микроорганизмы,
редуценты,
микроконсументы
4. Биотоп: атмосфера,
гидросфера,
литосфера
2. Гетеротрофы ,
животные,
консументы
В
В2
В3
В1
Qд
Е
Д1
Д3
Д2
Е1
Е2
Q3
В
Е
Е4
В4
Рис. 1. 2. Основные компоненты экосистемы и их взаимодействие.
1, 2, 3 –компоненты биоценоза; – поток вещества, ( ) – поток энергии; 4 – вещественные и энергетические ресурсы экосистемы – компоненты биотопа; E – солнечная энергия; E1, E2, Е3, Е4 - энергия, заключенная в пище, органических и минеральных веществах; B1, B2, B3, B4 - органические и минеральные вещества; Д1, Д2, Д3 – тепловая энергия, рассеивающаяся при дыхании.
В состав экосистемы входят живые организмы (их совокупность называют биоценозом или биотой экосистемы), неживые (абиотические) компоненты и мертвое органическое вещество — детрит. Термин экосистема был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тэнсли.
Абиотические компоненты - это следующие основные элементы неживой природы: - неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кислород, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.); - органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.); - воздушная, водная или твердая среда обитания; - климатический режим и др.
Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов.
Первая группа организмов – продуценты (лат. producens - создающий, производящий), или автотрофные организмы (гр. autos - сам, trophe - пища). Они подразделяются на фото- и хемоавтотрофов. Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества - углеводы, или сахара
(СН2О)n: СО2+Н2О=(СН2О)n+O2
Хемоавтотрофы для синтеза органического вещества используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:
2NН3+3О2=2HNO2+2Н2О+Q
2HNO2 + О2 = 2HNO3 + Q
Химическая энергия Q, выделенная при этих реакциях, используется бактериями для восстановления СО2 до углеводов. Главная роль в синтезе органических веществ принадлежит зеленым растительным организмам. Роль хемосинтезирующих бактерий в этом процессе относительно невелика.
Вторая группа организмов – консументы (лат. consume - потреблять), или гетеротрофные организмы (rp.heteros - другой, trophe - пища), осуществляют процесс разложения органических веществ. Эти организмы используют органические вещества в качестве источника и питательного материала и энергии. Их делят на фаготрофов (гр. phagos - пожирающий) и сапротрофов (гр. sapros - гнилой). Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные - макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.
Третья группа организмов – редуценты (лат. reducens - возвращающий). Они участвуют в последней стадии разложения - минерализации органических веществ до неорганических соединений (СО2, Н2О и др.). Редуценты возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.). Роль редуцентов в круговороте веществ чрезвычайно велика. Без редуцентов в биосфере накапливались бы груды органических остатков; иссякли бы запасы минеральных веществ, необходимых продуцентам, и жизнь в той форме, которую мы знаем, прекратилась бы.
Пространственная структура экосистем обусловлена тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах, донных отложениях). Кроме того, эти процессы разделены и во времени, поскольку существует временной разрыв между образованием органических веществ растениями и разложением их консументами. Например, в пологе леса лишь небольшая часть зеленой массы немедленно используется животными, паразитами и насекомыми. Большая часть образованного материала (листья, древесина, семена, корневища и др.) не потребляется сразу и переходит в почву или в донные осадки (ископаемые виды топлива). Могут пройти различные временные отрезки, прежде чем накопленное органическое вещество будет использовано. Следовательно, с точки зрения пространственной структуры, в природных экосистемах можно выделить два яруса: верхний, автотрофный ярус, или «зеленый пояс» Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл; здесь преобладают фиксация света, использование простых неорганических соединений и накопление солнечной энергии в сложных фотосинтезируемых веществах; и нижний гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами и донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мертвых органических остатков растений и животных.
Живые и неживые компоненты экосистем так тесно переплетены друг с другом в единый комплекс, что разделить их крайне трудно. Большая часть биогенных элементов и органических соединений встречается как внутри, так и вне живых организмов и образует постоянный поток между живым и неживым. Хотя некоторые вещества могут принадлежать только одному из этих состояний. Например, АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы) встречаются только в живых клетках, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и хлорофилл не функционируют вне живых клеток, а гумус никогда не встречается в организмах.
Классификация природных экосистем базируется на ландшафтном подходе. Ландшафт – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, верхние горизонты литосферы, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему. Природные экосистемы подразделяются на наземные, пресноводные, морские.
Наземные природные экосистемы: тундра (арктическая и альпийская), бореальные хвойные леса, листопадный лес умеренной зоны, степи, саванны, пустыня, тропический лес. Основными лимитирующими факторами суши являются среднегодовая температура и количество осадков.
Пресноводные экосистемы подразделяются на: · лентические (стоячие водоемы) – озера, пруды, водохранилища; · лотические (проточные водоемы) – реки, ручьи; · болота. Лимитирующие факторы водной среды: течение, глубина (увеличивается давление, уменьшается прозрачность), температура.
Проточные водоемы имеют две зоны: · мелководные перекаты (с быстрым течением); · глубоководные плёсы (спокойные реки).В непроточном водоеме выделяют следующие зоны: литоральная зона – толща воды, где свет проникает до дна, лимническая зона – толща воды до глубины, куда проникает 1 % солнечного света и где затухает фотосинтез, профундальная зона – дно и толща воды, куда не проникает солнечный свет. Каждой из этих зон свойственны свои обитатели и свои сообщества организмов. В зависимости от глубины и строения водоема профундальная зона и литоральная зона могут отсутствовать.
Морские экосистемы: открытый океан, область континентального шельфа (прибрежные воды), эстуарии, глубоководные зоны. Эстуарии – это прибрежные области смешивания речных вод с морскими. Лимитирующие факторы: соленость, глубина, прозрачность, температура. В морских формациях выделяют две зоны: пелагиаль – поверхностные слои воды и бенталь – морское дно, заселенное донными организмами (бентосом).
1.3.2 Биотические связи организмов в биоценозах.
Разнообразные формы биотических отношений, в которые вступают те или иные виды в биоценозе (конкуренция, комменсализм, мутуализм, хищник-жертва и др.), определяют основные условия их жизни в сообществе, возможности добывания пищи и завоевания нового пространства.
Прямые и косвенные межвидовые отношения по значению, которое они имеют для занятия видом в биоценозе определенного положения, по классификации В. Н. Беклемишева (1970), подразделяются на четыре типа: 1) трофические, 2) топические, 3) форические и 4) фабрические.
Трофические связи наблюдаются, когда один вид питается другим —либо их мертвыми остатками, либо продуктами их жизнедеятельности. При конкуренции двух видов из-за объектов питания между ними возникает косвенная трофическая связь, вследствие того что деятельность одного отражается на снабжении кормом другого.
Топические связи характеризуют любое физическое или химическое изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого. Данный вид связей отличается большим разноообразием. Топические связи заключаются в создании одним видом среды для другого (внутренний паразитизм или норовый комменсализм), в формировании субстрата, на котором поселяются или избегают поселяться представители других видов, во влиянии на движение воды, воздуха, изменение температуры, освещенности окружающего пространства, в насыщении среды продуктами насыщения и т. д. Значительная роль в создании или изменении среды для других организмов принадлежит растениям. Из-за особенностей энергообмена растительность является мощным фактором перераспределения тепла у поверхности Земли и создания мезо- или микроклимата. Под пологом леса подлесок, напочвенный покров, животные находятся в условиях более выравненных температур, более высокой влажности воздуха и т. д. Хотя и в меньшей степени, травянистая растительность; также изменяет режим окружающего пространства. В результате положительных или отрицательных топических взаимоотношений одни виды определяют или исключают возможность существования в биоценозе других видов.
В биоценозе трофические и топические связи имеют наибольшее значение, составляют основу его существования. Эти типы отношений удерживают друг возле друга организмы разных видов, объединяя их в сравнительно стабильные сообщества разных масштабов.
Форические связи — это участие одного вида в распространении другого. В роли транспортировщиков выступают животные. Как нами было отмечено ранее, перенос животными семян, спор, пыльцы растений называют зоохорией. Перенос же животными других, более мелких животных называют форезией (от лат. форас, — наружу, вон).
Фабрические связи — это такой тип биоценотических отношений, в которые вступает вид, используя для своих сооружений (фабрикации) продукты выделения или мертвые остатки или даже живых особей другого вида (В. Н. Беклемишев, 1970). Например, птицы употребляют для постройки гнезд ветви деревьев, листья, траву, шерсть млекопитающих, пух и перья других видов птиц и т. д.
Каждый конкретный вид из-за сложности межвидовых взаимоотношений может преуспевать не везде, где складываются подходящие для него условия физической среды. Отмечают физиологический и синэкологический оптимумы в распространении вида.
Межвидовые связи, формирующие биоценоз, обусловливают закономерные соотношения в нем видов, их экологических особенностей, численности, распределения в пространстве, или, можно сказать, позволяют создать определенную структуру биоценоза.
1.3.3 Трофические взаимодействия в экосистемах
Основой любой экосистемы, ее фундаментом являются пищевые (трофические) и сопутствующие им энергетические связи. В них постоянно происходит перенос вещества и энергии, которые заключены в пище, созданной преимущественно растениями.
Перенос потенциальной энергии пищи, созданной растениями, через ряд организмов путем поедания одних видов другими называется цепью питания или пищевой цепью, а каждое ее звено - трофическим уровнем
Первый трофический уровень образуют продуценты (растения), второй - первичные консументы (растительноядные животные), третий - вторичные консументы (плотоядные животные и паразиты). Поскольку каждый организм имеет несколько источников питания и сам является объектом питания для других организмов из одной и той же пищевой цепи или даже из разных (всеядные организмы, например человек, медведь, воробей, потребляют как продуцентов, так и консументов, т. е. живут на разных трофических уровнях), цепи питания многократно разветвляются и переплетаются в сложные пищевые сети. Отдельные звенья трофической цепи называют трофическими уровнями.
Пищевые цепи состоят, как правило, из трех - пяти звеньев, например: растения овцы человек; растения кузнечики ящерицы орел; растения насекомые лягушки змеи орел.
Различают два типа трофических (пищевых) цепей. Пищевые цепи, которые начинаются с растений, идут через растительноядных животных к другим потребителям, называют пастбищными или цепями выедания. Пищевые цепи другого типа начинаются с отмерших растений, трупов или помета животных и идут к мелким животным и микроорганизмам. Эти цепи называют детритными, или цепями разложения.
Линейные пищевые цепи - большая редкость в природе. Как правило, пищевые цепи в экосистеме тесно переплетаются. Совокупность пищевых связей в экосистеме образует пищевые сети, в которых многие консументы служат пищей нескольким членам экосистемы. В то же время некоторые животные могут принадлежать сразу к нескольким трофическим уровням, так как питаются и растительной, и животной пищей, то есть являются всеядными (например, медведь).
Из-за сложной структуры пищевой сети исчезновение вида, как правило, почти не сказывается на экосистеме. Питавшиеся особями этого вида организмы находят другие источники пищи. А пищу, которую потребляли животные исчезнувшего вида, начинают использовать другие потребители. Это обеспечивает экосистеме длительное и устойчивое существование. И чем богаче видовая структура экосистемы, тем она устойчивее.
4.1 Понятие биосферы, ее структура.
Биосфера (био – жизнь, сфера – шар) – это наружная оболочка Земли, область распространения жизни.
В состав биосферы входят нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами, т.е. «область существования живого вещества» (В.И. Вернадский). Биосфера – самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете.
Биосфера включает организмы (около 3 млн. видов), их остатки, зоны атмосферы, гидросферы и литосферы, населенные и видоизмененные этими организмами. В состав биосферы, кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов), входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – осадочные породы органического происхождения), биокосное вещество (продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами) и косное вещество (горные породы магматические, вода, а также переработанные и видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения, т.е. космическая пыль, метеориты и т.п.).
Самая существенная особенность биосферы - биогенная миграция атомов химических элементов, вызванная энергией Солнца и выражающаяся в процессах обмена веществ, росте и размножении организмов. Биогенная миграция подчиняется биогеохимическим принципам, сформулированным В.И. Вернадским (1940). Первые представления о биосфере как «области жизни» и наружной оболочке Земли сформулировал Ж.Б. Ламарк (1802). Термин «биосфера» ввел в науку австрийский геолог Э. Зюсс (1875); современное материалистическое учение о биосфере создано В.И. Вернадским (1926).
1.4.2 Основные функции биосферы
Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей, растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биологических функций планетарного масштаба.
Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в формировании состава современной атмосферы. Они строго контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для современной биоты.
Концентрационная функция. В процессе эволюции организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора и других компонентов природной среды необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле. Таким образом, пропуская через свое тело большие объемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов и их соединений.
Окислительно-восстановительная функция. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Живые клетки обладают настолько эффективным катализатором - ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиотической среде. Благодаря этому живые организмы существенно ускоряют процессы миграции химических элементов в биосфере.
Информационная функция. С появлением первых живых существ на планете появилась и активная ("живая") информация, отличающаяся от той "мертвой" информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и передавать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.
Перечисленные функции живого вещества образуют мощную средообразующую функцию биосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздушной и водной сред. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Таким образом, биота биосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.
4 Круговороты веществ в биосфере
Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере имеют предел. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно. Многократное участие вещества в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех их слоях, которые входят в биосферу, называют круговоротом веществ.
Выделяют большой или геологический (абиотический) круговорот веществ, в основе которого лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты и малый или биотический круговорот веществ, в основе которого лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений.
Во время биотического кругооборота происходит кругообразная циркуляция веществ между воздухом, грунтом, водой, растениями, животными и микроорганизмами. Минеральные вещества, нужные для жизни, поглощаются, трансформируются, поступают из окружающей среды в состав растительных организмов, а от них через цепи питания в виде органических веществ — к животным, дальше через звено редуцентов - снова в окружающую среду (в грунты, воды, воздух) в виде неорганических веществ.
Вещества в круговоротах постоянно трансформируются, перестраиваются, обмениваясь атомами, а сами атомы остаются неизменными. Возможность многократного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного притока нужного количества энергии.
Наиболее важными являются круговороты воды и веществ, из которых состоят белковые молекулы –углерод, кислород, азот, фосфор, сера.
Кругооборот воды. Большой круговорот воды заключается в испарении воды в океанах и на суше под действием Солнца, переносе паров воды с воздушными массами, выпадении воды из атмосферы в виде дождя и снега, поглощении воды растениями и почвой, стоке воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны. Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Земле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды – основы жизни, но и тепла, поглощающегося при испарении воды и выделяющегося при ее конденсации.
Круговорот воды в экосистемах заключается в поглощении воды листьями, кроной растений, до того как она достигнет почвы; транспирацией; испарении с поверхности почвы; просачивании воды в почву; стоке воды в ручьи, реки.
Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями (рис. 1.7 ). Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде углеродистых горных пород (торф, уголь, нефть). Теперь человек в огромных количествах добывает это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии и сжигая его, в определенном смысле завершает круговорот углерода.
Фотосинтез, органическое
вещество растений
Органическое
вещество животных
Органическое
вещество почв
Вулканическая деятельность
Антропогенная деятельность
Океан
Образованиекарбонатных горных пород
Образование углеродистых горных пород
Углерод
Свет
Захоронение
Рисунок 1.7 – Круговорот углерода
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в HCO3-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция происходит осаждение карбонатов CaCO3. Возникают мощные толщи известняков.
Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2.
Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта. Предполагается, что ежегодное поступление диоксида углерода в результате человеческой деятельности составляет до 10% ежегодного биогенного притока С02 в атмосферу. Это свидетельствует об нарушении круговорота углерода в биосфере. Причем если в более отдаленном прошлом интенсивность прироста была равна примерно 0,2% в год, то в течение последних десятилетий темпы прироста повысились по меньшей мере в 2 раза.
Круговорот азота. Азота около 80% в атмосферном воздухе. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот. Круговорот азота состоит из следующих процессов: получение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот (рис. 1.8). .
Свободный азот воздуха фиксируется микроорганизмами и растениями при помощи так называемых клубеньковых бактерий. Органические соединения азота после гибели организмов подвергаются (при участии бактерий) процессам аммонификации, нитрификации с последовательным образованием аммиака, нитратов и нитритов. Нитраты и нитриты вновь ассимилируются растениями, подвергаются восстановлению (денитрификации) до оксида азота , азота и свободного азота, поступающего в атмосферу
Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации, в биосфере идет его накопление. Причина излишка – производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Круговорот азота нарушен приблизительно на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые осложнения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих отходов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.
Магма
Ювениальный фиксированный азот
Атмосферная фиксация
Атмосферный азот
Промышленная фиксация
Белок
Биологическая фиксация
Растительные и животные отходы. Мертвые организмы
Восстановление нитратов
Денитрификация
Оксид азота N2O
Аммиак
Нитриты
Нитраты
В подземные воды
Рисунок 1.8 – Круговорот азота
Круговорот кислорода. Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространенный элемент. Основное количество связанного кислорода приходится на гидросферу и литосферу. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 0,01% его общего количества. Большая часть атмосферного кислорода – продукт фотосинтеза растений. Круговорот кислорода заключается в генерации растениями в процессе фотосинтеза; потреблении живыми организмами при дыхании; расходе на окисление биогенного вещества и неорганических веществ (сжигание топлива). Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд. т кислорода и добавлено около 380млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком около 5%.
Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обмена веществ в растениях и животных. Фосфор в отличие от других биофильных элементов в процессе миграции не образует газовой формы. Резервуаром фосфора является минеральная часть литосферы. Основными источниками неорганического фосфора являются изверженные породы (апатиты) или осадочные породы (фосфориты). Из пород неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию выщелачиванием и растворением в континентальных водах. Попадая в экосистемы суши, почву, фосфор поглощается растениями из водного раствора в виде неорганического фосфат-иона (РО43-) и включается в состав различных органических соединений, где он выступает в форме органического фосфата. По пищевым цепям фосфор переходит от растений к другим организмам экосистемы. Химически связанный фосфор попадает с остатками растений и животных в почву, где вновь подвергается воздействию микроорганизмов и превращается в минеральные ортофосфаты, а в дальнейшем происходит повторение цикла.
В водные экосистемы фосфор переносится текучими водами. В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитопланктона, служащего пищей другим организмам моря, в последующем накапливаясь в тканях морских животных. Отмершие остатки организмов приводят к накоплению фосфора на разных глубинах. Отсюда следует, что фосфор, попадая в водоемы тем или иным путем, насыщает, а нередко и перенасыщает их экосистемы. Частичный возврат фосфатов на сушу связан с поднятием земной коры выше уровня моря, переносом морскими птицами (гуано), рыболовством.
Круговорот серы. Преобладающая часть круговорота серы имеет осадочную природу и происходит в почве и воде. Основной источник серы, доступный живым организмам, - сульфаты (SO4), входящие в состав гипса, ангидрида и других горных пород. Доступ неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в воде. Растения, поглощая сульфаты, восстанавливают их и вырабатывают серосодержащие аминокислоты.
Ключевую роль в обмене играют специализированные микроорганизмы, выполняющие определенные реакции окисления или восстановления между доступными сульфатами (SO4) и сульфидами железа, находящимися глубоко в почве и осадках.
Первичная продукция обеспечивает включение сульфата в органическое вещество, а экскреция животными служит путем возвращения сульфата в круговорот.
5 Загрязнение окружающей среды
1.5.1 Понятие и классификация загрязнителей окружающей среды
Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной экосистемы.
Загрязнителем принято считать любой (природный и антропогенный) физический агент, химическое вещество и биологический вид (главным образом микроорганизмы), попадающий в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, выходящих за рамки обычного своего наличия — предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.
Загрязнения, приводящие к деградации экосистем и снижению качества среды проживания, можно представить в виде схемы комплексного загрязнения среды (рис. 1.).
атмосферы гидросферы Мирового океана почвы
Загрязнение
(загрязнитель)
катастрофическое
случайное
природное (естественное)
глобальное
региональное
локальное
первичное вторичное
антропогенное
промышленное
физическое
физико-химическое
химическое
биологическое
эксплуатационное
сельскохозяйственное
радио-
активное
световое тепловое шумовое электро-магнитное
аэрозольное
тяжелыми металлами пестицидами отдельными химическими элементами
стойкое разрушаемое биологическими процессами
биотическое (биогенное)
Космоса
городской среды внутриквартирное
Рисунок1 - Схема загрязнителей (загрязнения) по Н. Ф. Реймерсу, 1990
Последствия загрязнения окружающей среды:
1. Ухудшение качества окружающей среды.
2. Образование нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств при добыче и заготовке человеком сырья и материалов, которые превращаются в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.
3. Необратимое разрушение не только отдельных экологических систем, но и биосферы в целом, в том числе воздействие на глобальные физико-химические параметры окружающей среды.
4. Потери плодородных земель, снижение продуктивности экологических систем и в целом биосферы.
5. Прямое или косвенное ухудшение физического и морального состояния человека — главной производительной силы общества.
Под качеством природной среды понимают такое состояние ее экологических систем, при котором постоянно обеспечиваются обменные процессы энергии и веществ между природой и человеком на уровне, обеспечивающем воспроизводство жизни на Земле. Качество среды до активного вмешательства человека обеспечивалось самой природой путем саморегуляции, самоочищения от загрязнений нетехногенного типа.
Глобальные проблемы окружающей среды
С средины ХХ века в мире разворачивается научно-техническая революция, с использованием достижений науки создаётся новое поколение техники, обеспечивающей интенсификацию, усиление не только физической, но и умственной деятельности людей (компьютеризация, информатизация). В результате возможности общества воздействовать на природу и изменять природные комплексы необычайно возросли. Рост экономической и технической мощи человечества приводит к тому, что конфликт между обществом и природой достигает небывалой прежде остроты, что обусловило возникновение экологического кризиса, грозящего экологической катастрофой, т.е. ситуацией, когда природная среда на нашей планете будет непригодной для обитания на ней живых существ.
Экологический кризис – напряженное состояние взаимоотношений между обществом и природой, характеризующееся несоответствием (чрезмерностью) антропогенной нагрузки на природную среду экологическим возможностям биосферы. Экологический кризис характеризуется не только усилением воздействия человека на природу, но и резким увеличением влияния измененной людьми природы на здоровье населения и на общественное развитие.
Преодоление экологического кризиса связывается прежде всего с духовным оздоровлением общества, с переходом к новым принципам взаимоотношений общества и природы, к новой системе человеческих ценностей и разумному ограничению разнообразных потребностей человека до необходимого уровня. Ясно также, что использование человеком природы и преобразование природной среды в интересах общества неизбежны и закономерны, так как они осуществляются в силу действия как законов природы, так и социальных законов развития общества. Поэтому научно-технический прогресс человечества не является чем-то чуждым природе, противоречащим ей, а наоборот, он – один из последовательных и закономерных процессов эволюции. Поэтому закономерными являются и возникающие экологические, ресурсные и другие глобальные проблемы человечества.
Экологические проблемы в современном мире вышли на первое место. Возможное потепление, истощение озонового слоя, кислотные дожди, «цветение» водоемов, накопление токсичных и радиоактивных отходов представляют угрозу для выживания. Конечно, есть страны, для которых эти проблемы не столь остры. Но, в целом, все человечество озабочено ими, и поэтому они являются глобальными.
2.1.2 Парниковый эффект
Наблюдаемое в настоящее время изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплением в атмосфере так называемых «парниковых газов» — диоксида углерода (СО2), метана (СН4), оксидов азота и др.
Парниковые газы, и в первую очередь СО2 препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. По Г. Хефлингу (1990), атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой — почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.
Главная причина усиления парникового эффекта и неблагоприятных изменений климата планеты – это энергетика, сжигающая органическое ископаемое топливо. Рост потребления энергии в настоящее время составляет около 5% в год, ископаемые виды органического топлива (уголь, торф, сланцы, нефть и газовый конденсат, природный газ) составляют более 90% первичных энергоресурсов, обеспечивая 75% мирового производства электрической энергии на тепловых электростанциях (ТЭС). Сейчас атмосфера содержит на 25% больше углекислого газа, чем было накоплено в ней за последние 160 тысяч лет (!).
По данным экспертов ООН, к 2025 г. повышение среднегодовой температуры у поверхности Земли может составить 2,5 °С, а к концу столетия – почти 6 °С. Это приведет к нарушению природных механизмов поддержания теплового баланса планеты.
Главные последствия усиления парникового эффекта:
1. Повышение уровня Мирового океана за счет таяния материковых ледников и морских льдов, теплового расширения океана. Подъем уровня моря – уже реальный факт. За прошедшее столетие уровень Мирового океана повысился, по разным оценкам, на 10–25 см, к 2025 г. возможно повышение уровня Мирового океана еще на 20–30 см, а к концу наступившего столетия – на 1–2 м. За последние десять лет толщина ледового покрова в Северном Ледовитом океане сократилась на 40%, происходит интенсивное разрушение ледовых щитов Антарктиды и Гренландии.
2. Прямое воздействие повышения уровня Мирового океана – перемещение береговой линии. В результате под водой окажутся многие прибрежные районы и острова, произойдет вторжение фронта соленых морских вод в пресноводные реки, засоление пресноводных прибрежных акваторий. Все эти процессы глубоко затронут человеческое общество, особенно густонаселенные приморские районы. Из-за подъема уровня воды будут затоплены многие приморские города, ухудшатся условия их водоснабжения, серьезно пострадают места нерестилищ рыб. Подсчитано, что повышение уровня океана на 1 м повлечет за собой колоссальные потери людских и материальных ресурсов. Сотни миллионов людей на земном шаре вынуждены будут мигрировать из прибрежных зон, дельт рек и с островов.
Потепление приведет к высвобождению метана, находящегося в зоне вечной мерзлоты в виде гидратированного метана (твердое соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного метана), таянию грунтов. Это создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, в том числе газо- и нефтепроводам, буровым установкам и т.п., ухудшит состояние лесных массивов на вечной мерзлоте.
3. Произойдут существенные изменения природных процессов в биосфере:
– нарушение круговоротов главных биогенных элементов;
– изменение характера облачности и связанные с этим климатические изменения;
– изменение распределения осадков по регионам;
– смещение климатических зон, и в частности расширение зон пустынь;
– нарушение биологических ритмов развития растений и, как следствие, длительные периоды неурожаев главных сельскохозяйственных культур.
5. Изменение средней приземной температуры приведет к перестройке биоты – всей системы живых организмов Земли – и будет сопровождаться такими аномальными явлениями, как распространение болезней, вредителей, так называемых видов-гангстеров. Частично такие процессы уже начались: от короедов гибнут еловые леса Нечерноземья.
6. Разбалансировка системы регуляции климата уже проявляет себя в виде учащения и усиления аномальных погодных явлений, таких, как штормы, ураганы и торнадо, наводнения.
Проблема глобальных климатических изменений антропогенного характера обсуждалась на одной из самых авторитетных экологических конференций – Конференции ООН по окружающей среде и развитию, или ЮНСЕД (UNSED – United Nations Sastainible Environment and Development), в Рио-де-Жанейро в 1992 г. По итогам конференции была принята Конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата, конечной целью которой является стабилизация концентрации парниковых газов в атмосфере на таких уровнях, которые не будут оказывать опасное воздействие на глобальную климатическую систему. Для достижения этого необходимо самое широкое сотрудничество между всеми странами и их участие в соответствующих международных мероприятиях по сокращению выбросов парниковых газов.
Для практической реализации конвенции по климату в декабре 1997 г. в Киото (Япония) на международной конференции был принят Киотский протокол (ратифицирован 140 государствами, включая Россию). В нем определены конкретные квоты на выброс парниковых газов странами – участницами конференции. Ставится задача свести эмиссию парниковых газов (прежде всего углекислого газа) к 2012 г. до уровня 1990 г. В частности, квота России до 2012 г. составляет 3 млн парниковых газов в год (по сведениям Росгидромета, сейчас Россия «недовыбрасывает» примерно треть от этой квоты). Кроме этого Киотский протокол предусматривает бесплатную передачу энергосберегающих технологий странами, где они широко используются, развивающимся странам.
Для значительного сокращения выбросов в атмосферу углекислого газа необходимо переориентировать электроэнергетику, постепенно отказываться от использования углеводородных энергетических технологий.
Долгое время вполне приемлемой альтернативой ТЭС, сжигающим органическое углеродное топливо, считалась атомная энергетика (несмотря на очень высокую стоимость электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях – АЭС), поскольку она могла удовлетворить растущие потребности в электроэнергии без увеличения выбросов в атмосферу углекислого газа. Однако эксплуатация АЭС порождает гораздо более серьезные экологические проблемы.
Гидроэлектростанции (ГЭС) имеют несомненные преимущества по сравнению с другими основными типами электростанций – ТЭС и АЭС:
• их природный ресурс – вода – является возобновимым и неисчерпаемым;
• процесс превращения механической энергии воды в электрическую является экологически чистым;
• получаемая энергия имеет небольшую стоимость, обусловленную только эксплуатационными расходами;
• работа станции сравнительно безопасна;
• достаточно высокий КПД (в среднем 60–70%).
Весьма перспективным является решение энергетической проблемы человечества путем перехода на нетрадиционные источники энергии (экологически чистые и возобновляемые – альтернативные источники энергии), такие, как непосредственно энергия Солнца, ветер, тепло земных недр, приливы и отливы; разработки новых способов аккумулирования энергии; развитие ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении климата и положительные экологические последствия (Вронский, 1993; Парниковый эффект..., 1989). Повышение концентрации СО2 в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также увеличение увлажнения климата могут, по их мнению, привести к росту продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.).
По вопросу о степени влияния парниковых газов на глобальное потепление климата также нет единства во мнениях. Ряд ученых считает, что насыщение атмосферы углекислым газом при прочих равных условиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта и средней температуры во всей толще планеты. Более того, увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов. Наблюдаемое сейчас вековое потепление климата связано с магнитной активностью Солнца. Причём это локальное потепление наблюдается на общем фоне долголетнего похолодания.
2.1.3 Разрушение озонового слоя
Проблема сохранения озонового слоя Земли является приоритетной проблемой выживания биосферы в целом. Озоновый слой, который находится в стратосфере на высоте 25-40 км, защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения (190-320 нм). Образования озона в стратосфере связано с фотохимическим диссоциацией молекул кислорода с образованием атомарного кислорода под воздействием солнечного излучения.
Общее содержание озона оценивается толщиной слоя озона, приведенного к нормальным условиям, и которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется от 2,5 мм до 5 мм. Области с уменьшенным содержанием озона в атмосфере на 40-50% называют «озонными дырами».
Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние 10 лет концентрация озонового слоя снизилась на 4—6% в зимнее время и на 3% — в летнее.
В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности.
Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул.
Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается рост заболеваемости людей раком кожи и др. Так, например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030 г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно 6 млн человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т. д.
Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т. д.
Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.
Около 90% атмосферного озона находится в стратосфере. Долгое время считалось, что основной причиной истощения озонного слоя являются полеты космических кораблей и сверхзвуковых самолетов, а также извержения вулканов и другие природные явления. Однако в 1974 году американские ученые в области химии атмосферы Ш. Роуленд и М. Молина обнаружили разрушительное воздействие хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) на стратосферный озон. В 1996 году за открытия в этой области им была присуждена Нобелевская премия. С тех пор не раз предпринимались попытки ограничить выброс ХФУ в атмосферу и, тем не менее, сейчас во всем мире производится около миллиона тонн газообразных веществ, способных разрушить озонный слой. ХФУ, часто встречающиеся в быту и в промышленности, служат пропеллентами в аэрозольных упаковках, используются как хладагенты (фреоны) в холодильниках и кондиционерах, применяются при изготовлении упаковок из вспененного полиуретана и при чистке электронной техники. ХФУ являются высокостабильными соединениями и не поглощают солнечное излучение с большой длиной волны. Следовательно, они не могут подвергнуться его воздействию в нижних слоях атмосферы Земли и постепенно поднимаются в верхние ее слои. Преодолев озонный слой, они разрушаются под действием коротковолнового излучения, высвобождая при этом свободный хлор и разрушая озонный слой, спасающий от УФ-излучения.
Согласно протоколу Монреальской конференции (1987 г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглеродов к 1998 г. на 50%. Согласно документам, действующим в настоящее время, предусматривается контроль выбросов около 100 химических веществ, в том числе ХФУС, галогенов, гидрохлорофторуглеродов (ГХФУС), галогенированных бромфторуглеродов (ГБФУС), тетрахлорида углерода, 1,1,1-трихлороэтана, метилхлороформа, метилбромида и др.
С другой стороны, ряд ученых настаивают на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения одни видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли.
2.1.4 Проблема кислотных осадков
Образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты.
При анализе состава кислотного дождя основное внимание обращается на содержание катионов водорода, определяющих его кислотность (рН). Для чистой воды водородный показатель рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 считаются кислыми, выше - щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности охватывается значениями рН от 0 до 14. В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дождис кислотностью рН=3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — рН=2,3.
Промышленность разных стран ежегодно выбрасывает в атмосферу более 120 млн т диоксида серы, который, реагируя с атмосферной влагой, превращается в серную кислоту. Попадая в атмосферу, эти загрязнители могут разноситься ветром на тысячи километров от источника и возвращаться на землю с дождем, снегом или туманом.
Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы. Под действием кислотных осадков из почвы выщелачиваются не только жизненно необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы — свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образующиеся токсичные соединения усваиваются растениями и другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Например, возрастание в подкисленной воде содержания алюминия всего лишь до 0,2 мг на один литр летально для рыб. Резко сокращается развитие фитопланктона, так как фосфаты, активизирующие этот процесс, соединяются с алюминием и становятся менее доступными для усвоения. Алюминий снижает также прирост древесины. Токсичность тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.) проявляется еще в большей степени.
2.1.5 Энергетические проблемы
Потребность в энергии – одна из основных жизненных потребностей человека. Энергия нужна не только для нормальной деятельности современного сложноорганизованного человеческого общества, но и для физического существования каждого отдельного человеческого организма. Для поддержания жизни человеку требуется около 3 тыс. килокалорий в сутки. Около 10% необходимой энергии человеку обеспечивают продукты питания, остальную часть – промышленная энергетика. Ускорение темпов научно-технического прогресса и развитие материального производства сопряжены со значительным ростом энергозатрат.
Основным источником энергии в России и странах СНГ является тепловая энергия, получаемая от сгорания органического топлива – угля, нефти, газа, торфа, горючих сланцев. Нефть, а также ее тяжелые фракции (мазут) широко используются в качестве топлива. Перспективы дальнейшего применения этого вида топлива маловероятны по двум причинам: во-первых, нефть не может быть отнесена к разряду экологически чистых источников энергии, во-вторых – ее запасы, в том числе и неразведанные, существенно ограничены. Газ как топливо используется также очень широко. Запасы его хотя и достаточно велики, но также ограничены. В настоящее время известны способы получения из газа целого ряда химических веществ, в том числе водорода, который в будущем может быть использован как универсальное чистое топливо, не дающее какого-либо загрязнения. Уголь имеет не меньшее значение в тепловой энергетике, чем нефть и газ. Он используется также как топливо в виде кокса, получаемого в результате нагревания каменного угля без доступа воздуха до температуры 950-1050°С.
Энергия, получаемая на гидроэлектростанциях, для окружающей природной среды относительно безвредна. Однако само по себе строительство энергоблоков на реках и водохранилищ на равнинах чревато серьезными отрицательными последствиями, наиболее существенными из которых является затопление обширных, в т.ч. сельскохозяйственных, полезных земельных угодий. Особенно остро стоит вопрос о мелководных зонах водохранилищ, которые при изменении уровня воды то осушаются, то затопляются вновь, что затрудняет их хозяйственное использование. На некоторых водохранилищах такие зоны занимают до 40% площади.
Решение проблемы энергетического кризиса долгое время связывали, преимущественно, с развитием атомной, а в перспективе – термоядерной энергетики, из которых последняя обладает практически неисчерпаемыми топливными ресурсами. Принято было считать, что одним из важнейших преимуществ атомной энергетики является ее экологическая чистота. Действительно, при благоприятных условиях ядерные электростанции дают значительно меньше вредных выбросов, чем электростанции, работающие на органическом топливе. Доля ядерной энергии в общем объеме вырабатываемой энергии многих развитых стран составляет весьма большую величину, особенно во Франции (79%), Швеции (43%), Южной Корее (43%), Японии (32%). В России в настоящее время действует 31 реактор.
В последние десятилетия отношение ученых-экологов к атомному виду энергетики существенно изменилось. Негативная оценка роли атомной энергетики связана, прежде всего, с опасениями в отношении негативных последствий аварий на ядерных объектах, которые приводят к утечкам радиоактивных материалов и отходов производства. Позиции атомной энергетики были серьезно подорваны авариями на Чернобыльской атомной станции (1986 г.) и АЭС Фукусима в Японии (2011 г.).
Альтернативные источники энергии. Помимо широкого использования невозобновляемых источников энергии (уголь, нефть, газ, ядерное топливо), активно изучается и реализуется возможность получения энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких, как энергия ветра, солнца, геотермальная и энергия волн, а также других источников, которые относятся к неисчерпаемым, возобновляемым и экологически чистым (рис. 2.1).
Геотермальная энергия. Запасы тепла в глубинах земных недр практически неисчерпаемы, и использование его с позиций охраны окружающей среды весьма перспективно. Температура скальных пород с заглублением на каждый километр повышается почти на 15 градусов и на глубине 10 км достигает 140-150°С. Во многих районах уже на глубине 3 км температура горных пород составляет 100°С и более. В настоящее время в ряде стран используют тепло горячих источников для получения электроэнергии, отопления зданий, подогрева теплиц. Получаемая при этом электроэнергия наиболее дешевая, однако, коэффициент полезного действия геотермальных электростанций невысок из-за низкой температуры воды, поступающей из недр на поверхность.
Использование энергии течений, приливов, волн
Источники энергии
Солнечные (гелио)
Ветровые
Солнечные батареи
Космическая энергетика
Биологические
Гелиоконденсаторы
Выращивание растений
Морские
Использование разности солености моря
Биосинтез газов (биогаз, водород)
Производство жидкого топлива
Геотермальные
Использование разности температур
Естественные
Искусственные
Рисунок 2.1- Классификация альтернативных источников энергии (по В.В. Денисову, 2007)
Ветроэнергетика. Является наиболее древним источником энергии. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности, оправдано использование ветротурбин для обслуживания жилых домов и неэнергоемких производств. При этом нет никаких расходов на утилизацию отработанного топлива и нет загрязнения окружающей среды. Однако ветровые источники энергии требуют огромных площадей. Ветроустановки являются дорогостоящими сооружениями, источниками сильных вибраций, шумов, они распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями.
Использование энергии Солнца. На Землю поступает от солнца примерно 1,7·1017 Вт солнечной энергии. Если использовать около 1% поверхности Земли для улавливания этой энергии с помощью коллекторов излучения, то можно будет собрать ~1014 Вт энергии. Солнечная энергия – практически неограниченный источник, исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет окружающую среду, а само ее использование не связано ни с какой биологической опасностью.
Однако многие существующие коллекторы солнечного излучения имеют эффективность преобразования ниже 10%. Кроме того, крупномасштабное производство электроэнергии на солнечных электростанциях имеет определенные трудности - продолжительность светового дня ограничена, солнечное излучение не всегда падает перпендикулярно поверхности Земли, солнце может быть затенено облаками, пылью и т.д. Поэтому площадь для сбора солнечной энергии и ее концентрации на оптических системах доходит до нескольких десятков квадратных километров. Кроме того, стоимость производства электроэнергии с помощью солнечных батарей превосходит стоимость производства электроэнергии на ТЭС, работающих на ископаемом топливе.
Энергия приливов-отливов. Приливные электростанции (гидроэлектрические станции) используют гравитационную энергию в виде энергии приливов и отливов, возникающих под действием сил притяжения Луны и Солнца и вращательного движения Земли. С этой целью весь морской залив отделяется от моря плотиной. Устремляющаяся в залив и из него вода приводит в движение турбины, которые вырабатывают электроэнергию. Сегодня единственная на Земле действующая приливная электростанция находится в устье реки Ранс в Бретани (запад Франции, полуостров).
Все рассмотренные чистые источники электроэнергии являются возобновимыми источниками энергии, то есть постоянно возобновляются за счет естественных поставщиков энергии, прежде всего Солнца, и поэтому неисчерпаемы.
2 Охрана атмосферного воздуха
2.2.1 Атмосфера, строение, состав и устойчивость.
Атмосфера - газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся (условно) на высоту 100 км. Он имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер. Масса атмосферы составляет 5,9-1015 т, o6ъем - 13,2-1020 м3.
Химический состав атмосферы. Основными газовыми компонентами атмосферы являются: азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и углекислый газ (0,03%).
Газовый состав атмосферы меняется с высотой. В приземном слое из-за антропогенных воздействий количество углекислого газа возрастает, а кислорода снижается.
Строение атмосферы. Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Толщина ее составляет на средних широтах 10...12 км. В тропосфере содержится до 80% всей влаги, имеющейся в атмосфере, в ней образуются облака и формируются все виды осадков, которые являются очистителями воздуха от примесей.
Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними находится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней разряжен, влажность его невысока, при этом температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уровнем моря постоянна (около -50°С), а затем она постепенно повышается до +10°С на высоте 50 км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются в результате образуется озон. Озоновый слой, располагаемый, 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетовых лучей.
Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосфры, в которой количество озона уменьшается, а температура высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет -70°С. Резкий перепад температур между стратосферой и мезосферой объясняется наличием озонового слоя.
За мезосферой расположена термосфера, не имеющая определенной верхней границы. Температура в термосфере увеличивается и на высоте 500-600 км достигает +1600оС.
Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Под воздействием солнечного излучения в атмосфере протекает множество физико-химических реакций.
За счет перемещения воздушных масс изменяются физико-химические свойства воздуха, интенсивность теплообмена, влажность, давление, при этом увеличивается или снижается количество загрязнений в атмосфере.
Экологические функции атмосферы.
1. Жизнеобеспечивающие – участвует в обмене и круговороте веществ в биосфере благодаря наличию жизненно важных элементов (кислород, углерод, азот
2. Терморегулирующие – предохраняет Землю от резких колебаний температуры, способствует перераспределению тепла у поверхности. Атмосфера регулирует тепловой режим, климатические условия. Циркуляция атмосферы влияет на режим рек, почвенно - растительный покров, процессы рельефообразования.
3. Защитная функция – газовая оболочка спасает все живое на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей.
2.2.2 Приоритетные антропогенные загрязнители атмосферы.
Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.
Классификации загрязнителей атмосферы.
Загрязнения по вещественному составу подразделяются на:
Примеси поступают в атмосферу в виде газов, паров, жидких и твердых частиц.
В зависимости от фазового состояния загрязнителей различают:
По источника загрязнения различают:
Естественное загрязнение атмосферы может быть неорганического и органического происхождения. Неорганическое загрязнение происходит в результате разрушения и выветривания горных пород и почв, вулканических извержений, лесных, торфяных, степных пожаров, испарения с поверхности морей.
Органическое загрязнение происходит при биологическом разложении веществ.
Антропогенное воздействие на атмосферу проявляется в выбросах отходов теплоэнергетики, промышленности, транспорта, нефтегазопереработки.
По токсичности, потенциальной опасности, распространенности загрязнителей:
1. Диксиды серы (SO2 и SO3). Ежегодный выброс составляет ~ 200 млн. тонн. Оксиды серы выделяются в атмосферу в основном в результате сжигания ископаемого топлива (бурого угля, мазута, серосодержащих нефтепродуктов) в процессе работы тепловых электростанций (ТЭС), а также при переработке полиметаллических серосодержащих руд различных металлов (PbS, ZnS, CuS, NiS, MnS и т.д.). Диоксид серы относят к главным и наиболее важным загрязнителям воздуха, опасным для животных и растений и участвующим в образовании фотохимического смога. При взаимодействии SO2 и SO3 с парами воды в воздухе соответственно образуются сернистая и серная кислоты. Около 60% от всех содержащихся в дождевой воде кислот составляет серная кислота. Кислотные дожди способствуют коррозии металлов и губят растения.
Отмечено также, что заболевания дыхательных путей (бронхит, астма, кашель и т.д.) учащаются при повышенном содержании оксидов серы в воздухе.
В настоящее время многие страны успешно решают проблему загрязнения атмосферы оксидами серы. Так, Швеция, особенно сильно пострадавшая от кислотных дождей, ограничила сжигание нефти и угля и использует только горючее, не содержащее серу. В Греции для отопления жилых домов в районе Акрополя разрешается использовать лишь топливо с особо низким содержанием серы. В Лондоне в результате ряда строжайших мер снизилось содержание оксидов серы, что привело к исчезновению лондонского смога. Россия также входит в конвенцию по выбросам оксидов серы и участвует во всех процессах, способствующих снижению выбросов оксидов серы в атмосферу. Основным решением этой проблемы является строительство заводов, производящих серную кислоту по схеме SO2→SO3→H2SO4. Таким образом, используя оксиды серы для производства столь необходимого во многих областях деятельности продукта, человечество перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.
2. Оксиды азота (NxOy). Ежегодный выброс составляет ~ 60 млн. тонн оксидов азота.
Окислы азота образуются при всех процессах горения. В природе оксиды азота образуются при лесных пожарах, однако высокие концентрации этих загрязнителей в городах и в окрестностях промышленных предприятий связаны с антропогенной деятельностью. Оксиды азота в значительном количестве выделяются при работе ТЭС, двигателей внутреннего сгорания и в процессе травления металлов азотной кислотой. Производства взрывчатых веществ и азотной кислоты также являются источниками выбросов оксидов азота в атмосферу.
Оксиды азота участвуют в образовании кислотных дождей. Азотная кислота, образующаяся из оксидов азота, составляет около 35% от всех кислот, содержащихся в дождевой воде.
В летний период вследствие высокой растворимости в воде и сорбции на увлажненных поверхностях азотная кислота быстро выпадает на земную поверхность. В городах наиболее высокие концентрации окислов азота наблюдаются утром, до начала фотохимических процессов. При ярком солнечном свете окислы азота реагируют с несгоревшими бензиновыми парами и другими углеводородами, образуя фотохимический смог.
Высокие уровни оксидов азота приводят к учащению случаев воспаления верхних дыхательных путей, осложнению при кратковременных респираторных инфекциях.
3. Оксиды углерода: (CO) - угарный газ и CO2 - углекислый газ. Ежегодный выброс составляет ~ 8000 млн. тонн оксидов углерода
В городском воздухе монооксид углерода СО содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель. Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65% от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность. При вдыхании угарный газ образует прочные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь. Это вызывает головные боли, тошноту, а при более высокой концентрации смерть. Уменьшение выбросов угарного газа достигается путем дожигания отходящих газов и использования альтернативных источников топлива. Другой источник угарного газа - табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Доказано, что курильщик поглощает вдвое больше СО, чем человек, живущий в сильно загрязненной среде.
Двуокись углерода (СО2), - продукт полного окисления углерода. Основной источник выброса – топливно-энергетический комплекс. Является одним из парниковых газов.
4. Пыль. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается ~ 200 млн. тонн пыли. Вступая в реакцию с водяным паром, пыль образует аэрозоли. Основной вклад в запыление атмосферы Земли вносит сама природа. Это пыльные бури, эрозия почв, выбросы вулканов. Однако около 15-20% от общего количества пыли и аэрозолей в атмосфере имеют антропогенное происхождение. Основными источниками являются теплоэлектростанции (ТЭС), обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим химическим разнообразием. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. При сгорании угля в воздух попадает зола (силикат кальция) и сажа (углерод). При сгорании 500 кг угля образуется 35-55 кг золы, при сгорании 500 кг нефти – 1 кг золы.
К постоянным источникам аэрозольного загрязнения относятся промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образующихся при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.
Пыль и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и затрудняют отвод тепла от Земли.
5. Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. Ежегодный выброс составляет ~ 80 млн. тонн углеводородов. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Основным источником эмиссии углеводородов являются ТЭС, работающие на нефти или каменном угле, а также предприятия нефтехимической промышленности и автотранспорта. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Бутадиен является сильным канцерогеном.
6. Загрязнение радиоактивной пылью происходит при ядерных взрывах или авариях на АЭС. Большая часть радионуклидов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Установлено, что через несколько десятков секунд после взрыва образуются примерно 100 различных радионуклидов, 29 из которых вносит наибольший вклад в радиоактивное загрязнение атмосферы через час, 20 - через двое суток, а 3 - через 100 лет. Особую потенциальную опасность для человека и животных представляет стронций-90 не только как долгоживущий элемент, но и как аналог кальция, способный заменять его в костях.
Во время ядерных взрывов радионуклиды находятся в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные частицы (диаметром более 40 мкм) выпадают из атмосферы и оседают на земной поверхности. Мелкие же частицы (диаметром от 1 до 20 мкм) попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая так называемое глобальное загрязнение, сопровождающееся выпадением радионуклидов в пределах обоих полушарий. Следует отметить, что время пребывания мелких частиц в нижнем слое тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхнем - 20...40 суток. Что касается частиц, попавших в стратосферу, то они могут находиться в ней до года, а иногда и больше.
В зависимости от воздействия на организм человека загрязняющие вещества подразделяются на четыре класса опасности (ГОСТ 12.1.007-76 «Классификация вредных веществ и общие требования безопасности»)
I класс - вещества чрезвычайно опасные (соединения ртути, свинца, хрома, озон, бензапирен, асбестосодержащая пыль)
II класс - вещества высокоопасные (диоксид азота, сероводород, хлор)
III класс - вещества умеренно опасные (сернистый ангидрит, сажа)
IV класс - вещества малоопасные (оксид углерода, аммиак, бензин)
В зависимости от времени воздействия загрязнителей в атмосфере загрязняющие вещества делятся на три типа:
2.2.3 Способность атмосферы к самоочищению.
В природе происходит самоочищение атмосферы за счет следующих факторов:
1) Разбавление (рассеивание).
2)Седиментация (осаждение).
Для разбавления и седиментации большое значение имеют скорость и направление ветра, а также величина взвешенных частиц. Так, при скорости ветра 2 м/с и при выбросах из трубы высотой 45 м частицы величиной 10 микрон оседают в радиусе 10 км, а величиной 2 микрона — в радиусе 300 км. Подсчитано, что вблизи источника загрязнения за месяц оседает свыше сотни тонн частиц на 1 км2. Частицы, размер которых меньше 3—4 микрон, легко обтекаются водяными каплями и осаждаются очень медленно — с высоты 1 км они движутся к земной поверхности целый год. Частицы меньше 1 микрона перемещаются в атмосфере, как газы.
3) Извлечение атмосферными осадками.
Атмосферные осадки вымывают из воздуха не только твердые частицы, но и значительную часть газообразных. Известно, что после сильного дождя первоначальные концентрации загрязнений в воздухе восстанавливаются лишь через 12 часов
4) Извлечение зелеными насаждениями.
Зеленые насаждения не только механически задерживают пыль, но и поглощают некоторые газообразные примеси.
5) Физические, физико-химические и химические процессы.
Угарный газ в атмосфере окисляется в CO2. Тяжелый углекислый газ опускается в приземные слои. Здесь он принимает участие в фотосинтезе, поглощается холодными водами океана. Повышение концентрации CO2 усиливает разложение известняков, доломитов и бетона. При этом карбонаты превращаются в хорошо растворимые в воде бикарбонаты.
Выделившийся в атмосферу SO2 поглощается растениями, земной корой, водой океана и каталитически окисляется до SO3. Благодаря последнему процессу техногенный SO2 удаляется из атмосферы за 4—5 часов.
Под действием ультрафиолетовых лучей в присутствии дыма или сажи СО соединяется с хлором. Образуется фосген, который, в свою очередь, взаимодействует с аммиаком. В результате появляется мочевина и хлористый аммоний, выпадающие с дождем и используемые растительностью.
Способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если они будут превышены, то самоочищение в атмосфере не приведет к полному рассеиванию и разложению примесей. Поэтому большие объемы вредных выбросов в атмосферу вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.
2.2.4 Оценка качества атмосферы
Особенностью нормирования качества атмосферного воздуха является зависимость воздействия загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, на здоровье населения не только от значения их концентраций, но и от продолжительности временного интервала, в течение которого человек дышит данным воздухом.
В Российской Федерации для загрязняющих веществ установлены 2 норматива:
1) Норматив, рассчитанный на продолжительный период воздействия (8 часов, сутки, по некоторым веществам год). В Российской Федерации данный норматив устанавливается для 24 часов и называется «предельно допустимые среднесуточные концентрации» (ПДКсс). ПДКсс установлен с целью предупреждения общетоксического, канцерогенного и другого влияния вредных веществ с осреднением за 24 ч.
2) Норматив, рассчитанный на короткий период воздействия загрязняющих веществ. Данный норматив называется «предельно допустимые максимально–разовые концентрации». Необходим для предупреждения негативных рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, световой чувствительности глаз и т. п.) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнителей в течение 20 мин.
Разработка ПДК основывается на лимитирующем показателе вредности загрязняющего вещества. Лимитирующий (определяющий) показатель вредности характеризует направленность биологического действия вещества: рефлекторное и резорбтивное. Под рефлекторным действием понимается реакция со стороны рецепторов верхних дыхательных путей - ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек, задержка дыхания и т.п. Указанные эффекты возникают при кратковременном воздействии вредных веществ, поэтому рефлекторное действие лежит в основе установления максимальной разовой ПДК. Под резорбтивным действием понимают возможность развития общетоксических, гонадотоксических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов, возникновение которых зависит не только от концентрации вещества в воздухе, но и длительности ее вдыхания. С целью предупреждения развития резорбтивного действия устанавливается среднесуточная ПДК.
Для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности человека условие С < ПДК должно соблюдаться в любых местах его пребывания неизменно.
В воздухе рабочей зоны содержание примесей больше, чем на территории предприятия (промышленной площадке) и за ее пределами, например в населенных пунктах, куда загрязняющие атмосферу вещества поступают рассеянными. Учитывая эти обстоятельства, приняты принципы раздельного нормирования загрязняющих веществ. Это означает, что для каждого вредного вещества устанавливается несколько максимальных разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде.
Значение ПДК устанавливается для воздуха рабочей зоны (ПДКрз), под которой понимают пространство в пределах двух метров от пола, где находятся места постоянного или временного пребывания работающих, другое — для атмосферного воздуха населенного пункта (ПДКнп).
Предельно допустимая концентрация рабочей зоны — это концентрация, которая при ежедневной работе человека, кроме выходных, в течение 8 ч или при другой продолжительности рабочего дня, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа, не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. На территории предприятий содержание примесей принимается равным 0,3 ПДКрз. Снижение нормы содержания примесей на территории предприятия втрое по сравнению с ПДКрз вызывается тем, что воздух территории предприятия используется для вентиляции производственных помещений, где концентрация примесей периодически может быть весьма высокой, т.е. превышать ПДКрз,
Предельно допустимая концентрация атмосферного воздуха населенного пункта — это максимальная концентрация примеси, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии на человека или при воздействии на протяжении всей жизни человека не оказывает вредного влияния, включая отдаленные последствия, на него и на окружающую среду в целом.
Наряду с ПДК существуют временно-допустимые концентрации (ВДК) или ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ) вещества в атмосферном воздухе— временный гигиенический норматив максимального допустимого содержания загрязняющего вещества в атмосферном воздухе. Этот норматив устанавливается расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов. ОБУВ устанавливается на срок 3 года, по истечении которого он должен быть пересмотрен или заменен значением ПДК.
Все виды ПДК относятся к отдельным веществам. Между тем в атмосферном воздухе может присутствовать от одного до сотни различных веществ и соединений. Ответная реакция организма на их воздействие может усиливать эффект, вызванный действием каждого из веществ смеси.
Оценку комбинированного действия проводят по формуле
С1/ПДК1+ С2/ПДК2+…+ Сn/ПДКn≤1
С1 С2 ..... Сп — концентрации веществ; ПДК1 ПДК2,...,ПДКn -предельно допустимые концентрации соответствующих веществ.
Если сумма не превышает единицы, то степень загрязненности атмосферного воздуха с учетом суммации биологического действия не превышает гигиенических нормативов. Эффектом суммации, к примеру, обладают ацетон и фенол, диоксид серы и сероводород, диоксид серы и диоксид азота и др. вещества.
2.2.6 Санитарно-защитные зоны
После выброса загрязняющих веществ в атмосферу происходит рассеяние этих примесей в атмосферном воздухе и снижение их концентрации, с увеличением расстояния от точки выброса концентрации снижаются до безопасных уровней. Поэтому селитебные территории отделяют от воздействия загрязняющих веществ санитарно-защитными зонами (СЗЗ).
Санитарно-защитные зоны представляют собой территории определенной протяженности и ширины, располагающиеся между, предприятиями и источниками загрязнения и границами зон жилой застройки.
Каждое предприятие, имеющее источники загрязнения среды, должно иметь санитарно-защитную зону. Размеры СЗЗ определяются на основании САНПИН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов».
Минимальные протяженности СЗЗ для предприятий I класса составляют 1000 м, II класса — 500 м; III класса — 300 м; IV класса — 100 м; V класса — 50 м.
При установлении протяженности СЗЗ учитываются господствующие направления ветров, т.е. она может в зависимости от розы ветров иметь различную протяженность в разных направлениях, но в любом случае — не ниже минимальной (нормативной). Размеры СЗЗ могут быть уменьшены за счет технологических мероприятий, например систем очистки и обезвреживания загрязняющих веществ, снижения влияния иных вредных производственных факторов.
Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений не применяются для оценки степени загрязнения воздуха санитарно-защитных зон.
2.2.7 Экозащитная техника и технологии.
Классификация процессов и аппаратов, используемых для очистки газовоздушных, аэрозольных и парообразных выбросов
В соответствии с характером вредных примесей различают методы очистки воздуха от аэрозолей и пыли и от газо- и парообразных примесей. Все методы очистки определяются в первую очередь физико-химическим свойствами примесей, их агрегатным состоянием, дисперсностью, химическим составом.
Методы очистки от аэрозолей и пыли по их основному принципу можно разделить на: механические, электростатические, звуковую и ультразвуковую коагуляцию.
Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим относится гравитационное осаждение, инерционное и центробежное пылеулавливание, фильтрация. В большинстве промышленных газоочистительных установок комбинируется несколько методов очистки, причем конструкции очистных аппаратов весьма многочисленны.
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока (см. рис.2.1)
Гравитационное осаждение действенно лишь для крупных частиц, диаметром более 50-100 мкм, степень очистки не превышает 40-50%. Метод пригоден для предварительной грубой очистки.
Инерционное пылеулавливание основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения при изменеии направления газового потока. Чаще всего применяют жалюзийные пылеулавливатели с большим числом щелей (жалюзи). Частицы пыли с размером меньше 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%. Помимо низкой эффективности недостаток этого метода –быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате (циклоне) (рис.2.2).
Циклоны наиболее часто применяются в промышленности для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подают в цилиндрическую часть циклона тангенциально, он описывает спираль по направлению к дну конической части и затем меняет направление движения на 1800 и устремляется вверх на выход через турбулизованное ядро потока у оси циклона. По конструкции циклоны подразделяются на циклические, конические и прямоточные.
Под действием центробежной силы частицы пыли прижимаются к внутренним стенкам наружного цилиндра и скатываются в пылесборник. Циклоны широко применяются для улавливания частиц размерами более
10 мкм, то есть при грубой и средней очистке газа от аэрозолей.
В ряде случаев для очистки газового потока от взвесей применяются фильтры. В таких устройствах газовый поток проходит через волокно (фильтрующий материал), при этом частицы, обладающие инерцией, сталкиваются с ним и захватываются. В зависимости от фильтрующего материала фильтры разделяются на:
Наиболее совершенными и универсальными аппаратами для очистки выбросов от взвешенных частиц являются электрические фильтры, в основе работы которых лежит осаждение взвешенных частиц под действием электрических сил. Улавливание пыли в электрофильтрах включает следующие стадии: электрическая зарядка взвешенных в газе частиц; движение заряженных частиц к электродам; осаждение их на электродах и удаление осажденных частиц с электродов. Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускают очищаемый газ. Между осадительными электродами подвешены проволочные коронирующие (создают поле высокого напряжения 25-100 кВ) электроды. Степень очистки от аэрозолей – выше 90%. Недостатки этого метода – высокая себестоимость (капиталовложения и эксплуатационные расходы) и значительный расход энергии – до 0,1-0,5 кВт на 1000 м3 очищаемого газа.
Фильтрация – весьма распространенный метод тонкой очистки газов. Ее преимущества – сравнительно низкая стоимость оборудования и высокая эффективность (до 99,9%) тонкой очистки. Недостатки – высокое гидравлическое сопротивление и и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.
Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров наиболее распространен на заключительной стадии механической очистки (особенно для газов, подлежащих охлаждению). С этой целью применяют орошаемые циклоны (центробежные скруберы); пенные аппараты; скруберы Вентури.
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей – образование больших объемов жидких отходов (шлама). Если не предусмотрена замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, то есть из атмосферы в гидросферу.
Очистка газовых выбросов от газообразных примесей. Для улавливания газообразных примесей, в виде оксидов серы и азота, сероводорода и др. применяют методы хемосорбции, адсорбции, каталитического и термического окисления.
Хемосорбция (абсорбция) основана на поглощении газов жидкими поглотителями с образованием малолетучих химических соединений. Молекулы загрязняющих веществ могут адсорбироваться жидкой поверхностью физически либо взаимодействовать с адсорбентом и превращаться в другие вещества. Большинство реакций, протекающих в процессе хемосорбции, является экзотермическими и обратимыми. Эти свойства используются для выделения чистых концентрированных продуктов. Например, для очистки выбросов от диоксида серы применяется аммиачно-циклический метод.
Первая стадия
(NH4)2SO2 + SO2 + H2O 2NH4HSO3 + Q
при температуре 0-350С протекает слева направо, а при кипячении – в обратном направлении. Поэтому когда раствор, насыщенный NH4HSO3, нагревают, то при этом выделяется концентрированный SO2, который является сырьем для получения серной кислоты. Хемосорбцию проводят в специальных устройствах – абсорберах (рис. 2.3). В этих аппаратах абсорбция может быть осуществлена противоточно либо прямоточно. Жидкость диспергируется в потоке газа или газовый поток барботирует через жидкость (использование насадочных скруберов, пенных аппаратов, безнасадочных форсуночных абсорберов и др.). В качестве абсорбентов применяют воду, растворы аммиака, едких и карбонатных щелочей, солей марганца, этаноламины, масла, суспензии гидроксида кальция, сульфат магния и т.д.
Показателями абсорбционных методов являются степень очистки (ПДК) и коэффициент массопередачи, которые зависят от растворимости газа в абсорбенте, технологического режима в реакторе, скорости химических реакций и др. Абсорбционные методы характеризуются непрерывностью и универсальностью процесса, экономичностью и возможностью извлечения больших количеств примесей из газов. Недостаток этих методов состоит обеспечивают высокую степень очистки только при большом числе ступеней очистки. Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило, сложны. Многоступенчаты и реакторы имеют большой объем.
Адсорбция – основана на селективном поглощении вредных газов и паров твердыми адсорбентами, имеющими развитую микропористую удельную поверхность (Sуд – отношение поверхности к массе, м2/г).
В адсорберах очищаемый газовый поток пронизывает снизу вверх слой адсорбента, который состоит из зернистого материала (см. рис.2.4). При этом вредные примеси связываются адсорбентом и впоследствии могут быть выделены из него.
Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей: разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов, санитарная очистка газовых выхлопов.
Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, так как обеспечивают высокую производительность по газу, возможность регенерации и возврата продукта в производство. Адсорбционные методы наиболее эффективны для удаления токсичных примесей, содержащихся в малых концентрациях – как завершающий этап очистки газов. Недостаток адсорбционных установок – малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации сорбента.
Каталитические методы очистки газов основаны на реакциях в присутствии твердых или жидких катализаторов, то есть на закономерностях гетерогенного или гомогенного катализа. В результате каталитических реакций примеси, в отличие от рассмотренных методов, не извлекаются из газа, а трансформируются либо в безвредные соединения, либо в соединения легко удаляемые из газового потока (в этом случае необходимы дополнительные операции). Трудно провести границу между адсорбционными и каталитическими методами, поскольку такие традиционные сорбенты как активированный уголь и цеолиты, служат активными катализаторами для многих химических реакций. Однако методы утилизации соединений, полученных при катализе иные, чем в адсорбционных процессах.
Примером каталитического процесса может служить окисление диоксида серы в триоксид на угольном катализаторе. В присутствии паров воды на поверхности угля в результате окисления SO2 образуется серная кислота, концентрация которой после регенерации угля составляет от 15 до 70%. В качестве твердофазных катализаторов могут также использоваться оксиды ванадия, железа, меди или хрома, полиоксидные катализаторы. При жидкофазном каталитическом окислении диоксида серы в качестве катализатора используются соли марганца или железа. В этом случае орошающий раствор поглощает из газа SO2.
Каталитические методы обеспечивают глубокую очистку газов до ((% при сравнительно невысоких температурах и обычном давлении, а также при весьма малых концентрациях примесей. Установки каталитической очистки просты в эксплуатации и малогабаритны. Недостаток метода – образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа другими методами (адсорбцией, абсорбцией), что усложняет установку и снижает общий экономический эффект.
Термический метод предусматривает высокотемпературное сжигание вредных примесей. Его применяют для удаления горючих веществ, например, предельных и ароматических углеводородов, или монооксида углерода. Простейший метод – факельное сжигание. В этом случае примеси служат топливом, температура процесса – 750 – 9000С и теплоту горения примесей можно утилизировать.
Для полноценной очистки газовых выбросов целесообразны комбинированные методы с применение на разных стадиях грубой, средней и тонкой очистки, а на стадиях доочистки – использование адсорбционных и каталитических методов.
3 Водные ресурсы и их охрана.
Характеристика и состав природных вод.
Гидросфера представляет собой единую водную оболочку, располагающуюся между атмосферой и литосферой, в которой представлены в совокупности природные воды. Гидросфера тесно связана с атмосферой и литосферой. Воды Земли находятся в постоянном движении, образуя круговорот воды в природе.
Значение гидросферы:
Основную часть гидросферы составляют воды Мирового океана (94% объема), остальная часть – воды суши, представленные реками, озерами, болотами, подземными водами.
Все воды содержат растворенные минеральные вещества, газы и органические вещества.
Химический состав природных вод и условия его формирования.
В природе нет абсолютно нерастворимых веществ. Все они в той или иной степе ни подвергаются воздействию воды, отличаясь, друг от друга только количеством переходящего в раствор вещества. Поэтому в естественном состоянии вода всюду представляет собой сложный раствор различных веществ, который принято называть природной водой.
Природные воды по химическому составу чрезвычайно разнообразны. Встречаются более или менее сходные по составу воды, но никогда не бывает совершенно одинаковых. Они отличаются не только по химическим элементам и общей концентрации растворенных веществ, но и по количественному соотношению между компонентами состава и форме их соединений. Под химическим составом природных вод надо понимать весь сложный комплекс минеральных и органических веществ, находящихся в разных формах ионно-молекулярного и коллоидного состояния.
В химическом составе природных вод преобладают шесть ионов: анионы НСО3-, SO42-, Сl- и катионы Са2+, Mg2+, Na+. В водах суши часто присутствует кремнекислота НSiО3. Классификация вод ведется по анионам, группы внутри классов – по катионам.
По количеству растворенных минеральных веществ природные воды делятся на 5 типов: ультрапресные (<0,1 г/л), пресные (0,1-1 г/л), солоноватые (1-25 г/л), с морской соленостью (25-50 г/л) (соленость выражается в промилле (°/оо), в среднем от 33 до 36 ‰), рассолы (более 50 г/л).
В природе вода может быть в твердом, жидком газообразном состоянии. Льды занимают 10% суши. Они представлены океаническими льдами, горными и покровными ледниками.
Покровные ледники образуются за полярным кругом в центре оледенения (Гренландия, Антарктида). Льды залегают сплошным покровом мощностью в тысячи м (Антарктида – 4200 м, Гренландия – 2400 м). При благоприятном климате покровные ледники способны распространяться на большие расстояния от центра оледенения.
Воды суши делятся на поверхностные и подземные.
Подземные воды сосредоточены в водоносных слоях горных пород – пористых или трещиноватых породах. Снизу подземные воды опираются на водоупоры – непроницаемые горные породы. Приповерхностная часть горных пород, сквозь которую происходит инфильтрация (просачивание) поверхностных вод до уровня подземных вод, называется зона аэрации.
Подземные воды могут быть нескольких видов– верховодка, грунтовые, артезианские.
Воды верховодки и грунтовые располагаются на глубине 0-10 м, они наиболее сильно загрязнены. Артезианские воды располагаются на глубинах от десятков до сотен метров, подземные воды долгое время фильтровались через различные горные породы, считаются более чистыми.
Виды и источники загрязнения природных вод
Химическое загрязнение — наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нефтепродукты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.
Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер.
Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной 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 результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.).
Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов — сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3 оС летом и 5 °С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12—17 кДж/м3.
Основные источники загрязнения гидросферы
Загрязнение поверхностных вод
1. Сброс отработанных промышленных вод. Промышленными стоками загрязнено более 1/3 всего речного стока. Наибольший вклад в загрязнение водных объектов вносят такие отрасли промышленности, как черная и цветная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная и пищевая.
В Европейской части России концентрация аммонийного и нитритного азота увеличилась в 1,5 раза, количество взвешенных и органических веществ достигает от 2 до 12 ПДК, содержание фенолов — от 10 до 41 ПДК, тяжелых металлов — от 8 до 24 ПДК. Со сточными водами ежегодно сбрасывается в водоемы (в тыс. т): 1200— взвешенных веществ, 190— аммонийного азота, 58 - фосфора, 50 - железа, 30 - нефтепродуктов, 11 — СПАВ, 2,1 — цинка, 0,8 — меди, 0,3 — фенолов и т. д.
По количеству сбрасываемых в водоемы стоков в РФ лидирует Москва — 2367-106 м3, далее следуют Санкт-Петербург — 1519-106 м3, Ангарск— 529-106м3, Красноярск —416-106м3, Новосибирск — 316-106м3.
2. Загрязнение коммунально-бытовыми стоками Бытовые стоки содержат большое количество поверхностно-активных моющих средств, что губительно сказывается на флоре и фауне. Например, 10...25 мг моющих химических средств на 1 л воды ядовиты для водной флоры. При концентрации моющих средств 1 мг/л гибнет планктон, при 3 мг/л —дафнии, 15 мг/л — рыбы. Кроме того, в городских сточных водах может содержаться в среднем (мг/л): 5,9 — калия, 0,5 — меди; 0,5 — свинца; 0,8 — железа; 23,2 — натрия; 0,2 --цинка; 6,6 —фосфора, 4,53 —жиров. Разложение большого количества органических веществ в стоках приводит к дефициту кислорода и накоплению сероводорода, в результате чего со временем такие водоемы «умирают».
3. Стоки сельхозугодий и сельхозпредприятий. Огромное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смываются с сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами. По большей части они попадают в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а поэтому имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнителей.
4. Ливневые и талые воды территорий населенных пунктов. Осадки, выпадающие на территории городов, смывают со всех поверхностей вредные вещества и по составу приближены к промышленным стокам. В первую очередь это касается территорий санитарно неблагоустроенных населенных пунктов.
Последствия изменения водоемов при загрязнении.
Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную или щелочную среду, что приводит к изменению естественного рН в водоемах. рН водной среды в результате загрязнения оказывает отрицательное влияние на организмы. У пресноводных озер и рек рН воды обычно 6-7, организмы адаптированы именно к этому уровню. Изменение реакции воды всего на одну единицу рН по сравнению с оптимумом приводит в большинстве случаев к стрессу, а нередко и к гибели организмов. Подкисление озер и рек влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери входят в состав пищевых цепей, начинающихся в водных экосистемах.
Биогены, поступающие в водоемы со сточными водами и смываемыми с полей удобрениями, стимулируют рост фитопланктона, водорослей. Данный процесс называют эвтрофизацией. Водоросли окрашивают воду в различные цвета и поэтому данный процесс называют и «цветением» водоемов. Под влиянием водорослей изменяется вкус воды, приобретается неприятный запах. В водоеме при отмирании водорослей развиваются гнилостные процессы. Бактерии, окисляющие органические вещества водорослей, потребляют кислород, создавая тем самым его дефицит в водоеме.
Сброс канализационных стоков, особенно неочищенных или недостаточно очищенных, грозит опасностью инфекционных заболеваний, в первую очередь человека
Соединения тяжелых металлов создают устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов. Например, ртуть вымывается из воздуха, куда она попадает при сгорании ископаемого топлива, дождевая вода смывает в водоемы, содержащие ртуть пестициды, попадает с бытовыми и промышленными сточными водами, а также в результате утечек со свалок, куда выбрасываются отработанные элементы питания, переключатели и другое оборудование. Далее ртуть, попавшая в озеро много лет назад, накапливается в слоях донного ила и грязи, где она медленно превращается бактериями в ядовитую метиловую ртуть и затем включается в пищевые цепи. При попадании соединений ртути в водные экосистемы происходит, во-первых, ее трансформация, во-вторых, биологическое накопление, например в рыбе и моллюсках до уровней во много раз выше, чем в воде озера.
Нефтяные углеводороды образуют на поверхности воды нефтяные пленки, нарушается газообмен на границе сред воздух—вода;
Загрязняющие вещества могут аккумулироваться в клетках и тканях гидробионтов и оказывать токсическое действие на них. Возможность этих двух процессов — трансформации веществ в окружающей среде и избирательного накопления их живыми организмами — всегда должна учитываться при решении вопроса об опасности того или иного химического загрязнения.
В водоемах с повышением температуры уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие, происходит смена видового состава организмов, например, водорослей. С повышением температуры в загрязненной воде наблюдается бурное размножение болезнетворных вирусов и микроорганизмов.
Загрязнение подземных вод
Важным источником пресной воды в ряде регионов России являются подземные воды. Однако подземные воды в последние годы так же подвергаются техногенному загрязнению из-за сильного загрязнения земли и наземных водотоков.
Загрязнение подземных вод может осуществляться несколькими способами (рис. 2.5):
1. Часть загрязненного поверхностного стока переходит в подземный. Если поверхностная вода загрязнена, то при инфильтрации в водоносный горизонт может произойти его загрязнение. Исключением из этого может являться лишь тот случай, когда загрязняющие компоненты абсорбируются и отфильтровываются перекрывающими водоносный горизонт породами.
Рисунок 2.5 – Источники загрязнения подземных вод.
2. Утечка стоков из септических резервуаров (выгребные ямы).
3. Захоронение жидких отходов через сливные скважины (колодцы).
Сливные скважины используются для слива жидких отходов и других жидкостей в подземные горизонты ниже уровня грунтовых вод. Это соляные растворы с нефтяных скважин, возвратная вода из кондиционеров и систем отопления; жидкости, используемые для увеличения нефтедобычи на нефтяных месторождениях; обогащенные воды, используемые для нагнетания в искусственные водоносные горизонты; и жидкости, используемые при добыче полезных ископаемых методом растворения.
Это может случиться из-за плохой конструкции скважин, плохого понимания геологии, ошибок при строительстве скважины или испорченных обсадных труб. Правильно закачанные в глубокие подземные горизонты сточные воды, все же могут мигрировать к водоносному слою, годному к употреблению, через трещины в вышележащих отложениях.
4. Инфильтрация вод при захоронении твердых отходов.
По определению полигоны предназначены для того, чтобы снизить вредный эффект при ликвидации отходов. Однако многие полигоны не имеют дренажной системы, и в них происходит утечка стоков (фильтрата), которые загрязняют грунтовые воды.
5. Утечка загрязняющих веществ из наземных хранилищ и трубопроводов (загрязнение нефтепродуктами, в основном связано с утечками со складов горюче-смазочных материалов, АЗС, нефтепроводов, нефтеперерабатывающих заводов и др.).
6. Утечки воды из городской канализационной сети. Утечка приводит к загрязнению бактериями, азотом, хлоридом, нефтепродуктами. тяжелыми металлами.
7. Применение минеральных, органических удобрений и ядохимикатов приводит к площадному загрязнению подземных вод. Происходит, в основном, нитратное, хлоридное и бактериальное загрязнение подземных вод.
Загрязнение Мирового океана
Ежегодно в воды Мирового океана попадает до (10... 15)* 106 т нефти. Каждая 1 т нефти покрывает тонкой пленкой примерно 12 км2 поверхности и загрязняет до 1 млн т морской воды.
Процессы самоочищения водных экосистем
Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются разнообразным загрязнениям. Однако в крупных водоемах (реки, озера и др.) резкого ухудшения качества воды не наблюдается. Это объясняется тем, что вода в них под влиянием различных физико-химических и биологических процессов обладает способностью самоочищаться от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других загрязнений.
Процесс самоочищения водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, которые действуют одновременно в различных сочетаниях.
К числу таких факторов следует отнести: гидрологические – разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды, механические – осаждение взвешенных частиц; физические – влияние солнечной радиации и температуры; биологические – сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; химические – превращение органических веществ в минеральные (минерализация).
При поступлении сточных вод в водоем происходит смешивание стоков с водой водоема, и концентрация загрязнений снижается. Кроме того, взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы частично осаждаются, вода осветляется и становится прозрачной.
В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате: обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м, влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами, неблагоприятных температурных условий, антагонистического воздействия водных организмов и др. факторов. Процессы самоочищения воды протекают более интенсивно в теплое время года, а также в проточных водоемах – реках. Существенное значение в процессах самоочищения воды имеют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели этих микробов.
Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.
Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, то есть происходит образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и др. факторов. При минерализации наблюдается в целом обеднение воды органическими веществами, наряду с этим и органическое вещество также сможет окисляться – часть бактерий гибнет; кроме того, минеральные вещества могут выпадать в осадок или находиться в истинных растворах, а органические вещества в воде растворены в коллоидном состоянии, то есть придают воде мутность.
Хорошая аэрация воды – обогащение воды кислородом – обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствует очищению воды.
Скорость самоочищения воды зависит от многих условий: количества загрязнений, поступивших в водоем; глубины его и скорости течения воды; температуры воды; наличия растворенного кислорода в воде; состава микрофауны, флоры и др. Однако следует помнить, что водоем обладает определенной способностью к самоочищению от загрязнений. Подобная способность водоемов не безгранична, наоборот она очень ограничена.
Соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывают токсическое воздействие на организм животных, а также способствуют замедлению процессов самоочищения воды и ухудшают ее органолептические свойства.
В небольших водоемах при незначительном количестве загрязнителей белкового характера в воде могут накапливаться промежуточные вещества из распада (в частности, сероводород, нитриты, диамины и др.), обладающие высокой токсичностью.
Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процесса минерализации, в результате вода полностью освобождается от органических загрязнений и микроорганизмов.
Очищение воды в океане происходит за счет фильтрационных способностей планктона и химического состава воды. За 40 дней поверхностный слой воды толщиной в сотни метров проходит через фильтрационный аппарат планктона. Соотношение главных ионов в морской воде на протяжении миллионов лет остается достаточно стабильным, несмотря на непрерывный обмен веществ между океаном и сушей. Концентрация растворенных в морской воде солей составляет около 3,5%. По химическому составу эти слои на 99,9% состоят из ионов натрия, калия, хлора, брома, фтора, магния, кобальта и др.
Санитарные нормы к показателям качества воды
Понятие качества воды включает в себя совокупность показателей состава и свойств воды, определяющих пригодность ее для конкретных видов водопользования и водопотребления. Вода, в отличие от атмосферы, является средой, в которой возникла жизнь и в которой обитает большая часть видов живых организмов (в атмосфере лишь тонкий слой около 100 м наполнен жизнью). Поэтому при нормировании качества природных вод необходимо заботиться не только о воде как ресурсе, потребляемом человеком, но и беспокоиться о сохранении водных экосистем как важнейших регуляторов условий жизни планеты. Требования к качеству природных вод регламентированы Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения (введены с 1 января 1991 г.), ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5. 1316-03 и другими документами. Качество морских вод регламентировано Санитарными правилами и нормами охраны прибрежных вод морей от загрязнения в местах водопользования населения (СанПиН № 44631-88).
Требования потребителей к качеству воды зависят от целей использования. Выделяют три вида водопользования:
В водных объектах первого вида состав и свойства воды должны соответствовать нормам в створах, расположенных на расстоянии 1 км выше по течению водотоков и в радиусе 1 км от ближайшего пункта водопользования. В рыбохозяйствнных водоёмах показатели качества воды не должны превышать установленных нормативов в месте выпуска сточных вод при наличии течения, при его отсутствии - не далее чем 500 м от места выпуска.
Основной оценкой качества воды является соответствие показателей предельно допустимой концентрации (ПДК) вредного вещества в воде. ПДК воды водоемов – это максимальная концентрация, которая не оказывает влияния на состояние здоровья населения и последующих поколений при ее воздействии на организм человека в течении всей жизни и не ухудшает гигиенические условия водопользования населения. Вода считается чистой, если ее состав и свойства ни по одному из показателей не выходят за пределы установленных нормативов, а содержание вредных веществ не превышает ПДК.
Вредные и ядовитые вещества, в зависимости от их состава и характера действия, нормируются по лимитирующему показателю вредности (ЛПВ), под которым понимают наибольшее отрицательное влияние, оказываемое данными веществами. При оценке качества воды в водоёмах питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический; в рыбохозяйственных водоёмах к указанным трем добавляются еще токсикологический и рыбохозяйственный ЛПВ. При наличии в воде нескольких веществ с одинаковым ЛПВ сумма отношений их концентраций к соответствующим ПДК не должна превышать единицы.
Для характеристики суммарного загрязнении водных объектов и степени качества воды с различным характером загрязнений разработаны методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод, которые принципиально разделяются на две группы.
К первой относятся методы, позволяющие оценивать качество воды по совокупности гидрохимических, гидрофизических, гидробиологических и микробиологических показателей. Вода по качеству разделяется на классы с различной степенью загрязнения (предельно чистая, чистая, удовлетворительной чистоты, загрязненная, грязная). Однако одно и то же состояние воды по разным показателям может быть отнесено к различным классам качества, что является недостатком данных методов.
Вторую группу составляют методы, основанные на использовании обобщенных числовых характеристик качества воды, определяемых по ряду основных показателей и видам водоиспользования. Такими характеристиками являются индексы качества воды, коэффициенты ее загрязнённости.
ПДК для различных категорий водопользования различны. Исходя из того, что отдельные вещества оказывают неблагоприятное воздействие на организм при попадании внутрь, а другие представляют опасность даже при контактном воздействии, для практики приняты различные ограничения.
Общие требования к показателям воды отражены в табл. 2.3.
Таблица 2.3 - Общие требования к составу и свойствам воды
|
Показатель |
Виды водопользования |
|||
|
Хозяйственно-питьвое |
Культурно-бытовое |
Рыбохозяйстеенное |
||
|
Высшая и первая категории |
Вторая категория |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Взвешенные вещества |
Содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на |
|||
|
0,25 мг/л |
0,75 мг/л |
0,25 мг/л |
0,75 мг/л |
|
|
Плавающие примеси |
На поверхности водоема не должны обнаруживаться плавающие пленки, пятна минеральных масел и других примесей |
|||
|
Окраска |
Не должна обнаруживаться в столбике |
Вода не должна иметь окраски |
||
|
20 см |
1 0 см |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Запахи, привкусы |
Вода не должна приобретать запахов и привкусов более 2 баллов, обнаруживаемых: |
Вода не должна придавать посторонних привкусов и запахов мясу рыбы |
||
|
Непосредственно или после хлорирования |
Непосредственно |
|||
|
Температура |
Летом, после спуска сточных вод, не должна повышаться более чем на 3°С по сравнению со средней в самый жаркий месяц |
Не должна повышаться более чем на 5 оС там, где обитают холоднолюбивые рыбы, и не более 8 °С в остальных случаях (по сравнению с естественной температурой водного объекта) |
||
|
Водородный показатель рН |
Не должен выходить за пределы 6,5 - 8,5 |
|||
|
Минерализация воды |
Не должна превышать по плотному остатку 1000 мг/л, в том числе хлоридов -350 мг/л, сульфатов-500 мг/л |
Нормируется по показателю «привкусы» |
Нормируется согласно таксации рыбохозяйственных водоемов |
|
|
Растворенный кислород |
В любой период года не ниже 4 в пробе, отобранной до 12 ч дня |
В подледный период не ниже |
||
|
6,0 мг/л |
4,0 мг/л |
|||
|
Полное биохимическое потребление кислорода (БПК полн) |
При 20 ºС не должно превышать |
|||
|
3,0 мг/л |
6,0 мг/л |
3,0 мг/л |
3,0 мг/л |
|
|
Химическое потребление кислорода (ХПК) |
Не более 5,0 мг/л |
30,0 мг/л |
- |
- |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Химические вещества |
Не должны содержаться в воде водотоков и водоёмов концентрациях, превышающих ПДК, установленные |
|||
|
СанПиН 2.1.5.980-00 |
Перечнем ПДК и ОБУВ вредных веществ для воды рыбохо-зяйственных водоемов |
|||
|
Возбудители заболеваний |
Вода не должна содержать возбудителей заболеваний, в том числе жизнеспособные яйцо гельминтов и цисты патогенных кишечных простейших |
|||
|
Лактозоположительные кишечные палочки (ЛКП) |
Не более |
- |
- |
|
|
10000 в 1 л |
100 в 1 л |
|||
|
Колифаги (в бляшкообразующих единицах) |
Не более 100 в 1 л |
- |
- |
|
|
Токсичность воды |
- |
- |
Сточная вода на выпуске в водный объект не должна оказывать острого токсического действия на тест-обьекты |
Степень предельно допустимого загрязнения воды в водном объекте, зависящая от его физических особенностей и способности к нейтрализации примесей называется предельно допустимой нагрузкой (ПДН).
Допустимая нагрузка на водоем определяется, как разность между установленной нормативной нагрузкой Сн, т.е. возможностью сброса, и уже существующей, т.е. фактической нагрузкой Сф:
Сдоп=Сн-Сф
Целью природоохранных мероприятий является обеспечение такого содержания загрязняющих веществ в воде, которое не окажет вредного воздействия ни на качество окружающей среды, ни на здоровье людей. Поэтому задача сводится к ограничению содержания загрязняющих веществ в сбросах.
Нормативом на поступление загрязняющих веществ в водную среду является норма допустимого сброса (НДС). НДС (измеряется в г/с) – масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в единицу времени, при которой в створе реки в пределах не менее чем 1 км перед пунктом водопользования будет выполняться условие:
С≤ПДК
Для каждого конкретного предприятия расчет значения ПДС производится на основе уравнения баланса, учитывающего фоновую концентрацию, гидрологические, гидравлические и гидродинамические особенности водного объекта. Основное уравнение для расчета ПДС имеет вид:
qCст+γQCф=(q+γQ)CПДК
где Q и q - соответственно расчетные расходы воды в водном объекте и сточных водах; Cст и Cф- концентрации загрязняющего вещества одинакового вида в сточных водах и в водном объекте до места спуска сточных вод;
CПДК - принимается как предельно допустимая концентрация в расчетном створе для данного водного объекта; γ- коэффициент смешения.
Независимо от нормативных требований к качеству воды в водном объекте, существуют ограничения на сброс сточных вод.
Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды, если они:
• могут быть устранены путем рациональной технологии, максимального использования в системах оборотного и повторного водоснабжения;
• содержат ценные отходы, которые могут быть утилизированы на данном или других производствах;
• содержат производственное сырье, реагенты, полупродукты и конечные продукты производства в количествах, превышающих установленные нормативы технологических потерь;
• содержат вредные вещества, для которых не установлены ПДК.
Экозащитная техника и технологии
Влияние хозяйственной деятельности человека на кругооборот воды в биосфере привело к сокращению количества воды в водоемах суши, росту водопотребления, исчерпанию самоочищающей способности водоемов, деградации природных вод. Поэтому перспективны такие технологии, которые или не используют воду или характеризуются минимальным потреблением воды или не образуют загрязненных стоков.
Одним из вариантов таких технологий - создание замкнутых водооборотных систем.
Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений делают невозможной разработку универсальной бессточной технологической схемы.
Основные положения создания водооборотных систем:
1. Разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. Нет необходимости в использовании воды питьевого качества.
2. Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водного. При этом высокоэнергетическое тепло используется для технологических целей, а низкоэнергетическое – для обогрева.
3. Размещение на промышленных площадях комплекса производств должно обеспечить возможность многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах и операциях.
4. Последовательное многократное использование воды в технологических операциях должно обеспечить получение небольшого объема максимально загрязненных сточных вод.
5. Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты.
6. Применение воды для очистки газов от твердых частиц допустимо только в замкнутом цикле.
Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Степень очистки сточных вод при сбросе их в водоемы определяется нормативами качества воды водоема в расчетном створе и в большой степени зависит от фоновых загрязнений. Для снижения концентраций вредных примесей, присутствующих в сточных водах, до требуемых величин необходима достаточно глубокая очистка.
Методы очистки:
1. Деструктивные - разрушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления. Продукты распада удаляются из воды в виде осадков или газов, или остаются в ней в виде растворимых минеральных солей.
2. Регенеративные - извлечение и утилизация ценных веществ из воды. Редко воду при этом можно сразу сбрасывать в водоемы. Обычно необходима доочистка деструктивными методами.
Обычно очистка сточных вод проходит через следующие стадии: механическая очистка (удаление взвешенных и коллоидных частиц), удаление растворенных химических соединений физико-химическими, химическими, электрохимическими, биологическими методами или их комбинацией.
Методы очистки от механических примесей
Очистка сточных вод от механических примесей в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава осуществляется методами:
• процеживания,
• отстаивания,
• отделения механических частиц в поле действия центробежных сил,
• фильтрования
1. Процеживание – первичная стадия обработки стоков. Выделяются крупные частицы, размером до 25 мм, и более легкие волокнистые загрязнения, которые при дальнейшей очистке стоков могут препятствовать нормальной работе очистного оборудования. Процеживание осуществляется пропусканием сточных вод через решетки и волокноуловители.
2. Отстаивание – предназначено для выделения из сточных вод нерастворимых или частично растворимых (коллоидных) механических загрязнений органического или минерального происхождения. Этот процесс основан на закономерностях осаждения твердых частиц в жидкостях. Очистка отстаиванием осуществляется в песколовках и отстойниках (горизонтальных, вертикальных, радиальных и комбинированных), в которых выделяются осаждающиеся или всплывающие механические загрязнения.
3. Отделение механических примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах, многоярусных гидроциклонах или центрифугах.
4. Фильтрование – предназначено для очистки от тонкодисперсных механических загрязнений с небольшой концентрацией. В качестве фильтрующего материала применяют кварцевый песок, керамзит, графит, полимерные материалы, а также сетки, нетканые материалы на основе синтетических волокон и т.д.
Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей
В зависимости от концентрации и состава примесей производится:
• методом отстаивания - частицы масел с плотностью меньшей плотности воды всплывают на поверхность и образуют пленку, которая удаляется специальными скребками;
• обработкой в гидроциклонах;
• методом флотации, основанном на различной смачиваемости частиц (нефть, клей и т.д.). В резервуар снизу подается воздух, пузырьки воздуха обволакивают загрязняющие вещества и поднимают их наверх. Образовавшаяся наверху пена удаляется. Этот метод может работать при высоких скоростях и давать высокую степень очистки.;
• фильтрованием.
Очистка от металлов и их солей
Для очистки от металлов и их солей применяют:
• реагентные;
• ионообменные;
• сорбционные;
• электрохимические методы (гиперфильтрация, электрокоагуляция, электролиз, электродиализ);
• биохимическую очистку.
Широко распространены реагентные методы очистки:
• окисление или восстановление растворенных примесей с образованием нетоксичных продуктов;
• перевод растворимых примесей в нерастворимые с последующим разделением твердой и жидкой фазы и нейтрализация содержащихся в стоках свободных кислот и щелочей. При этом сточные воды обрабатывают хлорной известью, NaCl, KCl и др.
Данный методы очистки используются только для высокотоксичных примесей, поскольку они дорогие и требует большого расхода реагентов.
К химическим (реагентным) методам относятся:
• коагуляция – процесс укрупнения частиц загрязняющих веществ и объединения их в агрегаты ( в качестве коагулянтов выступают соли железа, алюминия, глина, зола);
•флокуляция – добавление для агрегации веществ высокомолекулярных соединений. В результате образуются хлопья гидроксида алюминия и железа, в результате увеличивается скорость осаждения;
• нейтрализация – смешение кислых и щелочных стоков и добавление реагентов.
В качестве окислителей обычно используются ClO3, H2O2, MnO2, KМnO4.
Чаще всего используется ClО3 – удаляет яды, обесцвечивает и обеззараживает воды, устраняет запахи и привкусы, патогенные микробы погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при Cl.
Метод адсорбции. Эффективность этого метода: 80–95 %.
Очищаемую воду пропускают через фильтр с сорбентом, после насыщения которого загрязняющими веществами отделяют сорбент от очищаемой воды отстаиванием.
Адсорбенты – торф, опилки, зола, шлаки и др.; самый эффективный и дорогой – активированный уголь.
Ионообменная очистка. Для ионообменной очистки сточных вод использую синтетические ионообменные смолы.
Эти методы обеспечивают высокую эффективность очистки и позволяют получать выделенные из сточной воды металлы в виде относительно чистых и концентрированных солей.
Биохимические методы могут быть искусственными (биологические фильтры и аэротенки) и естественными (поля фильтрации, биологические пруды).
Поля фильтрации: при фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения.
Биофильтр – резервуар с двойным дном, наполненный крупнозернистым фильтрующим материалом.
В процессе фильтрования на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой минерализуют органические вещества сточных вод.
Интенсивность очистки в пленке существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха в направлении противоположном фильтрованию.
Аэротенки аналогичны отстойникам, в которые помещают активный ил. Аэротенки служат для очистки от органических загрязнителей путем окисления их микроорганизмами, находящимися в слое активного ила. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов в аэротенке необходимо поддерживать определенную концентрацию растворенного кислорода.
Таким образом, наибольшим преимуществом пользуются:
• для удаления грубодисперсных частиц – отстаивание, флотация, фильтрация, центрифугирование;
• для удаления мелкодисперсных и коллоидных частиц – коагуляция, флокуляция, электрические методы осаждения;
• для удаления неорганических соединений – дистилляция, ионообмен, реагентное осаждение, электрические методы осаждения;
• для органических соединений – экстракция, абсорбция, флотация, ионообмен, реагентные методы, биологическое окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление;
• для газов – отдувка, нагрев, реагентные методы;
• для вредных веществ – термическое разложение
Схема промышленной очистки
На предприятиях очистка сточных вод происходит в две стадии:
1. Сточные воды очищаются в локальных очистных сооружениях от примесей, наиболее характерных для данного технологического процесса,
2. Осуществляется доочистка общего стока предприятия.
Степень очистки сточных вод предприятий определяется назначением очищенных стоков.
Все загрязнения классифицируются на пять групп:
• Механические примеси, в том числе и гидроксиды металлов,
• Нефтепродукты и эмульсии,
• Летучие нефтепродукты
• Моющие растворы и эмульсии,
• Растворенные токсичные соединения органического и минерального происхождения.
ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПРАВА
Экологическое право: источники, определение, объекты.
Конституция Российской Федерации провозглашает право граждан на благоприятную окружающую среду. Однако в процессе природопользования между гражданами, между отраслевыми ведомствами различного уровня возникают противоречия, которые в конечном итоге приводят к нарушению прав граждан на чистую среду обитания и к нерациональному, часто хищническому, использованию природных ресурсов. Деятельность одних отраслей промышленности может наносить ущерб другим отраслям и обществу в целом. Для регулирования этих отношений необходимо иметь развитое правовое обеспечение природопользования, основанное на подчинении промышленной, хозяйственной, индивидуальной и общественной деятельности правовым нормам – законам, указам, постановлениям, инструкциям, составляющим сферу экологического права.
Экологическое право представляет собой совокупность правовых принципов и норм, регулирующих общественные отношения:
При этом под охраной окружающей среды принято понимать деятельность органов государственной власти Российской Федерации, органов государственной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления, общественных и иных некоммерческих объединений, юридических и физических лиц, направленную на сохранение и восстановление природной среды, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов, предотвращение негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду и ликвидацию ее последствий.
Рациональное использование природных ресурсов - это комплексное, экономически эффективное использование природных ресурсов в сочетании с требованиями охраны окружающей природной среды.
Под экологической безопасностью понимается состояние защищенности жизненно важных интересов личности, общества, государства, а также окружающей природной среды от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на нее; положение, при котором отсутствует угроза нанесения ущерба природной среде и здоровью населения.
Принято считать, что формально-юридически под окружающей средой в российском законодательстве понимается совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов.
Объекты экологического права (экологических правоотношений) – природные объекты. В их качестве могут выступать как отдельные природные объекты, так и естественная среда обитания в целом.
Объектами экологического права является то, по поводу чего совершается правовое регулирование. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» относит к объектам охраны окружающей среды:
Законом предусмотрено, что в определенных условиях объектами экологических правоотношений могут быть природные комплексы – заповедники, заказники, памятники природы, лечебно–оздоровительные районы и т. д.
Субъектами экологических правоотношений являются:
– Российская Федерация;
– субъекты Российской Федерации;
– органы государственной власти;
– органы местного самоуправления (муниципальные образования);
– юридические лица, включая иностранных юридических лиц;
– физические лица, включая иностранцев и лиц без гражданства.
Под источниками экологического права понимаются нормативно-правовые акты, содержащие нормы, регулирующие отношения в сфере взаимодействия общества и природы.
Источники экологического права могут быть классифицированы по следующим основаниям:
Систему источников экологического права образуют:
Конституционные основы правового регулирования экологических правоотношений. Конституционные нормы являются основой развития и совершенствования всего законодательства, в том числе и экологического. Выделяют две группы норм Конституции: специальные, которые непосредственно регулируют экологические отношения, и общие, которые регулируют данные общественные отношения опосредованно.
К первой группе относится, в частности, ст. 9 Конституции, согласно которой земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории (ч. 1). В то же время, ч. 2 ст. 9 устанавливает многообразие форм собственности на землю и другие природные ресурсы. В ст. 42 закрепляются экологические права человека и гражданина: право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением. В ст. 58 Конституции, напротив, закреплена экологическая обязанность человека и гражданина, а именно обязанность сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам.
Вторую группу норм составляют более удаленные от экологических правовых отношений предписания Конституции, регулирующие указанные отношения опосредованно, что нисколько не умаляет их роли и значимости: о человеке, его правах и свободах как высшей ценности, защита которой является обязанностью государства и всех его органов (ст. 2, 17, 18); о праве каждого на судебную защиту его прав и свобод, а также праве в соответствие с международными договорами РФ обращаться в межгосударственные органы по защите его прав и свобод, если исчерпаны все имеющиеся внутригосударственные средства правовой защиты (ст. 46); о признании и защите равным образом частной, государственной, муниципальной и иных форм собственности (ч. 2 ст. 8) и др.
Федеральные законы. Головным законом экологического права России как отрасли является принятый 10 января 2002 г. Закон "Об охране окружающей природной среды".
Закон определил правовые основы государственной политики в области охраны окружающей среды, обеспечивающие сбалансированное решение социально-экономических задач, сохранение благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов в целях удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений, укрепления правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности. Он регулирует отношения в сфере взаимодействия общества и природы, возникающие при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, связанной с воздействием на природную среду как важнейшую составляющую окружающей среды, являющуюся основой жизни на Земле, в пределах территории Российской Федерации, а также на континентальном шельфе и в исключительной экономической зоне Российской Федерации.
Закон определяет положение эколого-правового статуса граждан через регулирование их экологических прав и обязанностей, создание экономического механизма охраны окружающей среды, регулирование государственной экологической экспертизы, ответственности за экологические правонарушения и возмещения вреда, причиненного экологическими правонарушениями.
В систему экологического законодательства входит ряд других законов, включая:
Закон РФ "Об охране атмосферного воздуха" от 4 мая 1999 г. N 96-ФЗ)
Земельный кодекс РФ от 30 октября 2001 г.;
Федеральный закон "О недрах" от 8 февраля 1995 г.;
Лесной кодекс Российской Федерации от 29 января 1997 г.;
Федеральный закон от 24.06.1998 №89-ФЗ «Об отходах производства и потребления»;
Федеральный закон "О природных лечебных ресурсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах" от 23 февраля 1995 г.;
Федеральный закон "Об особо охраняемых природных территориях" от 14 марта 1995 г.;
Федеральный закон "О животном мире" от 24 апреля 1995 г.;
Водный кодекс РФ от 03.06.2006 N 74-ФЗ;
Федеральный закон "Об экологической экспертизе" от 23 ноября 1995 г.
Федеральный закон "О лицензировании отдельных видов деятельности" № 128 от 8 августа 2001 г. и др.
Указы и распоряжения Президента РФ. Нормотворческая компетенция Президента России предусмотрена ст.90 Конституции РФ, согласно которой Президент РФ принимает акты в форме указов и распоряжений. Указы и распоряжения главы государства обязательны для исполнения на всей территории России. Как подзаконные акты они не должны противоречить Конституции РФ и федеральным законам.
К числу Указов и распоряжений Президента, регулирующих экологические правоотношения, относятся:
Указ от 4 февраля 1994 г. "О государственной стратегии РФ по охране окружающей природной среды и обеспечению устойчивого развития";
Указ от 1 апреля 1996 г. "О Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию";
Указ от 2 октября 1992 г. "Об особо охраняемых территориях Российской Федерации";
Указ Президента РФ от 04.06.2008 N 889 "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики"
Постановления и распоряжения Правительства РФ. В соответствии со ст. 115 Конституции РФ Правительство издает постановления и распоряжения на основании и во исполнение Конституции РФ, федеральных законов, нормативных указов Президента РФ. Это означает, что Правительство может создать норму права лишь в рамках делегированного нормотворчества, когда необходимость принятия правительственного постановления или распоряжения вытекает из актов более высокого иерархического уровня. К наиболее важным нормативным документам относятся Постановление правительства РФ от 12.06.2003 № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления», Постановление Правительства РФ от 29 октября 2002 г. № 777 «О перечне объектов, подлежащих федеральному государственному экологическому контролю», Постановление Правительства РФ от 31 марта 2003 г. № 177 «Об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государ-
ственного экологического мониторинга)», Постановление Правительства
РФ от 29 мая 2008 г. N 404 «Положение о министерстве природных ресурсов и экологии РФ».
Субъекты РФ осуществляют собственное правовое регулирование, природопользование и охрану окружающей среды с учетом политических, социально-экономических, природно-климатических, экологических, исторических и иных особенностей региона.
В случае противоречия между федеральным законом и иным актом, изданным в Российской Федерации, действует федеральный закон.
Нормативные правовые акты принимаются субъектами РФ в разных формах. В республиках-субъектах РФ - это конституции. Законодательные акты принимаются в форме уставов (например, Устав города Москвы), кодексов (Земельный кодекс Республики Карелия, Экологический кодекс Башкортостана), законов, уложений. Органы исполнительной власти принимают указы, постановления, распоряжения.
В рамках достаточно широко распространенной практики заключения соглашений о взаимной передаче своих полномочий (ст. 78 Конституции РФ) между Российской Федерацией и ее субъектами имеются многочисленные примеры договоров в сфере природопользования и охраны окружающей среды (между Правительством РФ и правительствами Башкортостана, Свердловской области и др.).
Нормативные правовые акты министерств и ведомств. В пределах своей компетенции министерства и ведомства вправе принимать обязательные для исполнения акты. При этом акты специально уполномоченных государственных органов в области природопользования и охраны окружающей природной среды наделены неведомственной компетенцией, являются обязательными для других министерств и ведомств, юридических и физических лиц, общественных учреждений. Акты министерств и ведомств, осуществляющих отраслевое управление, обязательны для исполнения в пределах соответствующей области.
Нормативные правовые акты органов местного самоуправления. (мэрий, сельских и поселковых органов) дополняют и конкретизируют действующие нормативно-правовые акты в области охраны окружающей природной среды.
Локальные нормативные правовые акты. Локальными называются нормативные акты, которые принимаются на предприятиях и становятся источниками экологического права при условии, что они санкционированы государством. Локальные акты подразделяются на акты общего и специального характера.
Локальные акты общего характера - уставы предприятий, коллективный договор, правила внутреннего трудового распорядка. В уставах, например, содержатся нормы относительно правового режима имущества и земли, организации управления, включая сферу природопользования и охраны окружающей среды.
Специальные локальные акты - планы организационно-технических мероприятий по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, должностные инструкции и др. Действие эколого-правовых норм, содержащихся в локальных нормативных актах, ограничено рамками предприятия.
Правовой обычай. Обычай имеет большое практическое значение в регулировании использования природных ресурсов в контексте традиционного природопользования. Так, Конституция РФ (ст.72) выделяет защиту исконной среды обитания малочисленных этнических общностей как самостоятельный предмет ведения. Регулирование отношений по использованию природных ресурсов с учетом традиционного природопользования предусматривается Водным кодексом РФ (ст. 66), Лесным кодексом РФ (ст. 124), Федеральным законом "О животном мире" (ст.ст. 9, 48, 49).
Особенности содержания экологических правоотношений находятся в зависимости от природного объекта, в отношении которого они возникают. Исходя из того различают права и обязанности, которые связаны с использованием и охраной земель, вод, лесов, недр. При этом особо выделены отраслевые права и обязанности, которые направлены на защиту отдельных природных объектов. Однако наряду с отраслевыми, существуют и комплексные полномочия. Они устанавливают права и обязанности относительно охраны всей природной среды. Такими полномочиями наделены специальные органы государства по охране природной среды в целом.
4.2 Система управления охраной окружающей среды.
Система органов государственной власти в сфере экологического управления
В системе органов государственной власти в сфере экологического управления можно выделить:
1) органы общей компетенции (Президент РФ, Правительство РФ) - органы широкой компетенции, которая, в том числе, охватывает и вопросы экологического управления;
2) специально уполномоченные органы - органы государственной власти, специально созданные для осуществления государственных функций в сфере экологического управления;
3) иные органы, имеющие отдельные экологические функции - органы государственной власти, как правило, регулирующие смежные области общественной жизни (безопасность, охрана здоровья и т.п.), которые обладают отдельными функциями в сфере экологического управления.
Органы общей компетенции. Президент Российской Федерации является гарантом Конституции Российской Федерации, прав и свобод человека и гражданина, закрепленных в статье 42 Конституции РФ, обеспечивает согласованное функционирование органов государственная власти, включая органы экологического управления. Президент Российской Федерации издает указы и распоряжения. В частности, можно выделить Указ Президента РФ от 04.02.1994 №236 "О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития", которым реализуются его полномочия по определению основных направлений политики России. Стратегические цели обеспечения экологической безопасности рассмотрены в разделе 8 Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года, утвержденной Указом Президента РФ от 12.05.2009 №537.
Правительство Российской Федерации обеспечивает проведение в Российской Федерации единой государственной политики в области экологии; осуществляет управление федеральной собственностью; осуществляет меры по обеспечению законности, прав и свобод граждан. Правительство Российской Федерации руководит работой федеральных министерств и иных федеральных органов исполнительной власти и контролирует их деятельность, включая и федеральные органы исполнительной власти в сфере экологического управления. Непосредственные полномочия Правительства РФ в сфере экологии и охраны природы закреплены в статье 18 Федерального конституционного закона от 17.12.1997 №2-ФКЗ "О Правительстве Российской Федерации":
К специально уполномоченным органам можно отнести:
Иные органы, имеющие отдельные полномочия в сфере экологического управления.Отдельные полномочия в сфере экологического управления имеются у ряда органов государственной власти:
4.3 Юридическая ответственность за экологические правонарушения
Юридическая ответственность за экологические правонарушения является одной из форм государственного принуждения; ее задача — обеспечить реализацию экологических интересов в принудительном порядке. Экологические правонарушения различны по своему составу, но всегда складываются в сфере природы: загрязнение природной среды, незаконная порубка леса или нарушение законодательства о континентальном шельфе и т.д. Наибольшее число экономических правонарушений связано с охраной и использованием животного мира (охота и рыболовство) и с охраной атмосферного воздуха.
Общий критерий всех экологических нарушений — причинение вреда окружающей природной среде. В тех случаях, когда вред наносят не природной среде, а среде обитания человека, например, сверх нормативов загрязняют воздух в производственных помещениях, говорят о санитарных правонарушениях.
Экологические правонарушения, не относящиеся к категории общественно опасных, именуют экологическими проступками. Если же они представляют общественную опасность, посягают на экологическую безопасность общества, причиняют ощутимый вред окружающей природной среде и здоровью человека, их относят к категории экологических преступлений.
Согласно Закону РФ «Об охране окружающей среды» (2002) различают следующие виды ответственности за экологические правонарушения: дисциплинарную, административную, уголовную, материальную.
Дисциплинарные наказания (предупреждение, выговор, строгий выговор, понижение в должности и в окладе, увольнение с работы) налагаются на должностные лица, рабочих и служащих руководителем предприятия, организации, учреждения за невыполнение ими своих производственных обязанностей, связанных с правовой охраной окружающей природной среды.
К административной ответственности могут быть привлечены организации, предприятия, должностные лица, отдельные граждане. Административная ответственность устанавливается за противоправное действие или бездействие, нарушающее законодательство об охране окружающей природной среды. К их числу относятся порча, повреждение, уничтожение природных объектов, несоблюдение экологических требований при захоронении вредных веществ и т. д.
Наиболее распространенная мера административного взыскания — денежный штраф, кроме того, применяются предупреждения, общественное порицание, изъятие орудий и средств совершения правонарушения, конфискация незаконно добытой продукции и т. д.
Мера административной ответственности определяется специально уполномоченными на то органами Минприроды России и др.
За экологические правонарушения, которые отличаются наивысшей степенью общественной опасности и тяжелыми последствиями, предусмотрена уголовная ответственность (лишение свободы, конфискация имущества, крупный денежный штраф и т. п.). Применение мер этого вида ответственности за экологические преступления определяется Уголовным кодексом. Единственным основанием назначения уголовного наказания является приговор суда.
К тяжелым экологическим преступлениям относится, например, умышленное уничтожение или повреждение лесных массивов путем поджога. Менее тяжкими преступлениями считаются загрязнение водоемов и атмосферного воздуха, незаконная порубка леса, незаконная охота и некоторые другие.
Все предприятия и граждане, причинившие вред окружающей природной среде, здоровью и имуществу других граждан и народному хозяйству, обязаны возместить его в полном объеме. Должностные лица, по вине которых предприятие понесло расходы по возмещению вреда, несут материальную ответственность.