Экология

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ю.С. РЫБАКОВ ЛЕКЦИИ ПО КУРСУ Экология Екатеринбург 2013 Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ В КУРС “Экология” План лекции: 1. Экология как наука об основных законах и принципах функционирования системы “Общество-природа” 2. Современная структура и основные направления развития экологии 3. Цели, задачи и общее содержание курса “Экология”. Экология как наука сформировалась в середине ХIХ века, после того, как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле, об особенностях их образа жизни. Возникло понимание того, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального и тщательного изучения. Слово “экология” происходит от двух греческих слов “oikos” – дом, жилище или местообитание и “logos” – наука. Таким образом, экология – это наука, занимающаяся изучением природного дома и процессов, благодаря которым этот дом пригоден для жизни. Впервые термин «экология» был предложен в 1866 г. немецким зоологом Эрнестом Геккелем в труде «Всеобщая морфология организмов», где было дано определение экологии как «общей науки об отношениях организмов к окружающей среде». В дальнейшем, расширив формулировку Э. Геккеля, многие ученые стали рассматривать экологию как науку о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды. В такой трактовке экология как научная дисциплина имеет более чем вековую историю. Научной основой экологии стало учение Чарлза Дарвина о борьбе организмов за существование. В понятие борьбы за существование он включал не только конкуренцию организмов за жизненные ресурсы, но и их реакции на различные факторы окружающей среды, посредством которых они приспосабливаются к существованию в конкретных условиях. Большой вклад в развитие экологии внесли такие выдающиеся ученые, как Ж.-Б. Ламарк, А. Гумбольт, Н.А. Северцев, Е.Н. Павловский, В.Н. Сукачев, С.С.Шварц, Б.П. Колесников, В.Н.Большаков и др. Особая заслуга принадлежит В.И. Вернадскому. До последнего времени экология была сугубо биологической дисциплиной, и в сферу ее интересов входил анализ закономерностей функционирования биологических систем: биологических видов, популяций и экосистем. С середины 80-х годов ХХ в. произошло смещение акцентов: в экологию стали включать области знаний о состоянии окружающей человека природной и природно-техногенной среды. В настоящее время область экологии как науки не имеет четких границ. Она включает в себя как классическую “биологическую экологию”, так и самые разнообразные направления, связанные с изучением воздействия человека на природу и оптимизацией взаимоотношений в системе «общество – природа». Усилению неопределенности понятия “экология” способствует и современная мода на это слово, которое часто используется к месту и не к месту. Многие специалисты считают экологию философской наукой, формирующей особое экологическое мировоззрение и общеметодологический подход к решению проблем выживания человека, а также к решению природоохранных задач. А как и всякая философская, мировоззренческая наука экология охватывает широкий круг вопросов и тесно переплетается с рядом смежных наук, таких как биология, география, геология, физика, химия, химическая технология, генетика и другие. Поэтому существует ряд определений науки экологии, рассматривающих её с принципиально разных позиций: • экология – одна из биологических наук, изучающая живые системы в их взаимодействии со средой обитания (биологический подход); • экология – комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и о её взаимодействии с обществом (эколого-социологический подход); • экология – совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы (антропосный подход). Несмотря на такое разнообразие подходов к определению этой комплексной науки, фундаментальной задачей экологии является изучение законов формирования и функционирования биологических систем (видов, популяций, экосистем и биосферы), которые обеспечивают устойчивое поддержание жизни на нашей планете. Принято выделять следующие основные направления современной экологии: 1) фундаментальная (биологическая); 2) прикладная; 3) социальная. Н.Ф.Реймерс в своей книге «Экология» [16] выделил следующую структуру современной экологии (см. схему 1). Фундаментальная экология включает в себя следующие подразделы: аутоэкология – наука об анализе действия различных факторов (температуры, света, солености воды и др.) на отдельный организм, а также об изменении организмов под действием различных факторов; демэкология (популяционная экология) - наука о структуре и закономерностях функционирования биологических популяций, изменений популяций под действием различных факторов; синэкология (экология сообществ и экосистем, биоценология) - наука о структуре, закономерностях функционирования экологических систем. Частью синэкологии является глобальная экология, объект изучения которой - уникальная экологическая система, а именно вся биосфера Земли. Несколько обособленным направлением синэкологии является биогеоценология, изучающая экосистемы определенного пространственного масштаба. Рис. 1 Прикладная экология – это приложение знаний, полученных в рамках изучения фундаментальной экологии, к анализу системы «общество – природа». Структура прикладной экологии еще не устоялась, обычно в ней выделяют следующие основные направления: промышленная экология – наука, занимающаяся анализом воздействия разных отраслей промышленности (горной, металлургической, пищевой и других), коммунального хозяйства и сферы услуг на природу; химическая экология (экологическая токсикология) – наука, направленная на изучение действия токсических химических веществ на организмы, популяции и экосистемы, а также на анализ закономерностей миграции токсикантов в природных средах; радиоэкология – наука, изучающая миграцию в природе и действие на живые организмы естественных и искусственных радиоактивных веществ; инженерная экология – комплексная научная дисциплина, изучающая взаимодействие промышленного производства с окружающей природной средой и обеспечивающая создание различных инженерных сооружений (системы очистки промышленных выбросов и сбросов, системы доочистки питьевой воды, изменение технологических циклов производства), направленных на охрану окружающей среды и минимизацию вредных последствий для здоровья людей; медицинская экология – наука занимающаяся анализом влияния различных неблагоприятных факторов на здоровье населения; сельскохозяйственная экология – дисциплина изучающая функционирование искусственных экологических систем (поля, сады, агроландшафты) и оптимизирующая управление такими системами; охрана окружающей среды - комплексная дисциплина, направленная на разработку мер по снижению отрицательных последствий деятельности человека (разработка природоохранных законодательных актов и экономических механизмов рационального природопользования, развитие сети особо охраняемых природных территорий); включает в себя также экологическую экспертизу (разработка заключений о состоянии природных комплексов), экологическое прогнозирование (создание прогнозов развития ситуаций при различных сценариях воздействия), экологическое нормирование (разработка нормативов предельных экологических нагрузок, экологический мониторинг (разработка систем постоянного слежения за изменением природных комплексов). Социальная экология – рассматривает разнообразные аспекты взаимодействия общества и природы (частичное перекрывание с охраной окружающей среды); включает в себя экологическую психологию и экологическую социологию (анализ восприятия человеком и обществом природы), экологическое воспитание и экологическое образование (формирование экологического мышления и поведения). Развитие экологии в настоящее время продолжается. И целью этого развития является решение главной экологической проблемы – сохранение жизни на Земле. Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология. Только знание экологических законов – законов развития природных и социальных процессов– позволит поладить с природой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные мероприятия, не обоснованные научно, бесполезны, а часто даже вредны, так как могут входить в противоречие с законами природы. Фундаментальные науки в технических вузах традиционно были представлены лишь физико-математическими и химическими дисциплинами, такими, как математика, физика, химия, информатика, теоретическая механика и т.п. С 1994 г. впервые в цикл этих дисциплин введена экология, так как в современных условиях необходима ликвидация пробела в фундаментальном образовании с целью повышения экологической грамотности в контексте общечеловеческой культуры и цивилизации. Новая дисциплина для студентов технических направлений и специальностей призвана: -познакомить студентов с основами фундаментальной экологии; -способствовать формированию экологического мировоззрения и представлений о человечестве как части природы; -научить видеть последствия влияния профессиональной деятельности на окружающую среду и здоровье человека; -убедить в необходимости научно обосновывать природоохранные мероприятия и пытаться находить баланс экономических и экологических интересов людей; -помочь осознать ценность всего живого и невозможность выживания человечества без сохранения биосферы. ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ Лекция 2. БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК План лекции 1. Основные учения о биосфере. 2. Биосфера как единое пространство, в котором сосредоточена жизнь. 3. Границы биосферы. 4. Человек как неотделимая часть природного сообщества. 5. Источники угрозы разрушения основных элементов биосферы. 6. Учение В.И.Вернадского о «ноосфере». В настоящее время становится предельно ясным, что среда, в которой мы живем, сформирована жившими организмами различных геологических эпох. По образному выражению Б. Коммонера, окружающая среда – «это дом, созданный на Земле жизнью и для жизни». При этом каждое поколение организмов этот дом совершенствовало соответственно изменявшимся условиям и обитающим в нем существам. Эти истины стали понятны людям далеко не сразу. Впервые понятие «биосфера» (от греч. “bios”- жизнь, “shaira”- шар) было введено в биологию французским натуралистом Жаном-Батистом Ламарком в начале ХIX в.Термин «биосфера» в научную литературу введен австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы. Но основы науки о биосфере были заложены только в первой половине ХХ в. трудами академика Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945 гг.). Если с понятием «биосфера», по Э.Зюссу, связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки живых организмов, то, по В.И.Вернадскому, им отводится роль главнейшей геохимической силы. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом. В таком случае под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда- либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В.И. Вернадский не только конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической (средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности. Живое вещество служит передаточным звеном между космосом и Землей, потому что аккумулирует энергию космоса, трансформирует её в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую), непрерывно обменивается веществом с косной (неживой) материей, обеспечивая образование нового живого вещества и определяя тем самым эволюцию биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе на геологические процессы, их причины и эволюцию. Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой или «необиосферой», а древние биосферы относят к палеобиосферам. По современным представлениям, необиосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экрана (у полюсов 8-10 км; у экватора – 17-18 км; над остальной поверхностью Земли – 20-25 км). За пределами озонового слоя жизнь невозможна из-за воздействия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том числе и самая глубокая впадина (Марианская – 11022 м) мирового океана, занята жизнью. К необиосфере следует отнести также и донные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров. В биосфере Земли В.И.Вернадский выделил семь различных и в то же время взаимосвязанных видов веществ: живое вещество – совокупность всех живых организмов на планете (растения, животные, микроорганизмы); биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, нефть, известняки, битумы и др.); косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) – вещество неорганического происхождения (минералы, глина и др.); биокосное вещество – создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (почвы, природные воды, илы); радиоактивные вещества – вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада (радий, уран, торий и др.); рассеянные атомы – непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения (химические элементы); вещества космического происхождения – метеориты, пыль, протоны, нейтроны, электроны. Важнейшими компонентами биосферы по качеству и значительными по количеству являются первые четыре вида веществ. Наиболее химически и геологически активным является именно живое вещество. При его участии образуются биогенные и биокосные вещества. Живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере, несмотря на незначительный объем, который можно представить, если выделить его в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли. Это будет слой всего около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества? Это, прежде всего, обусловлено такими его свойствами: способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство; движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное; устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти; высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям; феноменально высокая скорость протекания реакций; высокая скорость обновления живого вещества. Все перечисленные свойства живого вещества обуславливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. С учетом данных современной науки и основ учения В.И.Вернадского о биосфере выделяют пять основных функций биосферы и живого вещества: 1. Энергетическая – выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование растениями солнечной энергии и дальнейшее её перераспределение между остальными компонентами биосферы. Часть энергии накапливается в отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торф, уголь, нефть), а часть рассеивается в пространстве в виде тепла. 2. Газовая – обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение. 3. Концентрационная – заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. В результате этой деятельности образуются залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п. 4. Деструктивная – обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение её в косное вещество. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. 5. Средообразующая – состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Для существования человека и удовлетворения его потребностей существует так называемая биогеосфера, или «пленка жизни». Это высоты до 3 км, вглубь земли до 10 м и вглубь моря до 100 м. Но эти предельные высоты и глубины, в общем-то, экзотика. Вас, в первую очередь, должно интересовать то, что находится на поверхности Земли в городе, поселке, деревне или возле них. Здесь должны быть точки приложения вашего труда, чтобы облагородить человека, то есть создать ему комфортные условия, которые не дает природа в естественном виде. Положение человека в биосфере двояко. Как биологические объекты люди зависят от физических факторов среды и связаны с питанием, дыханием, обменом веществ. Человеческий организм имеет свои приспособительные возможности, которые выработались в ходе биологической эволюции. Изменение физической среды обитания отражается на здоровье и работоспособности людей. В отклоняющихся от оптимальных условий среды человек затрачивает много сил и средств на создание и поддержание комфортных условий. Однако главным условием поддержания этих комфортных условий является взаимодействие человека с окружающей средой через создаваемую им культуру. Этим человек отличается от всех других видов живых организмов. Создавая все более современную технику, технологию и материалы, люди стараются создать среду обитания, по возможности не зависящую от капризов природы. Человек, будучи творческим существом, тем не менее сам является творением природы в буквальном смысле этого слова и остается неотделимой частью природных сообществ, если, конечно, придерживаться теории Ч.Дарвина об эволюции живой природы, а не инопланетной природы человека. То есть человеку нужно постоянно в своей деятельности искать золотую середину, и это в первую очередь относится к технологам. Деятельность должна быть экологичной. Производство положительно влияя на окружающую среду и человека не должно негативное воздействовать на биосферу. При этом следует учитывать, что жизнь человеческого организма возможна только в определенных условиях: состав атмосферы, температура, структура солнечного излучения, наличие и чистота воды и пищи и др. Наряду с этим производство продуктов питания почти на 100% зависит от природных ресурсов: почвы и водных экосистем (гидропоника и искусственные системы дают незначительное количество продуктов питания). Особое значение для жизни человека имеет количество пресной воды, которая является природным ресурсом и важнейшей составной частью биосферы – самым удивительным минералом, как назвал ее профессор А.М.Черняев в своей книге «Поэзия и проза воды» [22]. Важную роль в жизнеобеспечении играют и природные источники энергии, тоже являющиеся составной частью биосферы. В настоящее время уже отчетливо обозначилась ограниченность данного вида природных ресурсов. Это же можно сказать о запасах пресной воды и о плодородии почвенного слоя Земли. Есть еще один фактор, который нельзя не учитывать – это перенаселение Земли. Многие из перечисленных проблем в России еще остро не чувствуются. Но мы живем на одной планете, и наступит время, когда придется потесниться. Техническая мощь человечества достигла масштабов, соизмеримых с биосферными процессами. Человеческая деятельность на планете изменяет климат, влияет на химический состав атмосферы и мирового океана. Таким образом, с вхождением человечества в индустриальную стадию своего развития возникла угроза разрушения всех элементов биосферы: атмосферы, гидросферы и литосферы. В первую очередь это касается наиболее чувствительного к условиям существования биосферного слоя – биогеосферы. Но уже сейчас вместе с техническим оснащением растет и научная вооруженность человеческого общества. Одним из успехов естествознания ХХ в. явилось осознание неразрывного диалектического единства природы и общества, необходимости перехода от концепции господства человека над природой к концепции взаимодействия с ней. В результате этого В.Н.Вернадским было разработано учение о ноосфере – сфере разума. Еще в начале 20-х г. ХХ в. В.И. Вернадский пришел к мысли, что изменение природы «силой культурного человечества становится явлением геологического масштаба. Человек как часть биосферы своим трудом многократно усиливает планетарную функцию живого вещества, она все больше становится управляемой человеческим разумом». Этот процесс неизбежно приводит к постепенному преобразованию земной биосферы в «мыслящую оболочку», сферу разума – ноосферу. Сам термин «ноосфера» В.И. Вернадскому не принадлежит. Это понятие возникло при обсуждении доклада В.И.Вернадского о развитии биосферы на семинаре в Париже в 1924 г. Его предложил французский философ Эжен Леруа. Смысл учения В.И.Вернадского заключается в следующем. Появление Человека на Земле означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Его активность многократно ускоряет все эволюционные процессы, темпы которых быстро растут по мере развития производительных сил и технической вооруженности. Дальнейшее неконтролируемое, не управляемое развитие людей таит в себе опасности, которые трудно предвидеть. Именно поэтому однажды наступит время, когда дальнейшая эволюция планеты, а следовательно, и человеческого общества должна направляться Разумом. Биосфера станет постепенно превращаться в сферу Разума – ноосферу. Однако этим определением исчерпывается все учение о ноосфере. Последовательного, научного описания процесса ноосферогенеза и самой ноосферы с её конкретными характеристиками не существует. Поэтому появилось много идей по данной проблеме. Широкий спектр мнений по этому вопросу охватывает диаметрально противоположные точки зрения. Так, некоторые ученые считают, что ноосфера – уже сформировавшееся явление. На Западе упоминания о ноосфере вообще отсутствуют, т.к. считается, что критерий разумности не стоит применять к человеческому обществу. Среди наших ученых ноосфера рассматривается экологическим идеалом, конечной целью устойчивого развития, когда мерой национального богатства станут духовные ценности и знания Человека, живущего в гармонии с окружающей средой. Трудность современного восприятия нового состояния биосферы заключается в том, что в создающейся переходной биосферно-ноосферной общности, которую принято называть техносферой, уже нет первозданной исторически сложившейся организованности биосферы и еще нет новой организованности ноосферы. В техносфере утрачена часть присущих биосфере свойств авторегулирования, хотя свои основные параметры она сохраняет. В связи с этим хозяйственная и социально-культурная деятельность человека как экологический фактор, отрицательно действующий на окружающую среду и даже разрушающий ее. Лекция 3. ЭКОСИСТЕМЫ И ОСНОВЫ ИХ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ План лекции 1. Экосистемы и основы их жизнедеятельности. 2. Направления развития в экологии сообществ и экосистем. 3. Факторы, влияющие на устойчивость экосистем. 4. Популяционный уровень жизни. Основным понятием и основной таксономической единицей в экологии является экосистема. Этот термин был впервые введен в употребление английским ученым А. Тэнсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: «биокосное тело» (В.И. Вернадский), «холон» (А.Каспер), а в 1940 г. советский ученый В.Н. Сукачев ввел понятие «биогеоценоз». Под экосистемой понимается любая система, состоящая из совокупности живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Экологические системы разных уровней представляют собой основные функциональные единицы биосферы. Это энергетически и структурно открытые системы, поддерживающие подвижное равновесие благодаря особой структурно-функциональной организации всех своих компонентов. Любая экосистема состоит из двух взаимосвязанных блоков: 1. Биоценоз – комплекс взаимосвязанных живых организмов разных видов (растения, животные, микроорганизмы), обитающих в конкретной местности. 2. Биотоп или экотоп – факторы среды обитания. Схематично можно записать: Экосистема = биоценоз + биотоп. В составе биотопа выделяют следующие абиотические (неживые) компоненты: • неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, 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. В состав биоценоза входят биотические (живые) компоненты, которые состоят из трех функциональных групп организмов (рис. 2). Рис. 2 Первая группа организмов – продуценты, или автотрофные организмы (греческие auto – сам, trophe –пища) создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы). 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: СО2 + Н2О = (СН2О)n + О2 . Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты: 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q1 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q2 . Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов. Вторая группа организмов – консументы (латинское consume – потребитель) первого, второго, третьего порядков, или гетеротрофные организмы (греческие heteros – другой, trophe – пища), потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos – пожирающий) и сапротрофов (греческое 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 (латинское reducens – возвращающий), или деструкторы, разрушают сложные соединения мертвой органики, поглощают некоторые продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источником энергии для других биотических компонентов экосистемы. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) – микроконсументы. Каждая группа организмов представляет собой трофический (пищевой) уровень или звено. Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания, или трофическую цепь. Главное свойство цепи питания – осуществление биологического круговорота веществ и высвобождение запасенной в органическом веществе энергии. Все элементы экосистемы тесно связаны между собой единством территории, общим потоком энергии (от Солнца к автотрофам, а от них – к гетеротрофам), обменом биогенных химических элементов, сезонными колебаниями климатических условий и взаимной приспособленностью видов всех уровней организации. Как уже отмечалось, каждый биоценоз состоит из множества видов. Вид – естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде. Но виды входят в биоценоз не отдельными особями (наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции), а популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство, воспроизводящая себя в течение большого числа поколений и способная к саморегулированию. Таким образом, каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала) распадается на популяции, размеры которых различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз – это сумма популяций разных видов, взаимосвязанных между собой и с условиями среды. В экологии часто пользуются термином «сообщество». Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (синоним биоценоза) и аналогичная совокупность только растительных организмов (фитоценоз) или животных (зооценоз), или микробного населения (микробоценоз). Экосистемы, подобно организмам и популяциям, способны к саморегулированию, противостоя изменениям и сохраняя состояние устойчивого равновесия. Это свойство экосистем называется гомеостазом. Но для нормального функционирования экосистем необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией. Основными свойствами экосистемы являются: • способность осуществлять круговорот веществ; • противостоять внешним воздействиям; • производить биологическую продукцию. Экосистемы очень различны по размерам. Всю биосферу можно рассматривать как совокупность экосистем от глубокого океана до высокого леса. Определяя экосистемы таким образом, можно выделить: • микроэкосистемы – небольшой водоем; труп животного с населяющими его организмами; ствол дерева в стадии разложения; аквариум, даже лужа или капля воды, пока они существуют и в них присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ; • мезоэкосистемы – лес, пруд, река и т.п. • макроэкосистемы – океан, континент, природная зона и т.п. • глобальная экосистема – биосфера в целом. Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Образное (шутливое) определение экосистемы дал географ и писатель Г.К.Ефремов: «это любое природное образование от кочки до оболочки (географической)». Существует такое понятие, как видовая структура экосистемы, под которым понимается количество видов, образующих экосистему, и соотношение их численности. Видовое разнообразие обычно тем значительнее, чем богаче условия (биотоп) экосистемы. В этом отношении самыми богатыми по видовому разнообразию являются экосистемы дождевых тропических лесов. Разнообразие видов зависит также от возраста экосистемы. Молодые экосистемы крайне бедны видами, т.к. возникают на изначально безжизненном субстрате (отвалы пород при добыче полезных ископаемых). В хорошо сформировавшихся экосистемах преобладают 1, 2 или 3 вида, которые называются доминантными (господствующими). Наряду с доминантами в экосистемах выделяют виды – эдификаторы, которые являются основными образователями среды. Каждый вид или его части (популяция, группировка) занимают определенное место в окружающей среде, т.е. экологическую нишу. Под экологической нишей понимают обычно место организма в природе и весь образ его жизнедеятельности или, как говорят, жизненный статус, включающий отношение к факторам среды, видам пищи, времени, способам питания, местам размножения, укрытий и т.п. Понятие «жизненный статус» значительно объемнее и содержательнее понятия «местообитание». Американский эколог Ю. Одум образно назвал местообитание адресом организма (вида), а экологическую нишу – его профессией [13]. Энергетика экосистем Живые организмы, входящие в экосистемы, для своего существования должны постоянно пополнять и расходовать энергию. Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза. При фотосинтезе связывается только энергия с определенными длинами волн – 380-710 нм. Эту энергию называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Растения в процессе фотосинтеза связывают лишь небольшую часть солнечной радиации – менее 1% (в среднем для земного шара). Только наиболее продуктивные экосистемы в оптимальных условиях могут связывать до 3–5% ФАР. Растения являются первичными поставщиками энергии для всех других организмов в цепях питания. Существуют определенные закономерности перехода энергии с одного трофического уровня на другой вместе с потребляемой пищей. 1. Основная часть энергии, усвоенной консументом с пищей, расходуется на его жизнеобеспечение (движение, поддержание температуры тела и т.д.). Эту часть энергии рассматривают как траты на дыхание (Эд), с которым, в конечном счете, связаны все возможности её высвобождения из химических связей органического вещества. 2. Часть энергии переходит в тело организма-потребителя вместе с увеличивающейся массой (приростом, продукцией). Это энергия прироста (Эпр.). 3. Некоторая доля пищи, а вместе с ней и энергия, не усваивается организмом. Она выводится в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности. Это энергия продуктов выделения (Эп.в.). Таким образом, баланс пищи и энергии для отдельного животного организма можно представить в виде уравнения: Эп = Эд + Эпр. + Эп.в. (1) При всем разнообразии расходов энергии максимальные затраты её идут на дыхание и в сумме с неусвоенной пищей они составляют в среднем около 10% от энергии, полученной данным уровнем. В результате на верхние трофические уровни (к хищникам) переходит всего 0,001 доля процента от энергии зеленых растений. Эта закономерность называется правилом десяти процентов. Это правило показывает, насколько низок КПД всех биологических систем и велико значение процессов рассеивания энергии в биосфере. Если количество энергии (продукции, биомасс или численности) организмов на каждом трофическом уровне представить в виде прямоугольников в одном и том же масштабе, то их распределение будет иметь вид пирамид. Правило пирамид энергии можно сформулировать так: количество энергии, содержащейся в организмах на любом последующем уровне цепи питания, меньше её значений на предыдущем уровне. Любая экосистема, приспосабливаясь к изменениям внешней среды, находится в состоянии динамики. Эти изменения в одних случаях могут повторяться, в других имеют однонаправленный, поступательный характер и обуславливают развитие экосистемы в определенном направлении. Периодически повторяющуюся динамику называют циклическими изменениями, или флуктуациями, а направленную динамику называют поступательной, или развитием экосистем. Для направленной динамики характерным является либо внедрение в экосистемы новых видов, либо смена одних видов другими. В конечном счете происходят смены биоценозов и экосистем в целом. Этот процесс называют сукцессией. Различают первичные и вторичные сукцессии. Под первичной сукцессией обычно понимается развитие экосистемы на изначально безжизненном субстрате (заброшенные песчаные карьеры, землеотвалы и т.п.). Вторичные сукцессии начинаются обычно не с нулевых значений, а возникают на месте нарушенных или разрушенных экосистем (вырубка леса, лесные пожары, зарастание с.-х. угодий и т.п.). Сукцессионные смены обычно связывают с тем, что существующая экосистема создает неблагоприятные условия для наполняющих её организмов (почвоутомление, неполный круговорот веществ, самоотравление продуктами выделения и др.). Наряду с природными факторами причинами динамики экосистем все чаще выступает человек (осушение болот, распашка степей, пожары, химическое загрязнение среды и т.п.). Антропогенные воздействия часто ведут к упрощению экосистем и их полному распаду. Для характеристики экосистем важны такие понятия, как стабильность и устойчивость. Стабильность – это способность экосистем сохранять свою структуру и функциональные свойства при воздействии внешних факторов. Устойчивость – способность экосистемы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после воздействия факторов, выводящих её из равновесия. Таким образом, устойчивость экосистем и их совокупности, то есть биосферы, зависит от следующих факторов. 1. Биосфера использует внешние источники: солнечную энергию и энергию разогрева земных недр - для поддержания жизнедеятельности окружающей среды. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создали тепловой баланс в биосфере. Нарушение его может привести к смерти живых существ, которые могут существовать только в определенном тепловом диапазоне. 2. Биосфера как совокупность экосистем использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы: водород, углерод, азот, фосфор, калий, кислород) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных веществ. Поэтому большинство предприятий по производству пищевых продуктов можно организовать без сброса загрязняющих веществ в окружающую среду. 3. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению равновесия и спасают от угрозы со стороны внутренних факторов. У многих видов развиты защитные реакции от болезней, механизм которых изучен не до конца. Генофонд дикой природы – бесценный дар, возможности которого использованы в ничтожно малой степени. 4. Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Если темп изменений условий жизни превышает адаптивные возможности систем, то они погибают. 5. Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависят от совокупности абиотических и биотических факторов. Каждый биологический вид представляет собой сложную экологическую систему – систему популяций. Разные части ареала (район обитания вида) отличаются друг от друга не только географически, но и по составу группировок внутри вида. Каждая группировка имеет свои генетические, морфологические и физиологические особенности. Такие группировки и называют популяциями. На уровне популяций происходят основные адаптации, естественный отбор и эволюционные процессы. Разнообразие популяций внутри вида резко увеличивает его (вида) приспособительные способности, освоение среды и, в конечном счете, возможности выживания. Проявляя заботу о сохранении вида, человек должен прежде всего думать о сохранении популяций. Каждая популяция характеризуется определенными показателями. 1. Плотность популяции – это число особей на единицу площади или объема. Плотность колеблется с течением времени и определяется потоком вещества и энергии, проходящими через популяцию. Это влияет на продуктивность трофического уровня и интенсивность обмена веществ. 2. Возрастная структура определяет способность популяции к размножению, она представлена поколениями. Различают три основных типа возрастной структуры: стабильная – число особей разных возрастов равномерно меняется и носит характер нормального распределения; возрастающая – в популяции преобладают молодые особи; уменьшающаяся (отмирающая) – популяция, в которой преобладают особи старших возрастов, что свидетельствует о наличии отрицательных факторов в её существовании, нарушающих воспроизводительные функции. 3. Половая структура определяется соотношением мужских и женских особей. Неравномерное отмирание особей одного пола или, наоборот, их появление в большом количестве приводит к изменению других характеристик популяции. К числу важнейших свойств популяций относится динамика численности составляющих её особей и механизмы её регулирования. Всякое значительное отклонение численности особей в популяциях от оптимальной связано с отрицательными последствиями для её существования. В связи с этим популяции имеют адаптационные механизмы, способствующие как снижению численности (если она значительно превышает оптимальную), так и её восстановлению, если она снижается ниже оптимальных значений. Периоды резкого изменения численности носят название популяционных волн, волн жизни, волн численности. Причины таких колебаний до конца не ясны. В одних случаях их связывают с пищевым фактором, в других – с климатическими явлениями, в третьих – с солнечной активностью. Вероятнее всего, в данном случае действует комплекс взаимосвязанных факторов. Лекция 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ План лекции: 1. Большой круговорот – круговорот воды в природе 2. Малый круговорот - биологический круговорот и его блоки 3. Круговороты газообразных веществ: углерода, азота 4. Осадочные циклы Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой или геологический (абиотический) и малый или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого геологического круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты. Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривания горных пород, испарение воды, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность и движение океанических плит в земной коре. Круговорот воды, включающий переход ее из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В круговороте воды суммарное испарение компенсируется выпадением осадков. Особенность круговорота в том, что из океана испаряется воды на 10% больше чем возвращается с осадками. На суше испарение составляет примерно ¼ часть от испарения из океана. При этом осадков на суше выпадает на 40% больше, чем с этой суши испаряется. В связи с тем, что из океана воды испаряется больше, чем возвращается, то значительная часть осадков используется экосистемами суши, в том числе и агроэкосистемами, для производства пищи, в том числе для человека. Излишки воды с суши стекают по водосборной территории в озера и реки, а оттуда снова в океан. Время оборота пресных вод составляет примерно год. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к физическому явлению превращения воды в пар добавляется процесс биологического испарения, связанный с жизнедеятельностью растений и животных, называемый транспирацией. Растительность в целом играет значительную роль в испарении воды, влияя тем самым на климат регионов. Она является также водоохранным и водорегулирующим фактором: смягчает паводки, удерживает влагу в почвах и препятствует их иссушению и эрозии. Деятельность человека оказывает огромное влияние на глобальный круговорот воды, что может изменять погоду и климат. В результате покрытия земной поверхности непроницаемыми для воды материалами, строительства оросительных систем, уплотнения пахотных земель, уничтожения лесов и т.п. сток воды в океан увеличивается, и пополнение фонда грунтовых вод сокращается. Во многих сухих областях эти резервуары выкачиваются человеком быстрее, чем заполняются. Поэтому в настоящее время по всему миру создана сеть измерительных станций для выявления изменений в круговороте воды, от которого в значительной мере зависит будущее человека на Земле. Малый круговорот. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ или малый биологический круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% попадающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную –работу по созданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. При своем движении практически все химические элементы участвуют и в большом и малом круговороте веществ. Более или менее замкнутые пути движения химических элементов называются биогеохимическими циклами («био» – относится к живым организмам, а «гео» – к твердым породам, воздуху и воде). Из более чем ста химических элементов, встречающимся в природе, 30-40 являются биогенными, т.е. необходимыми организмам. Одни элементы, такие как азот, фосфор, калий, углерод, кислород, водород нужны организмам в больших количествах – это макроэлементы. Другие – в малых или даже ничтожных – микроэлементы. Жизненно важные для организмов элементы всегда участвуют в биогеохимических циклах, которые называются круговоротом питательных или биогенных веществ. В круговороте отдельных элементов различают две части: резервный фонд –большая масса медленно движущихся веществ (в основном небиологическая часть) и подвижный или обменный фонд – меньший, но более активный, который быстро обменивается между организмами и окружающей средой. Следует иметь в виду, что циклы с малым объемом резервного фонда более подвержены воздействию человека. Биогеохимические циклы делятся на два типа: круговоротом газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете, кроме круговорота воды, являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов. Самым главным биогеохимическим процессом в биосфере является круговорот углерода. С чисто химических позиций он представляется упрощенно в виде следующих химических уравнений: фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 разложения или минерализации: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О Образующиеся в процессе фотосинтеза молекулы углеводов в ходе дальнейших химических процессов, происходящих в растениях, превращаются в другие химические соединения живой материи – белки, жиры и т.д. Процесс фотосинтеза требует затрат энергии – на образование 1 молекулы углеводов расходуется 674 кал. Эту энергию растения получают в виде электромагнитной энергии солнечного излучения. Акцептором (поглотителем) ее является зеленый пигмент растений – хлорофилл. В результате процесса фотосинтеза электромагнитная энергия трансформируется в химическую энергию образующихся соединений. Обратная фотосинтезу реакция разложения органических соединений в условиях биосферы приводит к неполному расходованию образовавшегося при фотосинтезе кислорода. Часть органического углерода соединяется в виде устойчивых соединений – гумусовых кислот, из которых в процессе трансформации формируются залежи твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Неполное разложение образующихся органических веществ – источник накопления в биосфере кислорода, который используется животными для дыхания. Поступление углекислого газа в атмосферу происходит в современных условиях в результате: 1) дыхания всех организмов; 2) минерализации органических веществ; 3) выделения по трещинам земной коры из осадочных пород; 4) выделения из мантии Земли при вулканических извержениях; 5) сжигании топлива. Потребление углекислого газа происходит главным образом: 1) в процессе фотосинтеза; 2) в реакциях его с карбонатами в океане; 3) при выветривании горных пород. Как видно из приведенных выше фактов, с циркуляцией углекислого газа тесно связана циркуляция кислорода. Второй по важности частью биогеохимического круговорота является круговорот азота. Воздух по объему на 78% состоит из молекулярного азота и представляет собой крупнейший резервуар этого элемента. Поступление азота в атмосферу происходит: 1) в процессе денитрификации, т.е. биохимического восстановления оксидов азота до молекулярного; 2) с вулканическими газами; 3) с дымовыми газами. В водоемы соединения азота поступают: с поверхностным и дренажным стоком с городских и сельских территорий; с подземными водами; с промышленными стоками; со сточными водами сельскохозяйственных производств. Поглощения азота из воздуха происходит: 1) в процессе деятельности азотфиксирующих бактерий и многих водорослей; 2) в результате естественных физических процессов фиксации азота в атмосфере (электрические разряды при грозе и др.); 3) в процессе промышленного синтеза аммиака. Минеральные соединения азота потребляются растениями при фотосинтезе. Животные, поедая растения, используют азот для построения белков протоплазмы, превращая его в органические формы. Биологический круговорот азота включает ряд очень сложных процессов, основную роль в которых играют микроорганизмы. Схема превращений азота в биологическом круговороте следующая (рис. 3): N2 Аммонификация Азотфиксация Денитрификация Белки NH3 NO3 - Фотосинтез Нитрификация Нитрификация NO2- Рис. 3. Схема превращений азота в биологическом круговороте В последнее время содержание азота в атмосфере не менялась, что порзволяет утверждать, что поступление его в атмосферу (денитрификация) и отток из атмосферы (азотфиксация) в целом уравновешены, хотя возможно, фиксация слегка преобладает вследствие деятельности человека. Перечисленные выше биологические круговороты углерода, кислорода, азота и других биогенных элементов являются основой биологического круговорота. Полная схема трансформации вещества в экологической системе называется биологическим круговоротом. Его основные блоки: 1) солнечный свет, 2) продуценты, 3) консументы различных порядков, 4) мертвое органическое вещество, 5) редуценты, 6) минеральные вещества, 7) окружающая среда (куда происходит вынос вещества). Время, в течение которого атом углерода совершает полный оборот - это скорость биологического круговорота. Как показано выше начальным этапом биологического круговорота является продукция. Лимитируюшие продукцию факторы это: • количество солнечной радиации видимого спектра, • влажность местообитания, свойства почв (ее структура, запасы гумуса, биологическая активность), • макробиогены (азот, фосфор, калий и др.) и микроэлементы (молибден, медь, цинк и др.) - вещества, важные для функционирования живого организма. Осадочные циклы. Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с лито- и гидросферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путем эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. Твердые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождем. Осадочные циклы имеют общую направленность вниз. Живым сообщества биосферы доступны в основном те химические элементы, которые входят в состав пород, расположенных на поверхности Земли. Одним из важных для биосферы элементов, недостаток которого на поверхности ограничивает рост растений, является фосфор. Циркуляция его легко нарушается, так как основная масса вещества сосредоточена в малоактивном и малоподвижном резервном фонде, захороненном в земной коре. Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфорных пород; 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных. Образующиеся фосфаты поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями. Потребление фосфора: 1) растениями и животными для построения белков протоплазмы; 2) в промышленности при производстве удобрений и моющих средств. Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Сейчас не происходят сколько-нибудь значительные поднятия отложений на поверхность. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой. Но это не компенсирует их потока с суши в море. Влияние деятельности человека на циркуляцию фосфора в основном ведет к потерям и захоронению его на дне океана, что четко прослеживается при анализе воды стекающей с освоенных территорий. Так в воде, стекающей с городских территорий содержание фосфора в 7 раз выше, чем в водах реки, протекающей по лесной территории. Поэтому сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно, потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам в больших количествах, фосфор – один из наименее доступных элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистемы, а в будущем его лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты. Лекция 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ЭКОЛОГИЯ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА План лекции: 1. Экологические условия развития, выживания и размножения организмов 2. Закон толерантности воздействия экологических факторов на организмы 3. Основные подходы к проблеме взаимодействия человека и природы 4. Экологические принципы отношения человека к природе 5. Влияние загрязнения среды на здоровье человека Итак, мы определили, что экология это наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. А теперь настало время дать понятие, что такое окружающая среда. Окружающая среда – это совокупность всех экологических факторов, прямо или косвенно влияющих на организмы. Но здесь возникло новое понятие – экологический фактор. Экологический фактор – любое условие, воздействующее на состояние, развитие, возможности выживания и развития организмов. Экологические факторы можно классифицировать по следующим направлениям: 1. По отношению к жизни: - абиотические - совокупность физико-химических условий среды (газовый состав воздуха, химизм воды и почвы, давление, влажность, плотность среды, радиационные условия и т.д.) - биотические - взаимоотношения данного организма с другими организмами (потребление, конкуренция, паразитизм и т.д.) 1. По происхождению: • природные - не связанные с человеком; - антропогенные (антропические) - воздействия, оказываемые человеком (промышленность, сельское хозяйство, транспорт, рекреация (отдых), промысел и т.д.) 2. По критерию исчерпаемости: - условия - абиотические факторы, которые ни один организм не может сделать недоступным для других (температура, соленость воды и т.д.) - ресурсы - факторы, количественно уменьшающиеся в процессе жизни организма (становятся недоступными для других организмов) - пища, биогенные элементы и т.д. В отношении действия факторов на организмы справедлив закон толерантности Шелфорда: для каждого вида существуют минимальные и максимальные значения фактора среды (зона толерантности), за пределами которых он не может существовать. Обычно зависимость «благополучие организма (численность, рост, размножение) – фактор» имеет вид параболы (Рис. 4). Это один из примеров нелинейности поведения экосистем. Жизнедеятельность Пессиум Оптимум Пессиум Оптималь- ные условия жизни Угнете- Угнете- ние жизни ние жизни Min Max Экологический фактор Рис. 4. Зависимость жизнедеятельности от интенсивности экологического фактора Анализом системы “общество - природа” занимается прикладная экология, в задачи которой входят: изучение антропогенных нагрузок, анализ реакции биоты на антропогенные нагрузки, нахождение путей снижения нагрузок, прогнозы, организация взаимодействий природы и общества. Взаимодействие в системе “общество природа” за всю историю существования человечества (около 3 млн.лет) прошло определенную эволюцию. Выделяю следующие этапы: • человек - обычный вид, часть природы • покорение огня, истребление древней фауны (экологические кризисы древности) • развитие подсечно-огневого сельского хозяйства, сведение лесов, одомашнивание флоры и фауны (фактически конкурируя с дикими видами, человек становится самым могущественным видом) • развитие промышленности, урбанизация, локальные загрязнения природы • человек - геологическая сила: глобальное загрязнение, изменение биогеохимических циклов. В ХХ1 веке человечество находится в конце пятого этапа. Что может за ним последовать? Либо решение глобальных экологических проблем, либо глобальная экологическая катастрофа. Отсюда можно выделить два основных подхода к проблеме взаимодействия человека и природы: • технократический - человечество может регулировать окружающую природу, полностью подчинив природу своим интересам • экологический - возможности регуляции у человечества очень ограничены, и поэтому необходимо постоянно искать компромисс с природой. Я бы назвал последний подход технологическим. Весь комплекс современных знаний о природе дает основание утверждать, что пока, а может и никогда, человечество не может регулировать те процессы на Земле, которые обеспечивали бы его существование. Для этого требуется огромная энергия, которой у человечества нет. Поэтому полностью саморегулируемая техносфера возможна только в локальных масштабах и лишь для малой части человечества. Это и пытается сделать США в масштабах одной страны, как это пытались сделать у нас в СССР, создавая материально-техническую базу коммунизма, то есть состояния, когда человеку дают по потребностям, получая от него по способностям. Но человек существо загадочное. Потребности его безграничны, а возможности без кнута и пряника крайне ограничены. Поэтому глобальная саморегулируемая техносфера не реальная, человечество может существовать только в рамках биосферы. Именно осознание технократического подхода как губительного и необходимость переориентации всей системы природопользования на основе экологического подхода обусловили экологизацию нашей жизни. Основой жизненной позиции каждого человека по отношению к природе должны быть два принципа: • ожидать неожидаемое (при любом действии лучше готовиться к худшему, не надеясь на авось); • мыслить глобально, действовать локально (любое, даже самое незначительное действие по отношению к природе, необходимо соотносить с интересами всей биосферы). Обычно действие антропогенных нагрузок рассматривают в трех пространственных масштабах: • локальном (метры, километры, десятки километров) • региональном (сотни и тысячи километров) • глобальном (материки, вся планета) Предмет глобальной экологии - вся планета Земля. С глобальной экологией тесно связаны климатология (физика атмосферы), география, геология, палеонтология, теория биосферы. Продолжая разговор о биосфере можно повторить высказывание В.И.Вернадского, что в будущем биосфера преобразуется в ноосферу - сферу Разума, когда Земля будет разумно управляться человечеством. Но это мечты и свершатся ли они? В настоящий же момент биосфера находится в гомеостазисе, и поэтому действует принцип Ле-Шателье, когда реакция биосферы против внешнего воздействия направлена на уменьшение этого воздействия. Но пределы гомеостазиса неизвестны. Возможно, человечество подошло к тем границам, за которыми следует нарушение гомеостазиса. Одна из задач глобальной экологии - разработка теории климата. Основные выводы этой теории следующие: - основной фактор изменений климата - положительная обратная связь между площадью ледников и похолоданием (из-за очень сильной отражательной способности льда и почвы); - современный климат - это один из многих, которые реализовывались в истории Земли или могут реализоваться. В принципе возможна белая Земля - планета покрытая панцирем льда, на которой невозможна жизнь. Это может произойти при очень сильном увеличении запыленности планеты (например, в результате ядерных войн). Но все таки, главным объектом экологии является человек. Человек - это неотъемлемая часть природы, и поэтому он не может оторваться от нее, полностью уйти в созданный им же технический мир. В результате возникает реальная опасность загрязнения и отравления природной среды самим человеком. Широко известны случаи отравления окружающей среды, как, например, катастрофический смог в 1952 году в Лондоне, унесший 4000 жизней и др. Однако все же не эпизодические катастрофы представляют главную опасность для человека. Гораздо опаснее постоянная утечка, даже в небольших количества, различных ядовитых веществ. Способность к адаптации, правда, может уменьшить вредное влияние среды на организм. Так, при повышении концентрации ядовитых веществ в организме печень начинает выделять экзимы, способствующие их разложению Сохранение оптимальной жизнедеятельности человека при взаимодействии с окружающей средой определяется тем, что существует физиологический предел выносливости в отношении любого фактора среды, и за его границами этот фактор неизбежно будет угнетающе влиять на здоровье человека. Основным фактором технологического характера, оказывающим негативное влияние на здоровье человека, является химическое и физическое загрязнение окружающей среды. Главными источниками химического загрязнения окружающей среды в России, являются промышленные предприятия, автомобильный и железнодорожный транспорт, тепловые и атомные электростанции. В городах весомый вклад в загрязнение среды вносят также слабо утилизируемые отходы коммунального хозяйства, в сельской местности - пестициды и минеральные удобрения, стоки животноводческих комплексов. В целом на каждого жителя России в год приходится до 300 кг загрязняющих веществ. Атмосферное загрязнение в первую очередь влияет на сопротивляемость организма, результатами снижения которой становится рост заболеваемости населения, а также физиологическое изменения организма. Загрязнение почвы и воды также становится все более серьезной проблемой в России. Их возрастающее загрязнение токсичными химическими веществами, например, тяжелыми металлами и диоксинами, а также нитратами и пестицидами, оказывает прямое влияние на качество продуктов питания, питьевой воды, и как прямое следствие, снижение показателей здоровья и продолжительности жизни человека. К основным физическим факторам окружающей среды, негативно воздействующим на здоровье человека, относятся шум, вибрация, электромагнитное излучение, электрический ток. Постоянные незначительные щумовые воздействия (около 35 дб) могут вызвать нарушения сна. К основным источникам шума относятся транспорт, различные промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Вибрация представляет собой сложный колебательный процесс с широким диапазоном частот. В городах источниками вибрации служит транспорт, а также некоторые виды производства. Длительное воздействие вибрации на организм человека может вызвать также профзаболевание, как вибрационная болезнь, проявляющаяся в изменении сосудов конечностей, нервно-мышечного и костно-суставного аппарата. Источниками электромагнитного излучения служат радио, телевизионные и радиолокационные станции, приборы, в том числе бытового назначения. Систематическое воздействие электромагнитного поля радиоволн с уровнями, превышающими допустимые, может вызвать изменения в центральной нервной системе, сердечно-сосудистой, эндокринной и других системах организма человека. Одним из основных интегральных показателей благополучия общества, в том числе и экологического, - состояние здоровья людей. В 1998 году средняя продолжительность жизни у мужчин в нашей стране снизилась до 58 лет (в промышленно развитых странах на 15-20 лет выше). По этому показателю Россия находится на 71 месте в мире. У нас ослабленных и больных примерно в 1,5 раза больше чем здоровых. Каждый 9-й ребенок рождается с дефектами, каждый 9-й житель - инвалид. Из всех выпускников школ только четверть признается практически здоровыми. Если бы при наборе в армию исходили из критериев, принятых в США, то 90% наших новобранцев было бы отбраковано по состоянию здоровья. Среди факторов риска, приведших к такому трагическому состоянию дел, экологические составляют не более 30%. В свою очередь, среди них важное место занимают те, которые имеют непосредственное отношение к глобальным изменениям характеристик биосферы, хотя и с яркой региональной окраской. ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ Лекция 6. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ План лекции: 1. Глобальные проблемы цивилизации: энергетические, демографические, продовольственные, ресурсные, парниковый эффект, озоновые дыры, кислотные дожди и др. 2. Изменение глобальных характеристик биосферы под действием антропогенных факторов 3. Характеристика основных видов загрязнения окружающей среды: физическое, химическое, биологическое В названии лекции стоит такое понятие как глобальная проблема. Глобальная проблема - это проблемы всего человечества, которые можно решить только на общечеловеческом уровне и нельзя решить локально или регионально. Это относится в первую очередь к проблеме загрязнения окружающей среды. Потому что загрязнение в локальном месте, например на Урале, в конечном итоге рано или поздно дойдет до каждого человека на Земле. Поэтому будут ли мужчины в Западной Европе в среднем жить по 74 года, зависит и от состояния окружающей среды на Урале. А теперь более подробно рассмотрим эти глобальные проблемы. Выделяют следующие: Энергетические. Казавшиеся неистощимыми такие источники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах. Ископаемое топливо при современных объемах энергопотребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть – через 40 лет, газ – через 50, уголь – через 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: за ним приходится идти все дальше на север и восток. Устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость их разработки повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если не повторять ошибок прошлого и искать альтернативные источники энергии. Демографический взрыв - численность человечества растет экспоненциально и экспоненциально увеличивается нагрузка на природу (рис. 5). Земля уже с трудом выдерживает это бремя. Подсчитано, что Земля может прокормить население не более 13 млрд.человек. Это заставляет вводить различные механизмы регуляции рождаемости. Но для России этой проблемы в настоящее время не существует, так как в этой самой большой стране в мире численность населения сокращается и находится на 5-7 местах (На первом месте Китай, далее Индия, США, Индонезия. Япония и Бразилия имеют население по некоторым данным близкое к российскому). n, млрд.чел 7 х 2020 (расчетн.) 6 х 1999 5 х 1987 4 х 1975 х 3 х 1960 х 1930 2 х х 1830 1 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Годы Рис. 5. Рост населения на планете за последние два столетия Продовольственная проблема. Эта проблема неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки и особенно Африки. Специалисты ООН считают, что число голодающих около 500 млн.человек. По другим данным это число составляет 1 млрд.человек. Еще большее число людей недоедают, т.е. испытывают недостаток в рационе питания необходимых питательных веществ (белков, жиров, витаминов, микроэлементов, солей). Эксперты Всемирной организации здравоохранения полагают, что 50% детской смертности (до 5 лет) в Латинской Америке связано с плохим питанием. Прослеживается четкая связь между смертностью новорожденных и недостатком в рационе питания животных белков. Не лучше продовольственная обстановка в странах СНГ. Голода пока нет, но дефицит важнейших элементов в питании существует во многих районах бывшего СССР. Кислотные дожди. Одним из видов загрязнения атмосферы, не признающим государственных границ, являются оксиды серы и азота. Во многих страна (в начале в Скандинавии, а затем в США, Канаде, Северной Европе, Японии и др.) ученые обнаружили, что дождевая вода, казалось бы, самая чистая в природе, содержит большое количество кислоты. Из химии же известно, что при растворении в воде оксидов серы, азота и других образуются соответствующие кислоты. В то же время предотвращение последствий кислотных дождей – это непростая проблема. Поэтому эту проблему легче предотвратить, чем затем с ней бороться. Для этого на предприятиях, выбрасывающих в атмосферу ангидриды, необходимо улучшить системы очистки отходящих газов. Исчерпаемость ресурсов - ресурсы, в первую очередь энергетические и биологические, исчерпаемы. Многие из них не восстанавливаются. Если потребление ресурсов будет продолжаться современными темпами, то их хватит очень ненадолго. Например, Россия находится на первом месте в мире по запасам черных и бурых углей. Но при современном потреблении их хватит не более чем на 300 лет. Нефти и газа нам хватит на 40-50 лет. Природные ресурсы Неисчерпаемые Исчерпаемые Возобновляемые Невозобновляемые Солнечная энергия Чистый воздух Ископаемое топливо Ветер, приливы Пресная вода Металлическое мине- ральное сырье (железо, Текущая вода Плодородная почва медь и др.) Неметаллическое мине- Растения и ральное сырье (глина, животные песок, фосфаты и др.) Рис. 6. Основные типы природных ресурсов Проблема озонового экрана Суть ее состоит в том, что ряд физических и химических агентов способствуют убыли этого газа, составляющего экран на высотах 17-22 км над поверхностью Земли. Озон защищает планету от жестких ультрафиолетовых лучей. Механизм образования озона разработан Чемпеном (1930 г.) В соответствии с ним озон возникает при воздействии жесткой ультрафиолетовой, солнечной радиации с длинами волн менее 290 нм на двухатомный кислород. При этом часть молекул последнего распадается на атомы, которые взаимодействия с О2, образуют озон. О2 + h (  290 нм) = Оо + Оо , Оо + О2 = О3. Молекула озона, взаимодействуя с квантом ультрафиолетового излучения, поглощает его, образуя двухатомный и атомарный кислород: О3 + h = Оо + О2 Атомарный кислород вновь взаимодействует с двухатомным кислородом и возмещает озон. Но этот механизм в последнее время, возможно, находится под угрозой, так как, начиная с 1985 года, появляются данные, что в атмосфере есть пространства с заметно пониженным содержанием озона. Полагают, что основной причиной утончения озонового слоя, помимо различных физико-географических факторов, служит наличие в атмосфере значительных количеств галогеноуглеродов, которые использовались в производстве и быту в качестве хладагентов, пенообразователей, растворителей и т.д. Их выбросы в атмосферу в 1985 году превысили 1,4 млн.т. Галогеноуглероды под действием света активно разрушаются в верхних слоях атмосферы с образованием атомарного хлора: CF2Cl2 + h = Cl + CF2Cl Наличие атомарного хлора обуславливает возникновение каталитической реакции разрушения озона: О3 + Cl = ClO + О2 Оо + ClO = Cl + О2 Уничтожение озона в цепных реакциях с участием ХФУ (фреонов) весьма опасно, так как длина цепей велика – одна молекула любого из них разрушает тысячи молекул озона, а в озоновой дыре над Антарктидой уровни ClO в 20-50 раз выше, чем в любом другом месте планеты. Международное сообщество, обеспокоенное сложившимся положением, приняло в 1985 году Венскую конвенцию, по которой обязало к 1996 году в два раза производство фреонов, а к 2010 году – ликвидировать полностью. Следует отметить, что не все специалисты разделяют тревогу по поводу проблемы озоновых дыр. Президент международного фонда «Экология человека» академик А.Капица утверждает, что фреоны не разрушали и не разрушают озоновый слой. В подтверждении приводится факт, что 80% выбросов фреонов происходит в Северном полушарии Земли, а основная озоновая дыра располагается над Антарктидой. Изменение глобальных характеристик биосферы, в том числе глобальное загрязнение окружающей среды. Выделяют три вида антропогенных нагрузок на природу: эксплуатация ресурсов, механические нарушения - прямые отчуждения территории под свалки, хранилища, инженерные сооружения, техногенные катастрофы, загрязнение - привнесение дополнительного вещества или энергии. Все три вида антропогенной деятельности можно охарактеризовать схемами основных воздействий горного производства на окружающую среду и факторов деградации почв (рис. 7 и 8). Воздействие горного производства на окружающую среду Прямые Косвенные Сокращение полезной площади земель Изменение режима грунтовых вод Нарушение почвенного покрова Загрязнение атмосферы токсикантами Уничтожение растительности Загрязнение природных вод Создание техногенной формы рельефа Подтопление и заболачивание Деформация грунтов и земной коры Повышение уровня заболеваемости Рис. 7. Основные типы воздействия горного производства на окружающую среду Факторы деградации почв Открытая разработка ПИ Эрозия почв Орошение и осушение Загрязнение токсикантами Вторичное засоление Пестициды Чрезмерный выпас скота Неправильная агротехника Кислотные дожди Процесс урбанизации Рис. 8. Факторы деградации и снижения плодородия почв Остановимся более подробно на загрязнении окружающей среды. Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физических агентов, химических веществ и биологических систем, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека. Выделяют. Естественное загрязнение, возникшее в результате мощных природных процессов без какого-либо влияния человека. К естественным источникам загрязнения относятся вулканы, выбрасывающие сернистый ангидрид, фтор, тяжелые металлы; просачивание нефти из земной коры в гидросферу; продуцирование биотой определенного вида загрязнителей, например, на болотах продуцируется так называемый диоксин, действие которого может вызывать онкологические заболевания. Антропогенное загрязнение – являющееся результатом деятельности человека, иногда по масштабам воздействия превосходящее естественное. К антропогенным источникам относятся: промышленные предприятия, выбрасывающие огромное число загрязнителей; транспорт, выбрасывающий свинец, оксиды азота и углерода; сельское хозяйство, загрязняющее в первую очередь воду ядохимикатами и удобрениями; техногенные аварии, выбрасывающие залпом огромные количества промышленных отходов, нефти и газа; население, сбрасывающее в свалки и водоемы бытовые отходы. Различные типы загрязнения подразделяются на три основных: физическое, химическое, биологическое (рис. 9). ЗАГРЯЗНЕНИЕ Физическое Химическое Биологическое Тепловое Аэрозоли Биотическое (биогенное) Шумовое Химические вещества Микробиологическое Электромагнитное Тяжелые металлы Генная инженерия Световое Пестициды Радиоактивное Пластмассы СПАВ Рис. 9. Основные типы загрязнения окружающей среды Физическое загрязнение связано с изменением физических, температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды. Так тепловое воздействие проявляется в ухудшении режима земной поверхности (термокарст, солифлюкция, наледи и др) и условий жизни людей. Источниками теплового загрязнения в пределах городской территории служат: подземные газопроводы промышленных предприятий (140-160 С), теплотрассы (50-150 С), сбросные коллекторы и коммуникации (35-45 С), плохая термоизоляция домов и т.д. Сюда относятся воздействие шума и электромагнитное излучение, причем источником последнего служат высоковольтные линии электропередач, электроподстанции, антенны радио и телепередающих станций, а в последнее время текже микроволновые печи, компьютеры и радиотелефоны. Установлено, что при длительном воздействии электромагнитных полей у здоровых людей повышается утомляемость, головные боли, чувство апатии и др. Тепловое загрязнение. К тепловому загрязнению относится микроклимат города - в нем всегда теплее, чем за городом. Это приводит к нарушению биологических циклов, повышенной влажности, тянет к себе жителей лесов и полей. Так ли это хорошо? А нашествие мышей? А бешенные лисы? Также известно, что в этих условиях вирусы живут гораздо дольше. В экологической литературе приводится пример города, построенного на вечной мерзлоте. Мерзлота тает. Город начинает разрушаться. Но тает не только под городом, но и рядом. А оттаявшая мерзлота - это каша, на которой ничего не растет, т.е. идет опустынивание. Кроме этого сброс теплых вод вызывает понижение концентрации кислорода и углекислоты. Это изменяет структуру экосистем, что может вызвать исчезновение многих видов рыб, растений и животных. Но тепловое загрязнение может привести к глобальному потеплению. А это таяние льдов и повышение уровня мирового океана. Но этот процесс идет не только за счет теплового загрязнения, но и за счет, так называемого парникового эффекта. Есть и другое направление движения средней температуры. В сторону похолодания. А происходит это за счет того, что идет помутнение нашей атмосферы, лучи Солнца хуже проникают на Землю. А это ведет к похолоданию. То есть срабатывает принцип Ле-Шателье. Всякая система борется с внешним воздействием в сторону его уменьшения. Химическое загрязнение – увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение в нее химических веществ, не свойственных ей или в концентрациях превышающих норму. По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, причем их арсенал ежегодно пополняется еще 250 тыс. новых соединений. По оценке Всемирной организации здравоохранения, в мире около 600 млн. человек подвержены воздействию атмосферы с повышенной концентрацией диоксида серы и более 1 млрд. – с вредной для здоровья концентрацией взвешенных веществ. Действующий фактор химического загрязнения - химическое взаимодействие веществ с живыми организмами. Выбрасываемые при производстве химические вещества называются полютантами. Их могут называть загрязнителями и загрязняющими веществами. Так же применимо выражение токсикант - вещество, оказывающее токсичное действие. Основные виды загрязняющих химических веществ: газообразные: углекислый газ, угарный газ, органические соединения (бензопирены, формальдегиды и т.д.), сернистый ангидрид, сероводород, оксиды азота (например, веселящий газ), аммиак и другие; твердые: тяжелые металлы, кальций, органические соединения (пестициды, хлор и фторорганические и др.), классические яды (например, цианиды, которые используются не только для отравления людей, но и при добыче золота); жидкие: к ним относятся все перечисленные мною вещества в растворенной форме, а также нефть, фенолы диоксины. К химическому относится также и радиоактивное загрязнение. Его специфика заключается в том, что очень низкие концентрации химических веществ оказывают сильное биологическое действие из-за излучения. Различают естественные радионуклиды (например углерод 14, калий 40 и др.) и искусственные (стронций 90, цезий 137, иод 131, плутоний 239 и др.), а также альфа, бетта и гамма излучатели. Источники радиоактивного загрязнения: продукты испытаний ядерного оружия, выбросы радиоактивных веществ во время аварий (Чернобыль, ВУРС и т.д.), плановые и аварийные выбросы предприятий атомной энергетики, выбросы в атмосферу и водные объекты радиоактивных веществ с предприятий атомной промышленности во время нормальной эксплуатации, привнесенная радиоактивность - завезенная к нам с урановыми концентратами и радиоактивными отходами. Остановимся еще на основных механизмах действия излучения: прямое поражение клетки - разрыв ее мембраны, гибель клетки - лучевая болезнь; встраивание в ДНК, повреждение ее, и последующая мутация - образование раковых опухолей; появление мутантов грибов, животных и т.д. образование свободных радикалов химически активных соединений, которые вызывают повреждение клеток. Различные группы организмов по разному реагируют на радиоактивность: наиболее устойчивы бактерии, менее - членистоногие, далее идут птицы; самые чувствительные - млекопитающие, в том числе человек. Биологическое загрязнение – случайное или связанное с деятельностью человека проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства чуждых им растений, животных и микроорганизмов; часто оказывает негативное влияние при массовом размножении пришлых видов. Лекция 7. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ План лекции: 1. Общие положения охраны природной среды при хозяйственной деятельности 2. Экологические принципы охраны и рационального природопользования 3. Законы Коммонера 3. Ресурсный цикл использования природных благ человеком 5. Экологизация технологий 6. Инженерные природоохранные мероприятия 7. Задачи инженерной экологии в обеспечении рационального природопользования Известно, что прежде чем начать заниматься охраной окружающей среды, определиться с направлением рационального использования природных ресурсов, необходимо знать от чего защищать природу и где происходит непомерное варварское расходование ресурсов. А для этого необходимо знать, какие загрязнители и где наносят серьезный непоправимый урон окружающей среде. Эту задачу решает такая операция, а с ней и наука, как мониторинг. Мониторинг - это английское слово. Переводится как наблюдение. На стадии мониторинга осуществляется наблюдение за состоянием природной среды, выявляются неблагоприятные объекты, фиксируются основные загрязнители. На основании данных мониторинга разрабатываются инженерно-технические средства, рекомендации и технологии по защите и улучшению среды обитания. Сам мониторинг активно не вмешивается в технологические процессы. Провозглашение приоритета экологии над экономикой, которое в настоящее время декларируется нашими политиками, означает, что охрана природной среды становится принципом любой деятельности любой хозяйственной единицы. Этот принцип утверждает обязательность «экологизации» всей экономической жизни. Поэтому экологические требования должны относиться ко всем стадиям и звеньям хозяйственного процесса: доэксплуатационным, эксплуатационным и послеэксплуатационным (рис. 10). СТАДИИ ХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОЦЕССА ДОЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ПОСЛЕЭКСПЛУАТАЦОННАЯ -размещение объекта -паспортизация -выход продукции -подготовка проекта -установление нормативов -размещение отходов -экологическая выбросов экспертиза -разрешение на выброс -строительство -экологический контроль -приемка в эксплуатацию Рис. 10. Стадии хозяйственного процесса Так на чем же должны тогда развиваться основные принципы охраны и рационального использования природы. Они базируются на 4 законах экологии, которые называются законами Б. Коммонера. Первый закон – все связано со всем, то есть все в природе взаимосвязано. Второй закон – все должно куда-то деваться, то есть все течет. Третий закон – природа знает лучше, то есть без изучения законов природы в нее вторгаться нельзя, можно наделать много глупостей. Четвертый закон – ничего не делается даром, то есть если, что-то взял из природы, то это нужно компенсировать. Это главные принципы, которые необходимо закладывать в любую, даже природоохранную, технологию, тогда мы будем жить в мире с природой, и может наступить такой момент, когда такая наука как охрана окружающей среды органически вольется в человеческую жизнь и все технологии будут экологически чистыми. Но пока охрана окружающей среды это сфера деятельности человека, в процессе которой создается безопасная для здоровья человека среда, из которой будут исключены такие явления, как нерациональная эксплуатация ресурсов, военные действия и другие негативные последствия антропогенного происхождения. Главные задачи, решаемые в данной области, заключаются в следующем: • в улучшении среды обитания человека, • сохранении природы и природных ресурсов, • управлении природными ресурсами, • в изменении отношения человека к биосфере в целом и его поведения в частности. Но эти задачи требуют осуществления дополнительных мероприятий по поддержанию экологического равновесия. То есть, чтобы ни один из видов не исчез, чтобы человек жил в этих условиях достаточно комфортно. Важным понятием в процессе использования природных благ является ресурсный цикл, под которым понимается совокупность превращений и пространственных перемещений определенных веществ на всех этапах его использования. В ресурсный цикл, включаются (рис. 11): выявление природного ресурса необходимого человеку, подготовку и эксплуатацию его источника, возвращение в природную среду. Более 90% извлеченных из природной среды элементов возвращаются в нее в виде отходов и выбросов в более активной химической форме. В результате происходит непрерывное повышение регионального и глобального фона по многим токсичным компонентам. Не умея использовать природные ресурсы достаточно полно, человек вынужден в убыстряющемся темпе вовлекать в производство все новые ресурсы, создавая замкнутый круг, который необходимо разорвать. В качестве примера нерационального использования природных ресурсов можно привести добычу, переработку и потребление золота. Руда считается золотой, если она содержит более 2 г/т золота. Так вот, чтобы произвести 1 кг золота сколько нужно добыть руды и породы (например, на Березовском руднике). Нет не 500 т, а почти 5 тыс.т. Из них не менее 1200 т руды. Так как руда соседствует с вмещающей породой, вскрышной породой. Вскрышную породу везут в отвалы. Но и она содержит золота до 0,5 г/т. Итак в отвал мы отправили 3800 т породы и в ней 1,9 кг золота. Затем руду подвергают обогащению. В хвосты обогатительной фабрики из этой руды направлено 1110 т и почти 1 кг золота. То есть в отвалы мы направили почти 3 кг золота, чтобы получить 1 кг. Будет получено 10 кг концентрата с содержанием более 100 г/т золота, который затем подшихтовывают на медеплавильном комбинате (например, на СУМЗе) к медному концентрату и золото переходит в черновую медь. Затем на стадии электролиза (в Уралэлектромеди в г. В-Пышма) меди получают золотой шлам, который направляют на аффинажный завод (например, Свердловский завод ОЦМ) где получают золотой слиток в 1 кг, который направляют в Гохран и он лежит там как показатель благосостояния страны. Из этого 1 кг на всякие ювелирные украшения и производство направляют не более 15 г. То есть фактически перелопачивается 5 тыс.т породы, чтобы воспользоваться 15 г химического элемента. А чтобы получить следующий килограмм золота мы должны пройти всю ту же цепочку технологии. Пора, конечно, начать перерабатывать уже добытую породу. Но это не так-то просто. Можно вообще перестать добывать золото, если воспользоваться тем, что добыто и лежит в Гохране. И тогда мы не будем загрязнять окружающую среду. Ведь на многих этапах производства золота применяют такой классический яд как цианид, а это бесследно для окружающей среды не проходит. Поэтому это производство, как и любое другое должно быть тесно связано с охраной среды обитания и природных ресурсов (очистка воды, загрязненного воздуха, рекультивация земель, надежное захоронение токсичных отходов) как один из путей ликвидации загрязнения водного и воздушного бассейнов. Природные ресурсы (ПР) Извлеченные ПР ПР оставленные в месторождении Потери Транспортировка Производство Потери при транспортировке Потери Отходы Продукция Износ Коррозия Потери Потери Продукция вышедшая из употребления Рис. 11. Ресурсный цикл использования природных благ человеком Таким образом, охрана природы должна быть тесно связана с производством; она должна служить основой самой технологии, т.е. охрана окружающей среды является составной частью процесса производства. Охрана природы осуществляется активными методами (которые непосредственно связаны с изменением в технологии производства) и пассивными, которые не вносят изменение в технологию, применяются лишь нейтрализация или ограничение вредного воздействия (это организация санитарно-защитных зон, водоохранных зон, заповедников, заказников). Важнейшими принципами рационального природопользования являются: • соответствие характера и способов использования природных ресурсов конкретным местным условиям • предвидение и максимально возможное предотвращение негативных последствий природопользования • сохранение научных и эстетических ценностей • соблюдение целесообразной, экономически обоснованной очередности хозяйственного использования природных ресурсов • комплексный характер использования природных ресурсов в отраслях народного хозяйства • малоотходные и безотходные технологии • уменьшение или устранение потерь полезных ископаемых при их добыче, обогащении и переработке • всемерная экологизация общественного производства. Инженерные природоохранные мероприятия Природоохранные мероприятия можно классифицировать по двум основным направлениям: 1.Мероприятия, проводимые с целью предотвращения негативных воздействий на окружающую среду 2.Мероприятия направленные на ликвидацию последствий вредных воздействий. К первой группе относятся: • совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных и безотходных технологий • изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов • установка очистных сооружений с последующей утилизацией улавливаемых отходов • комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением среды • научно-исследовательские и научно-технические разработки, результаты которых делают возможным внедрение перечисленных выше мер. Ко второй группе относятся: • строительство высоких и сверхвысоких труб, выпусков сточных вод различных конструкций для оптимизации условий разбавления и др. • нейтрализация выбросов, их захоронение и консервация • доочистка используемых ресурсов перед поступлением потребителю • устройство санитарных охранных зон вокруг промышленных предприятий и на водных объектах, озеленение городов и поселков • оптимальное расположение промышленных предприятий и автотранспортных магистралей для минимизации их отрицательного воздействия • рациональная планировка городской застройки с учетом розы ветров и шумовых нагрузок • оптимизация и экологизация промышленных производственных циклов. Модификация технологических циклов с учетом экологических требований, очистка промышленных выбросов и сбросов - задачи инженерной экологии По отношению к отходам производства у инженерной экологии существует два противоположных подхода: • разбавить, рассеять и выбросить - разбавляя выбросы и сбросы можно добиться соблюдения нормативов, но это до конца проблему не решит • сконцентрировать, нейтрализовать и захоронить - единственный экологический путь. У инженерной экологии можно выделить следующие пути развития технологий: • повышение комплексности переработки природного сырья с уменьшением общего количества отходов производства • внедрение технологических схем с полным кругооборотом воды и резким сокращением затрат свежей воды из природных источников • создание энерготехнологических комплексов, в которых производство продукции сочетается с утилизацией энергетических ресурсов • применение более совершенных технологических режимов и оборудования, а также технологических схем • разработка принципиально новых технологий. Однако в нашей стране преобладают технологии с большим количеством отходов, многие из которых обладают повышенной токсичностью. В этом случае особую актуальность приобретают проблемы их обезвреживания. Выбор методов обезвреживания во многом зависит от вида отходов. Лекция 8. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ План лекции: 1. Основы экологического права как основы охраны природной среды при хозяйственной деятельности 2. Источники и структура природноресурсного и природоохранного права 3. Формы управления охраной природы и природопользованием 4. Экологический контроль 5.Мониторинг окружающей среды 6. Экологическая экспертиза 7. Профессиональная и юридическая ответственность физических и юридических лиц Известно, что за всю историю существования человечество научилось использовать в среднем 2-5% исходного сырья. Остальная масса вещества превращается в отходы. В России ежегодно образуется 5-7 млрд. т отходов производства и потребления. Под их складирование выведено из оборота более 1 млн. га плодородных земель. Ежегодная прибавка токсичных отходов составляет 50 млн. т. Таких отходов накоплено свыше 1000 млн. т. Под действием промышленных выбросов, выхлопов транспортных средств и отходов потребления загрязняется атмосферный воздух, почвы и водные источники. Во многих регионах страны эти загрязнения достигли крайне опасного уровня. Часть промышленных регионов страны, в том числе г. Н-Тагил, объявлены зонами экологического бедствия. Под серьезной угрозой оказались здоровье людей и наш генофонд. Сложившаяся ситуация во многом обусловлена недостатками государственной системы управления природопользованием и охраной окружающей среды. В настоящее время эта система основывается на отчетных данных предприятий о воздействии на окружающую среду. Это в основном формы отчетности 2-ТПводхоз, 2-ТПвоздух, 2-ТПотходы. Однако полнота этих данных не превышает 15-20%, а достоверность желает лучшего. Кто же покажет на себя, что он является злостным загрязнителем окружающей среды. В этих отчетных данных не учитываются залповые и аварийные сбросы, неорганизованное размещение и захоронение отходов, диффузный или рассеянный сток и др. Но, даже зная о неблагоприятном состоянии окружающей среды в районе действия того или иного предприятия, администрация добровольно не приступит к осуществлению мероприятий по снижению ее загрязнения, потому что любые природоохранные технологии требуют вложения немалых средств. Поэтому в нашей, и других странах и на международном уровне существует специальное экологическое законодательство, на основании которого регламентируется порядок установления нормативных величин, лимитирующих вредное воздействие на окружающую среду и осуществляется управление природопользованием и охраной окружающей среды. Мировая практика свидетельствует о том, что без достаточно развитой системы управления экологическими видами деятельности предотвратить необратимую деградацию окружающей среды невозможно. Развитие этой системы должно основываться на следующих основных принципах: • опора на современный научно-технический потенциал, • приоритетное развитие нормативно-правовой базы, • развитие общественного движения в защиту природы, • неизбежность поэтапного решения экологических задач в соответствии с экономической и организационной подготовленностью страны, • необходимость достаточного информационного обеспечения экологического движения, • экологическое образование, • становление отечественного экологического движения как части международного. Среди методов управления можно выделить административные, нормативно-правовые, экономические и организационно-хозяйственные. Выработка и принятие решений должны базироваться на достаточно развитой системе контроля. При этом необходимо разделить контрольно-надзирательские и организационно-хозяйственные функции контроля. В данном случае мы не будем останавливаться на административных методах управления. Они достаточно быстро меняются и зависят от государственного устройства, отношения к собственности и других. Остановимся же на нормативно-правовых методах управления. В данном случае на экологическом праве. Экологическое право, воплощенное в законы и нормативы, является базовым компонентом государственной системы управления экологическим движением через государственных деятелей, прокуратуру, судебные органы, организации по охране окружающей среды, Госстандарт России, МПР, МЧС, общественные организации. Основными правовыми документами в области экологии являются Конституция РФ (ст. 2, 7, 9, 20 ч.1, 35, 36, 42, 53, 58), Закона РФ “Об охране окружающей среды” от 1991 г., Закона РФ “О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения”, Закона РФ “О плате за землю”, “Основы законодательства РФ об охране здоровья граждан”, “Основы лесного законодательства”, Закона РФ “О недрах”, Федеральный закон “О природных лечебных курсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах”, “Об особо охраняемых территориях”, “Об охране атмосферного воздуха”, “О животном мире”, Водный кодекс РФ, “Об экологической экспертизе” “О континентальном шельфе”, Гражданский кодекс РФ (ч.1, гл. 17), Указы Президента РФ и постановления правительства. Источниками экологического права являются также многочисленные нормативно-правовые акты органов власти и управления на региональном и местном уровнях, а также подзаконные акты ведомственных органов управления. Право граждан РФ на благоприятную окружающую среду основано на ст. 2 “Человек - высшая ценность” и ст. 20 “Каждый имеет право на жизнь” Конституции РФ. Это право состоит из права на благоприятную окружающую среду, социальную и природную, на достоверную информацию, о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного здоровью или имуществу экологическими правонарушениями. Но у нас есть не только права, но и обязанности. Уравновешивание прав и обязанностей является важнейшим принципом правовой политики государства в области экологии. Поэтому законодательное закрепление за гражданами России их прав сопровождается развитием соответствующих статей уголовного кодекса с выделением экологических преступлений в самостоятельную главу. Важнейшим источником отечественного экологического права является международная система сотрудничества, включая международное экологическое право - это система общепринятых принципов и норм, регулирующих согласованные межгосударственные общественные отношения по сохранению природной среды и рациональному использованию природных ресурсов, защите прав человека на благоприятную для жизнедеятельности людей природную окружающую среду. Экологическое право - это взятые во взаимосвязи и взаимозависимости природноресурсное и природоохранное право. Природноресурсное право - система юридических норм, регулирующих общественные отношения по рациональному использованию природных ресурсов с целью удовлетворения потребностей, прав и законных интересов различных природопользователей (природноресурсные отношения). Природоохранное право - система юридических норм, регулирующих общественные отношения по сохранению, воспроизводству и изучению окружающей природной среды, включая оздоровление, т.е. предупреждение и устранение последствий его хозяйственной деятельности (природоохранные отношения) Следовательно, с позиции права основными формами использования природы человеком являются: потребление природных ресурсов и охрана природной среды обитания человека. Кроме государственных, экологическое право предусматривает негосударственные формы защиты окружающей среды трудовыми коллективами, общественными организациями, национальными отделениями ГРИНПИС, различными неформальными объединениями. Все виды объектов правовой охраны окружающей среды могут быть разделены на три группы - глобальные, отдельные природные компоненты и особо охраняемые территории. Глобальные - это: естественные экологические системы Земли, озоновый слой атмосферы, атмосферный воздух, генетический фонд, микроорганизмы. Отдельные природные компоненты - земля (почва), недра Земли (ниже уровня почвы), лес и иная растительность, воды, животный мир. Особо охраняемые территории и объекты природы - территории особого назначения (заповедники, парки, ботанические сады, заказники), памятники природы, лечебно-оздоровительные местности (курорты, лечебные ресурсы, оздоровительные местности), местности рекреационного значения (для туризма, для массового отдыха, зеленые защитные зоны). Схема форм управления природопользованием и охраной окружающей среды заключается в следующем (рис. 12): Экологический контроль содержит следующие составные элементы: • государственный экологический контроль • государственный экологический мониторинг • государственная экологическая экспертиза • производственный экологический контроль • общественный экологический контроль • оценка воздействия любой планируемой деятельности на окружающую среду. Государственный и общественный экологический контроль - это процессы сбора и преобразования информации о состоянии, естественных и антропогенных изменениях окружающей среды, а также принятия решения. Государственный мониторинг - многоцелевая информационная система, в задачи которой входит наблюдение, оценка и прогноз антропогенного воздействия на окружающую среду и состояния окружающей среды. Экологическая экспертиза - она осуществляет оценку проектной и других видов документации, обосновывающих хозяйственную или иную деятельность, которая способна оказать прямое или косвенное воздействие на окружающую среду. В содержание экологической экспертизы входят научная, нормативная, санитарная и правовая оценка соответствия проверяемой документации экологическим требованиям. Важной функцией экологического права является регулирование отношений собственности, устанавливающих права владения, пользования и распоряжения. Экологическим правом устанавливается эколого-правовая ответственность, классификация которой приведена на рис 13: Формы управления Управление природопользованием Красная книга - международная, России, Республик, краев, областей Кадастр - количественный и качественный учет (оценка) природных ресурсов и вторичного сырья - земельный, водный, лесной, животных, полезных ископаемых, заповедных объектов, лечебно- оздоровительных ресурсов Федеральный реестр потенциальных опасных веществ Другие документы Управление охраной природной среды Экологический мониторинг и контроль Нормирование качества окружающей среды Экономические методы управления природопользованием и охраны окружающей среды Рис. 12. Формы управления природопользованием и охраной окружающей среды Эколого-правовая ответственность По видам По способам По применяемым По степени Иные природных причинения санкциям общественной классифи- ресурсов вреда опасности кации земля экологические экологические вода проступки преступления воздух леса все природные богатства, служащие интересам человека, включая природные ландшафты, микроорганизмы и т.д. Рис. 13. Схема эколого-правовой ответственности физических и юридических лиц Среди способов причинения вреда различают порчу, загрязнение, истощение, повреждение и уничтожение. При этом экологическим правом устанавливаются виды и порядок возмещения причиненного экологической среде ущерба. По способам применения санкций различают следующие виды эколого-правовой ответственности: уголовная (применяется к физическим лицам) административная (применяется к физическим и юридическим лицам) гражданско-правовая (применяется к физическим и юридическим лицам) дисциплинарная ( применяется к физическим лицам) материальная (применяется к физическим лицам). Таким образом, экологическое право представляет собой развитую многоэлементную систему охраны окружающей среды, предусматривающую активное участие государственных властных структур, правоохранительных органов, учреждений и организаций исполнительной власти, общественных организаций и отдельных граждан. В природоохранную деятельность вовлекаются все уровни управления: федеральный, региональный и местный. Лекция 9. НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ План лекции: 1. Нормирование качества окружающей среды 2. Санитарно-гигиеническое нормирование 3. Нормирование загрязняющих веществ в воздухе, водных объектах, почве 4. Экологическое нормирование 5. Регламентация выбросов загрязнений в окружающую среду На рис. 12 предпоследним пунктом значится нормирование качества природной среды. Решение вопросов нормирования качества природной среды основывается на различаемых в правовом порядке видах качества регионов: • экологически благополучные зоны • зоны повышенного экологического риска • зоны чрезвычайной экологической ситуации • зоны экологического бедствия. Эти зоны устанавливаются на основании установленных норм ПДК, ПДВ, ПДС и возможности их достижения. Имеются специальные таблицы, по которым можно четко установить, к какой зоне относится эта территория. Эти данные сейчас не являются достоянием широкой гласности населения, что, конечно, является прямым нарушением Российского экологического законодательства. Наиболее важные нормативы качества окружающей среды и процедур по ее защите закреплены в виде строительных норм и правил (СНиП), в виде государственных стандартов России (ГОСТ Р) и санитарных правил и норм (СанПиН). Нормирование качества окружающей среды – это центральная идея Закона по охране окружающей природной среды (ООПС). Этому вопросу закон отводит самостоятельный четвертый раздел (ст. 25-34). Нормативы лежат в основе измерения баланса экологических и экономических интересов человека. Они необходимы для создания гармоничных эколого-экономических систем. Закон определяет меру разумного сочетания интересов – это предельно допустимые уровни антропогенных воздействий, превышение которых создает опасность для природной среды и здоровья человека. Нормативы качества окружающей среды должны отражать требования к ней различных потребителей и обеспечивать сохранение экологического равновесия в природных экосистемах в пределах их саморегуляции. Норматив становится юридически обязательным с момента утверждения его компетентными органами: Госкомсанэпиднадзором и Министерствами природных ресурсов и здравоохранения. Разработка нормативов ведется в трех направлениях: гигиеническое и экологическое нормирование, а также регламентация объемов загрязнений, поступающих в окружающую природную среду. Санитарно-гигиеническое нормирование – это деятельность по установлению предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК – это такие концентрации вредных веществ, которые практически не оказывают влияния на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства. Кроме этого устанавливаются ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) или временно допустимые концентрации (ВДК) – как этап в установлении ПДК для веществ о вредном воздействии которых не знали или они получены на новом производстве. Нормируется ПДК в воздухе, воде и почве. Нормирование загрязняющих веществ в воздухе Различают ПДК рабочей и жилой зон. Под ПДКрабочей зоны следует понимать такие концентрации различных токсичных химических веществ, содержащихся в воздухе в виде газов, паров и пыли, которые при ежедневном воздействии в течение рабочего дня (при 41 часовой рабочей неделе) не вызывают патологических изменений или заболеваний у работающего и его детей. ПДКжилой зоны - это предельная концентрация, которая на протяжении жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом. В России действует система санитарно-гигиенического нормирования, основанная на установлении ПДК вредных веществ в воздухе, утверждении их в Минздраве и учет их в СанПиНе. В качестве основного показателя опасности загрязнения воздуха принята весовая концентрация примесей, мг/м3. При этом ПДК устанавливаются по двум показателям - максимально разовая и среднесуточная. Первая из них определяет степень кратковременного (30 минутного) воздействия примеси на организм человека, вторая - допустимую степень загрязнения воздуха в течение длительного периода без строгого фиксирования его продолжительности. При комбинированном воздействии нескольких веществ учитывают сумму их вредного воздействия. При этом должно выдерживаться следующее неравенство (формула Черкинского): С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ... + Сn/ПДКn  1 При проектировании или строительстве предприятий в районах, где воздух уже загрязнен, необходимо выбросы предприятия нормировать с учетом присутствующих примесей, т.е. фоновых концентраций. Фоновая концентрация – концентрация загрязняющего атмосферу вещества, создаваемая всеми источниками естественного и антропогенного воздействия, исключая рассматриваемые. Нормирование загрязняющих веществ в водных объектах Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как вода, в которой полностью отсутствует данное вещество. При нормировании качества воды водоемов ПДК устанавливается по лимитирующему признаку вредности (ЛПВ) – признаку вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией. Кроме этого ПДК устанавливается по органолептическому и токсикологическому признакам вредности. ПДК устанавливаются для водоемов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения. В качестве основного показателя опасности загрязнения воды принята концентрация примесей, измеряемая в мг/л. При комбинированном воздействии нескольких веществ также как и для воздуха учитывают сумму их вредного воздействия, используя неравенство (формулу) Черкинского: С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + ... + Сn/ПДКn  1 Нормирование загрязняющих веществ в почве Загрязняющие вещества нормируются: 1) в пахотном слое почвы сельскохозяйственных угодий; 2) в почве территорий предприятий; 3) в почвах жилых районов в местах хранения бытовых отходов. ПДКпочвы – это концентрация химического вещества (мг/кг) в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы. ПДК устанавливается в зависимости от допустимой остаточной концентрации (ДОК) в пищевых, кормовых растениях и в продуктах питания. ДОК- это максимальное количество вещества в продуктах питания, которое, поступая в организм в течение всей жизни, не вызывает никаких нарушений в здоровье людей. Предельно допустимое количество отходов на территории предприятия – это такое их количество, которое можно разместить при условии, что выделение вредных веществ в воздух не превысит 0,3 ПДК этих веществ, установленных для воздуха рабочей зоны. Содержание ядовитых соединений в отходах определяет класс их опасности. Кроме перечисленных ПДК, Законом ООПС предусмотрено нормирование предельно допустимых уровней (ПДУ) шума, магнитных полей, радиационного воздействия, применения химикатов в сельском хозяйстве, остаточных количеств химических веществ в продуктах питания и другой продукции. Экологическое нормирование Цель санитарных и токсикологических норм – охрана здоровья населения и отдельных популяций живых организмов. Задача же экологического нормирования – обеспечение благополучия экологической системы в целом, в том числе и здоровья человека, т.е. сохранение установившегося в природе равновесия в пределах возможной саморегуляции. Экологические нормативы должны разрабатываться на локальном и региональном уровнях, обеспечивая тем самым экологическое равновесие в глобальном масштабе. При этом вводится понятие ЭДК - экологически допустимая концентрация. ЭДК- это экологически допустимая концентрация вредных веществ в окружающей среде, поступающих от различных антропогенных источников и не нарушающих гомеостатические механизмы саморегуляции экосистем. На основе ЭДК можно рассчитывать экологически допустимые нагрузки (ЭДН) – это та мера, которая позволит обеспечить баланс экологических и социально-экономических интересов человека. ЭДН по другому называют ПДВВ – предельно допустимое вредное воздействие. Регламентация выбросов загрязнений в окружающую среду Предельно допустимый выброс в атмосферу (ПДВ) - это количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени, которое в сумме с выбросами других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающих ее ПДК. Сущность введения ПДВ состоит в том, что при существующих методах сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в атмосферу. Вместе с тем можно уменьшить их выбросы до установленного предела путем разбавления чистым воздухом. Здесь есть лазейка для так называемой технологии “высоких труб”. Если ПДК и ПДВ предприятием не могут быть достигнуты, а продукция нужна, то устанавливают временно согласованные выбросы (ВСВ). ВСВ – утвержденный поэтапно снижаемый норматив мощности выброса вредного вещества из действующего источника загрязнения атмосферы, устанавливаемый на уровне выбросов предприятий с наилучшей технологией производства или на уровне предприятий, аналогичных по мощности и технологическим процессам. Предельно допустимый сброс (ПДС) - это количество вредных веществ в сточных водах, сбрасываемых в единицу времени, которое допустимо к отведению в данном пункте водного объекта с целью обеспечения норм качества воды (ПДК) в контрольном пункте (створе). Сущность введения ПДС состоит в том, что при существующих методах сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в гидросферу. Вместе с тем можно уменьшить их вредное воздействия до установленного предела путем разбавления чистой водой. Здесь есть лазейка для сброса ненормативно очищенных вод, которые путем разбавления в водном объекте в контрольном створе будут иметь содержание вредного компонента на уровне близком к ПДК. Но в этом случае река от места сброса до контрольного створа будет значительно загрязнена. Лекция 10. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОХРАНЫ АТМОСФЕРЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ План лекции: 1. Источники загрязнения атмосферы 2. ПДК как основной критерий качества атмосферного воздуха 3. Классификация источников загрязнения 4. Расчет концентраций вредных веществ в атмосфере 5. Инвентаризация выбросов вредных веществ в атмосферу 6. Санитарно-защитная зона На предыдущих лекциях были показаны причины и основные источники загрязнения атмосферы. Загрязнение атмосферы – привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами. Источники загрязнения атмосферы приведены на рис. 14. Источники загрязнения атмосферы Естественные Искусственные (антропогенные) Пыльные бури Промышленные предприятия Вулканы Транспорт Лесные пожары Теплоэнергетика Выветривание Отопление жилищ Разложение живых организмов Сельское хозяйство Рис. 14. Источники загрязнения атмосферы Также было показано, что на промышленных предприятиях, на транспорте, да и в естественных условиях образуются газы, по своему составу значительно отличающиеся от воздуха, которые затем поступают в атмосферу. Поэтому их называют отходящими. Отходящими называют газы, по своему составу значительно отличающиеся от воздуха и поступающие в атмосферу с промышленных предприятий, транспорта бытовой деятельности человека. Дополнительные вещества, которые содержатся в этих газах, называются загрязнителями. В отходящих газах вредные примеси представлены взвешенными частицами твердых (пыль, дым) и жидких (туман) веществ, а также газами и парами. От вида примесей зависят методы очистки газов. Но для того чтобы чистить газ производственника или другого загрязнителя атмосферы нужно еще заставить это делать, потому что любая очистка стоит денег и немалых. Поэтому в России и в других странах, и на международном уровне существует специальное законодательство, стандарты и санитарные нормы, до которых необходимо осуществлять эту очистку. В России действует закон “Об охране атмосферного воздуха”, который регламентирует порядок установления нормативных величин, лимитирующих вредное воздействие на атмосферный воздух химических, физических и биологических факторов. Для его выполнения разработаны государственные стандарты из серии “Охрана природы. Атмосфера”. Они включают ГОСТы по контролю качества воздуха населенных пунктов, установлению допустимых выбросов (Например, ГОСТ 17.2.3.01-78). Закон также регламентирует размещение, проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию предприятий и других объектов, влияющих на атмосферный воздух. Для оценки же санитарного состояния воздушной среды, как было показано на предыдущей лекции, применяются следующие показатели: ПДК химических веществ в воздухе рабочей зоны, населенных мест (среднесуточная), максимально разовая; ВДК (временная допустимая концентрация) химических веществ в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе; ПДВ (предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в атмосферу). В зависимости от ПДК в рабочей зоне все химические вещества разделены на 4 класса опасности: 1 класс - чрезвычайно опасные (ПДК менее 0,1 мг/м3), 2 класс - высокоопасные (ПДК от 0,1 до 1,0 мг/м3 ), 3 класс - умеренно опасные (ПДК от 1,0 до 10 мг/м3) и 4 класс - малоопасные (ПДК более 10 мг/м3). ПДК в рабочей зоне, максимально разовая, среднесуточная и класс опасности некоторых веществ приведен в таблице 1. Таблица 1 Предельно допустимые концентрации некоторых веществ в воздухе, мг/м3 Вещество ПДК в рабочей зоне ПДК средне суточная ПДК макс. разовая Класс опасности Азот диоксид 5 0,04 0,085 2 Аммиак 20 0.04 0.2 4 Ангидрид сернистый 10 3 Ацетон 200 0,35 0,35 4 Взвешенные вещества 0,15 0,5 3 Железа оксид 0,04 - 3 Кислота азотная 0,15 0,4 2 Кислота серная 1 0,1 0,3 2 Медь 0,5 0,001 - 2 Мышьяк 0,003 - 2 Нафталин 20 0,003 0,003 4 Озон 0,1 0,03 0,16 1 Полиэтилен 10 - - 3 Ртуть металлическая 0,005 0,0003 - 1 Сажа 4 0,05 0,15 3 Свинец 0,007 0,0003 - 2 Сероводород 10 0,008 0,008 2 Спирт метиловый 5 0,5 1 3 Спирт этиловый 1000 5 5 4 Угарный газ 20 3,0 5,0 4 Углерода оксид 3 5 4 Фенол 0,3 0,003 0,01 2 Хлор 1 0,03 0,1 2 Источники загрязнения атмосферы также классифицируются: 1.По пространственным параметрам • точечные – дымовая труба, вентиляционная вытяжка и т.п.; размерами точечного источника можно пренебречь; • линейные – дороги, конвейеры и т.д.; шириной линейного источника можно пренебречь; • площадные – поверхность карьеров, отвалов, хвостохранилищ и др.: размерами площадного источника пренебрегать нельзя. 2.Организованные и неорганизованные - организованный источник – использует специальные устройства отвода и концентрации загрязнителя – трубы, воздуховоды и т.д.; - неорганизованный источник – не имеет специальных устройств, выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленного потока газов. К ним относятся карьеры, отвалы, шламохранилища, горное оборудование – экскаваторы, бульдозеры, автосамосвалы и т.д. Неорганизованные источники наиболее трудны в оценке количества, качества выбросов и зон их влияния. 3.По времени воздействия - постоянные – работа транспорта, фабрик, котельных и т.д.; - залповые – аварийные выбросы, взрывные работы. 4.По стационарности - стационарные – источники с жестко фиксированными координатами – труба котельной, колбасной фабрики и т.д.; - нестационарные – перемещающиеся в пространстве – железнодорожный и автотранспорт и т.д. Одним из важнейших элементов при проектировании мероприятий по охране атмосферы является прогноз максимально возможных концентраций загрязняющих веществ на определенной территории. Для этого Главной геофизической обсерваторией им. А.И.Воейкова разработана методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия. Данная методика изложена в Общесоюзном нормативном документе ОНД-86, обязательном для применения во всех подобных расчетах. Также для расчета максимальных концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, необходимо использовать одну из модификаций унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) для ЭВМ, являющихся приложением к ОНД (Эфир, РУЗА, ЛБЭД-РК, Эколог и др.). В процессе разработки норм ПДВ (ВСВ) производится специальная процедура инвентаризация выбросов – систематизация сведений о наличии и распределении источников на территории предприятия, количестве и составе выбросов. При инвентаризации учитывается комплекс параметров: • мощность (интенсивность) выброса (г/сек, т/год); • высота, размер и конфигурация устья источника; • расход и температура газовоздушной смеси в устье источника; • расположение источника на площадке, фиксируемое на карте-схеме (ситуационном плане) в заданной системе координат. Учету подлежат все вредные вещества, содержащиеся в отходящих газах (технологических выбросах), аспирационном воздухе (вентиляционные выбросы), а также выбросы транспортных средств. При инвентаризации выбросов вредных веществ в атмосферный воздух допускается использование, как прямых инструментальных измерений, так и расчетные методы по методикам, утвержденным контролирующими органами в установленном порядке. На основании данных инвентаризации производится расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере и установление нормативов ПДВ, которые считаются одним из первых природоохранных мероприятий. Инвентаризация выбросов на предприятии должна проводиться не реже 1 раза в пять лет, а при необходимости и чаще. Следующим природоохранным мероприятием является установление санитарно-защитной зоны (СЗЗ) вокруг предприятия. Согласно СНиП и СанПиН санитарно-защитные зоны следует создавать вокруг всех промышленных предприятий, выбрасывающих вредные вещества в атмосферу, в том числе и общественного производства. СЗЗ – благоустроенная или озелененная территория, отделяющая площадку предприятия, являющегося источником загрязнения атмосферы, шумовых, радиационных и прочих воздействий, от жилой и общественной застройки. Размеры ее устанавливаются с учетом санитарной классификации предприятий, расчетов загрязнения атмосферы и других факторов. Санитарная классификация приведена в Санитарных правилах и нормах – СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 с изменениями от 25.09.07. Нормами установлено 5 классов предприятий и соответственно 5 размеров нормативных СЗЗ: 1 класс – 1000 м; П класс – 500 м; Ш класс – 300 м; 1У класс – 100 м; У класс – 50 м. Размеры СЗЗ должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы (расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере) с учетом перспективы развития предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха. Полученные таким образом размеры расчетной СЗЗ должны уточняться отдельно для различных направлений ветра в зависимости от результатов расчета и среднегодовой розы ветров района. Роза ветров – установленная на основе многолетних наблюдений повторяемость направлений ветров, характерная для данного района. Она, как правило, приводится по восьми направлениям (румбам) и приводится в процентах. Кроме того, роза ветров бывает зимняя, летняя и среднегодовая. Корректировка по розе ветров производится по формуле: L = Lo . P/Ро , Где L – уточненный расчетный размер СЗЗ, м; Lo – расчетный размер СЗЗ, полученный по результатам расчета рассеивания, м; Р - среднегодовая повторяемость рассматриваемого направления ветра, % Ро – повторяемость направлений ветров при круговой розе ветров (при восьмирумбовой розе ветров Ро = 100/8= 12,5%). Лекция 11. ОЧИСТКА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ План лекции: 1. Проектирование предприятия важный этап охраны природы 2. Классификация методов очистки отходящих газов 3. Механические методы очистки с использованием гравитационных и центробежных сил, методы фильтрации 4. Промывные методы очистки газов 5. Электростатические, адсорбционные, каталитические и термические методы очистки газов Важным природоохранным этапом является стадия проектирования предприятия. Если на ее стадии будут решены вопросы охраны окружающей среды, то бед будет гораздо меньше. Поэтому проекты проходят тщательную санитарную и экологическую экспертизу. При проектировании предприятий в проект следует включать создание малоотходных технологий, совершенствование конструкций аппаратов и оборудования, разработку систем очистки и рекуперации выбросов, определение допустимых выбросов, разработку мероприятий по созданию санитарно-защитных зон. При планировании предприятий необходимо иметь в виду следующее. В городах не разрешается размещать промышленные предприятия, распространяющие пылевидные и газообразные выбросы. Эти предприятия следует располагать вдали от городов, с подветренной стороны по отношению к ближайшему жилому району и отделять от границ жилых районов санитарно-защитными зонами. Для уменьшения задымления, запыления и отравления газами воздуха предприятия должны располагаться на возвышенных местах, хорошо обдуваемых ветрами. Это увеличивает высоту выброса дыма и газов, а, следовательно, и их разбавление. Кто же контролирует, то есть заставляет предприятия очищать отходящие газы. Это, в первую очередь, санитарно-эпидемиологические станции (СЭС), которые осуществляют как предупредительный, так и текущий контроль. Существует государственная инспекция по охране атмосферного воздуха. Она рассматривает схемы размещения предприятий, контролирует источники загрязнения воздуха и следит за соблюдением ПДВ. На предприятиях существуют отделы или службы охраны природы, промышленные санитарные лаборатории. Главным методом достижения ПДК является метод “высоких труб”, когда из рабочей зоны воздух откачивается вытяжной вентиляцией и без очистки выбрасывается в атмосферу через трубу определенной высоты. Но атмосфера в данном случае от вредных выбросов не очищается. Конечно, за счет химических процессов, происходящих в атмосфере, часть этих загрязнителей нейтрализуется. Другие же скапливаются в атмосфере, а потом оседают или в виде дождей выпадают на землю и на наши головы, загрязняя водные объекты. Но существуют и активные методы очистки газов. Они подразделяются на: 1. Механические методы: 1.1. Очистка в сухих механических пылеуловителях 1.2. Очистка в мокрых пылеуловителях 1.3. Очистка газов в фильтрах 2. Промывные (абсорбционные) методы 3. Электростатический метод 4. Адсорбционные методы 5. Каталитические методы 6. Термические методы Механические методы очистки. В этих методах используются эффект действия гравитационных или центробежных сил, а также фильтрация через пористые перегородки. Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации пылеосадительные камеры, в которых частицы пыли отделяются от газового потока под действием силы тяжести. Главное предназначение аппарата - обеспечение определенного времени пребывания газового потока в обособленном пространстве и непрерывное или периодическое отведение осевшей пыли. Существуют также инерционные пылеуловители, циклоны. Принцип работы циклона. Газ подается в цилиндрическую камеру по тангенсальной направляющей. Вращаясь внутри циклона, газ вначале опускается вниз камеры, а затем по центральному патрубку выходит наружу. Частицы пыли отбрасываются центробежной силой к стенке аппарата и осыпаются в бункер. Фильтрационная очистка. Тонкая механическая очистка отходящих газов достигается путем фильтрации через пористую перегородку из тканевых и нетканых материалов. Наиболее распространены тканевые фильтры, например рукавные. Промывные или мокрые способы. На промывке газов жидкостью основана их мокрая очистка от аэрозолей. Это универсальный метод очистки отходящих газов от пыли, дыма и тумана с любым размером частиц. Поэтому он чаще всего применяется в качестве последнего этапа очистки после механического удаления примесей. К мокрым пылеулавливающим аппаратам относятся скрубберы, барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури. Мокрые способы очистки газов применяются, например, при очистке от сернистого газа и сероводорода. Причем, на улавливании этих газов основано производство серной кислоты и гидросульфида натрия. 2SO2 + 2H2O + O2 + ванадиевый катализатор = 2H2SO4 H2S + NaOH = NaHS + H2O По такой же схеме можно очистить газ от оксида азота: 3NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO + Q На мокром улавливании основано также производство некоторых редких металлов, таких как индий, кадмий, и др. В данном случае, например, при производстве цинка индий переходит в возгоны, т.е. в газ, который затем улавливается как в дистиллировочном аппарате. Эти возгоны собирают, а затем используют в качестве полупродукта для производства металла. Но мокрые способы очистки газов имеют и недостатки. При очистке получают разбавленные растворы и шламы, которые затем нужно куда-то утилизировать. Кроме этого из-за высокой коррозионной активности газов и полученных растворов оборудование приходится делать в коррозиостойком исполнении и по возможности герметичным, что удорожает стоимость этого оборудования. Электростатическая очистка газов. Данный способ реализуется в аппаратах, называемых электрофильтрами. Основными функциональными устройствами электрофильтров являются осадительный и коронизирующий электроды. Между ними создается электрическое поле высокого напряжения (30-100 кВ). Поскольку коронизирующие электроды изготавливаются из относительно тонких стержней, то около них создается поле высокой напряженности, вызывающее интенсивную ионизацию газовых молекул. Этот процесс и вызывает образование вокруг электродов светящейся короны. Под действием электрического поля заряженные аэрозольные частицы движутся от коронизирующего электрода к осадительному, прилипают к нему, отдавая свой заряд, а затем осыпаются в пылесборную камеру. Адсорбционные методы. Адсорбция – диффузионный процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью: • активные угли; • селикагели – гидратированные аморфные кремнеземы (SiO2 .nH2O); • алюмогель – активный оксид алюминия (Al2O3 .nH2O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия; • цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов; • иониты - высокомолекулярные соединения. Методы каталитической очистки газов. Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Катализатор обеспечивает взаимодействие на его поверхности преобразуемых веществ, образование промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы. Термическая очистка газов. Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Их преимуществом является простота используемой аппаратуры и универсальность использования – независимо от состава обрабатываемых газов. Термическая очистка широко применяется в лакокрасочных производствах, процессах получения некоторых видов химической, электротехнической и электронной продукции, пищевой промышленности, окраске деталей и других процессах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо. Лекция 12. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ План лекции 1.Основные виды отходов: бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, строительные, производственного потребления. 2.Источники возникновения твердых отходов в материальном производстве. 3.Классификация отходов. 4. Размещение отходов. 5. Переработка отходов на месте складирования. 6. Переработка отходов пластических масс. 7. Сжигание отходов. 8. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов. 9.Утилизация и ликвидация осадков сточных вод Урбанизация городов, приведшая к образованию крупнейших мегаполисов, и постепенно возрастающая хозяйственная деятельность человека создают одну из острейших проблем ХХ1 века – проблему защиты окружающей среды от негативного воздействия отходов производства и потребления. Практически во все времена своего существования человек стремился как можно быстрее и дешевле избавиться от отходов, ссыпая их в ближайшие овраги или в понижения рельефа, не задумываясь при этом о последствиях. Большинство городов мира практически построены на свалках. Дальнейший рост городов, развитие промышленности и сельского хозяйства нередко приводят к нарушению экологической обстановки, особенно в крупных городах, где хозяйственная деятельность наиболее сконцентрирована на ограниченной территории и где сосредоточена значительная часть населения. Как показывает практика, в таких городах происходит наиболее интенсивное накопление отходов, а неправильное и несвоевременное удаление их и обезвреживание приводят к экологическому кризису. Повсеместно возникающие вокруг городов плохо организованные, а порой и просто «стихийные» свалки являются наиболее серьезными источниками загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод. Известно, что за всю историю существования человечество научилось использовать в среднем 2-5% исходного сырья. Остальная масса вещества превращается в отходы. В России ежегодно образуется 5-7 млрд т отходов производства и потребления. Под их складирование выведено из оборота более 1 млн га плодородных земель. Ежегодная прибавка токсичных отходов составляет 50 млн.т. Таких отходов накоплено свыше 1000 млн.т. Так, различными отвалами в Свердловской области занято до 5% территории, что привело к необходимости в разработке губернаторской и федеральной программ по переработке техногенных отходов, которые содержат значительное количество полезных компонентов. Бытовыми отходами по данным различных источников занято до 20% территории Московской области. С целью охраны окружающей среды, а также утилизации содержащихся в отходах ценных компонентов разрабатывают и внедряют различные промышленные технологии обезвреживания и переработки отходов, включая методы термического и биологического обезвреживания и другие технологические приемы их переработки. Учитывая все возрастающие требования к защите окружающей среды необходим поиск новых рациональных путей снижения экологического ущерба, наносимого природной среде повседневной жизнедеятельностью человека. Отходы – не используемые непосредственно в местах их образования продукты производства, быта, транспорта и др., которые могут быть реально или потенциально использованы как сырье или полупродукты в других отраслях народного хозяйства или в ходе регенерации. Вредные отходы должны подвергаться нейтрализации и захоронению. Неиспользуемые отходы считаются отбросами. По данным международной организации «ВейстТэк» к отходам производства и потребления относятся: промышленные, муниципальные, медицинские, биологические, сельскохозяйственные, органические, техногенные образования, отходы строительства и сноса, транспортного комплекса, топливно-энергетического комплекса, отходы с низким уровнем радиоактивности, лом черных и цветных металлов, электронный и электротехнический лом, шламы, сточные воды, иловые осадки, воздушные выбросы и др. Классификация отходов проводится по ряду признаков. Наиболее общим является деление по форме материального субстрата, в которой они находятся. По этому признаку отходы разделяют на вещественные и энергетические. К последним относятся механические колебания и волны, электромагнитные поля. Отходы в вещественной форме различают по: агрегатному состоянию – газообразные жидкие, твердые и условно твердые (пастообразные); химическому составу – органические и неорганические; генезису (происхождению) – бытовые и производственные (промышленные, сельскохозяйственные, промысловые); возможности применения – вторичные материальные ресурсы, которые используются или пригодны к эффективному употреблению на данном этапе развития науки и техники; отбросы, которые не могут быть использованы на данном этапе развития науки и техники; токсичному действию – первый класс (чрезвычайно опасные вещества), второй (высокоопасные), третий (умеренно опасные) и четвертый (малоопасные); способные к самостоятельному горению – горючие и негорючие. Возможны и другие признаки деления отходов. В области государственного управления при обращении с отходами для учета, контроля, нормирования и т.д. МПР России разработан Федеральный классификационный каталог, который зарегистрирован в Минюсте России в 2003 году. Для формализации видов отходов, удобства передачи информации, ее сбора и обработки введена кодовая система Каталога отходов. Последний содержит перечень их видов, систематизированных по совокупности приоритетных признаков: происхождению, агрегатному состоянию, химическому составу, экологической опасности. Таким образом, отходы могут быть бытовыми, промышленными, сельскохозяйственными, строительными и т.д., а также производственного потребления. Бытовые (коммунальные) твердые (в том числе твердая составляющая сточных вод – их осадок) отбросы, не утилизированные в быту, образовавшиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей вещества. Отходы производства (промышленные) – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнения и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. В странах ЕЭС 60% бытовых отходов подвергаются захоронению, 33% сжиганию, а 7% компостированию, свыше 60% промышленных отходов и 95% отходов сельскохозяйственного производства подвергаются интенсивной переработке. Отходы производственного потребления – непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты и прочее. Значительное количество отходов может возникать и на стадии перевозки продукции, в первую очередь на железнодорожном транспорте. Большинство отходов содержится в твердом состоянии. Твердые отходы промышленных предприятий весьма разнообразны как по своему составу и свойствам, так и по характеру воздействия на окружающую среду. Они содержат, как правило, активные вещества, которые, попадая в почву, подземные воды и в атмосферу, вызывают негативные в экологическом отношении последствия. Конечно, отходы можно было бы перевезти на предприятия и переработать, но транспортировка их очень дорогое удовольствие (на уровне 10-50 руб/т). Поэтому разрабатываются технологии по их переработке на месте складирования. Все отходы в той или иной степени воздействуют на окружающую среду, вызывая в ней ряд изменений, которые в ряде случаев приводят к состоянию экологического бедствия или чрезвычайной экологической ситуации (экологический кризис). В таблице приведены признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия (согласно закона РФ «Об охране окружающей природной среды). Таблица Признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия Показатель Экологическое бедствие Экологический кризис Окружающая природная среда Глубокое необратимое изменение Устойчивые отрицательные изменения Здоровье населения Существенное ухудшение здоровья Угроза здоровью населения Естественные экосистемы Разрушение естественных экосистем Устойчивое отрицательное изменение состояния естественных экосистем По степени воздействия на окружающую среду промышленные отходы, как было показано выше, различаются по классам токсичности и степени опасности. Класс токсичности таких отходов определяется в каждом конкретном случае расчетным путем в соответствии с нормативным документом «Предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах, обуславливающее отнесение этих отходов к категории токсичности» № 3170-84. – М.: Минздрав СССР, 1985. Основой расчета является сравнение растворимости и содержания опасных веществ в отходах с их ПДК в почве. Для определения класса токсичности рассчитывается индекс токсичности данного компонента по формуле: Кi = ПДКi /(S + Cв)i , где: ПДКi – предельно допустимая концентрация в почве i-того токсичного вещества, содержащегося в отходе; S – коэффициент, отражающий растворимость его в воде (величина безразмерная); Св – содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т; i – порядковый номер данного компонента. Величину Кi округляют до первого десятичного знака после запятой. Рассчитав Кi для отдельных компонентов отходов, выбирают 1-3 ведущих компонента, имеющих минимальное значение, причем К1< К2< К3. Кроме того, должно выполняться условие: 2 Кi > К3. Затем находят суммарный индекс токсичности (Кz ) по формуле: n Кz = (1 / n2 )  Ki . i=1 где n – число значимых токсичных компонентов в отходе. Причем n ≤ 3. С помощью суммарного индекса токсичности по таблице («Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами».- М.: Минздрав СССР, 1987, № 4266-87) определяется класс опасности отходов производства. Таблица Классификация опасности отходов производства Расчетное значение Кz Класс токсичности Степень опасности отходов Менее 2 1 Чрезвычайно опасные От 2 до 16 П Высокоопасные От 16 до 30 Ш Умеренно опасные Более 30 1У Малоопасные В настоящее время внедряется более совершенная методика оценки степени опасности отходов Размещение отходов В настоящее время основная часть твердых отходов промышленности подвергается тем или иным видам захоронения. В соответствии с «Правилами охраны окружающей среды от отходов производства и потребления» использование, обезвреживание и захоронение отходов первых трех классов, а при необходимости и 1У класса токсичности осуществляют на специализированных предприятиях или на полигонах по обезвреживанию и захоронению, обустроенных в соответствии со СНиП. При этом следует отметить, что границы территорий, отведенных для размещения опасных отходов, должны находиться на расстоянии не менее 3 км от границ городов и населенных пунктов, лесопарковых, курортных, лечебно-оздоровительных, рекреационных зон и зон санитарной охраны источников питьевого водоснабжения, а также от районов развития геотектонических структур, образований и процессов. Кроме того, часть промышленных отходов может быть использована в других производствах. На рис. 70 показан план полигона «Красный бор» в Санкт-Петербурге. В составе полигона имеются участки приемки и обезвреживания отходов гальванических производств, приемки и захоронения органических отходов, захоронения особо вредных отходов, приема и сжигания жидких горючих и других отходов. Рис. Полигон «Красный бор» для переработки и захоронения промышленных отходов. Кроме полигонов для захоронения применяют различные накопители отходов (рис. ). Среди них различают пруды-испарители («белое море»), накопители суспензий и шламов (шламохранилища), хвостов обогащения (хвостохранилища), накопители твердых отходов (свалки, отвалы), золоотвалы и др. Любые накопители должны, в первую очередь, иметь противофильтрационный экран, который готовят из глины, асфальта, полиэтиленовой пленки. Кроме этого, должны разрабатываться мероприятия по подавлению пыления таких отвалов, по локализации стока дождевых и талых вод с них, а также предусматриваться лесополосы и ограждения от попадания на территорию животных и людей. Площадь земельного участка, занимаемого накопителем, изображенным на рис. 71, составляет 5 га и более, его глубина – до 10 м. Во избежание попадания ливневых и талых вод с площади водосбора устраивают ограждающую насыпь шириной до 4 м. Чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод, предусматривается противофильтрационный экран. Такой экран устраивают из двух слоев: нижнего (два слоя полимерной пленки толщиной по 2 мм) и верхнего (грунтополимерный слой толщиной до 0,5 м). Грунтополимерный слой получают разбрызгиванием по подготовленному слою грунта разогретого до 80оС раствора синтетических жирных кислот. В экологических целях для контроля за работой противофильтрационного экрана и качеством грунтовых вод в районе накопителя бурят и оборудуют гидрогеологические наблюдательные скважины для отбора проб воды. Рис. . Схема накопителя твердых отходов: 1 - чаша; 2 - эстакада; 3 - откосы накопителя; 4 - лесопосадка; 5 - водоотводная канава. Переработка отходов на месте складирования Обработку инфицированных отходов и отходов четвертого класса опасности целесообразно проводить в местах образования, что сокращает затраты на погрузочно-разгрузочные работы, снижает безвозвратные потери при их перевалке и транспортировке и высвобождает транспортные средства. Эффективность использования лома и отходов металлов зависит от их качества. Загрязнение и засорение металлоотходов приводит к большим потерям при переработке, поэтому сбор, хранение и сдача их регламентируется специальными стандартами (ГОСТ 2787-75 «Лом и отходы черных металлов», ГОСТ 1639-71 «Лом и отходы цветных металлов и сплавов» и др.). Однако эти стандарты в последнее время практически не выполняются. Отходы древесины широко используются для производства древесно-стружечных плит, корпусов различных приборов и т.п. В настоящее время, например, разработано достаточно много технологий по переработке и рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии, являющихся отходами Ш и 1У классов опасности. При этом показано, что из многих отвалов возможно экономически выгодно доизвлечь полезные компоненты, что позволит очистить отвалы от металлов-загрязнителей, а последующая биологическая рекультивация приведет к восстановлению ландшафтов, но, естественно, не в первозданном виде. Но водные объекты этими техногенными образованиями уже загрязняться не будут. Конечно, такие технологии не единственные, разработанные для переработки техногенных образований. Однако в настоящее время главными проблемами являются внедрение их в жизнь. Так, в Свердловской области в рамках программы по переработке техногенных образований внедряется только 2: в Нижнем Тагиле по переработке шлаков НТМК и Первоуральске по переработке шламов хромпикового завода. Переработка отходов пластических масс При термической обработке отходов пластических масс расходуется большое количество кислорода и выделяется много высокотоксичных продуктов ((углеводороды, хлористый водород, диоксины, фураны и др.). Наиболее радикальным методом ликвидации пластмассовых отходов служит высокомолекулярный нагрев без доступа воздуха (пиролиз), в результате которого из отходов пластмасс в смеси с другими отходами (дерево, резина и др.) получаются ценные продукты: пирокарбон, горючий газ и жидкая смола. Пирокарбон применяется для производства разнообразных полимерных и строительных материалов. Схема высокотемпературного пиролизного реактора приведена на рис. 72. Отходы подаются в бункер 1 и под действием массовых сил поступают в зону сушки 2, где испаряется влага. В зоне пиролиза 4 высушенные отходы разлагаются при температуре 1640оС с образованием смеси горючих газов и водяных паров, которая поднимается в зону сушки, проходит кольцеобразный отвод 3 и выбрасывается в атмосферу. Окончательная обработка пластмасс происходит в зоне сгорания 5, куда подается кислород через коллектор 7. Продукты пиролиза выгружаются через патрубок 6. Рис. Схема высокотемпературного пиролиза: 1 – бункер; 2 – зона сушки; 3 – кольцеобразный отвод; 4 – зона пиролиза; 5 – зона сгорания; 6 – патрубок для выгрузки продуктов пиролиза; 7 – коллектор для подачи кислорода. Высокая температура в зоне пиролиза обеспечивает разрушение практически всех сложных ядовитых и канцерогенных соединений и превращение их в простые горючие или инертные соединения. Пиролиз широко применяется и для переработки производственного мусора органического происхождения (древесины, резины, бумаги, ветоши и т.д.). Сжигание отходов Для утилизации и обезвреживания твердых отходов широко используется их биологическая или термическая обработка. Эти методы особенно эффективны для борьбы с отходами или токсичными примесями органической природы. Термическая обработка осуществляется в реакторах-печах. Применяются преимущественно барабанные, камерные и циклонные печи, в которых можно отходы обрабатывать при температурах выше 1000оС. Этот метод начал широко использоваться для переработки бытовых отходов больших городов (Москвы, Санкт-Петербурга, Уфы). Использование высоких температур обусловлено тем, что сжигание отходов при более низких температурах может привести к образованию большого спектра химических соединений, таких диоксины, фураны и др. и попадание их в атмосферу. Но все мероприятия, описанные выше, не гарантируют надежную защиту окружающей среды от загрязнения. Поэтому считается наиболее надежным средством охраны окружающей среды это создание безотходных, или, в крайнем случае, малоотходных технологий. Обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов Сбор радиоактивных отходов должен производиться раздельно в зависимости от физического состояния, взрыво- и огнебезопасности и периода полураспада. Радиоактивные отходы собираются в местах их образования отдельно от других отходов. Сбор радиоактивных отходов на рабочих местах и удаление их в места для выдерживания или захоронения проводят лица, непосредственно занятые на работах с радиоактивными веществами или специально выделенные для этой цели. Для сбора и транспортировки твердых и жидких радиоактивных отходов на предприятиях применяют специальные однотипные сборники, размер и конструкции которых определяются количеством отходов, видом и энергией излучений. Сборники разового пользования должны иметь достаточную прочность для транспортировки в них радиоактивных отходов. Сборники для твердых и жидких радиоактивных отходов устанавливаются в нижней части вытяжных шкафов и камер или в специально отведенных местах в рабочих помещениях на поддонах с бортиком. Внутренние поверхности сборников для многократного использования изготавливаются из гладкого малосорбирующего материала, обеспечивающего обработку кислотами и специальными растворами. Конструкция сборников должна обеспечивать механизированную загрузку и разгрузку их с транспортного средства. Мощность дозы излучения на расстоянии 1 м от сборника с радиоактивными отходами не должна превышать 10 мбэр/год. Транспортировка радиоактивных отходов к местам захоронения осуществляется на специально оборудованных автомашинах с крытым кузовом или цистерной (для жидких отходов). Мощность дозы с наружной стороны автомашины должна быть не более 200 мбэр/год, а в кабине водителя – не более 2,8 мбэр/год. Автомашины и сменные сборники после каждого рейса должны дезактивироваться. Проблема безопасного удаления и захоронения радиоактивных отходов еще не решена окончательно и требует дальнейшего развития. Наиболее перспективным и более разработанным считается метод подземного захоронения жидких радиоактивных отходов между слоями водоупоров (Россия) и цементной пульпы в расслаивающиеся горные породы (США). Утилизация и ликвидация осадков сточных вод Осадки сточных вод, скапливающиеся на очистных сооружениях, представляют собой водные суспензии с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы от 0,5 до 10%. Поэтому прежде чем направить их на ликвидацию или утилизацию, их подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают возможность его или ликвидации с наименьшими затратами энергии и загрязнениями окружающей среды. Технологический цикл обработки осадков сточных вод, представленный на рис. 73, включает в себя все виды обработки, ликвидации и утилизации. Рис. Схема технологического цикла обработки осадков сточных вод Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки. Наиболее распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения. Гравитационное уплотнение осуществляется в отстойниках-уплотнителях; флотационное – в установках напорной флотации. Применяются также центробежное уплотнение осадков в циклонах и центрифугах. Перспективно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка через фильтрующие перегородки или с помощью погруженных в осадок вибраторов. Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве сельскохозяйственных удобрений и т.п.). Для стабилизации осадков промышленных сточных вод применяют в основном аэробную стабилизацию – длительное аэрирование осадков в сооружениях типа аэротенков, в результате чего происходит распад основной части биологически разлагаемых веществ, подверженных гниению. Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличения их водоотдачи при обезвоживании. В промышленности применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки составляет до 40% стоимости всех затрат при обработке осадка, поэтому разрабатываются более экономичные методы: тепловая обработка, замораживание и электрокоагуляция. Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлама с объемной концентрацией твердой фазы до 80%. Эту операцию осуществляют в основном путем сушки на иловых площадках. Однако из-за дефицита земельных участков применяют и другие методы сушки: фильтрованием на нутч- и фильтр-прессах, термической сушкой и др. Ликвидация осадков сточных вод применяется в тех случаях, когда утилизация оказывается невозможной или экономически нерентабельной. Сжигание – один из наиболее распространенных методов ликвидации таких осадков. Предварительно обезвоженные осадки органического происхождения имеют теплотворную способность 167800 – 21000 кДж/кг, что позволяет поддерживать процесс горения без использования дополнительных источников теплоты. Осадки сжигают на станциях очистки сточных вод в многоподовых, циклонных печах, а также печах кипящего слоя. На рис. 74. представлена схема установки с использованием теплоты, полученной от сжигания осадков. Дымовые газы, образующиеся при сжигании твердых отходов в печи 1 с температурой 900-1000оС, поступают в камеру 3 для сжигания осадка сточных вод, в которой навстречу потоку дымовых газов с помощью насоса-дозатора 12, компрессора 13 и распределителя 2 подается осадок в распыленном состоянии. В камере 3 капли осадка подогреваются, подхватываются потоком дымовых газов, сгорают и поднимаются в верхнюю зону камеры. Температура дымовых газов в верхней зоне камеры за счет испарения влаги, содержащейся в осадках, снижается до 750-800оС. В этой же зоне происходит дезодорация паров воды. Дымовые газы, содержащие минеральные частицы осадка, золу и пары воды, поступают в теплообменник. Одновременно из бака 4 в канал теплообменника 5 подается уплотненный осадок с влажностью 93-95%, который подсушивается до 84-89% и поступает в бак 10, оборудованный шнеком 11 для размельчения и подачи осадка к насосу-дозатору 12. Дымовые газы, охлажденные в теплообменнике до температуры 300-350оС, поступают в фильтр 6, откуда отсасываются вентилятором 8 через трубу 7 в окружающую среду. Твердые частицы, осаждающиеся на фильтре, поступают в сборник 9, откуда периодически удаляются. Установки такого типа не вызывают загрязнение окружающей среды, просты в эксплуатации. Они позволяют обезвреживать органические отходы с влажностью до 60% и объемным содержанием механических примесей до 10%. К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс жидких осадков в накопители и закачка в земляные пустоты. Регенерация методов – один из способов утилизации осадков сточных вод на многих предприятиях. Основными методами регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация. Рис 74. Схема установки для сжигания осадков сточных вод и твердых отходов: 1 – печь; 2 – распылитель осадка; 3 – камера для сжигания осадков; 4 – бак для уплотненного осадка; 5 – теплообменник; 6 - воздушный фильтр; 7 – труба дымовых газов; 8 – вентилятор; 9 – сборник шлама; 10 – промежуточный бак; 11 – шнек для измельчения и подачи осадка; 12 – насос-дозатор; 13 – компрессор. Лекция 13. ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ План лекции: 1. Запасы природных вод 2. Характеристика водопользования и водопотребления 3. Критерии качества воды 4. Основы классификации природных и сточных вод 5. Качество вод используемых в промышленности 6. Схемы оборотного водоснабжения предприятия в системе защиты водных ресурсов от загрязнения Французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери посвятил воде следующие строки «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты сама жизнь. Ты самое большое богатство на свете». Другой француз, Р. Дюбуа, сказал о ней «Жизнь - это одушевленная вода». Академик Вернадский В.И. же сказал «Жизнь - это особое царство природных вод». Данным богатством мы наделены щедро. Но как использовать это богатство и как его защищать, как рационально использовать? Вроде бы зачем? Ведь «Вода, вода. Кругом вода» Но какая вода? Земной шар содержит около 16 млрд. км3 воды, что составляет 0,25% массы планеты. Но 13 млрд. км3 рассредоточено и надежно законсервировано в глубинных слоях, составляющих мантию. Большая часть воды входит в состав горных пород и минералов, слагающих земную кору. 1,45 млрд. составляют гидросферу Земли. Из них 1,370 млрд. км3 мировой океан, 60 млн. км3 подземные минерализованные воды, 24 млн. км3 ледники. Пресные же воды составляют только 28,5 млн км3 из них 24 млн. км3 это ледники недоступные для человека. Озера и водохранилища зааккумулировали только 155 тыс км3, в речных же водах содержится только 1,2 тыс. км3 воды. Если сюда добавить, что Евразия вообще-то обделена водными источниками (здесь на душу населения приходится 6 тыс м3/год), то ясно, что воду нужно беречь и защищать. Правда, в России на душу населения приходится более 20 тыс. м3 /год воды. Но где она сосредоточена? В Байкале, да в Сибирских реках. Для сведения озеро Байкал вмещает 23 тыс. км3 воды – это 1/6 часть всей пресной воды планеты. Ну а теперь от статистики перейдем к делу. Во-первых, что такое вода? Вода химическое соединение кислорода и водорода, существующее в жидком и газообразном состоянии. Водные ресурсы запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы. Водный объект сосредоточение вод на поверхности суши в формах ее рельефа либо в недрах, имеющий границы, объем и черты водного режима. Водный режим изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах. Водные ресурсы нашей планеты образуют оболочку, называемую гидросферой. Все воды разделяются на природные и сточные. Природные воды формируются под действием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия и подразделяются на атмосферные, поверхностные и подземные. Атмосферные осадки в виде дождей или растаявшего снега стекают по дневной поверхности суши, называемой водосбором, образуя поверхностные воды, а часть их инфильтрует в грунт и переходит в подземные воды. Поверхностные воды представляют собой скопление воды на земной поверхности в виде водотоков, водоемов, морей и ледников Водотоки - реки, каналы, ручьи. Водоемы - озера, водохранилища, пруды. Моря - окраинные, внутренние, территориальные. Ледники – материковые, горные. Различают 3 основных типа подземных вод: верховодка, грунтовые, артезианские. Верховодка располагается в самой верхней части земной коры на небольших глубинах. Грунтовые воды залегают на относительно небольших глубинах на первом от земной поверхности водоупорном слое, состоящем из водонепроницаемых пород Артезианские воды залегают на большой глубине в водоносных горизонтах, перекрытых сверху и снизу водоупорными слоями. Скопление подземных вод представляют собой подземные водные объекты, которые разделяются на водоносные горизонты, месторождения и бассейны. Вода используется в быту, промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и в других видах деятельности человека. От вида целевого назначения воды ее применение подразделяется на водопользование и водопотребление. При водопользовании вода, оставаясь в водоемах и водотоках, является средой или механическим источником энергии. Основные водопользователи являются: водный транспорт, лесосплав, рыбное хозяйство, гидроэнергетика Водопотребление связано с забором воды из водоемов и водотоков. Круг водопотребителей очень широк - это промышленность, сельское хозяйство, коммунально-бытовые организации, предприятия общественных производств, железнодорожный транспорт и т.д. Водопотребление от водопользования отличается не только безвозвратным изъятием части воды, но и загрязнением природных вод возвратными стоками. Подсчитано, что если город потребляет в день 600 тыс. м3, то он дает около 500 тыс. м3 сточных вод. Сточные воды - это воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека. Водоотведение - технологический процесс, обеспечивающий прием сточных вод с последующей подачей их на очистные сооружения канализации. Сточные воды, как правило, несут на себе загрязнения и засорение. Загрязнение поверхностных и подземных вод это вызванные хозяйственной деятельностью изменения физических, химических и биологических свойств воды по сравнению с нормами качества воды в естественном состоянии Засорение вод это поступление в водоем посторонних нерастворимых в воде предметов, не изменяющих качество воды, но влияющих на качественное состояние русел водоемов и водотоков. В зависимости от условий образования сточные воды делятся на бытовые, атмосферные, промышленные и сельскохозяйственные. Загрязнения вод можно разделить на 4 группы, которые образуют с водой гетерогенные и гомогенные системы (таблица 4). Таблица 4 Классификация примесей промышленных сточных вод по их фазовому и дисперсному состоянию Группа Размер частиц, м Краткая характеристика Гетерогенные системы Взвеси > 10-7 Суспензии и эмульсии, микроорганизмы и планктон. Обуславливают мутность воды Коллоидные растворы 10–7 - 10-9 Золи и растворы высокомолекулярных соединений, обуславливающих окисляемость и цветность воды Гомогенные системы Молекулярные растворы 10–9 - 10–10 Растворенные газы, органические соединения, придающие воде запахи и вкусы Ионные растворы < 10–10 Соли, основания, кислоты, обуславливающие минерализованность, жесткость, щелочность и кислотность воды Эта классификация позволяет определить способ очистки сточных вод. Регулирование водопользования, водопотребления, охраны водных объектов в России осуществляется на основе принятого в 1995 году «Водного кодекса». Законодательство на этом кодексе не замыкается. В настоящее время на федеральном и региональном уровне разработано достаточно много законов, регулирующих водохозяйственную деятельность, в том числе с 1999 года за пользование водой из естественных источников введена плата за воду. Но, за что платить? Ведь, то, за что мы платим, становится товаром. А товар должен обладать определенным качеством. Качество воды - это характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды - признак, по которому производится оценка качества воды по видам водопользования. Показатели качества воды. Органолептические - определяются с помощью органов чувств человека (запах, вкус, цветность, мутность) Физические - температура, вязкость, плотность, концентрация, электрическая проводимость и т.д. Химические - активная реакция (рН), окисляемость, растворимость газов, сухой остаток, жесткость, концентрация химических веществ, и др. Сюда же можно отнести: химическое потребление кислорода (ХПК), мг/л - количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ (ХПК 20 мгО2 /л - чистая); биологическую потребность в кислороде (БПК), мг/л - количество кислорода, необходимое для биологического разложения органики за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20 суток) (БПК - 2 мгО2/л - чистая). Бактериологические показатели: колииндекс - количество кишечных палочек в 1 л воды; колититр - количество миллилитров воды, в которых обнаружена 1 кишечная палочка. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения, культурно-бытовых нужд населения и рыбохозяйственных целей используются реки, водохранилища, озера, искусственные каналы. Пригодность состава и свойств поверхностных вод, используемых для этих целей, определяется соответствующими требованиями и нормативами, изложенными в «Правилах охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами». Согласно им в водные объекты запрещается сбрасывать сточные воды: 1) которые могут быть устранены путем усовершенствования технологий, максимального использования в системах оборотного водоснабжения или устройства бессточного производства; 2) содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы на данном или других предприятиях; 3) содержащие производственное сырье, реагенты, полупродукты и конечные продукты производства в количествах, превышающих установленные нормативы технологических потерь; 4) содержащие вещества, на которые не установлены ПДК; 5) которые с учетом местных условий могут быть использованы для орошения в сельском хозяйстве при соблюдении санитарных требований 6) в виде кубовых остатков и технологических отходов. Согласно «Правил …», все водные объекты подразделяются на 2 типа: 1) хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения, 2) используемые для рыбохозяйственных целей. В свою очередь первый тип подразделяется на две категории: 1) объекты, используемые для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения и снабжения пищевых предприятий, 2) объекты, используемые для купания, спорта, отдыха и водоемы в черте населенных пунктов. Второй тип водных объектов имеет тоже две категории: 1) объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к кислороду, 2) объекты используемые для всех других видов рыбохозяйственной деятельности. В России большинство водоемов и водотоков находятся в разряде рыбохозяйственных. Для оценки санитарного состояния водной среды как и для атмосферного воздуха применяются показатели ПДК и ВДК, а также ПДС (предельно допустимый сброс). Причем необходимо отметить, что ПДК является основным условием очистки сточных вод. Критерии оценки загрязненности воды по ПДК приведены в таблице 5. Таблица 5 Критерии оценки загрязненности воды по ПДК основных вредных веществ Показатель загрязненности Лимитирующий показатель вредности ПДК, мг/л Хозпитьевой Рыбохозяйственный Растворенный кислород Общесанитарный  4  6 БПК5 - “ - 3 3 NH4+ по азоту - “ -  2 - Бензол - “ -  0,5  0,5 Окисляемость: перманганатная бихроматная -“ - -“ -  10  30 - - Железо трехвалентное Органолептический  0,5 - Медь - “ -  0,1  0,001 Нефтепродукты - “ -  0,3  0,05 Фенолы - “ -  0,001  0,001 Экстрагируемые вещества - “ -  0,1  0,05 Вторым видом типизации вод является классификация их по целевому назначению (рис. 16). ВОДА Хозяйственно-питьевая Техническая Поливная Энергетическая Охлаждающая Технологическая Подпиточная Оборотная Средообразующая Промывающая Реакционная (добавочная) Рис. 16. Классификация вод по целевому назначению Как видно из рас. 16 вода расходуется на хозяйственно-питьевые цели, на полив и на технические цели. А теперь о воде, которая используется в промышленности и на транспорте. Воду, используемую в промышленности, подразделяют на охлаждающую, технологическую и энергетическую. Энергетическая вода может находиться как в системе водопользования при получении электроэнергии на ГЭС, так и системе водопотребления. В системе водопотребления эта вода служит средой для подачи тепла в системах централизованного теплоснабжения. Извините за тавтологию. Охлаждающая вода служит для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. При этом она практически не соприкасается с минеральными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается, служа в дальнейшем источником теплового загрязнения окружающей среды. В промышленности на нужды теплообмена расходуется 65-80% всего водопотребления. На крупных химических предприятиях потребление охлаждающей воды достигает 440 млн. м3/год. Суммарное количество воды, заключенное в системах охлаждения на предприятиях химической отрасли, составляет 20 млрд. м3/год. Технологическую воду подразделяют на средообразующую, промывающую и реакционную. Средообразующую воду используют для растворения и образования производственных суспензий (пульп), при обогащении и переработке руд, для нужд гидротранспорта и в пищевой промышленности. Промывающая вода служит для промывки газообразных, жидких и твердых материалов, а также мытья машин и аппаратов. В железнодорожном транспорте на промывку используют до 30% всей используемой в системе МПС воды. Реакционная вода служит для использования в качестве химического или физико-химического реагента. Согласно требованиям «Водного кодекса», система водообеспечения промышленных предприятий должна быть, как правило, с оборотом воды для всего предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных цехов. При этом необходимо предусматривать очистку отработанной воды. Последовательная или прямоточная система подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения оборотного водоснабжения. Принципиальные схемы оборотного водоснабжения приведены на рис. 17. П П П ОХ НС ОС НС ОС НС Добавочная Добавочная Добавочная вода вода вода ОХ а) б) в) Рис. 17. Принципиальные технологические схемы оборотного водоснабжения: а) –с охлаждением воды; б) – с очисткой воды; в) – с очисткой и охлаждением воды: П – производство; НС – насосная станция; ОХ – охлаждение воды; ОС – очистка воды Таким образом, наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды, а значит и количества стоков - это создание оборотных систем водоснабжения. Использование оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление свежей воды. В отдельных отраслях ее доля составляет в настоящее время 75-90%. Лекция 14. ОЧИСТКА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД План лекции: 1. Классификация методов очистки сточных вод 2. Основные технологические принципы и назначение механических методов очистки сточных вод: процеживания, фильтрования, гидроциклонирования и технические средства их осуществления 3. Химические и физико-химические способы очистки вод 4. Биологические способы очистки сточных вод Требования к качеству очищенных вод диктуется условиями их дальнейшего применения. Если они возвращаются в производственный цикл, то степень их очистки определяется технологическими требованиями самого производства. (Например, для производства радиодеталей, печатных плат, спиртных напитков, пива, хороших газированных вод и т.д. требуется очистка природных вод, т.к. они для этого считаются грязными). Если же очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДС и экологическими требованиями. Выбор методов очистки зависит от состава сточных вод. Загрязнители сточных вод делятся на физические, биологические и химические. В свою очередь химические загрязнители делятся на: • биологически нестойкие органические соединения; • малотоксичные неорганические соли; • нефтепродукты; • биогенные соединения; • вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы и биологически жесткие неразлагающиеся органические вещества. Очистка сточных вод осуществляется: механическими, физико-химическими, химическими и биологическими методами. Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки в основном заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической, физико-химической и другой более тонкой очистке. Как правило, механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95% и снижение органических загрязнений на 20-25%. Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок. Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование. Процеживание. Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Решетки делятся: 1) с ручной или механизированной выгрузкой осадка 2) вертикальные и наклонные 3) решетки-дробилки Здесь необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание. Отстаивание. Метод отстаивания подразделяется на 2 группы: 1) осветление в поле гравитационных сил 2) осветление в поле центробежных сил. Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники. Песколовки. Задерживают 40-50% взвешенных веществ с определенной гидравлической крупностью. Но здесь возникло новое понятие как гидравлическая крупность. Ею называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Измеряется в мм/сек и определяется по формуле: U = H/τ(H/h)n Где Н – глубина проточной части отстойника; τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20 С; n - показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0,5 до 2. При использовании коагулянтов он равен 0,35-0,75. Исходя из этих показателей, можно рассчитать рабочую продолжительность протока t1 = H(U – w) , где w – вертикальная составляющая турбулентного потока. Расчетная длина сооружения определяется по формуле L = t v , где v – скорость потока. Песколовки подразделяются на: 1) вертикальные; 2) горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды; 3) аэрируемые; 4) тангенциальные. Отстойники. Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия. Типы аппаратов отстойников непрерывного действия: 1) вертикальные, 2) горизонтальные, 3) радиальные. Необходимая площадь отстойника рассчитывается по формуле S = Qc /k t U. Где Qc – суточная производительность отстойника, t – суточная продолжительность работы отстойника, U – гидравлическая крупность частиц, к – коэффициент объемного использования площади отстойника равен отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0,4-0,5, а для радиальных и горизонтальных – 0,71-0,8. Фильтрование. Существует два способа фильтрации: 1)фильтрация через слой зернистой загрузки, 2) через фильтровальную перегородку Первый способ фильтрации заключается в следующем: через слой зернистой загрузки пропускается вода, содержащая взвешенные частицы. При этом происходит отложение взвешенных частиц в порах фильтрующего материала и отложение на поверхности этого материала. Механизм удержания взвешенных веществ заключается в молекулярном (прилипании) и кулоновском электрическом взаимодействия. Эффект очистки взвешенных частиц определяется соотношением сил сцепления и отрыва от фильтрующего материала. По скорости фильтрации фильтры делятся на медленные (со скоростью фильтрации менее 0,5 м/час), скорые (от 2 до 15 м/час) и сверхскорые фильтры (более 25 м/час). Гидроциклоны. Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в поле гидроциклона может превышать скорость оседания эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз. К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести: 1)высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии 2)сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок 3)отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточных вод 4)возможность создания компактных автоматизированных установок. Химическая очистка производственных сточных вод может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. К химическим методам очистки относятся: нейтрализация, осаждение, окисление и электрохимическая обработка. Нейтрализация. Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделить из этих вод. Поэтому с целью предупреждения коррозии материалов канализационных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации. Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях: Н+ + ОН- = Н2О. В результате рН среды приближается к 7. При химической очистке применяются следующие способы нейтрализации: 1) взаимная нейтрализация кислых и щелочных вод 2) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)2 , кальцинированная сода Na2CO3, каустическая сода NaOH, аммиак NH4OH). 3) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит СаСО3.МgСО3, магнезит МgСО3, мел СаСО3 (96-99%). 4) в последнее время предложен способ нейтрализации щелочных вод дымовыми газами, содержащими СО2, SО2, NO2 и др. Окисление. Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси, например, цианиды КСN, или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). В узком смысле окисление – реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания сточных вод в качестве окислителя используют хлор, гипохлорит кальция или натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха. Окисление активным хлором. Окисление ядовитых цианид-ионов СN- осуществляется путем перевода их в нетоксичные цианаты СNO- , которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов: CN- + 2OH- -2e = CNO- + OH; CNO- + 2H2O = NH4+ + CO3 2- Применение хлора здесь не надо путать с хлорированием сточных вод с целью их обеззараживания. Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных сточных вод. Основу составляют два процесса анодное окисление и катодное восстановление. Осаждение. При этой операции получают нерастворимые осадки, которые затем могут быть захоронены либо использованы, например, в металлургической или другой промышленности. К физико-химическим методам очистки относятся: коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, ультрафильтрация, эвапорация, термоокисление, выпаривание, испарение, кристаллизация, высаливание, вымораживание, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ и другие. Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией. Для очистки сточных вод применяют следующие коагулянты: 1. Соли алюминия: сульфат алюминия (глинозем) Al2(SO4)3 *18H2O, алюминат натрия NaAlO2, оксихлорид алюминия Al2(OH)2Cl, полихлорид алюминия [Al2(OH)nCl 6-n]m(SO4)x где 17, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH2 и вторичные NН аминогруппы, диссоциирующие при рН <7, 3) иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований. Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость – количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыщения, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат. Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям: Ме+ + Н(К) = Ме(К) + Н+ Ме+ + Na(К) = Ме(К) + Na+ Где Ме+ - катион, находящийся в сточной воде, (К) – сложный комплекс катионита. Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите) 2Ме(К) + Н2SО4 = 2Н(К) + МеSО4 Ме(К) + NaCl = Na(K) + MeCl Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения. Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот 2(А)ОН + Н2SО4 = (А)2SО4 + 2Н2О Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Na2CO3, NH4OH Флотация процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы-пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Экстракция. При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами. Этот метод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения Кр = Сэ/Своды = const. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. После экстракции вода и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе очистки. Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под действием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся в один ряд камер. Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полунепроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое, составляет при концентрации солей 2-5 г/л 0,1-1 МПа и при концентрации солей 20-30 г/л - 5-10 МПа. Биологические методы очистки сточных вод. Биологическое окисление широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий очистить от многих органических соединений. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов – несколько десятков и даже сотен. Различают очистку в естественных и искусственных условиях. К методам биологической очистки сточных вод в естественных условиях относятся: почвенная очистка, биологические пруды, биоплато. Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях: биофильтры, аэротенки, окситенки, погружные биофильтры, биотенки-биофильтры, анаэробные биофильтры. Методы биологической очистки сточных вод в естественных условиях Почва – это сложный комплекс органических и неорганических веществ, заселенный большим числом различных микроорганизмов. В почве отсутствуют благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, паразитирующей в организме человека, вследствие чего почва представляет собой надежный и мощных фактор обезвреживания сточных вод. В результате почвенной очистки одновременно решаются две основные задачи – минерализация внесенных органических веществ и обеззараживание. Биологические пруды – искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы. Эти пруды могут применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических прудов имеет преимущественное распространение. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Аэрация способствует улучшению деятельности микрофлоры, а также прямому окислению органики за счет кислорода воздуха. Кроме окислительного действия микрофлоры и кислорода воздуха значительную активность в очистке принимает высшая водная растительность, которая своей корневой системой сорбирует и поглощает органические и неорганические вещества-загрязнители. Кроме этого водная растительность играет существенную роль в окислительных процессах, а также способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема. Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях Всю совокупность сооружений биологической очистки разделяют на три группы по признаку расположения в них активной биомассы (или активного ила): 1) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки; 2) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном состоянии); 3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы. Первую группу сооружений составляют биофильтры, вторую – аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки, третью – погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями. Лекция 15. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ План лекции: 1. Понятие экономического механизма 2. Цель, субъекты и объекты управления 3. Принципы экономического механизма управления 4. Элементы экономического механизма управления природопользованием: кадастры природных ресурсов, финансирование и материально-техническое обеспечение, платежи за природные ресурсы и загрязнение окружающей среды, экологические фонды, экономическое стимулирование, лимитирование и лицензирование, экономическая ответственность 5. Оценка экономических ущербов 6. Экологическое страхование 7. Экономическая эффективность природоохранных мероприятий Противостояние экономики и экологии – одна из узловых проблем охраны природы. Долгое время ее пытались решать административно-правовым путем на основе запретов, ограничений, административных и уголовных наказаний и т.д. Сегодня разработаны некоторые экономические механизмы, опирающиеся на материальную заинтересованность исполнителя в решении природоохранных задач. Понятие экономического механизма тесно связано с понятием метода управления экономикой и природопользованием как материальной основы экономики. Метод управления - это способы, приемы, средства воздействия на управляемый объект. Экономические методы воздействия основаны на использовании материальных интересов. Комплекс взаимосвязанных экономических мер, направленных на достижение конкретного результата, образует экономический механизм, обеспечивающий рациональное ресурсосберегающее природопользование. Экономический механизм должен быть согласован как по вертикали власти, так и по горизонтали. Меры воздействия, принимаемые на различных уровня управления, на различных стадиях технологической цепочки – от изъятия природных ресурсов до производства готовой продукции и ее реализации – не должны противоречить друг другу. Экономический механизм неразрывно связан с правовым. Правовые нормы раздела 3 Закона России «Об охране окружающей природной среды» и многочисленные подзаконные акты закрепляют экономический механизм и являются правовой формой для экономического содержания. Особенностью этого Закона является то, что в нем идет речь фактически о природопользовании, предполагающем охрану, а не только об охране окружающей природной среды. Целью экономического механизма является согласование экономических и экологических интересов общественного производства как вертикальных – федеральных, региональных, локальных, так и горизонтальных – территориальных и ведомственных и между предприятиями. Субъектами управления природопользованием, в том числе и природоохранной деятельностью, выступают государственные органы общей компетентности, специально уполномоченные органы по охране окружающей среды, а также органы местного самоуправления. На уровне предприятия субъектами управления являются службы природопользования (цехи, отделы) или отдельные работники. Объектами управления являются все природопользователи, как юридические, так и физические лица независимо от характера и направления их деятельности. Связь и отношения между субъектами и объектами управления в процессе природопользования и охраны окружающей среды строится двумя способами: на основе компетенции, предоставленной им нормативно-правовыми актами, и на основе договоров между ними. Принципы экономического механизма управления. использования, воспроизводства и охраны природных ресурсов – это научная обоснованность, платность, экономическая ответственность Элементы экономического механизма управления природопользованием. Реализация экономических механизмов осуществляется через многие институты: кадастры, материально-техническое обеспечение, платы за пользование природными ресурсами и за загрязнение, экологические фонды, лимитирование и лицензирование, экономическая ответственность. Кадастры природных ресурсов – это своды экономических, экологических, организационных и технических показателей, характеризующих количество и качество природного ресурса, а также категории природопользователей. Кадастры составляются по видам природных ресурсов: земельный, лесной, водный, месторождений полезных ископаемых и др. На базе их данных определяются денежная стоимость природного ресурса, продажная цена, система мер по его оздоровлению и восстановлению. Финансирование и материально-техническое обеспечение. Закон ООПС (ст. 16) называет несколько источников финансирования охраны окружающей среды: государственный бюджет, внебюджетные экологические фонды, средства предприятий, учреждений и организаций. Мероприятия по охране окружающей среды и природопользованию осуществляются на основе государственной экологической программы с учетом природноресурсного потенциала отдельных регионов. Финансирование экологических программ в федеральном, республиканском и других бюджетах должно выделяться отдельной строкой и обеспечиваться материально-техническими ресурсами. Платы за использование природными ресурсами и загрязнение окружающей среды – новый институт, введенный в период рыночной реформы после отмены исключительной государственной собственности на землю и другие ресурсы и превращения их в объекты гражданско-правовых сделок. Предполагается, что платность природных ресурсов повысит материальную заинтересованность производственников в их эффективном использовании и сохранении, появятся дополнительные средства на их восстановление и воспроизводство. Законом ООПС (ст. 20) предусмотрено два вида платы: за пользование природными ресурсами (земля, вода, недра, лес и иная растительность, другие виды ресурсов) и за загрязнение окружающей среды. Назначение платы за загрязнение окружающей среды – компенсация причиняемого вреда, стимуляция сокращения выбросов и экономическое обеспечение оздоровления и охраны окружающей среды. Закон ООПС предусматривает два вида платы за загрязнение: 1) за выбросы, сбросы вредных веществ и размещение отходов в пределах установленных лимитов, 2) за выбросы, сбросы и размещение отходов сверх установленных лимитов либо без разрешения. Порядок установления платы включает три этапа: определение базовых нормативов, дифференцированных ставок и конкретных размеров платы загрязнителя. Внебюджетные экологические фонды образуются из средств, поступающих от организаций, граждан, иностранных юридических лиц; из платежей за выбросы и сбросы загрязняющих веществ и размещение отходов; из сумм полученных по искам, штрафов, за счет средств от реализации конфискованных орудий охоты и рыболовства. Эти средства зачисляются на специальные счета и распределяются на реализацию природоохранных мероприятий (рис. 18). Расходование средств экологических фондов на цели, не связанные с природоохранной деятельностью, запрещается. Экономическое стимулирование охраны окружающей среды в России осуществляется следующим образом: • установлением налоговых и иных льгот предприятиям при внедрении безотходных технологий, использовании вторичных ресурсов и осуществлении другой деятельности, обеспечивающей природоохранный эффект; • освобождением экологических фондов от налогообложения; • передачей части экологических фондов в кредит предприятиям, гарантирующим снижение выбросов загрязняющих веществ; • установлением повышенных норм амортизации основных производственных, природоохранных фондов; • применением поощрительных цен на экологически чистую продукцию; • введением специального налога на экологически вредную продукцию; • применением льготного кредитования предприятий, эффективно осуществляющих природоохранную деятельность. Плата за Платежи по Средства от продажи Прибыль от Пожертвова- загрязнение искам и воз- конфискованных ору- участия в ния и прочие мещение дий охоты и незакон- деятельности поступления ущерба ной продукции предприятий Э К О Л О Г И Ч Е С К И Е Ф О Н Д Ы Федеральный 10% Республиканский, областной, Городской, районный 60% краевой 30% Основные направления расходования Охрана окружающей природной среды Оздоровление окружающей природной среды Строительство очистных сооружений Внедрение экологически чистых технологий Компенсация вреда здоровью граждан Научные исследования Экологическое воспитание и образование Рис. 18. Источники образования, распределения и направления расходования экологических фондов Лимитирование и лицензирование. Регуляторами природопользования служат лимиты. Лимитирование – это система эколого-экономических ограничений по территориям, срокам и объемам предельных показателей использования (изъятия) природных ресурсов, выбросов и сбросов в окружающую среду загрязняющих веществ и размещения отходов. Лимиты устанавливаются на размеры отвода земельных участков для строительства предприятий, дорог и др. Применяются лимиты потребления воды, использования лесных ресурсов и т.д. Существуют квоты для вылова рыбы и охоты. Лимитами для выбросов и сбросов загрязняющих веществ служат нормативы качества природной среды: ПДК, ПДВ, ПДС, ПДУ, ПДН и т.д. Виды, лимиты хозяйственной деятельности, экологические требования при использовании природных ресурсов фиксируются в лицензиях (разрешениях) на природопользование, выдаваемых органами управления. Существует около 30 видов природопользования, на которые выдаются лицензии. Экономическая ответственность – является составляющей хозрасчета юридических лиц и заключается в возмещении вреда, причиненного природной среде и здоровью человека. К ним относятся платежи за сверхнормативное загрязнение, штрафы, возмещение убытков и т.д. Оценка экономических ущербов. Под экономическим ущербом, наносимом окружающей среде, понимают фактические и возможные убытки, причиняемые хозяйству и человеку в результате ухудшения качества окружающей среде, и дополнительные затраты на компенсацию этих убытков. Социальный, моральный, эстетический ущербы сегодня практически не оцениваются. Поэтому расчетный экономический ущерб всегда занижен по отношению к реально существующему. Факторы, формирующие экономический ущерб, делятся на три группы: факторы влияния, восприятия и состояния. Факторы влияния – это уровень и характер антропогенных воздействий. Например, в случае загрязнения атмосферного воздуха – это концентрация и токсичность вредных веществ, технические особенности источника выбросов, климатические и топологические особенности и т.д. Факторы восприятия - это основные объекты, попадающие в зону влияния и воспринимающие негативные воздействия: население, коммунальные хозяйства, городские затройки, сельскохозяйственные и лесные угодья, основные фонды промышленности, транспорта, связи, природные экосистемы и др. Факторы состояния – это экономические показатели, используемые для перевода изменений в обществе и природе в стоимостные оценки. Основные из них: стоимость единицы продукции, производимой одним работников в день; выплаты по больничным листам; стоимость жилищно-коммунального хозяйства и транспорта на 1000 человек; стоимость единицы утилизированного сырья; потери прибыли от рекреации при разрушении экосистем и др. Методы количественной оценки экономического ущерба подразделяются на методы прямого счета, аналитический и эмпирический. Метод прямого счета основан на сравнении показателей загрязненного и условно чистого районов. Аналитический метод базируется на получении математических зависимостей (многофакторный анализ) между показателями состояния экономической системы и качества окружающей среды. Суть эмпирического метода заключается в том, что зависимость ущербов от уровня воздействий, полученная первыми двумя методами для частных объектов, обобщается и используется для аналогичных ситуаций. В результате вырабатывается методика, в основе которой лежат эмпирические оценки удельных ущербов. В отечественной практике накоплен опыт оценки удельных ущербов. Получены показатели ущерба на 1 т выбросов для предприятий черной металлургии, медеплавильных и коксохимических производств. Разрабатываются методы оценки удельных ущербов для других предприятий на единицу материальных и энергетических ресурсов при выбросах в атмосферный воздух и водные объекты. Так, на основании данных, полученных по 38 объектам черной и цветной металлургии, сделана оценка экономического ущерба от промышленных загрязнений по стадиям производства и потребления металлопродукции: геологоразведка – 2% (нарушение массива пород, загрязнение ландшафта и т.д.), добыча руд – 20% (изъятие угодий, загрязнение территорий, водного и воздушного бассейнов и т.д.), обогащение руд – 20% (те же нарушения), переработка сырья – 50% (то же), обработка металлов и получение продукции – 5%, использование металлопродукции – 1%. Экологическое страхование – это страхование ответственности за ущерб, нанесенный окружающей среде и здоровью людей. Предприятие заключает договор со страховой компанией, согласно которому оно уплачивает страховой взнос за страховую услугу. А страховая услуга состоит в том, чтобы при возникновении экономического ущерба окружающей среде от деятельности предприятия, ему будут выплачены средства для возмещения ущерба. Экологическое страхование бывает обязательным и добровольным. Экономическая эффективность природоохранных мероприятий оценивается, прежде всего, по повышению эффективности общественного производства. Но экономический эффект от них нельзя определить на основании анализа деятельности в базовом году одного предприятия и даже целой отрасли. Частично эффект находит отражение в улучшении показателей предприятия: утилизируется ценное сырье, улучшаются условия труда, снижается заболеваемость и текучесть кадров, повышается производительность труда и т.д. Полный же экономический эффект оценивается приростом национального дохода, который является конечной целью реализации средств на защиту окружающей среды. В конечном счете полный экономический эффект от затрат на охрану природы можно выразить через снижение экономического ущерба. Лекция 16. МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИИ План лекции: 1. Международно-правовые принципы охраны природы 2. Объекты международного сотрудничества 3. Международные организации и конференции 4. Межгосударственное сотрудничество России Высокий уровень загрязнения атмосферы, воды и почвы вредными для живых организмов отходами производства и потребления, ускорение роста нерационального использования природных ресурсов и энергии, интенсивное использование всех подсистем географической среды; ухудшение экологических систем и ландшафтов, гибель некоторых уникальных территориальных природных комплексов, сокращение, а в некоторых случаях уничтожение популяций отдельных видов растений и животных приобрели глобальный характер. Поэтому решение проблем природопользования не может ограничиваться территорией того или иного государства. Необходимо объединение усилий всего международного сообщества. Этому служит международное сотрудничество в области охраны окружающей среды. Одно из важнейших направлений международного сотрудничества – международно-правовая охрана окружающей среды, которая должна опираться на общепризнанные нормы международного права. Основные правовые принципы были выбраны совместными усилиями членов международного сообщества (государства, международные организации и конференции). Они изложены во многих документа, основными из которых являются: решения генеральной Ассамблеи ООН (1962, 1968, 1980 годы), решения Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972 год), Заключительного акта Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе (Хельсинки, 1975 год), Всемирной Хартии природы (1986 год), решения Международной конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 год) и др. В обобщенном виде эти принципы можно сформулировать следующим образом: • приоритетность экологических прав человека; • суверенитет государств на природные ресурсы своей территории; • недопустимость экологического благополучия одной страны за счет нанесения экологического вреда другой; • экологический контроль на всех уровнях; • свободный международный обмен экологической информацией; • взаимопомощь государств в чрезвычайных обстоятельствах; • разрешение эколого-правовых споров мирными средствами. Таблица 6 Основные международные организации по охране природной среды Название, год возникновения Сфера деятельности ЮНЕП – программа ООН по окружающей среде, 1972 Руководство межправительственными программами, проблемы здоровья человека, охрана земель, вод, недр, лесов, животного и растительного мира, генетика. ЮНЕСКО, 1948 Учет и организация охраны ценных природных объектов, отнесенных к всемирному наследию, экологическое образование, просвещение, культура, программа «Человек и биосфера». МСОП – международный союз охраны природных ресурсов, 1948 Сохранение естественных экосистем, редких и исчезающих видов животных и растений, организация заповедников, ведение Международной Красной книги. ФАО – Всемирная продовольственная организация, 1945 Проблемы сельскохозяйственных и продовольственных ресурсов, использование лесов, земель, охрана биологических ресурсов Мирового океана, охрана и воспроизводство животных, являющихся объектом охоты и промысла. ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения, 1946 Охрана здоровья человека в аспекте его взаимодействия с окружающей средой, санитарно-эпидемиологический мониторинг, санитарно-гигиеническая экспертиза качества окружающей природной среды. МАГАТЭ – Международное агентство по атомной энергетике,1957 Разработка правил строительства и эксплуатации АЭС, установление норм радиационной безопасности, оценка воздействия радиации на окружающую природную среду. ВМО – Всемирная метеорологическая организация, 1947 Глобальный мониторинг состояния окружающей среды, изучение воздействия человека на погоду и климат планеты в целом. ИМО – Международная морская организация, 1948 Разработка международных конвенций об охране морей от загрязнения, изучение и охрана морских биологических ресурсов. В состав ИМО входит комитет защиты морской среды. Названные принципы содержатся и в Соглашении стран СНГ о взаимодействии в области экологии и охраны окружающей среды, подписанном в Москве в феврале 1992 года. Для координации экологической деятельности стран СНГ создан Межгосударственный экологический совет. Основан также международный экологический фонд стран СНГ в Минске. В России законодательно закреплен примат международного права над внутренним в области охраны природной среды и использования ресурсов (ст. 93 Закона ООПС). Основными объектами международного сотрудничества являются те, по поводу которых разные страны вступают в экологические отношения: это воздушный бассейн, космос, Мировой океан, Антарктика, разделяемые природные ресурсы. Среди них выделяют две категории объектов: не входящие и входящие в юрисдикцию государств. Первые – это воздушный бассейн, космос, Мировой океан, Антарктика, мигрирующие виды животных. Эти объекты охраняются и используются в соответствии с нормами международного экологического права. Вторые -–это объекты, входящие в юрисдикцию государств: международные реки, моря, озера; объекты мирового природного наследия, занесенные в Международную Красную книгу исчезающих и редких животных и растений. В ноябре 1972 года конференцией ЮНЕСКО была принята Конвенция об охране всемирного культурного и природного наследия: заповедников, национальных парков, резерватов, памятников культуры. Международные организации оказывают материальную помощь государствам в их содержании и охране за счет средств специальных фондов. Международные организации и конференции. Охраной окружающей природной среды занимаются многие международные организации. Ведущая роль принадлежит ООН и ее специализированным органам. Одним из головных органов ООН является Экологический и социальный совет (ЭКОСОС), в рамках которого действуют национальные и региональные комиссии и комитеты. Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) создана в декабре 1972 года. ЮНЕП имеет Совет уполномоченных, Совет по координации и Фонд окружающей среды. К первоочередным направлениям деятельности ЮНЕП относятся: 1) здоровье человека; 2) охрана земель и пресных вод; 3) защита мирового океана; 4) охрана животных и генетических ресурсов; 5) энергетические ресурсы; 6) образование; 7) торговля, экономика, технология. В рамках ЮНЕП работают и другие международные организации: Организация объединенных наций по культуре, науке, образованию (ЮНЕСКО) создана в 1948 году. Штаб-квартира находится в Париже; Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) учрежден в 1948 году. По ее инициативе ведется Красная книга; Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) образована в 1946 году, занимается вопросами охраны здоровья человека; Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) образовано в 1957 году для обеспечения ядерной безопасности и охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения; Международная морская организация (ИМО) создана в 1948 году, действует в области морского судоходства и охраны моря от загрязнения; Всемирная метеорологическая организация (ВМО) создана в 1947 году для изучения и обобщения воздействий человека на климат планеты; Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), которая работает совместно с ВМО; Сельскохозяйственная и продовольственная организация ООН (ФАО) организована в 1945 году. Имеются и другие международные организации, занимающиеся проблемами экологии: Европейская экономическая комиссия (ЕЭК), Международный регистр потенциально токсичных веществ (МРПТХВ), Бюро ООН по оказанию помощи при стихийных бедствиях (ЮНДРО) и многие другие. Из международных конференций следует отметить четыре. Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде состоялась 5-16 июня 1972 года. Приняла два основных документа: Декларацию принципов и План мероприятий. Совещание по безопасности и сотрудничеству в Европе (СБСЕ) проходило в Хельсинки в августе 1975 года с участием всех европейских стран, США и Канады. Оно приняло Заключительный акт, в котором отражены вопросы политической и экологической безопасности. Венская встреча представителей СБСЕ прошла в ноябре 1986 года. В итоговом документа содержатся рекомендации по сокращению выбросов серы, углеводородов и других загрязняющих атмосферу веществ; по разработке способов захоронения опасных отходов; по развитию совместной программы наблюдений за распространением загрязнений на большие расстояния в Европе; сокращению производств озоноразрушающих веществ; исследованию роли углекислого газа в глобальном потеплении климата. Конференция ООН по окружающей среде и развитию проходила в Рио-де-Жанейро 3-14 июня 1992 года. Конференция была организована для подведения итогов 20-летней деятельности по охране природы после Стокгольмской конференции. В ней участвовало 15 тыс. делегатов из 178 стран. Она провозгласила принципы устойчивого развития всех стран и народов, которые предполагают прогресс и движение вперед нынешнего поколения без лишения таковой возможности будущих поколений. Межгосударственное сотрудничество России. В последние годы деятельность по международному природоохранному сотрудничеству в России значительно активизировалась. Одним из важнейших направлений стало участие в общеевропейском процессе под названием «Окружающая среда для Европы». В октябре 1995 года в Софии прошла Общеевропейская конференция министров окружающей среды. В ходе ее подготовки Россия активно взаимодействовала с Комитетом по экологической политике ООН. Основными итоговыми документами были «Декларация Министров» и «Экологическая программа для Европы». Развиваются контакты с Экономической и социальной комиссией стран Азии и Тихого океана (ЭСКАТО). С 1995 года Россия полноправный член ЭСКАТО. В рамках сотрудничества с МСОП представители России добились выделения специальной программы по странам СНГ с особым блоком для России. В настоящее время реализуется более 20 международных конвенций и соглашений по охране окружающей среды. 6 февраля 1995 года Россия и Международный Банк Реконструкции и Развития (МБРР) подписали соглашение о займе на сумму 110 млн.долларов для финансирования проектов по управлению окружающей средой. В этой связи Правительство РФ приняло два постановления (№ 808 и № 809 от 30 августа 1995 года) и соглашение вступило в силу. Основная цель этого проекта – создание в течение трех-пяти лет условий для снижения экологического ущерба в особо опасных районах России (на Верхней Волге, Среднем Урале и Нижнем Дону). Созданы федеральные и региональные Комитеты по оказанию технической помощи по следующим направлениям: 1) экологическая политика и регулирование; 2) экологическая эпидимиология; 3) управление качеством воды и водными ресурсами; 4) управление опасными отходами. Проводились и проводятся международные конкурсные торги для выбора фирм-консультантов и фирм-поставщиков товаров и услуг в интересах проекта. Но, к сожалению, пока значительных результатов осуществления этих проектов не отмечено. Кроме участия в международных проектах у России наблюдается активное двухстороннее сотрудничество в области охраны окружающей среды с Великобританией, Германией, Данией, Индией, Канадой, Китаем, Нидерландами, Норвегией, Республикой Корея, США, Финляндией, Францией, Швецией и др. Но сотрудничество России в области охраны природы не исчерпывается деятельностью организаций, о которых сказано выше. Оно охватывает различные неформальные общественные движения, партию «зеленых» и многие другие и постоянно расширяется. Лекция 17. Защита окружающей среды от шума и вибраций План лекции 1. Шум и его характеристики. 2. Нормирование шума. 3. Меры борьбы с шумовым загрязнением. К основным физическим факторам окружающей среды, негативно воздействующим на здоровье человека, относятся шум и вибрации. Источники шума чрезвычайно разнообразны, так же как и их уровни. Ориентировочные уровни шума приведены на рис. . Рис. . Ориентировочные уровни шума Шумом, по Н.Реймерсу, принято называть звуковые колебания, выходящие за рамки звукового комфорта. Чаще всего это неупорядоченные звуковые колебания, но бывают и упорядоченные, мешающие восприятию нужных звуков либо вызывающие неприятное ощущение и повреждающие органы слуха. Как и все акустические колебания, шум может восприниматься ухом человека в пределах частот от 16 до 20000 Гц (ниже – инфразвук, выше – ультразвук). Шумы принято делить на низкочастотные (до 350 Гц), среднечастоные (350-800 Гц), высокочастотные (выше 800 Гц). Высокочастотный шум оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на организм и субъективно более неприятен. Но человек реагирует не на абсолютный прирост частоты и громкости, а на относительный. Так, физиологически прирост частоты вдвое на низких или высоких частотах воспринимается одинаково. В этом суть биофизического закона Вебера-Фихтнера. Именно поэтому все звуковое частотное поле делят на 9 октав. Причем конечная частота fк данной октавы в 2 раза больше начальной fн, а основная октавная частота – их средняя геометрическая: Fокт =  fк . fн Ряд среднегеометрических частот октавных полос частот выглядит так: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц. Кроме частоты, к основным характеристикам шума относят акустическое (звуковое) давление Р, интенсивность I и уровень L шума (звука), а также мощность источника. Звуковое давление Р является избыточным над давлением воздушной среды. Минимальное звуковое давление, воспринимаемое ухом человека, называется пороговым и оно равняется Ро = 2.10-5 Па. Интенсивность звука I характеризует удельную энергию звуковых волн на единицу площади: I = P2 / . , Вт/м2, где  - плотность среды, кг/м3,  - скорость звука , м/с. Пороговая интенсивность звука Iо, соответствующая Ро для распространения звука в воздухе, равна 10-12 Вт/м2. Следует иметь в виду, что давление и интенсивность характеризуют звуковое поле в данном месте, т.е. на расстоянии r от источника. Мощность источника по измерениям в любой точке сферы радиусом r определяется выражением: W = I . 2 . r2, Вт. Все эти величины имеют абсолютный характер и не вполне удобны для оценки шума. Поэтому введена величина называемая уровнем шума, которая характеризуется отношением интенсивности в данном месте к пороговой: L = lg I/Iо, Б L = 10. lg I/Iо, дБ L = 120 + 10. lg I, дБ. Единица измерения – белл (Б). Характеризует рост интенсивности в 10 раз. Это очень большая величина, поэтому применяют десятую долю белла, т.е. децибелл (дБ). Через давление уровень звука выражается с зависимостью: L = 20 lg Р/Ро, дБА. Обычно суммарный уровень шума определяется с помощью шумометра по шкале А, поэтому величина обозначается дБА. Различают тональный шум, в котором выражены дискретные тона, и широкополосный. Кроме того, если уровень шума изменяется по времени не более, чем на 5 дБ, он считается постоянным, а в противном случае – непостоянным. По физической природе шумы могут иметь следующее происхождение: • механическое, связанное с работой машин и оборудования, вследствие ударов в сочленениях, выбрации роторов и т.п.; • аэродинамическое, вызванное колебаниями в газах; • гидравлическое, связанное с колебаниями давления и гидроударами в жидкостях; • электромагнитное, вызванное колебаниями электромеханических устройств под действием переменного электромагнитного поля или электрических разрядов. Основными источниками шума являются все виды транспорта (прежде всего авто- и железнодорожный), промышленные предприятия и бытовое оборудование (включая звуковую аппаратуру). В древнем Китае существовала смертная казнь шумом. Шум порядка 90-100 дБ вызывает постепенное ослабление слуха, нервно-психический стресс, язвенную болезнь, сердечно-сосудистые заболевания (в крови существенно повышается уровень холестерина), заболевания щитовидной железы. Длительное воздействие очень сильного шума (более 110 дБ) приводит к агрессивному состоянию (так называемому «шумовому опьянению»), разрушению тканей тела, обострению хронических заболеваний и снижению продолжительности жизни. Жители г.Осака (Япония), проживающие вблизи аэропорта, с помощью медиков доказали, что рост нервно-психических расстройств у них – следствие шума от ночных полетов самолетов, и через суд добились компенсации и снижения интенсивности полетов. В России доказано снижение работоспособности человека при занятии умственным трудом от одного источника широкополосного шума – в 3-4 раза, а для двух – 10-12 раз. Нижний порог слышимости для человека 1 дБ, при 115-129 дБ появляется боль в ушах, а при 150 дБ возможна потеря слуха. Причем с возрастом порог болевого восприятия снижается. Обычно не рекомендуется достаточно длительное воздействие шума с уровнем выше 80 дБ. Для справки. Уровень шума электропилы до 120 дБ, рок-группы – 80-120, электробритвы – 75-80, дыхания – 25-30, шепота – 8-10 дБ. Нормирование шума Санитарные нормы устанавливают, как говорилось ранее, предельно допустимые уровни воздействия (ПДУ) звука для различных зон и в разное время суток. При этом для тонального постоянного шума используются допустимые уровни в конкретной октаве. Для непостоянного шума введены эквивалентный и максимальный уровни. Эквивалентный уровень определяется из условия равенства энергии условного постоянного широкополосного шума, имеющего то же среднеквадратичное звуковое давление, что и реальный непостоянный шум: n Lэкв = 10lg( ti .10 0,1Li /100), дБА, i=1 где ti – относительное время действия шума, %; Li – уровень интенсивности звука, дБА; i – номер поддиапазона октавной полосы; n – число поддиапазонов. Максимальный уровень определяется по показателям шумомера за время, не менее 1% от общей продолжительности измерения. Общее измерение во всем диапазоне октав должно быть не менее 30 мин. Результаты измерений сравниваются с допустимыми. Допустимые уровни воздействия сведены в санитарные нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 и другие нормативы. Нормирование уровня шумов, создаваемых городским транспортом, устанавливает значения уровней звука в соответствии с ГОСТ 27436-87. Некоторые данные по ПДУ приведены в таблице . Таблица - Предельно допустимые уровни воздействия Зона действия звука Допустимые уровни звука в разное время суток, дБА 7 – 23 ч 23 – 7 ч Эквивалентный Максимальный Эквивалент ный Максимальный Учебные помещения 40 55 - - Жилые комнаты 40 55 30 45 Палаты больниц и санаториев 35 50 25 40 Номера гостиниц, общежитий, территории больниц и санаториев 45 60 35 50 Залы столовых кафе 55 70 - - Залы ожидания вокзалов, аэропортов 60 75 - - Территории, прилегающие к жилым домам, пансионатам, детсадам и т.п. 55 70 45 60 Площадки отдыха жилых домов, школ, институтов и т.п. 45 60 - - Эти уровни вблизи магистральных улиц (на расстоянии 2 км от них) допускается принимать на 10 дБА выше, приведенных в табл. 6. Шум от конкретных единиц, согласно стандарту, измеряется на расстоянии 7,5 м от осевой линии движения. На этом расстоянии уровни шума от легковых автомобилей должны быть не более 77 дБА, автобусов - 83, грузовых – 84, самых тяжелых мотоциклов – 85 дБА. Сравнение действительных эквивалентных уровней звука заканчивается определением уровня шумового дискомфорта как разности эквивалентного и допустимого уровней воздействия. Некоторые данные по этим величинам приведены в таблице Следует учесть, что при закрытой форточке шум уменьшается примерно на 5дБА. Таблица - Сравнительные данные уровней воздействия Тип магистрали Интенсивность движения, час Действие шума, дБА На расстоянии 7,5 м В помещении (при открытой форточке) Расстояние до помещения, м Эквивалентный уровень звука Уровень шумового дискомфорта Железнодорожная: двухколейная 40 89 70 65 20 Одноколейная 20 87 70 63 18 Скоростная магистраль или улица городского значения 2000-6000 82-85 50 56-59 11-14 Улица районного значения 500-2000 76-81 30 61-68 18-23 Жилая улица 50-500 60-74 10 52-66 7-21 Открытая линия метро 40 69 50 53 8 Расчет шумовых характеристик некоторых источников Для правильного выбора методов защиты от шумов различных промышленных установок необходимо знать их шумовые характеристики, определяемые в соответствии с ГОСТ 12.1.024-81, ГОСТ 12.1.025-81 и другими нормативными документами. Наиболее часто встречающимися шумящими установками в промышленности являются вентиляторы, компрессоры и турбореактивные двигатели. Из-за интенсивного шума последних некоторые типы российских самолетов не принимаются зарубежными аэропортами. Уровень звуковой мощности Lp в октавной полосе шума, создаваемого вентиляторной установкой в воздуховоде вычисляется по формуле: Lp = Кш + 25 lg pв + 10 lg V – ∆ L1 + ∆ L2 + δ + 25, где Кш – критерий шумности, определяемый в зависимости от типа установки, определяемый по данным работы [3]; pв – полное давление, Па; V – объемный расход воздуха в вентиляторе, м3/с; ∆ L1 – поправка для учета распределения звуковой мощности вентилятора по октавным полосам частот [3]; ∆ L2 – поправка для учета акустического влияния присоединения воздуховода к вентилятору [3]; δ – поправка, учитывающая режим работы вентилятора, величина которой равна 0 при работе вентилятора в режиме максимума КПД или с отклонением от него не более чем на 10%, а при отклонении на 20% и более δ = 2-4 дБ. Компрессорные и вентиляционные установки являются самым распространенным источником шума на производстве и часто в быту. В случае работы стационарных установок распространение шума происходит через всасывающие и выхлопные отверстия воздуховодов. При сбросе сжатого воздуха турбореактивными двигателями возникает интенсивный шум, источником которого является высокоскоростная струя воздуха. Общий уровень звуковой мощности в широком диапазоне частот можно определить по приближенной формуле: Lp = 80 lg vc + 20 lg pc + 10 lg S – К, где vc – скорость истечения газа из сопла; pc – плотность струи в выходном сечении сопла; S – площадь поперечного сечения сопла; К – величина, зависящая от температуры струи (для холодных струй она равна 57 дБ, для турбореактивных двигателей – 44 дБ). Меры борьбы с шумовым загрязнением При разработке или выборе методов защиты окружающей среды от шумов принимается целый комплекс мероприятий, включающий: - проведение необходимых акустических расчетов и измерений, их сравнение с нормированными и реальными шумовыми характеристиками; - определение опасных и безопасных зон; разработка и применение звукопоглощающих, звукоизолирующих устройств и конструкций; - выбор соответствующего оборудования и оптимальных режимов работы; - снижение коэффициента направленности шумового излучения относительно интересующей территории; - выбор оптимальной зоны ориентации и оптимального расстояния от источника шума; - проведение архитектурно-планировочных работ; - организационно-технические мероприятия по профилактике в части своевременного ремонта и смазки оборудования; - запрещение работы на устаревшем оборудовании, производящем повышенный уровень шума и т.п. Перечисленные мероприятия, сведенные в схему на рис. , относятся к коллективным средствам защиты от шума, широко применяемым на промышленных предприятиях. Использование в той или иной степени этого комплекса мероприятий зависит от каждого конкретного случая. Схема коллективной защиты от шума Основным методом борьбы с шумом на железнодорожном транспорте и в сельском хозяйстве является улучшение конструкции машин, более жесткие технологические требования, особенно: - уменьшение дисбалансов роторов; - установка глушителей; - переход на электротягу; - улучшение стыковки рельсов (для рельсового транспорта), установка амортизирующих прокладок, гребнесмазывателей и др. Очень важно уменьшить мощность шумовых источников за счет оптимального размещения предприятий, создания объездов, развязок на основе шумовых карт. Не менее важны градостроительные мероприятия: вдоль транспортных магистралей необходимо улучшить остекление домов, применять разделительные оконные переплеты, увеличить плотность естественных и искусственных экранов. В последнее время в домах, расположенных вблизи шумовых источников, при невозможности отселения жителей, применяют тройное остекление окон с раздельными переплетами, стеклопакет. Шум при этом уменьшается в 2,5 раза при закрытых окнах. Таким образом, исходя из данных рис. 76 и сказанного выше, для защиты от шума основными техническими мероприятиями, направленными на снижение уровня шума, являются звукоизоляция, звукопоглощение и установление глушителей. Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук. Как отмечалось выше, звукопоглощение в непрерывных средах характеризуется уменьшением амплитуды распространяющихся звуковых волн в зависимости от расстояния. Кроме удаления источника звука на определенное расстояние, на котором достигается нормативный уровень звука, для звукопоглощения применяются различные поглощающие материалы. Звукопоглощение в этих материалах зависит от частоты и угла падения волны на звукопоглощающий материал. Зависимость звукопоглощения некоторых материалов от частоты приведены в таблице . Таблица Зависимость коэффициента звукопоглощения некоторых материалов от частоты Материал Частота, Гц 125 250 500 1000 2000 4000 Минеральная вата - 0,3 0,66 0,76 - - Шторы (у стены) 0,03 0,04 0,11 0,17 0,24 0,35 Шторы (от стены 20 см) 0,08 0,29 0,44 0,50 0,40 0,35 Ковер (плюш из войлока) 0,11 0,14 0,37 0,43 0,27 0,25 Штукатурка на деревянной решетке 0,012 0.013 0,018 0,045 0.028 0.055 Стул с бархатной спинкой - 0,17 0,16 0,17 0,21 - К звукопоглощающим относятся материалы, у которых коэффициент поглощения выше 0,3. В зависимости от механизма эти материалы делятся на три вида: - волокнистые пористые материалы типа ультратонкого стеклянного или базальтового волокна, в которых звукопоглощение осуществляется за счет вязкого трения воздуха в порах; - войлоки, древесноволокнистые материалы, минеральная вата, в которых помимо вязкого трения происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого скелета; - панельные материалы, звукопоглощение в которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых ее участков (фанерные щиты, плотные шторы и т.п.). Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабевает за счет ее частичного проникновения через ограждения, щели, окна и т.д. Звукоизоляция – процесс снижения уровня шума, проникающего через ограждение в помещение. Для звукоизоляции применяют акустические экраны, звукоизоляционные ограждения и кожухи. Звукоизолирующая способность Sи ограждения с учетом звукопоглощения может быть рассчитана для изолируемого помещения по формуле: Sи = 10lg(1/Кпр) + 10lg(S/∑Кп Si) , где S – площадь ограждения, м2; ∑Кп Si – сумма общих звуковых поглощений всех тел, находящихся в помещении, включая стены, пол, потолок и т.д.; Кп – коэффициент поглощения; Кпр – коэффициент прохождения звука. Глушители шума по принципу действия делятся на абсорбционные, реактивные и комбинированные. Принцип действия абсорбционных глушителей основан на поглощении звуковой волны в звукопоглощающих материалах. Снижение шума ∆Lгл в этом глушителе определяется по формуле: ∆Lгл = l КпS/∆s, где l – длина глушителя; Кп – коэффициент звукопоглощения; S –периметр облицовки поперечного сечения глушителя; ∆s – площадь поперечного сечения. В реактивных глушителях используется явление отражения звуковой волны обратно к источнику шума с использованием отражателей и объемных резонаторов. Этот вид глушителей применяется в том случае, когда в спектре источника шума наблюдаются ярко выраженные дискретные составляющие (поршневые компрессоры, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Глушители этого вида устанавливают непосредственно в трубопроводах, поперечные размеры которых меньше длины волны заглушаемого звукового колебания. Глушители имеют резонансную частоту, определяемую по формуле: fp = (ω/2π) [√So(l + 0,8d)/V], где ω – угловая скорость; l – длина горловины; d – диаметр отверстия; So – площадь поперечного сечения горловины; V – объем резонатора. При наличии в спектре источника шума с несколькими резонансными частотами применяют многокамерные концентричные системы. В комбинированных глушителях используются явления, как поглощения, так и отражения звука. Лекция 18. Защита от электромагнитного загрязнения План лекции: 1. Электромагнитное загрязнение среды и его источники. 2. Предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитных полей (ЭМП). 3. Защита от ЭМП. Электромагниное загрязнение по Н.Реймерсу возникает в результате изменений электромагнитных свойств среды, приводящих к нарушениям работы электронных систем и изменениям в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах. Естественные изменения в электромагнитном фоне называют электромагнитными аномалиями. В последнее время в связи с широчайшим развитием электронных систем управления, передач, связи, электроэнергетических объектов на первый план вышло антропогенное электромагнитное загрязнение – создание искусственных электромагнитных полей (ЭМП). Их влияние на нашу жизнь многообразно, но недостаточно изучено. Известны случаи полного нарушения движения поездов в Японии под влиянием внешних ЭМП. Другой пример – остановка сердца у человека с электростимулятором. У людей, постоянно проживающих под ЛЭП, фиксируется аномально высокая смертность от рака, туберкулеза и сердечно-сосудистых заболеваний. Установлены факты влияния высоковольтных линий на геомагнитные процессы и даже на грозовую активность в атмосфере. Недостаточное внимание к высоковольтным линиям привело к тому, что в 70-е годы исследователи установили связь между лейкозом у детей и воздействием магнитного поля этих линий. В результате антропогенной деятельности увеличивается общий электромагнитный фон окружающей среды не только в количественном, но и в качественном отношении. Появились источники техногенного происхождения, отличающиеся по своим характеристикам от традиционных источников, к которым живые организму биосферы адаптировались в процессе длительной эволюции. Например, миллиметровые волны, некоторые участки радиодиапазонов, ультрафиолетовые, рентгеновские, γ-излучения, инфразвуковые и ультразвуковые колебания, сильные электростатические и магнитные поля и т.д. в существенной степени изменяют естественный фон. При этом возможно не простое наложение техногенных физических полей на естественный фон, а происходит их более сложное взаимодействие друг с другом, что существенно может влиять на устойчивость экосистем. Современная концепция действия миллиметровых волн на биологический объект заключается в следующем: - взаимодействие излучения с поверхностными клеточными мембранами; - взаимодействие СВЧ поля с зарядами белковых молекул, совершающими колебания на собственных резонансных частотах; - возникновение в мембране СВЧ поля акустического происхождения; - мембраны создают синхронизирующие, фазирующие СВЧ поля, воздействующие на белковые молекулы; - синхронизация и когерентное сложение колебаний белков передается колебаниям мембраны с последующим излучением энергии в межклеточное пространство. Статическое электрическое поле также существенно влияет на живые организмы. Разряды, возникающие при стечении электрических зарядов, вызывают испуг, раздражение, могут быть причиной пожара, взрыва, травмы, порчи микроэлектронных устройств и т.п. Длительное воздействие статических электрических полей с напряженностью поля более 1000 В/м вызывает у человека головную боль, утомленность, нарушения обмена веществ, раздражительность. Известно, что любое ЭМП характеризуется частотой и векторами напряженности электрического и магнитного полей. Шкала электромагнитных волн для различных диапазонов частот ЭМП представлена на рис. , а некоторые техногенные источники электромагнитного загрязнения – таблице . Рис. Шкала электромагнитных волн: Звездочкой помечены номера поддиапазонов, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР) Таблица - Техногенные источники электромагнитного загрязнения Название Диапазон частот (длин волн) Радиотехнические объекты 30 кГц – 30 МГц Радиопередающие станции 30 кГц – 300 МГц Радиолокационные и радионавигационные станции СВЧ диапазон (300 МГЦ – 300 ГГц Телевизионные станции 30 МГц – 3 ГГц Плазменные установки Видимый, ИК-, УФ-диапазоны Термические установки Видимый, ИК-диапазон Высоковольтные линии электропередач Промышленные частоты, статическое электричество Рентгеновские установки Жесткий УФ, рентгеновский диапазон, видимое свечение Лазеры Оптический диапазон Мазеры СВЧ диапазон Ядерные реакторы Рентгеновское и γ-излучение, ИК, видимое и т.п. Технологические установки ВЧ, СВЧ, ИК, УФ, видимый, рентгеновский диапазоны Источники ЭМП специального назначения (наземные, водные, подводные, воздушные), применяемые в радиоэлектронном противодействии Радиоволны, оптический диапазон, акустические волны (комбинированного действия) Однако для различных вариантов степень воздействия на биологические объекты может быть разной. Если ЭМП обусловлено неподвижными зарядами, то оно является электростатическим. Определяющей является напряженность электрического поля. Наоборот, для катушек с большим числом витков при постоянном токе относительное проявление магнитной составляющей выше электрической. Для ЭМП от источников, работающих на переменных токах частотой до 300 МГц, учитываются электрическая и магнитная составляющая. Этот диапазон охватывает установки промышленной частоты (50 Гц), а также радиопередающие и телевизионные устройства различных диапазонов: низкой частоты (30-300 кГц), средней (300 кГц – 30 МГц), очень высокой (30-300 МГц). Существуют и более высокие диапазоны излучения УВЧ (300-3000МГц), СВЧ (3-30 ГГц) и КВЧ (30-300 ГГц). Предельно допустимые уровни электромагнитных полей В нашей стране разработаны и приняты санитарные нормы, являющиеся по ряду параметров самыми жесткими в мире. В качестве предельно допустимого уровня облучения населения принимаются такие значения электромагнитных полей, которые при ежедневном воздействии в свойственных для данного источника излучения режимах не вызывают у людей заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования. Основной критерий безопасности для населения установлен Минздравом РФ и составляет не боле6е 500 В/м при частоте 50 Гц в местах постоянного пребывания людей. Магнитные поля для населения России не нормируются. Введенный в качестве рекомендации учеными Швеции и ряда других стран дополнительный критерий безопасности состоит в том, что в местах ночного отдыха и пребывания детей напряженность магнитного поля частотой 50 Гц не должна превышать 0,2 МкТл. Предельно допустимые уровни напряженности ЭМП представлены в таблице в соответствии с «Санитарными нормами и правилами защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередач переменного тока промышленной частоты» № 2971-84. Таблица - Предельно допустимые уровни напряженности электрического поля Помещение, территория Напряженность электрического поля, кВ/м Внутри жилых зданий 0,5 На территории зоны жилой застройки 1,0 В населенной местности, вне жилой застройки (земли в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет, пригородные и зеленые зоны, курорты, земли поселков городского типа и сельских населенных пунктов, в пределах черты этих пунктов); на участках пересечения высоковольтных линий с автомобильными дорогами 1-1У категории 10 В ненаселенной местности (часто посещаемой людьми, доступной для транспорта и сельскохозяйственные угодья) 15 В труднодоступной местности (не доступной для транспорта и сельскохозяйственных машин) и на специально выгороженных участках, где доступ населения исключен) 20 При величине напряженности поля выше 500 В/м должны быть приняты меры, исключающие воздействие на человека электрических зарядов и токов стекания. Для зон, находящихся около радиотехнических объектов нормирование проводится в соответствии с «Временными санитарными нормами и правилами защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами» № 2963-84. Эти нормы распространяются и на ЭМП телевизионных станций УВЧ диапазона. Для зон, прилегающих к телевизионным станциям СВЧ диапазона нормирование производится по СН 4262-87. Измерение уровней излучений радиолокационный устройств производится в соотвествии с «Методическими указаниями по определению плотности потока энергии электромагнитного поля, размеров санитарно-защитных зон и размещению метеорологических радиолокаторов» № 1910-77 и «Методическими указаниями по определению уровней электромагнитного поля и гигиеническими требованиями к размещению ОВЧ, УВЧ и СВЧ радиотехнических средств гражданской авиации» № 2284-81. При загрязнении окружающей среды электромагнитным излучением радиочастотного диапазона пользуются СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Нормированию подлежит также бытовая и компьютерная техника, которая является техногенным источником электромагнитных полей. В соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические требования к видиодисплейным терминалам, персональным электронновычислительным машинам и организация работы» время непрерывной и суммарное время работы за персональным компьютером представлено в таблице . Таблица - Нормативы продолжительности работы на ПЭВМ Категории пользователей Продолжительность работы на ПЭВМ в течение дня непрерывная общая Дети дошкольного возраста - 7-10 мин Школьники 10-30 мин 45-90 мин Студенты 1-2 ч 2-3 ч Взрослые до 2 ч до 6 ч Защита от ЭМП Способ защиты расстоянием и временем. Этот способ защиты окружающей среды от воздействия ЭМП является основным, включающим в себя как технические, так и организационные мероприятия. При размещении на служебных территориях радиотехнических сооружений и объектов с целью получения уровней воздействия ЭМП, не превышающих ПДУ, учитывают: - мощность и диапазон частот источника ЭМП; - конструктивные особенности, диаграмму направленности и высоту размещения антенн излучателя; - рельеф местности; - оптимальный режим работы источника ЭМП; - этажность и особенность застройки и т.п. При сооружении радиотехнических объектов в случае необходимости создают санитарно-защитную зону и зону ограничения застройки в соответствии с Санитарными нормами № 245-71. Размеры зон ограничений и санитарно-защитной зоны выбирают по методикам, представленным в приложении правил СН 2963-84. Вдоль трассы высоковольтных линий, проходящей через населенную местность, границу санитарно-защитной зоны выбирают в соответствии с размерами, представленными в таблице . Таблица - Граница санитарной зоны вдоль трассы высоковольтных линий электропередач Напряжение ВЛ, кВ Расстояние от проекции на землю крайних фаз проводов, м 1150 300 750 250 500 150 330 75 220 25 110 20 35 15 до 20 10 Санитарно-защитные зоны радио- и телевизионных станций представлены в таблице . Таблица - Санитарно-защитные зоны радио- и телестанций Тип объекта Диапазон частот Размер санитарно-защитной зоны, м Длинноволновые радиостанции 30 – 300 кГц 100 – 1000 Средневолновые радиостанции 300 – 3000 кГц 200 – 1000 Коротковолновые радиостанции 3 – 30 МГц 50 – 70 Телевизионные и УКВ станции 30 – 1000 МГц 25 – 100 В пределах санитарно-защитной (охранной) зоны запрещается размещать жилые здания, стоянки и остановки транспорта, устраивать места отдыха, спортивные и игровые площадки. С целью уменьшения ЭМП промышленной частоты увеличивают высоту подвесе проводов ВЛ, удаляют жилую застройку от линий передачи, применяют экранирующие устройства. Способ защиты временем состоит в том, что находиться вблизи источников ЭМП как можно меньше времени. Например, в зоне напряженностью 10 кВ/м разрешается находиться не более 3 часов, а при 20 кВ/м – не более 10 минут в день. Допускается уменьшение санитарно-защитных зон для сельской местности и самых высоких напряжений почти в 6 раз при условии ограничения времени пребывания и других специальных мер. Способ экранирования ЭМП. Этот способ защиты от электромагнитных излучений использует процессы отражения и поглощения электромагнитных волн. Для снижения электрической составляющей поля в зонах с повышенной напряженностью предложено заземлять металлические крыши, на неметаллические устанавливать заземленные сетки. На открытых местностях, расположенных в зонах с повышенными уровнями ЭМП, применяются экранирующие устройства в виде железобетонных заборов, тросовых экранов, экранирующих сеток, высаживаются деревья высотой более 2 м и др. Для снижению уровня ЭМП промышленных источников используются стандартные специализированные средства в соответствии с ГОСТ 12.1.006-84. Частичной экранирующей способностью Sэ обладают строительные конструкции: Sэ = 20 lg Wo/Wп, где Wo и Wп – соответственно интенсивности падающей и прошедшей электромагнитной волны. Ослабление (экстинкция) электромагнитного излучения строительных конструкций представлена в таблице для длин волн 3 см и 10 см. Таблица Ослабление электромагнитного излучения строительными конструкциями Материалы и элементы конструкций Экстинкция, дБ λ = 3 см λ = 10 см Кирпичная стена толщиной 70 см 21 16 Междуэтажное перекрытие 22 2 Оштукатуренная стена здания 12 8 Окна с двойными рамами 18 7 Таким образом, основными мерами защиты от ЭМП являются нормативы по расстоянию, времени пребывания и, в некоторых случаях, - экраны. Литература Основная: 1. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии: Учебник. М.: Высшая школа, 2005.- 447 с. 2. Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды: Учебник для студентов вузов.- М.: Юрайт, 2011.- 671 с. 3. Родионов А.И. Защита биосферы от промышленных выбросов. Основы проектирования технологических процессов: Учебное пособие.- М.: КолосС, 2007.- 387 с. 4. Рыбаков Ю.С. Процессы и аппараты защиты окружающей среды: Учебное пособие.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2005.- 194 с. 5. Рыбаков Ю.С. Промышленная экология: Учебное пособие.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2004.- 152 с. 6. Захваткин Ю.А. Основы общей и сельскохозяйственной экологии: Учебник.- М.: Мир, 2003. 7. Охрана окружающей среды: Учебное пособие.- Екатеринбург: Изд-во УрГСХА, 2001. 8. Константинов В.М. Охрана природы: Учебное пособие.- М.: Академия, 2003. 9. Кисленко В.Н. Общая и ветеринарная экология: Учебник.- М.: КолосС, 2006. 10. Экология: учебное пособие для студентов вузов / По ред. А.В.Тотай.- М.: Юрайт, 2011.- 407 с. 12. Соколова Л.П. Экология. Базовый курс: учебник для вузов.- М.: Приор-издат, 2010.- 252 с. 13. Предельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е. Экология: Учебник.- М.: Проспект, 2009.- 507 с. 14. Маринченко А.В. Экология: учебное пособие для студентов, изучающих технические специальности.- М.: Дашков и К, 2009.- 326 с. 15. Рыбаков Ю.С. Экология: учебно-методический комплекс.- Екатеринбург: изд-во УрГЭУ, 2010.- 149 с. 16. Горелов А.А. Экология: конспект лекций.- М.: Юрайт, 2008.- 191 с. 17. Хван Т.А. Экология. Основы рационального природопользования: учебное пособие.- М.: Юрайт, 2011.- 319 с. Дополнительная: 1. Лотош В.Е. Технологии основных производств в природопользовании: Учебник для вузов.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002.- 553 с. 2. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования: Учебное издание.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002.- 463 с. 3. Лотош В.Е. Экология природопользования: Учебное издание.- Екатеринбург: Изд-во УрГЭУ, 2000.- 540 с. 4. Рыбаков Ю.С. Экология: Учебно-методический комплекс.- Екатеринбург: Изд-во УрГЭУ, 2010.- 149 с. 5. Лугаськова Н.В., Рыбаков Ю.С. Промышленная экология: Методические рекомендации к выполнению контрольных работ.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011.- 32 с. 6. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учебное пособие для технических вузов. – М.: Высшая школа, 2001.- 357 с. 7. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления: Учебное пособие для вузов. – М.: Колос, 2000.- 232 с. 8. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод.- М.: Стройиздат, 1985.- 335 с. 9. Дикаревский В.С., Якубчик П.П., Иванов В.И., Петров Е.Г.. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте. Учебник для вузов на ж-д транспорте.  М.: ИГ «Вариант», 1999,  440 с. 10. Рыбаков Ю.С., Лугаськова Н.В. Экология: Курс лекций.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2005.- 122 с. 11. Рыбаков Ю.С., Асонов А.М. Экология: Контрольные задания.- Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2003.- 51 с. 12. Демина Т.А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды: учебное пособие.- М.: Аспект-Пресс, 1996. 13. Банников А.Г. Основы экологии и охрана окружающей среды: Учебник.- М.: Колос, 1996. 14. Ливчак И.Ф. Инженерная защита и управление развитием окружающей среды: Учебное пособие.- М.: Колос, 2001. 15. Степановских А.С. Охрана окружающей природной среды: Учебное пособие.- Курган: ГИПП «Зауралье», 1998. ПРИМЕЧАНИЕ: Литература, выделенная жирным шрифтом, имеется в библиотеке УрГАУ