WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

«УДК 574 И.Г. Зубилин Зубилин И.Г., Холин Ю.В., Юшко В.К. ...»

-- [ Страница 2 ] --

жают бактерий углеводами, используемыми для ферментативного восстановления молекулярного азота;

переводимый в растворимые d x1 / d t = r1 x1 (1 - x1/K1 - 12x2/K1), (3.43) формы азот легко усваивается растениями. Исследованию комменса лизма и мутуализма посвятил немало трудов известный русский ре d x2 / d t = r2 x2 (1 - x2/K2 - 21x1/K2), (3.44) волюционер и географ кн. П.А.Кропоткин, социальные представле где Кi – емкость среды по отношению к i-му виду в отсутствие конку ния которого заставляли искать и в живой природе не дарвиновскую ренции, коэффициенты 12, 21 – характеристики взаимного влияния борьбу всех со всеми («борьбу за существование»), а находить при видов. Хотя система уравнений (3.43), (3.44) аналитического реше меры сотрудничества и помощи.

ния не имеет, качественные особенности решений установить до Аменсализм, комменсализм и мутуализм легко исследовать вольно легко, проведя графический анализ [3]. Его результаты сле математически на основе логистической модели роста популяции.

дующие: в зависимости от емкостей среды и коэффициентов взаим Напомним, что дифференциальное уравнение модели мы записывали ного влияния конкуренция может происходить по трем сценариям.

в виде Сценарий А: при 12 > K1 / K2 и 21 < K2 / K1 побеждает первый вид d xj / d t = rjмакс xj (1 - xj/Kj). (3.34) (рис. 3.16);

сценарий Б: 12 < K1 / K2 и 21 < K2 / K1 наступает устой чивое равновесие (рис. 3.17);

сценарий В: при 12 > K1 / K2 и Для системы двух видов имеем:

21 > K2 / K1 исход конкуренции зависит от начального соотношения d x1 / d t = r1 x1 (1 - x1/K1), (3.39) численностей видов – один из видов может победить (рис. 3.16), а может установиться устойчивое равновесие (рис. 3.17).

d x2 / d t = r2 x2 (1 - x2/K2). (3.40) Следует отметить, что ни при каких значениях параметров мо дели (K1, K2, 12, 21) в системе не возникают колебательные ре Предположим, что увеличение численности вида 1 влияет на ско жимы. К такому же выводу приводят и более сложные модели, учи рость роста вида 2. В простейшем случае это влияние можно пере тывающие нелинейный характер взаимного влияния конкурирующих дать линейной функцией емкости среды для вида 2 от плотности по видов друг на друга.

пуляции вида 1:

Наконец, остается еще один тип взаимоотношений – K2(x1) = K2 + 21x1. (3.41) «жертва – эксплуататор». К этому типу относятся отношения, при которых увеличение плотности популяции вида-эксплуататора вле Если коэффициент 21 положителен, уравнение (3.41) предс чет за собой уменьшение плотности популяции вида-жертвы, а рост тавляет собой модель комменсализма, если отрицателен – аменса популяции жертвы вызывает рост численности эксплуататора.

лизма. В случае мутуализма, помимо уравнения (3.41), записывают и выражение 73 а x1,x x1, x K1+ K Сценарий А x1(t) K x1(t) K2+ K x2(t) x2(t) t t Рис. 3.16. Возможный сценарий конкуренции видов.

б x1,x K x1(t) x1, x Сценарий Б K x2(t) x2(t) K x1(t) t Рис. 3.15. Динамика численности вида, отвечающая моделям аменсализма, комменсализма или мутуализма.

t Рис. 3.17. Возможный сценарий конкуренции видов.

75 Одним из примеров отношений жертва – эксплуататор могут внутренних биотических взаимодействий в экосистеме. Подход к служить отношения «хищник–жертва». Отношения «жертва–эксплуа- описанию этих процессов основан на работах В.Вольтерра и А.Лот татор» интересны не только потому, что они чрезвычайно распрост- ки, появившихся в 20-е–30-е годы. Ими были построены математи ранены в природе. Этот тип биотических взаимодействий, по мнению ческие модели, подобные тем, которые описаны выше для других ти множества исследователей, может порождать естественные цикли- пов межвидовых взаимодействий. В простейшем случае эти модели ческие процессы, интерес к которым неуклонно возрастает в связи с описываются уравнениями развитием синергетики – науки о самоорганизации в сложных систе d x1 / d t = r1 x1 - 1x2x1, (3.45) мах. В связи с этим математические модели экологии подверглись глубокому анализу, в том числе и предпринятому специалистами, d x2 / d t = -d2 x2 + 2x1x2, (3.46) весьма далекими от узко экологической проблематики. Охарактери зуем кратко основные сценарии, по которым может развиваться чис где 1x2 – коэффициент влияния эксплуататора на скорость роста по ленность популяций в случае взаимоотношений «жертва – эксплуата пуляции жертвы, 2x1 – коэффициент влияния жертвы на скорость тор». Сценарий А («волк в овчарне»): вид-эксплуататор очень эффек роста популяции эксплуататора, d2 – смертность эксплуататора.

тивен, быстро размножается и легко находит жертву. В результате он Эти модели, получившие дальнейшее развитые в работах истребляет всю жертву, а затем погибает сам. Именно такой сцена выдающегося советского математика акад. А.Н.Колмогорова, при рий наиболее часто реализуется в лабораторных условиях, когда био достаточно общих предположениях о взаимодействиях в системе логи экспериментально изучают взаимоотношения жертвы и эксплуа «жертва – эксплуататор» позволяли установить, при каких татора. Сценарий Б: эксплуататор недостаточно эффективен, а жерт соотношениях емкостей среды по отношению к каждому из видов и ва легко ускальзывает от него. Как результат, со временем эксплуата коэффициентов взаимного влияния видов реализуется стационарное тор вымирает, а численность жертвы после некоторого уменьшения состояние (сценарии А–Г) или устойчивый цикл численностей достигает постоянного значения, отвечающего емкости среды. Такой (сценарий Д).

сценарий характерен для попыток биологической борьбы с вредите лями путем внедрения в экосистему хищника или паразита. Как пра Сценарий Г вило, эти попытки оказываются неудачными. Сценарий В: из всех возможных соотношений численности жертвы и эксплуататора реа лизуется единственное, к которому система приходит в результате x1(t) неколебательного процесса при любых начальных численностях.

x2(t) Сценарий Г: существует единственная устойчивая комбинация чис ленностей жертвы и эксплуататора, к которой система из любого на чального состояния приходит в результате процесса с затухающими колебаниями (рис. 3.18). И, наконец, сценарий Д: колебательный про цесс, в котором численности жертвы и эксплуататора периодически меняются (рис. 3.19).

Ученые-экологи неоднократно сталкивались с колебаниями численности организмов в природе. Пожалуй, наибольшее значение имели многолетние наблюдения за численностями зайца-беляка и t охотящейся на него рыси в хвойных лесах Канады (рис. 3.20). Попыт ки объяснить такие колебания внешними факторами (солнечная ак Рис. 3.18. Режим динамики популяции с затухающими колеба тивность, состояние атмосферы и т.п.) оказались безуспешными, и ниями стало ясно, что периодические колебания возникают как результат 77 Сценарий Д x1(t) x2(t) Рис. 3.20. Динамика численностей зайца-беляка (x1) и рыси (x2) в лесах Канады [3].

Среди ученых, занимавшихся математическим моделировани ем в экологии, выделяется фигура Вито Вольтерра – знаменитого математика ХХ в. Он родился в Италии в 1860 г., получил образова t ние в университетах Флоренции и Пизы и быстро завоевал мировую известность работами по интегральным уравнениям и функциональ Рис. 3.19. Режим динамики популяции с незатухающими коле ному анализу. В знак признания заслуг ученого перед Италией ко баниями.

роль в 1905 г. назначил его сенатором. Интерес Вольтерра к экологи ческим проблемам возник благодаря общению с молодым биологом К сожалению, в тот момент, когда экологи, специалисты по Умберто ДАнкона, впоследствии ставшим зятем математика.

синергетике и самоорганизации праздновали успех, выяснилось, что ДАнкона изучал статистику рыбных уловов в Адриатическом море и эмпирические данные, служившие основой моделей, лишь с большим обратил внимание, что в годы I мировой войны, когда промысел трудом можно использовать для подтверждения теоретических моде почти прекратился, в уловах резко выросла доля хищных рыб. Воль лей: так, в 1942 г. на одну рысь приходилось почти 5000 зайцев [3].

терра занялся разработкой математических моделей, которые могли При таком соотношении численностей жертвы и хищника невозмож бы объяснить этот феномен. Вскоре эти исследования стали основ но приписать падение численности зайцев хищничеству рыси. Итак, ными в научном творчестве ученого. Их результатом стало опубли кование в 1931 г. книги «Математическая теория борьбы за сущест до сегодняшнего дня математические модели биотических взаимо вование». Как это часто случается, монографию Вольтерра совре действий в экосистемах являются правдоподобными сценариями, од менники не оценили в полной мере. По-настоящему интерес к рабо нако, к сожалению, лишенными прочной эмпирической основы. Нес там итальянского математика обнаружился в 60-е годы, когда воз мотря на это, поиск математических моделей дал важные научные никла и получила бурное развитие наука о сложности и самооргани результаты: стала понятной общая схема взаимодействия видов в зации – синергетика. Не случайно на русском языке книга Вольтерра экосистемах (пусть пока и весьма упрощенная), получены данные о была издана через 45 лет после итальянского издания – в 1976 г. – и возможности самопроизвольного возникновения колебательных про сразу стала библиографической редкостью. Вито Вольтерра был де цессов (т.е. спонтанной самоорганизации) в живой природе.

мократом и патриотом. В годы I мировой войны он много работал над проблемами совершенствования военной техники, таким путем помогая приблизить час победы над германско-австрийской коали 79 цией. Вольтерра был единственным сенатором, проголосовавшим К.Бэру принадлежит открытие «закона бережливости», образную фор против передачи власти Муссолини. С утверждением в Италии фа- мулировку которого дал В.И.Вернадский: «Атомы, вошедшие в какую шистского режима Вольтерра покинул страну и отказался от всех нибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным итальянских почетных званий и наград, членства в итальянских на- вихрем, с трудом возвращаются, а может быть и не возвращаются на учных обществах. И впоследствии, когда фашистское правительство зад, в косную материю биосферы». Иными словами, атомы, находясь в всячески пыталось вернуть в страну знаменитого ученого, Вольтерра постоянном движении, переходя из одного живого существа в другое, решительно отвергал все приглашения. Умер Вольтерра в 1940 г. очень редко покидают сферу жизни. «Закон бережливости» – выраже ние того факта, что химические элементы (реже химические соедине ния) в биосфере участвуют в непрерывных биотических круговоротах вещества. Круговые процессы переноса вещества в биосфере – еще ІV. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ один, помимо внешнего потока энергии, фактор устойчивости био ПРОЦЕССОВ В БИОСФЕРЕ сферы. Движущей силой биотического круговорота вещества служит солнечная энергия. В круговоротах участвуют почти все химические элементы: от углерода, азота, кислорода, водорода, кальция, серы, фосфора, кремния до микроэлементов брома, кобальта, меди, цинка и 4.1. Устройство биосферы и роль живого даже элементов, образующих ядовитые вещества – кадмия, мышьяка, селена, а также радиоактивные элементы.

вещества Предмет интереса химической экологии – исследование меха В биосфере протекает множество процессов, организмы рожда низмов таких круговоротов, выявление общих закономерностей дви ются, борются с неблагоприятными условиями внешней среды и ме жения вещества в биосфере, характеристика основных путей движения жду собой и умирают, экологические системы развиваются и гибнут, химических элементов.

на их месте возникают новые. Но биосфера в целом представляет со В каждом биогеохимическом цикле различают две части: ре бой сложное и чрезвычайно устойчивое образование. Механизмы ус зервный фонд, содержащий большую массу медленно движущихся тойчивости биосферы понятны сегодня лишь в общих чертах. Био веществ, и обменный фонд, меньший по объему, но с быстрым обме сфера – открытая система, находящаяся в неравновесном состоянии и ном между организмами и их окружением.

обменивающаяся с внешней средой энергией и веществом. Первосте По типу резервных фондов биогеохимические циклы разде пенное значение имеет для сохранения гомеостазиса биосферы внеш ляют на 1) круговороты газообразных веществ с резервным фондом в ний источник энергии – энергия солнечной радиации. Поток солнеч атмосфере или гидросфере и 2) осадочные циклы с резервным фон ной энергии, преобразовываясь в другие ее виды, проходит через все дом в земной коре.

трофические уровни биосферы, через все экосистемы, обеспечивая их Выводы о принадлежности элемента тому или иному фонду структурирование и организацию. Живое вещество обладает уникаль делают на основе результатов химического анализа. Конечно, часто ной способностью отбирать из внешней среды энергию в тех видах и затруднительно однозначно установить, находится ли элемент в дан количествах, которые необходимы для самосохранения и развития жи ных конкретных условиях в резервном или обменном фонде. Напри зни. При этом живое вещество выполняет средообразующую функ мер, при анализе почв алюминий, экстрагируемый ацетатным буфером цию, изменяя физико-химические параметры среды. Более того, живое с рН 4.8 считают находящимся в обменном фонде, а часть алюминия, вещество способно восстанавливать в рамках биосферы или отдель которую дополнительно можно извлечь раствором реактива Тамма ного биогеценоза условия, благоприятные для жизни, если они были (щавелевая кислота и оксалат аммония, рН 3.2), относят к резервному нарушены вследствие природных или антропогенных катастроф. Жи фонду. Понятно, что такое отнесение достаточно условно, и не следует вое вещество является материальной основой основных процессов в думать, что атомы, находящиеся в резервном фонде, всегда недос биосфере – энергетических, физико-химических, информационных.

тупны для организмов.

81 Человеческая деятельность существенно влияет на круговороты расходуют энергию, выделяющуюся при окислении 10 г глюкозы.

элементов. Люди используют почти все существующие в природе эле- Ежегодно в биосфере в результате биофиксации связывается около менты и ряд искусственных. В результате промышленного и сельско- млрд. т азота.

хозяйственного производства из резервных в обменные фонды попа- Другой естественный путь связывания азота – атмосферная дают большие количества вещества, часть элементов, напротив, выво- фиксация. При грозовых разрядах и в результате фотохимических дится из биосферы, резко меняется ритм обменных процессов, в ряде процессов азот взаимодействует с кислородом, образуя оксид азо мест создается дефицит тех или иных веществ, а в других местах – та(II), в дальнейшем окисляющийся до нитритов и нитратов. Вклад избыток. Усилия, предпринимаемые специалистами в области эколо- атмосферной фиксации в связывание азота намного меньше, чем гической химии, должны предоставить сведения о нарушениях естест- вклад биологической фиксации.

венных круговоротов в результате антропогенных влияний и создать Деятельность человека также вносит вклад в связывание научную основу для природоохранных мероприятий. В последние азота из атмосферы. Основной способ промышленной фиксации – годы научные и технологические разработки, призванные обеспечить производство аммиака из азота и водорода на железном катализаторе сохранение и восстановление экосистем, пострадавших в результате при высоких давлении и температуре (около 45 млн. т в год).

химического загрязнения, относят к отдельной области науки, полу- Наконец, определенная часть азота поступает в гидросферу и чившей название «green chemistry». Одной из задач этой дисциплины атмосферу в виде аммиака в результате вулканической деятельности служит восстановление нарушенных биотических круговоротов веще- (около 5 млн. т).

ства. Познакомимся подробнее с наиболее важными круговоротами. Связанный азот попадает или непосредственно в живые организмы, или в воду и почву, откуда также может переходить в организмы (ас симилироваться). Азот протоплазмы после отмирания организмов 4.2. Круговорот азота переводится в неорганическую форму при деятельности редуцентов.

При этом происходят процессы аммонификации (превращения азот Азот является одним из важнейших в биологическом отноше содержащих соединений в аммиак) и нитрификации (перевода азота нии элементов. Из-за наличия нескольких степеней окисления, оби в нитратную форму). Эти формы азота легко ассимилируются орга лия разнообразных азотсодержащих соединений химия азота богата и низмами и возвращаются в круговорот. Некоторая часть соединений сложна. В силу этих причин круговорот азота является сложным. Для азота превращается в результате денитрификации в молекулярный него характерна высокая устойчивость к внешним воздействиям (за азот и возвращается в атмосферу.

буференность). Круговорот азота относят к круговоротам газообраз Благодаря деятельности редуцентов, около 80 % азота, усваи ных веществ. Основные процессы, происходящие при круговороте ваемого в течение года организмами в масштабе биосферы, не поки азота – фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, раз дают круговорот. Лишь 20 % азота, усваиваемого организмами, – это ложение, выщелачивание. В круговороте соединений азота (рис. 4.1) результат процессов биологической и атмосферной фиксации. По чрезвычайно большая роль принадлежит микроорганизмам. Азот иному обстоит дело с азотом, фиксированным промышленным пу фиксирующие бактерии усваивают (фиксируют) атмосферный азот, тем. Практически весь он переводится в удобрения. Из азота, посту переводя его в белковые формы, легко усваиваемые другими орга пившего на поля в виде удобрений, крайне малая часть используется низмами. Этот процесс происходит благодаря наличию у некоторых повторно, тогда как основная часть теряется с собранным урожаем, а микроорганизмов азотфиксирующего фермента нитрогеназы, содер также в результате вымывания из почвы осадками (выщелачивания).

жащей молибден. Роль фермента состоит в расщеплении тройной В результате многократное увеличение массы вносимых в почву связи в молекуле азота (интересно, что этот же фермент катализирует азотных удобрений (более чем десятикратное за 1950–1980 годы) ма восстановление другого соединения с тройной связью – ацетилена – ло сказывается на урожаях (за этот же период средняя урожайность до этилена). Фиксация азота требует значительных энергетических выросла не более, чем вдвое).

затрат. Бактерии, осуществляющие фиксацию, для связывания 1 г N 83 осадков. Кроме того, под действием ультрафиолетового солнечного излучения диоксид азота реагирует с продуктами неполного сгорания углеводородов, вызывая образование фотохимического смога. Нако нец, оксиды азота раздражающе действуют на органы дыхания чело века и животных.

4.3. Круговорот углерода Круговорот углерода (рис. 4.2) относят к круговоротам газооб разных веществ с небольшим обменным фондом в атмосфере (содер жание углекислого газа в атмосфере оценивается примерно в 2. т). Круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа в процессе фотосинтеза (около 60 млрд. т углерода в год). Часть угле рода (48 млрд. т) возвращается в атмосферу в виде углекислого газа в процессе дыхания. Углерод, находившийся в живых организмах, по сле их отмирания переходит в результате деятельности микроорга низмов в гумусовое вещество (около 10 млрд. т углерода в год). Гу мус, в свою очередь, со временем окончательно минерализуется до углекислого газа или карбонатов, и углерод возвращается в атмо сферу. Лишь небольшая часть углерода (около 1 млрд. т в год) выво дится из круговорота при захоронении в осадочной толще лито сферы, в том числе и в результате взаимодействия углекислого газа с горными породами. Важно отметить, что в результате деятельности человека появился новый источник поступления углерода в атмо сферу (4 млрд. т в год) – сжигание органического топлива (угля, нефти, газа и т.п.).

Круговорот углерода в гидросфере более сложен, чем на суше.

Дело в том, что образование углекислого газа регулируется поступ Рис. 4.1. Круговорот азота [6].

лением кислорода в верхние слои воды из атмосферы и глубинных слоев. В процессе фотосинтеза захватывается из атмосферы около Круговорот азота все больше подвергается влиянию антропо- млрд. т углерода за год. Почти весь этот углерод возвращается при дыхании и разложении органических останков в водную среду ( генного загрязнения воздуха. Попадающие в атмосферу с промыш млрд. т) в виде карбонатов. Еще 1.5 млрд. т попадает в донные кар ленными выбросами оксиды N2O и NO2 не характерны для естествен бонатные отложения. Морская вода имеет практически постоянное ного круговорота, являясь лишь короткоживущими промежуточными значение рН 8.1±0.2 [5] (мировой океан, по терминологии замеча продуктами. Содержание этих оксидов в воздухе промышленных ре тельного химика ХХ в. Л.Г. Силлена – это даже не рН-буферная сис гионов за последние десятилетия выросло многократно. Поскольку тема, а «рН-стат»). При таком рН углерод находится в виде гидро оксиды азота при дальнейшем окислении образуют азотную кислоту, карбонат-аниона. Поэтому не удивительно, что углекислый газ из увеличение их содержания в атмосфере ведет к учащению кислотных атмосферы растворяется в воде, переходя в солевую форму, а обрат 85 ный процесс – поступление углекислого газа из океана в атмосферу практически не происходит. Содержание углерода (в пересчете на углекислый газ) в океане более чем в 50 раз превышает его содержа ние в атмосфере. Круговороты углерода в Мировом океане и на суше связаны между собой, причем преобладает вынос этого элемента с суши в океан.

Сформировавшийся десятки миллионов лет назад круговорот углерода поддерживал постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере благодаря наличию двух факторов: устойчивости фотосинтеза в лесах «зеленого пояса» Земли (джунгли Амазонии, сибирская тайга) и карбонатной системе Мирового океана. Деятель ность человека приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу с выхлопами и промышленными газами, сведению лесов – важнейших накопителей углерода, ускорению минерализации и окисления гумусового компонента почвы. Возможно, что «буферная емкость» биосферы по отношению к избыточному поступлению уг лекислого газа уже превышена. Как результат, наблюдается постоян ное увеличение содержания СО2 в атмосфере. Начиная с 1958 г., ко гда были начаты систематические измерения, это содержание вы росло на 10 %. При сохранении скорости этого процесса уже в сере дине XXI века содержание СО2 в атмосфере удвоится. Из-за парни кового эффекта это вызовет глобальное потепление на Земле (в сред нем на 1.5–4.5 оС), причем наибольшее влияние испытают области у полюсов Земли (там повышение температуры, по некоторым прогно зам, достигнет 10 оС).

Это, в свою очередь, чревато глобальными изменениями кли мата (во влажных районах количество осадков станет еще больше;

районам степей и лесостепей, таким, как территория Украины, грозит Рис. 4.1. Круговорот углерода [6].

опустынивание) и затоплением прибрежных районов. Эти эффекты могут иметь лавинообразный взаимно усиливающий (синергический) 4.4. Круговороты фосфора и серы характер: чем больше СО2 в атмосфере, тем выше температура, тем Распространенность фосфора в земной коре намного меньше, меньше связывание углекислого газа и т.д. В конечном итоге био чем содержание азота. Вместе с тем, этот элемент является одним из сферу ждет экологический коллапс. Такой сценарий очень серьезно важнейших биогенов. Круговорот фосфора (рис. 4.3) довольно прост.

обсуждают многие ответственные ученые. Вместе с тем, далеко не На суше он протекает по схеме почва растения животные все специалисты столь пессимистически оценивают будущее индуст почва. В отличие от круговорота азота, это осадочный цикл, в ко риальной цивилизации. Эти ученые отмечают, что для большинства тором резервуаром фосфора служат горные породы. Эти породы под растений интенсивность фотосинтеза с ростом содержания СО2 уве вержены эрозии. При этом фосфаты переводятся в более раствори личивается, и этот эффект может привести к стабилизации содержа мые формы (например, моно- и дигидрофосфатные), приобретая под ния углекислого газа в атмосфере, хотя и на уровне, превышающем вижность и попадая в экосистемы.

нынешний.

87 Деятельность человека нарушает естественный круговорот фосфора. Для производства удобрений добывается около 2 млн. т в год фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора перево дится в легкорастворимые формы, вносится в почвы и затем смыва ется осадками. Запасы фосфорсодержащих пород достаточно велики, но попадание фосфора в природные воды способствует усиленному росту водной растительности, интенсивно потребляющей растворен ный в воде кислород, что влечет за собой угнетение развития или гибель водных организмов.

Для круговорота серы (рис. 4.4) характерно наличие большого резервного фонда в почве и отложениях и меньшего – в атмосфере.

Основную роль в обменном фонде серы выполняют специализиро ванные микроорганизмы, каждый вид которых отвечает за отдельный тип окислительно-восстановительных реакций. Основной доступной формой серы являются сульфаты. Сульфаты восстанавливаются суль фобактериями SO42- H2S, в результате чего образуются белки, содержащие серу в степени окисления -2. Микроорганизмы-редуценты переводят серу из сульфидной формы, в которой она находится в органических остат ках, в формы с меньшими степенями окисления:

H2S S SO42-;

H2S SO42-;

S (в органических соединениях) SO42-.

Выделяющаяся при этом энергия используется для поддержа ния жизнедеятельности серобактерий-хемотрофов. Определенную роль в круговороте играет микробная регенерация серы из глубоко Рис. 4.3. Круговорот фосфора [6].

водных сульфидных отложений. В результате к поверхности пере мещается сероводород. На круговороте серы все больше сказывается Большое количество фосфатов попадает в море, отлагаясь час промышленное загрязнение атмосферы диоксидом серы. Основная тично в мелководных осадках, а частично покидая круговорот, теря масса SO2 образуется при сжигании угля и, попав в воздух, со време ясь в глубоководных отложениях (основную часть и мелководных, и нем окисляется до серной кислоты. С атмосферными осадками сер глубинных отложений составляет фосфат кальция). Залежи фосфата ная кислота попадает на поверхность экосистем, нарушая кислотно кальция могут с течением времени вновь выйти на поверхность и основный баланс почв, выщелачивая горные породы, вызывая дегра снова включить фосфор в круговорот. Доступными для организмов в дацию лесов.

экосистемах являются и легкорастворимые соединения, образующи еся при деструкции органических остатков.

89 молекулярные аналоги полиоксиполикарбоновых ароматических ки слот. Более растворимой формой являются фульвокислоты, они легко вымываются из почв атмосферными осадками, попадают в реки и с речным стоком – в океан. Согласно оценкам В.И.Вернадского [1], ежегодно в океан попадает 200 млн. т органических веществ (около 10 % всего количества гумусовых веществ, образующихся на суше).

Содержание фульвокислот в поверхностных водах составляет от 1 до 100 мг/л и зависит от климатических условий. Так, в направ лении от зоны тайги к зоне пустыни оно снижается от 7–19 мг/л до 0.8–10 мг/л. Концентрация фульвокислот в речных водах сопоста вима с концентрацией неорганических макрокомпонентов и на три– пять порядков превышает содержание ионов металлов-микрокомпо нентов. Оценивая геохимическую роль фульвокислот в миграции элементов в земной коре, отмечают [7] такие их свойства, как терми ческая, термодинамическая и биохимическая устойчивость. В при родных условиях фульвокислоты сохраняют комплексообразующие свойства до 250–280 оС и даже выше этой температуры. Образование комплексных соединений ионами металлов с фульвокислотами резко повышает миграционную способность элементов в объектах окру жающей среды. О термодинамической стойкости образующихся ком Рис. 4.3. Круговорот серы [6].

плексов можно судить по величинам их условных констант устойчи вости 11 (табл. 4.1 [7–9]).

Если фульвокислоты увеличивают подвижность элементов, то 4.5. Механизмы миграции и удерживания гуминовые кислоты как менее растворимые вещества, напротив, ве ионов микроэлементов в земной коре дут себя в природных условиях как сорбенты, удерживающие ионы металлов. Они способствуют концентрированию загрязняющих и ру Как уже подчеркивалось, химическое воздействие живого ве дных элементов в почвах, донных отложениях, углеродсодержащих щества многообразно: оно выполняет концентрационную функцию породах. Показано [8], что 1 г гуминовых кислот удерживает 9 мг ка (концентрирование элементов в организмах), способствует разруше дмия(II), 15 мг золота, 18 мг меди(II) и 34 мг свинца. Таким образом, нию пород и рассеиванию элементов в земной коре, их концентриро миграционная способность элементов в конкретных условиях зави ванию веществом сланцев, углей, нефтей. Главной чертой механизма сит от состава гумусовых кислот почв и вод и определяется конку взаимодействия элементов с органическим веществом биогенного ренцией процессов комплексообразования ионов металлов с фульво- происхождения является процесс комплексообразования. Огромное и гуминовыми кислотами.

количество комплексообразующих веществ поступает в почвы и Этот вывод нашел подтверждение при исследовании миграции природные воды как продукты метаболизма живых организмов и, радионуклидов, образовавшихся во время катастрофы на Чернобыль главным образом, как результат биохимической деструкции остатков ской АЭС. Высокую радиоактивность наблюдали лишь в пробах при растительных и животных тканей, плазмы микроорганизмов – про родных вод высокой цветности, т.е. с большими содержаниями фуль цесса гумификации. В продуктах превращения растительных и жи вотных остатков, поступающих в воды и почвы, доминируют гуми- вокислот. Основная доля радионуклидов осталась связанной с труд новые и фульвокислоты. В среднем на каждый квадратный километр норастворимыми гуминовыми веществами почвы. В условиях Украи суши ежегодно поступает 33–168 т гумусового вещества (гуминовых ны и Белоруссии тенденция к удерживанию радионуклидов значите и фульвокислот) [7]. По химической природе эти вещества – высоко льно сильнее, чем тенденция к их рассеянию.

91 Таблица 4.1. Условные константы устойчивости фульватных комплексов металлов состава Ме:ФК = 1: Катион рН lg ОХРАНА ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ОХРАНА ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ Ca(II) 0 – 14 3. Sr(II) 5.0 3. ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ Ce(III) 5.0 4. Y(III) 5.0 4. U(VI) 5.0 4. Fe(II) 5.0 4. I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И Fe(III) 5.0 7. Hg(II) 4.2 5.90 ПОНИМАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ Hg(II) 5.2 8. ПРИРОДЫ Hg(II) 6.4 11. Cu(II) 8.0 6. Современные масштабы и темпы развития производительных сил требуют изменения отношения к вопросам, связанным с охраной Sb(III) 3.1 4. окружающей среды и рациональным использованием природных ре Au(III) 3.5 6. сурсов. Эти вопросы приобрели в настоящее время большую эконо Au(III) 5.8 8. мическую и социальную значимость, так как речь, по существу, идет Au(III) 7.5 9. о здоровье людей, бережном, хозяйственном подходе к националь Ru(IV) 5.0 5.86 ному богатству страны и, в конечном итоге, о безопасном развитии человечества.

Pt(IV) 5.3 7. Однако, решение этих проблем осложняется многообразием Pd(II) 5.3 7. точек зрения и подходов к трактовке большого числа известных фак тов негативного воздействия человека на окружающую среду, что объясняется отсутствием единого научного подхода к оценке эколо гической безопасности цивилизации.

Только количественный анализ на основе принципов сравне ния опасностей различной природы в единой шкале, включая фак торы психологического и социального характера, дает возможность выработать единственно приемлемую оптимальную стратегию безо пасного развития человечества. Выработка этой стратегии должна опираться на научный фундамент многих дисциплин, связанных язы ком математики, которая позволит объединить химиков, биологов, физиков, экологов, психологов, экономистов и других специалистов.

Эта проблема имеет еще один аспект – международный, т.к. техно 93 генная опасность стала глобальной, что обуславливает необходи- • Повышение внимания к общим проблемам окружающей среды.

мость совместного решения возникающих проблемных задач. Для • Сообщение сведений об окружающей среде и воспитание ответ химиков особую важность представляет проблема охраны биосферы. ственности человека за ее состояние.

Наряду с тем, что химическая промышленность ответственна за боль • Воспитание чувства причастности к проблемам окружающей шую долю загрязнителей, выбрасываемых в окружающую среду, среды, социальное значение мотивации участия в деле защиты многие отрасли, такие как металлургия, энергетика и некоторые дру окружающей среды и ее улучшения.

гие, действуя аналогично, загрязняют окружающую среду продукта • Передача опыта в решении проблем окружающей среды.

ми химических превращений. Одновременно многие методы очистки • Развитие умения оценивать меры по охране окружающей среды и улавливания загрязнителей основаны на химических процессах.

и формирование соответствующих программ с участием эколо Велика роль химиков-исследователей с университетским обра гических, политических, экономических, социальных, эстетиче зованием в диагностике и контроле загрязнителей в техно- и био ских и общеобразовательных аспектов.

сфере и в создании новых безотходных и безопасных процессов.

Таким образом, экологическое воспитание и образование Две организации ООН – ЮНЕСКО и ЮНЕП (программа по ок должно пронизывать весь процесс формирования специалиста лю ружающей среде) в 1975 г. приступили к осуществлению совместной бого профиля, техника или инженера, педагога или исследователя.

программы «Образование в области окружающей среды». Эта про Главное при этом, чтобы все специалисты, выпускаемые высшей грамма нацелена на то, чтобы образование в области окружающей школой, вместе с основательными юридическими и практическими среды стало важным компонентом общего образования. При этом знаниями получали высокий нравственный заряд и умение решать образование в области охраны окружающей среды и рационального задачи охраны природы применительно к своей профессиональной природопользования заслуживает того, чтобы его, как это сделали на области. Так, инженер, работающий в цехе серной кислоты, как ни Украине, включили в программы учебных заведений всех типов и кто другой, знает, где происходит утечка вредных веществ в окру уровней. У нас, в Харьковском государственном университете, также жающую среду, и только он может ее устранить.

введен курс «Охрана природы». При этом преследуется двойная Элементы экологических и природоохранных знаний введены цель:

во все формы учебной работы. Так, например, на разных этапах обу чения студенты получают сведения об экологических понятиях (эко способствовать более глубокому осознанию студентами логическая ниша, экосистема, биотоп, биоценоз и т.п.), предельно проблем окружающей среды в целом, а также допустимых концентрациях (ПДК), предельно допустимых выбросах вызвать у студентов желание принимать активное учас (ПДВ) и др. Предусмотрено также изложение методических аспектов тие в мероприятиях по решению этих проблем.

вопроса, правовых норм и законодательных положений, а также эко номических аспектов охраны природы.

Изучение курса не должно быть только познавательным. Оно Например, в наиболее конкретной форме вопросы охраны ок должно формировать и развивать правильное понимание проблем ок ружающей среды находят отражение в курсе общей химической тех ружающей среды, уважение к ней, чувство ответственности и стрем нологии, где основное внимание уделяется природоохранной направ ление внести свой вклад в дело защиты и улучшения местообитания ленности главных тенденций в развитии химической технологии:

человека, выработку им соответствующего поведения в повседнев • создание малоотходных и безотходных производств;

ной жизни и на работе.

• использование вторичных ресурсов;

В рамках осуществления программы ООН были проведены се • комплексное использование природного сырья;

минары, конференции, заседания рабочих групп. В 1977 г. в Тбилиси • комбинирование и совмещение производств и др.

прошла международная конференция по вопросам образования в об Важным аспектом экологического обучения является усвоение ласти охраны природы (окружающей среды). В результате были идеологии безотходного производства, понимание того, что только сформулированы следующие задачи экологического образования:

95 оптимизация всего цикла «ресурсы – производство – потребление – производства природных ресурсов. Правовую охрану природы опре ресурсы» дает возможность снизить до минимума отрицательное деляют как систему государственных мероприятий, закрепленных в воздействие и производства, и потребления на окружающую среду. праве и направленных на сохранение, восстановление и улучшение Экологические и природоохранные знания, полученные в об- благоприятных природных условий, необходимых для жизни людей щеобразовательных курсах, получают закономерное развитие в раз- и развития материального производства. Правовые акты обладают делах специальной подготовки. Так, например, в разделе «Обогаще- различной юридической силой. Высшая юридическая сила принад ние руд» подчеркивается, что процесс обогащения не только повы- лежит Конституции Украины. За ней следуют законы, принимаемые шает содержание целевого компонента, но и создает основу для ком- Верховным Советом, и постановления правительства. Наряду с зако плексного использования руды (например, из серного колчедана по- нами принимаются нормативные акты, юридическая сила которых лучают обжигом диоксид серы, используемый в производстве серной определяется рангом и компетенцией соответствующих министерств кислоты), а также удаление вредных для окружающей среды ве- и ведомств. К природоохранительным актам относятся также реше ществ. Описание нетрадиционных приемов добычи полезных иско- ния местных советов и их исполнительных органов. Наконец, приро паемых (подземной газификации, подземного выщелачивания и т.п.) доохранные нормативы устанавливаются государственными стандар сопровождается сравнением с обычными методами с точки зрения тами и техническими нормами (санитарными, строительными и др.).

охраны окружающей среды. Немалая роль в охране природы принадлежит общественности.

Постоянное внимание уделяется и тому, что повышение каче- В Украине действуют Всеукраинский совет товариществ охраны ства изделий, удлинение срока их использования также уменьшает природы и Украинский совет охраны и экологического и рациональ отходы потребления, экономит ресурсы и, тем самым, является важ- ного использования природы. Деятельность этих организаций сосре ным фактором охраны природы. доточена, в основном, на проведении воспитательной работы в учеб ных заведениях, борьбе с эрозией почв за счет установления пра вильных севооборотов, создания лесонасаждений и т.п. и на общест венном контроле экологической обстановки. В 1992 г. создан нацио II. ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО, нальный ЭКО-центр, в задачи которого входят создание перечня УПРАВЛЕНИЕ И природных ландшафтов Украины и разработка государственных про грамм рекультивации земель.

ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ В Ниже рассмотрены основные правовые акты об охране окру ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ жающей среды на Украине.

СРЕДЫ НА УКРАИНЕ 2.1. Закон Украины «Об охране окружающей Охрана окружающей среды, рациональное природопользова природной среды» ние, обеспечение экологической безопасности жизнедеятельности человека – неотъемлемое условие устойчивого экономического и Закон «Об охране окружающей природной среды» принят социального развития любого государства. При этом охрана окру- июня 1991 г. и введен в действие Постановлением Верховного Со жающей среды и рациональное использование природных ресурсов вета УССР 26 июня 1991 г. [11]. Данный законодательный акт дейст представляют собой сложную и многоплановую проблему. В послед- вует и поныне и обязателен для исполнения на всей территории Ук нее время в Украине уделяется большое внимание ее решению. С раины.

целью обеспечения эффективной работы в этом направлении в Ук- Этот Закон состоит из 72 статей, объединенных в 16 разделов.

раине принят пакет документов, обеспечивающих правовую базу ох- Он охватывает все стороны охраны окружающей среды. каждый раз раны природы, рационального использования и расширенного вос- дел содержит статьи, посвященные одной проблеме.

97 Первый раздел определяет основные цели и задачи законода- ной среды, рациональному использованию природных ресурсов, дос тельства Украины об охране окружающей среды. В этом разделе ука- тижению согласованности действий государственных и обществен заны объекты правовой защиты окружающей среды, основные прин- ных органов в области охраны окружающей среды.

ципы охраны окружающей среды и государственные экологические В Законе определены обязанности и объекты экологической программы. экспертизы, а также понятия государственной и общественной эколо Согласно Закону (ст. 5), государственной охране подлежат ок- гической экспертизы.

ружающая природная среда как совокупность природных и при- Раздел VII посвящен вопросам стандартизации и нормирова родно-социальных условий и процессов, природные ресурсы, как ния в области охраны окружающей среды. Он определяет задачи вовлеченные в хозяйственный оборот, так и не используемые в на- стандартизации и нормирования, экологические стандарты и норма родном хозяйстве в данный период (земля, недра, воды, атмосфер- тивы.

ный воздух, лес и иная растительность, животный мир), ландшафты и Большое внимание в Законе уделено контролю и надзору в другие природные комплексы. Особой государственной охране под- природоохранной области. Задачи контроля состоят в обеспечении лежат территории и объекты природно-заповедного фонда Украины. соблюдения требований законодательства об охране окружающей Государственной охране от отрицательного воздействия неблагопри- среды всеми государственными органами, учреждениями и организа ятной экологической обстановки подлежат здоровье и жизнь людей. циями, независимо от форм собственности и подчинения, а также Согласно Закону (ст. 4), «природные ресурсы Украины явля- гражданами Украины.

ются собственностью народа Украины, который имеет право на вла- Контроль в области охраны окружающей природной среды в дение, использование и распоряжение природными богатствами». Украине осуществляется исполнительными и распорядительными ор Полновластие народа Украины в области охраны окружающей среды ганами государственной власти, а также общественностью в лице об и использования ресурсов реализуется на основе Конституции Ук- щественных инспекторов охраны окружающей природной среды. Го раины как непосредственно. путем проведения референдумов, так и сударственному контролю подлежат использование и охрана земель, через органы государственной власти в соответствии с законодатель- недр, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха, лесов ством Украины. и другой растительности, животного мира, морской среды и природ Закон определяет экологические права и обязанности граждан ных ресурсов территориальных вод континентального шельфа и мор Украины, а также гарантии защиты этих прав (раздел II, ст. 9–12). ской экономической зоны Украины (ст. 35).

Законом определены полномочия и компетенция различных Надзор за соблюдением законодательства об охране окружаю государственных органов в области защиты и охраны окружающей щей среды осуществляет генеральный прокурор Украины и подчи среды. Так, ст. 16 декларирует: «Управление в области охраны окру- ненные ему органы прокуратуры.

жающей природной среды заключается в осуществлении в этой об- Отдельными разделами закона регулируется использование ласти функций наблюдения, исследования, экологической экспер- природных ресурсов, экономический механизм обеспечения охраны тизы, контроля, прогнозирования, программирования, информирова- природы, а также мероприятия по обеспечению экологической безо ния и другой исполнительно-распорядительной деятельности». Об- пасности.

щественное управление в области охраны природы осуществляется Статья 40 содержит экологические требования при использо общественными организациями и объединениями, если такая дея- вании природных ресурсов. Использование природных ресурсов гра тельность предусмотрена их уставами, зарегистрированными в соот- жданами, предприятиями, учреждениями и организациями осуществ ветствии с законодательством Украины. ляется с соблюдением обязательных экологических требований, в Целью управления в области охраны окружающей среды явля- число которых входят:

ется реализация законодательства, контроль за соблюдением требо- а) рациональное и экономное использование природных ресур ваний экологической безопасности, обеспечение проведения эффек- сов на основе широкого применения новейших технологий;

тивных и комплексных мероприятий по охране окружающей природ 99 б) осуществление мероприятий по предупреждению порчи, за- Атмосферный воздух является одним из основных жизненно грязнения, истощения природных ресурсов, отрицательного воздей- важных элементов окружающей природной среды. Данный закон на ствия на состояние окружающей природной среды;

правлен на сохранение благоприятного состояния атмосферного воз в) осуществление мероприятий по воспроизводству восстанав- духа, обеспечение экологической безопасности и предотвращение ливаемых природных ресурсов;

вредного воздействия на природную среду. Он определяет правовые г) применение биологических, химических и иных методов и организационные основы и экологические требования в области ох улучшения качества природных ресурсов, обеспечивающих охрану раны и использования атмосферного воздуха.

окружающей природной среды;

Закон состоит из 10 разделов и 46 статей. Отдельными разде д) сохранение территорий и объектов природно-заповедного лами регулируются стандартизация и нормирование в области ох фонда, а также других территорий, подлежащих особой охране;

раны воздуха, мероприятия по его охране, отношения в области ис е) осуществление хозяйственной и иной деятельности без на- пользования атмосферного воздуха, экономические механизмы обес рушения экологических прав других лиц. печения охраны воздуха, государственный мониторинг, ответствен Законом вводится плата за ухудшение качества природных ре- ность за нарушение законодательства и др.

сурсов и экологическое страхование (добровольное и обязательное) Вопросы охраны атмосферного воздуха актуальны на Украине, на случай ущерба, причиненного вследствие загрязнения окружаю- так как значительная часть ее территории является зоной экологиче щей природной среды (ст. 45, 49). ского бедствия в отношении загрязнения атмосферного воздуха В разделе XII определены природные территории и объекты, (Донбасс, Запорожская, Днепропетровская области и др.). В связи с подлежащие особой охране. К таким объектам причислены при- этим данный Закон призван согласовать и упорядочить действия го родно-заповедный фонд Украины, курортные и лечебно-оздорови- сударственных и общественных органов по охране атмосферного тельные зоны, рекреационные зоны (участки суши и водного про- воздуха и предотвращению его дальнейшего загрязнения.

странства, предназначенные для организованного массового отдыха населения и туризма).

2.3. Закон «О природно-заповедном фонде В Законе также рассмотрены вопросы определения чрезвычай ных экологических ситуаций, пути предотвращения аварий и ликви Украины» дации их вредных экологических последствий, разрешение споров в Этот Закон [12] принят 16 июня 1992 г. и введен в действие области охраны окружающей среды. Разделом XV определена ответ Постановлением Верховного Совета Украины 16 июня 1992 г. Дан ственность за нарушения законодательства об охране окружающей ный закон состоит из 11 разделов и 67 статей.

среды и международные отношения Украины в области охраны при Закон определяет правовые основы организации, охраны, эф роды.

фективного использования природно-заповедного фонда Украины, В целом Закон охватывает практически все сферы охраны при воспроизводства его природных комплексов и объектов.

роды, однако более детальное правовое регулирование природо охранной деятельности потребовало принятия законов «Об охране Природно-заповедный фонд составляют участки суши и вод атмосферного воздуха» и «О природно-заповедном фонде Украины».

ного пространства, природные комплексы и объекты которых имеют особую природоохранную, научную, эстетическую, рекреационную и 2.2. Закон Украины «Об охране атмосферного иную ценность и выделены с целью сохранения природного разнооб воздуха» разия ландшафтов, генофонда животного и растительного мира, под держания общего экологического баланса и обеспечения фонового Этот Закон [12] принят 16 октября 1992 г. и введен в действие мониторинга окружающей природной среды.

Постановлением Верховного Совета Украины 16 октября 1992 г.

101 В связи с этим законодательством Украины природно-заповед III. МАСШТАБЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ный фонд охраняется как национальное достояние, в отношении ко торого устанавливается особый режим охраны, воспроизводства и ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И МЕРЫ ПО использования. Украина рассматривает этот фонд как составную ЕЕ ЗАЩИТЕ часть мировой системы природных территорий и объектов, находя щихся под особой охраной.

В нашу эпоху антропогенное воздействие на окружающую По состоянию на 1990 г. на Украине насчитывалось 13 запо среду становится все более интенсивным и масштабным. Серьезную ведников общей площадью 189 тыс. га, не считая лесопарковых зон, озабоченность вызывает растущее загрязнение природных сред – ат водоохранных зон вдоль рек и водоемов, мест с реликтовой расти мосферы, гидросферы и литосферы. В связи с этим наибольшее зна тельностью и других природоохранных объектов.

чение приобретает контроль качества и регулирования состояния Закон определяет классификацию природоохранных объектов, окружающей среды.

права и обязанности граждан в отношении этих объектов, способы и Мировое хозяйство ежегодно выпускает около 800 млн. т чер методы управления в области организации, охраны и использования ных металлов, свыше 60 млн. т неизвестных природе синтетических природно-заповедного фонда. Вопросам экономического обеспече материалов, около 500 млн. т минеральных удобрений, до 8 млн. т ния организации и функционирования природно-заповедного фонда ядохимикатов, свыше 300 млн. т органических химических соедине посвящен отдельный раздел Закона. Данным Законом также опреде ний.

ляется порядок создания и объявления заповедными территорий и За счет работы производственных мощностей в атмосферу вы брасывается ежегодно более 300 млн. т диоксида углерода, 50 млн. т объектов природного фонда. Закон регулирует порядок отвода зе углеводородов, 120 млн. т золы, 150 млн. т диоксида серы, а в воды мельных участков природным заповедникам, биосферным заповед Мирового океана попадает до 10 млн. т сырой нефти, твердые ос никам, национальным природным паркам, устанавливает меры от татки в стоках рек достигает 17 млн. т.

ветственности за нарушение законодательства о природно-заповед Кроме того, для ирригации, промышленного производства, бы ном фонде.

тового потребления в мире используют более 13 % речного стока и Организация национальных парков, заповедных территорий сбрасывают в водоемы ежегодно до 500 млрд. м3 промышленных и или управляемого заказного режима на охраняемых территориях коммунальных стоков, а их нейтрализация требует пяти-двенадцати включает решение многих вопросов: сохранение уникальных при кратного разбавления чистой водой.

родно-территориальных комплексов, ценных в научно-природовед Загрязнение биосферы, исчерпание природных ресурсов, раз ческом, культурно-образовательном, социальном и народнохозяйст рушение экосистем, потеря природой способности к самовосстанов венном отношениях;

охрану генетических ресурсов биосферы, в пер лению – опасные и сложные процессы, развитие которых вызвано и вую очередь – генофонда исчезающих, реликтовых или эндемичных стимулируется хозяйственной деятельностью человека. К настоя щему времени многие виды загрязняющих веществ, например, ме видов растений и животных;

обеспечение экологических условий их таллическая пыль, пестициды, радиоактивные вещества выходят на эволюции;

охрану защитных рекреационных экосистем.

региональный и глобальный уровни, превращая планету в единую На современном этапе экологического воздействия на био технобиологическую систему. Такие изменения не проходят бес сферу научно-природоведческое и народнохозяйственное значение следно для человека. В выбросах промышленных предприятий со заповедных территорий значительно возросло, возникли новые эко держится до 150 веществ, наносящих вред здоровью людей. Уже се логические требования к организации их сети. Организация заповед годня вызывает беспокойство тот факт, что многие современные бо ных объектов различного назначения должна строиться на научных лезни связаны с появлением в окружающей среде продуктов химиче принципах и поддерживаться развитой правовой базой.

ского производства и транспортных выбросов. Сформировавшиеся на 103 протяжении миллионов лет компоненты природы – лесные массивы, биологической продуктивности почв суши и вод Мирового океана, чистая вода, чистый воздух, экологические системы разных уровней фотосинтезирующей деятельности в биосфере. Отдельной задачей оказались в местностях с наибольшей плотностью населения повре- биосферного мониторинга является изучение и контроль таких про жденными, темпы исчезновения некоторых видов животных и расте- цессов, как воздействие кислот, растворенных в дождевой воде, на ний приняли угрожающий характер. почву и растительность, перенос вирусов и микроорганизмов в грун В биосферу внесены вредные отходы промышленности, пести- товые воды, накопление токсичных химических веществ в организ циды, избыток химических удобрений, перегретые воды электростан- мах.

ций и другие отходы деятельности человека. По своему составу (мно- Химическая экология тесно связана со смежными научными гие синтетические материалы) и объему эти отходы не могут быть дисциплинами, в частности, теми, которые имеют непосредственное переработаны естественным путем и войти в природные круговороты отношение к здоровью человека. Так, предметом экологической хи веществ и элементов. мии является исследование превращений химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем в центре внима ния стоит изучение веществ антропогенного происхождения.

3.1. Экологический мониторинг. Проблемы Примеры негативного влияния загрязнителей на состояние ор ганизмов весьма многочисленны. Скажем, согласно недавним иссле экотоксикологии дованиям [10], у табакокурильщиков обнаружено накопление в поч Для оценки состояния природной среды, исследования проис ках тионина кадмия. Заядлые курильщики рискуют испытать хрони ходящих в ней процессов необходима детальная информация. В мире ческое отравление кадмием с необратимым нарушением функций создана система периодически повторяемых наблюдений показателей почек. Цианиды, образующие с ионами металлов прочные ком окружающей природной среды в пространстве и во времени – сис плексы, легко реагирующие с альдегидами и кетонами, восстанавли тема мониторинга.

вающие дисульфиды до сульфидов, тормозят ферментативные реак Система мониторинга охватывает как локальные районы или ции. Поскольку в живых организмах подавляющие большинство ре отдельные страны (национальный мониторинг), так и земной шар в акций осуществляется при помощи ферментов, цианиды разруши целом (глобальный мониторинг). Задачи мониторинга: наблюдение тельным образом влияют на жизнедеятельность организмов. Токсич за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния;

выявление ные металлы, такие, как мышьяк, ртуть или медь, нарушают ход про характера и степени антропогенных воздействий на биосферу и от цесса окислительного разрушения углеводов;

ряд органических со дельные экологические системы.

единений, распространенных в антропогенной среде (пентахлорфе Первая ступень мониторинга – санитарно-гигиенический мо нол, триэтилсвинец, 2.4-динитрофенол) разрывают цепь химических ниторинг. Он предполагает систематический контроль содержания в реакций процессов дыхания. Ряд химических соединений (например, объектах окружающей среды важнейших токсичных антропогенных ароматические углеводороды, нитроароматические соединения, хло загрязнителей.

роформ, сахарин, фенобарбитал) вызывают онкологические заболе Следующая ступень – природно-хозяйственный мониторинг.

вания и приводят к мутациям.

Он представляет собой наблюдения над изменением экосистем и Исследованием влияния химических веществ на организмы за преобразованием их в природно-технические системы (агросистемы, нимается экотоксикология. Сумма результатов, полученных хими городскую среду, среду индустриальных районов).

ками-экологами и токсикологами, является основой для выбора ве Наконец, высшая ступень – биосферный мониторинг, задачей ществ, содержание которых подвергается санитарно-гигиеническому которого является наблюдение и прогноз изменений биосферы в гло мониторингу.

бальном масштабе. В состав показателей биосферного мониторинга Воздействие химических веществ на организмы зависит от ок включают характеристики солнечной радиации, озонового экрана в ружающих условий и биологического потенциала организма. Все ор атмосфере, запыленности атмосферы и ее газового состава, оценки ганизмы могут выводить довольно большие количества посторонних 105 По результатам оценки влияния химических загрязнителей на веществ или связывать их в своих тканях (например, галогенирован организм человека были сформулированы основные критерии вред ные органические соединения накапливаются в жировых тканях).

ности загрязнителей [6]:

Воздействие химического вещества на организм (W) представляют в 1. Допустимым может быть признано только такое содержание того виде интеграла или иного вещества, которое не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его W = - В) dt, (3.1) (П работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.

2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как где П – концентрация поглощенного вещества, В – концентрация вы доказательство недопустимости изучаемого уровня содержания.

веденного вещества, t – время. Характерный пример зависимости 3. Недопустимо такое содержание вредных веществ, которое небла «доза вещества (R) – воздействие (W)» приведен на рис. 3.1 Любая гоприятно влияет на растительность, климат местности, прозрач зависимость W – R начинается с порога, ниже которого влияние ве ность атмосферы и бытовые условия жизни населения.

щества не обнаруживается. На уровне этого порога выбирают вели Для важнейших загрязнителей уровни ПДК установлены зако чины предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязнителей в нодательно, причем время от времени они пересматриваются в сто объектах окружающей среды, продуктах и т.д. Характер и степень рону ужесточения. ПДК некоторых веществ приведены в табл. 3.1 и вредного воздействия химических препаратов во многих случаях 3.2. Контроль содержания химических соединений является обяза сложным образом зависят от времени действия. Наблюдаются как тельным условием для разработки мероприятий, направленных на со быстрые биохимические изменения, нарушения поведения, субле хранение и возрождение природных экосистем и обеспечение безо тальные эффекты и быстрая гибель, так и вначале малозаметные на пасных условий жизни человека.

рушения, отчетливо проявляющиеся лишь по прошествии длитель ного времени.

Таблица 3.1. ПДК некоторых загрязнителей в атмосферном воздухе, мг/м Вещество ПДК Вещество ПДК Азота диоксид 0.085 Оксид углерода 0. Азотная кислота: Пыль нетоксичная 0. по молекуле 0. W по водородному 0. иону Аммиак 0.2 Сажа (копоть) 0. Анилин 0.05 Серная кислота 0. Ацетальдегид 0.01 Сероводород 0. Ацетон 0.35 Сероуглерод 0. Бензин (в пере- Серы диоксид 0. счете на углерод) Бензол 1.5 Соляная кислота:

по молекуле 0. по водородному иону 0. порог R Метанол 1.000 Уксусная кислота 0. Рис. 3.1. Пример зависимости «доза – эффект». Нафталин 0.003 Фенол 0. Нитробензол 0.008 Хлор 0. Пиридин 0. 107 Таблица 3.2. ПДК некоторых загрязнителей в водоемах, мг/л. ским бронхитом закончилось трагически. Количество смертных слу чаев резко возросло, превысив средний многолетний уровень на че Элемент ПДК Вещество ПДК тыре тысячи.

В Вальсуме, близ Дюссельдорфа (ФРГ) в ночь с 3 на 4 апреля Свинец 0.1 Анилин 0. 1952 г. на заводе по производству хлора произошла авария. Вследст Мышьяк 0.05 Фенол 0. вие разрыва резервуара в атмосферу попало 15 т хлора, который рас Ртуть 0.005 Сероуглерод пространился по территории завода. В результате пять человек по Медь 0.10 Тиофос 0. гибли, более двухсот получили тяжелое отравление.

Цинк Оценивая масштабы загрязнения атмосферы, можно отметить, Кадмий 0. что в атмосферу ежегодно выбрасывается 300 млн. т оксида угле Железо 0. рода, 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т углеводородов, около 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. Только за счет сжигания угля Загрязнение окружающей среды достигло таких масштабов, в энергетических установках в окружающую среду поступают неко что неотложной задачей стали разработка и внедрение технологиче торые химические элементы в количествах, значительно превышаю ских методов, способных прекратить или, по крайней мере, затормо щих их поступление из природных источников. Так, масса ртути ан зить загрязнение биосферы. Мы рассмотрим, как решается эта про тропогенного происхождения превышает массу ртути, поступающей блема при очистке воздуха и вод.

в биосферу естественным путем, в 8700 раз, мышьяка – в 125 раз, урана – в 60 раз, бериллия – в 10 раз.

3.2. Проблема чистого воздуха 86% 3.2.1. Последствия загрязнения атмосферы Во все времена загрязнения атмосферы доставляли немало не приятностей людям. Самое серьезное внимание привлекали катастро- 0.1% 1% 12.9% фические последствия скопления вредных веществ, сопровождавши еся смертями и тяжелыми заболеваниями.

Долина реки Маас (1930 г). Начиная с первой недели декабря 1930 г., Бельгия была покрыта густым туманом. В долине Мааса, кроме того, наблюдалась инверсия температуры. На третий день со хранения этих неблагоприятных метеорологических условий у жите Рис. 3.2. Схема распределения загрязнений в воздушной среде.

лей долины появились заболевания органов дыхания, шестьдесят че 1 – над океанами;

2 – над сельской местностью;

3 – над городами;

4 – ловек умерли. Причиной катастрофы стала повышенная концентра над промышленными районами.

ция в воздухе оксидов серы, действие которых усиливалось наличием аэрозолей.

На рис. 3.2 представлена схема распределения загрязнений в Лондон (1952, 1956, 1957 и 1962 г.г.). Для Великобритании ха воздушной среде над промышленными районами, городами, сель рактерна туманная погода, сопровождающаяся инверсией темпера скими местностями, океаном;

основное загрязнение сосредоточено туры. В указанные годы в течение 12 часов после появления тумана над промышленными районами и городами, т.е. как раз в районах с отмечалось резкое повышение смертности и заболеваемости жителей наибольшей плотностью населения.

Большого Лондона, вызванное накоплением в тумане вредных при месей. Образовался смог, что для многих людей, болевших хрониче 109 Содержащиеся в воздухе загрязнения воздействуют на челове- Производственный процесс Выброс пыли, млн. т в год Сжигание каменного угля 93. ческий организм при контакте с поверхностью кожи или со слизи Выплавка чугуна 20. стыми оболочками. Вредные газообразные вещества проникают в Выплавка меди 6. кровь, почки, другие жизненно важные органы. Загрязненный воздух Выплавка цинка 0. негативно воздействует не только на живые организмы, но и на ин Выплавка олова 0. фраструктуру урбанистической цивилизации, прежде всего разру Выплавка свинца 0. шает здания и сооружения. Разрушение материалов происходит в Производство цемента 53. результате действия абразивов (твердых частиц), грязей (твердых частиц и жидкостей) и коррозии под действием окислителей, кислот, Основными источниками искусственных аэрозольных загряз солей и т.п. Наиболее заметным разрушающим действием загрязнен нений воздуха являются (ТЭС), потребляющие уголь высокой золь ного воздуха на здания является почернение их фасадов в результате ности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, маг осаждения сажи и пыли. Строительные материалы, из которых сло незитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источни жены здания, стареют под действием кислотных осадков в результате ков отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще образования сульфита и сульфата кальция. Сульфит, окисляясь, всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и также превращается в сульфат кальция. Эта соль довольно заметно углерода, реже – оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, ни растворяется в воде и вымывается дождевыми потоками. Наличие в келя, хрома, кобальта, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, атмосфере загрязнений в пять-десять раз ускоряет коррозию метал- бериллия, кадмия, молибдена и асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, содержащей алифатические и аро лических крыш зданий. Загрязнение воздуха наносит большой вред матические углеводороды, соли карбоновых кислот. Органическая сельскому и лесному хозяйству. В целом, экономический ущерб от пыль образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в про загрязнения атмосферы для развитых стран составляет от 10 до цессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и дру долларов США в год на человека.

гих подобных предприятиях.

3.2.2. Аэрозольное загрязнение атмосферы. Смог Постоянными источниками аэрозольного загрязнения явля ются промышленные отвалы – искусственные насыпи из переотло Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во женного материала, преимущественно вскрышных пород, образуе взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в мых при добыче полезных ископаемых, или из отходов предприятий ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают перерабатывающей промышленности, электростанций и др. Источ специфические заболевания, В атмосфере аэрозольные загрязнения ником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы.

воспринимаются в виде дыма, тумана мглы или дымки. Значительная Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250–300 т взрыв часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых чатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 150 т пыли. Про изводство цемента и других строительных материалов также явля или жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний раз ется источником загрязнения атмосферы пылью. Основные техноло мер аэрозольных частиц составляет 5–11 мкм. В атмосферу ежегодно гические процессы этих производств – измельчение и химическая поступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного про обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках исхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других в ходе производственной деятельности людей.

вредных веществ в атмосферу.

Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведе К атмосферным загрязнителям относятся насыщенные и нена ны ниже:

сыщенные углеводороды, включающие 11–13 атомов углерода. Они 111 подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, источником свободных радикалов, обладающих высокой реакцион взаимодействуя с другим атмосферными загрязнителями, причем ной способностью. Такие смоги – нередкое явление над Лондоном, особенно интенсивно – в условиях высокой солнечной радиации. В Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими крупными городами Ев результате этих реакций образуются перекисные соединения, сво- ропы и Америки. По своему физиологическому действию на орга бодные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и низм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной серы, часто находящиеся в виде аэрозольных частиц. При некоторых системы и часто приводят к смертельным исходам.

погодных условиях могут образовываться особо большие скопления 3.2.3. Очистка газовых выбросов вредных газообразных и аэрозольных примесей в приповерхностном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое Рассмотрим очистку воздуха от наиболее масштабных загряз воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии нителей – диоксида серы и оксидов азота.

слои холодного воздуха располагаются под слоями теплого (наблю Для химика проблемы очистки газовой смеси от диоксида дается инверсия), что ограничивает перемешивание воздушных масс серы не существует. В арсенале технолога простые химические реак и перенос их вверх. В результате вредные выбросы накапливаются ции, известные даже школьнику. Вопрос в том, как создать экономи под слоем инверсии, их содержание резко возрастает, что становится чески выгодные способы концентрирования и поглощения SO2 из одной из причин ранее неизвестного в природе явления – образова огромных по масштабам потоков отходящих газов различных произ ния фотохимического тумана (смога). Последний представляет собой водств и последующей утилизации SO2 в виде необходимых для на многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц. В состав ос родного хозяйства серы или серной кислоты. Трудность разработки новных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, много таких способов проистекает из разнохарактерности газовых выбро численные органические соединения перекисной природы, называе сов различных производств.

мые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возни Эффективность очистки газов от SO2 зависит от следующих кает в результате фотохимических реакций в приземном слое воздуха факторов:

при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концен 1. парциальных давлений SO2 и О2 в очищаемой газовой смеси;

трации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интен 2. температуры отходящих газов;

сивной солнечной радиации, безветрии и повышенной инверсии. Та 3. наличия и характера твердых сопутствующих веществ;

кие условия возникают чаще в июне – сентябре и реже зимой. При 4. объема очищаемых газов;

продолжительной солнечной погоде поток солнечной радиации рас 5. наличия в близлежащих районах доступного хемосорбента;

щепляет молекулы NO2 с образованием NO и атомарного кислорода.

6. потребностью в продуктах утилизации SO2;

Последний, реагируя с молекулярным кислородом, образует озон О3.

7. требуемой степенью очистки газа.

На первый взгляд представляется, что озон, окисляя оксид азота, В настоящее время для промышленной очистки рекомендовано должен снова воспроизводить кислород и диоксид азота. Но проис несколько технологических схем.

ходит другой процесс. Оксид азота вступает в реакции с непредель Известняковый процесс, основанный на использовании сус ными углеводородами, которые при этом расщепляются по двойной пензии природного известняка, отличается простотой схемы, малыми связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате капитальными затратами, доступностью и дешевизной хемосорбента.

продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщеп При поглощении SO2 происходит реакция ляются и дают дополнительные количества озона. Возникает цикли SO2 + CaCO3 + 1/2 O2 = CaSO4 + CO2. (3.2) ческая реакция, в результате которой в атмосфере накапливается озон. Этот процесс прекращается только в ночное время. В свою оче Существенным преимуществом метода является возможность очи редь, озон реагирует с алкенами. В атмосфере концентрируются раз стки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания. Вместе личные перекисные соединения, которые и образуют в сумме харак с тем, рассматриваемый процесс нециклический, и его применение терные для фотохимического смога оксиданты. Последние являются ограничено потребностью в гипсе, а также образованием большого 113 количества шлама. Поэтому известняковый процесс используют для таких технологий способствовало бы решению одной из насущных очистки небольших по объему газовых выбросов с низким содержа- проблем охраны окружающей среды.

нием SO2.

Очистка отходящих газов от оксидов азота на предпри Циклический магнезитовый метод обладает рядом несо ятиях химической промышленности производится на 80 %. Методы мненных достоинств. К их числу относятся высокая реакционная очистки основаны на восстановлении оксидов до азота на различных способность сорбента, позволяющая очищать газы с малыми содер катализаторах. Установки каталитического восстановления работают жаниями SO2, и возможность очистки больших объемов газов с по на всех предприятиях, оборудованных современными агрегатами лучением серной кислоты и серы, а также возможность очистки не получения азотной кислоты.

охлажденных газов.

Отходящие газы производств азотной кислоты после абсорб Разработаны варианты процессов, основанные на применении ционных колонн содержат 0.05 – 0.2 % оксидов азота по объему.

растворов солей натрия, калия или аммония, позволяющие очищать Восстановление природным газом, водородом, СО или NH3 снижает большие объемы газовых смесей без предварительного охлаждения и их содержание в очищенном газе до 0.001 – 0.005 %, что обеспечи практически при любых содержаниях SO2. Это существенно облег вает соблюдение установленных санитарных норм.

чает эксплуатацию газоочистных установок и повышает надежность их работы. На ряде существующих производств азотной кислоты под дав Указанные методы являются примерами использования аб лением, а также для крупных агрегатов мощностью 400 – 440 тыс. т в сорбционных процессов, наиболее перспективных для очистки газо год используют метод восстановительной очистки на палладиевом вых выбросов кислых примесей отходящих газов химической про катализаторе, причем тепло реакции используется для получения мышленности, черной и цветной металлургии.

пара. Данный метод очистки органически связан с технологией про Особняком стоит проблема очистки дымовых газов тепловых изводства, и затраты на него минимальны.

электростанций. Упомянутые выше абсорбционные процессы приме Интересным способом очистки является адсорбционно-десорб нимы и в этом случае. Например, их применяют для очистки от SO ционный. В качестве сорбента используют силикагель или кислото на Северодонецкой и Дорогобужской ГРЭС, однако в целом про стойкие цеолиты. Остаточная концентрация оксидов азота в выбро блема далека от решения, поскольку высокой остаются стоимость сах составляет 0.001 %.

газоочистных установок и энергопотребление ими.

К сожалению, дымовые газы ТЭС служат источником загряз В ряде городов (например, в Москве) содержание SO2 в дымо нения атмосферы не только диоксидом серы, оксидами азота, но и вых газах ТЭС регулируют путем замены одного вида топлива дру гим в зависимости от сложившейся экологической обстановки. За- другими вредными веществами (например, ртутью). Так, угли раз мена топлива может дать значительный эффект, поскольку ТЭС личных месторождений содержат в одной тонне от 50 до 500 мг мощностью 1 млн. кВт при работе на природном газе выбрасывает в ртути. Современная ТЭС средней мощности (около 1 млн. кВт в год) год 20 тыс. т SO2, а при работе на каменном угле – 11 тыс. т.

сжигает за сутки до 1000 т угля, выбрасывая при этом 1 кг ртути. До Другим вариантом решения проблемы является предваритель вольно велико загрязнение атмосферы от ТЭС радиоактивными ве ная очистка топлива от серосодержащих примесей. В настоящее ществами. Зола ТЭС, в том числе и летучая ее часть, содержит все время в промышленном масштабе создана технология очистки неф изотопы урано-радиевого и ториевого семейств. Так, например, ис тепродуктов от таких примесей. Снижение содержания серы на 0.5 % следование воздуха в районе угольной ТЭС в Ундеус-Крик в США стоит в среднем 3 доллара США.

показало присутствие в нем всех долгоживущих радиоактивных изо Разработка прогрессивных технологий (например, с использо топов.

ванием микробиологических методов очистки) значительно снижает затраты на очистку жидкого и твердого топлива от серы. Внедрение 115 На втором этапе планируют природоохранные мероприятия 3.2.4. Сокращение выбросов в атмосферу в для достижения ПДВ.

коксохимическом производстве На третьем этапе с помощью специальных компьютерных программ рассчитывают концентрации загрязняющих веществ в ат 3.2.4.1. Нормирование выбросов предприятий мосфере жилых районов от выбросов данного предприятия и сопос тавляют их с соответствующими значениями ПДК. При этом учиты Одним из крупных загрязнителей атмосферы является коксо вают фоновое загрязнение, создаваемое источниками выброса дан химическое производство. В Украине ведутся интенсивные исследо ного населенного пункта. Если по результатам для всех загрязняю вания, преследующие цель снизить его экологический вред, причем щих веществ значения приземных концентраций ниже уровня ПДК, наиболее заметные результаты достигнуты в научных и проектных то данный объем выбросов утверждается министерством охраны ок организациях г. Харькова. Рассмотрим основные современные кон ружающей природной среды в качестве норматива предприятия.

цепции нормирования загрязнений окружающей среды предпри Имеющийся опыт расчетов свидетельствует, что достижение норма ятиями коксохимической промышленности и технические решения, тивов ПДВ на коксохимических предприятиях обеспечивается при направленные на создание экологически безопасных условий произ показателе суммарных выбросов 2–2.5 кг/т кокса. Резкое ужесточе водства [14].

ние экологических требований в странах СНГ происходит в послед Принятая в Украине и странах СНГ методика нормирования ние годы на фоне прогрессирующего физического износа коксовых выбросов базируется на концепции ПДК в атмосферном воздухе на батарей. При этом показатель удельных выбросов вредных веществ селенных мест (табл. 3.1). Нормирование выбросов загрязняющих на тонну производимого кокса сохраняется в пределах от 4–5 кг/т веществ в атмосферу предприятием производят путем установления кокса для заводов, модернизированных в 80-х годах, до 8–10 кг/т для предельно допустимых выбросов этих веществ (ПДВ). ПДВ устанав устаревших заводов. С учетом этой ситуации, а также большого де ливают для каждого источника загрязнения атмосферы из условия, фицита в Украине сырьевых ресурсов, приоритетными направле что выбросы данного источника и совокупности источников пред ниями в развитии коксохимической промышленности считают приятия, а также других источников не создадут в приземном слое а) максимальное извлечение компонентов и б) снижение вредных вы атмосферы концентраций, превышающих уровень ПДК.

бросов в атмосферу [14].

Нормативы ПДВ для предприятий рассчитывают как сумму значений ПДВ для отдельных источников загрязнения. Если в атмо 3.2.4.2. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве кокса сфере населенного пункта концентрации вредных веществ превы шают ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут В коксохимическом производстве наиболее крупным источни быть достигнуты, вводят поэтапное снижение выбросов до значений, ком загрязнения атмосферы является коксовый блок. Основная часть обеспечивающих соблюдение ПДВ. На каждом этапе до достижения загрязнений попадает в атмосферу из работающего коксового цеха в величин ПДВ устанавливаются временные согласованные выбросы периоды между технологическими циклами, когда коксовые печи вредных веществ (ВСВ). Работы, связанные с установлением ВСВ открываются для выдачи готового кокса и последующей загрузки для действующего предприятия, осуществляют в следующем по угольной шихтой. Чем больше объем и производительность коксо рядке.

вых печей, тем меньше удельные выбросы из них в расчете на тонну На первом этапе проводят путем замеров инвентаризацию производимого кокса. Сокращение вредных выбросов в атмосферу на выбросов и получают сведения о распределении источников по тер коксовых заводах может быть достигнуто за счет ритории предприятия, количестве и составе выбросов загрязняющих – уменьшения количества технологических циклов при по веществ в атмосферу и характеристиках газоочистных и пылеулавли вышении единичной мощности коксовых батарей;

вающих установок.

– сокращения выбросов дымовых труб путем глубокой очи стки отопительного коксового газа от сероводорода и циа 117 нистого водорода, а также совершенствования системы блему представляют выбросы диоксида серы, т.к. содержание серо обогрева коксовых печей;

водорода в неочищенном коксовом газе доходит до 18 г/м/3 из-за вы – совершенствования процессов тушения кокса. сокого содержания серы в углях. Поэтому практически все коксохи В условиях значительного сокращения государственных инве- мические заводы Украины имеют цеха очистки коксового газа от стиций возможным решением является перекладка коксовых батарей сероводорода. Используются две технологии улавливания сероводо в существующих габаритных размерах. Однако, как показывает прак- рода – круговой сорбционно-десорбционный вакуум-карбонатный тика, с экологической точки зрения это решение не является лучшим, метод и мышьяково-содовый метод, основанный на окислении серо так как достигаемое снижение вредных выбросов не превышает 30 %. водорода в элементарную серу. В последние годы разработаны тех В данном случае экономический приоритет вступает в противоречие нологии улавливания сероводорода в две ступени до остаточного с экологическим. Следует также учитывать, что с принятием нового содержания 0.5 г/м3. При этом будет происходить глубокая очистка природоохранного законодательства и установления жестких финан- коксового газа от цианистого водорода до содержания 0.15 г/м3, что совых санкций за превышение установленного норматива выбросов позволит существенно сократить выбросы оксидов азота при сжига экологические показатели начинают самым серьезным образом вли- нии газа в отопительной системе коксовых батарей.

ять на экономическое положение предприятия. Некоторые коксохи- На ряде предприятий предусматривается реализовать техноло мические заводы Украины уже достаточно остро столкнулись с этой гические схемы глубокой переработки коксового газа с получением проблемой. метанола и последующей переработкой его в экологически чистый В связи с этим основой концепции повышения экологической синтетический бензин.

безопасности коксохимического производства должно стать укруп 3.2.4.3. Природоохранные мероприятия при тушении кокса нение коксовых батарей с одновременным уменьшением их количе ства при сохранении объема производства кокса.

Одним из важнейших факторов повышения экологической Практика ряда реконструируемых заводов подтверждает эф безопасности коксохимического производства является радикальное фективность этого направления. Например, строительство батарей сокращение выбросов при тушении кокса. Наиболее перспективным увеличенной мощности с объемом камер 41.6 м3 на некоторых заво направлением в решении этой проблемы является дальнейшее со дах позволило вывести из эксплуатации по две устаревшие батареи, вершенствование технологии сухого тушения кокса. В коксохимиче наносившие большой экологический ущерб. Сохранив прежний ской промышленности СНГ накоплен большой опыт эксплуатации объем производства, эти предприятия сократили загрязнение атмо установок сухого тушения кокса (УСТК) конструкции института сферы на 50 %. В настоящее время ведется разработка коксовых ба ГИПРОКОКС (г. Харьков). Многолетние исследования показали, что тарей с еще большими объемами камер коксования, в частности с потенциально УСТК является экологически безопасным агрегатом объемом 63.4 м3.

при условии соблюдения технологического режима и осуществления На степень загрязнения атмосферы в жилых районах и непо комплекса технических решений по герметизации УСТК и очистке средственно на территории завода влияют небольшие по объему, но выбросов. Практически единственной проблемой при использовании весьма токсичные неорганизованные выбросы коксовых батарей (со УСТК остаются выбросы оксида углерода, источником которого яв держат нафталин, аммиак, цианистый водород, сероводород, фенол).

ляются свечи избыточного циркуляционного газа и разгрузочные Эти выбросы происходят, как правило, в приземном слое и медленно устройства камер тушения. Обезвреживание выбросов избыточного рассеиваются. Чтобы уменьшить опасность неорганизованных вы циркуляционного газа обеспечивается подключением свечи к газо бросов в атмосферу, в проектах новых коксовых батарей предусмат проводу сырого коксового газа или сжиганием выбросов в специаль ривается использовать сбросные трубы газоочистки высотой 40 м.

ной печи с последующей утилизацией тепла.

Основной объем выбросов коксохимических заводов прихо Технология безводного тушения кокса совершенствуется по дится на дымовые трубы коксовых батарей. Для заводов Украины, нескольким направлениям:

использующих для обогрева печей коксовый газ, серьезную про 119 – повышение производительности камер тушения УСТК Сопоставление приведенных показателей свидетельствует о (разработан проект блока производительностью 200 т/ч);

том, что степень агрессивности выбросов при сухом тушении значи – разработка технологии контактного тушения кокса с ути- тельно ниже, чем при мокром.

лизацией тепла посредством водоохлаждаемых панелей, контакти рующих с горячим коксом;

Таблица 3.3. Выбросы при сухом и мокром тушении кокса – освоение технологии совмещенного процесса термоподго товки угля и тушения кокса, где тушение кокса осуществляется пу Сухое тушение Мокрое тушение тем съема тепла холодной угольной шихтой при непосредственном Наименование Удельные Наименование Удельные контакте.

ингредиента выбросы, ингредиента выбросы, Отмечая преимущества сухого тушения кокса, следует в то же г/т кокса г/т кокса время отметить, что большой объем кокса тушится традиционным Пыль 15.6 Пыль 77. мокрым способом. В связи с этим совершенствуется и процесс мок Оксид 88 Оксид рого тушения кокса. Ведется работа как по разработке новых конст углерода углерода рукций тушильных устройств, так и по повышению качества воды, Аммиак 6. используемой для тушения.

Фенол 4. Институтом ГИПРОКОКС разработана новая конструкция ту Цианистый 0. шильной башни конфузорно-диффузорного типа высотой 40 м. Эф- водород Сероводород 2. фект данной конструкции заключается в снижении капельного уноса вследствие выпадения крупных капель при резком уменьшении ско рости потока в диффузорной части башни. Сравнительные исследо 3.2.4.4. Ликвидация или сокращение выбросов в химических цехах вания процессов тушения кокса в башнях традиционной и новой кон струкций показали, что безвозвратные потери воды для конфузорно- Процессы улавливания и переработки химических продуктов коксования сопровождаются выбросом в атмосферу специфических диффузорной башни составляют 0.35 т/т кокса, что на 1/3 ниже по вредных веществ, влияющих на здоровье населения и состояние ок терь для башни с традиционной конструкцией.

ружающей среды. Так, градирня конечного охлаждения коксового Характер вредных выбросов при тушении кокса определяется газа является крупнейшим источником выбросов нафталина – до составом подаваемой воды. На отдельных заводах в процессе туше т/год. Необходимо сокращать выбросы бензола, каменноугольной ния используют техническую воду. Однако подавляющее большин смолы, бенз[а]пирена, нафталина и других канцерогенов.

ство заводов применяет сточную воду, прошедшую биохимическую Что касается проблемы уменьшения выбросов при переработке очистку от фенолов, аммиака, роданидов и других загрязнителей.

сырого бензола и каменноугольной смолы, то эффективный путь ее При этом утилизация очищенных сточных вод в процессе мокрого решения состоит в максимальной централизации переработки этих тушения кокса является важнейшим фактором, обеспечивающим ли продуктов. Особенно актуально это для Украины, где переработку квидацию или минимизацию сброса стоков за пределы коксохимиче каменноугольной смолы осуществляют в восьми цехах, а перера ского предприятия.

ботку сырого бензола – в семи цехах разных заводов. Экологический В табл. 3.3. приведены данные о выбросах в атмосферу уста- эффект от закрытия маломощных устаревших цехов многократно превысит затраты на строительство централизованных производств.

новки сухого тушения кокса с учетом осуществления полного ком Кратко остановимся на проблеме бенз[а]пирена. Известно, что плекса природоохранных мероприятий и башен мокрого тушения содержание этого опаснейшего канцерогена в каменноугольной кокса при использовании очищенной сточной воды.

121 смоле доходит до 1 %, а в каменноугольном пеке – до 1.5 %. Иссле- – первичное охлаждение коксового газа при пониженной дования, выполненные на одном из заводов Украины, показали, что температуре (20 оС), что позволит добиться глубокого из объем выбросов бенз[а]пирена в смолоперерабатывающем и пекоко- влечения нафталина из коксового газа в начале газового совом цехах достигает 50 % от общего объема выбросов бенз[а]пире- тракта и свести к минимуму выбросы нафталина на после на в целом по заводу. дующих стадиях улавливания и переработки химических продуктов коксования;

Таблица 3.4. Снижение выбросов в вредных веществ в атмосферу на – совершенствование технологии переработки нафталино коксохимических заводах Украины до 2010 г., т/год вой фракции, в частности, переход на производство техни ческого нафталина методом ректификации нафталиновой Заводы Существующее 2010 г. фракции в закрытой аппаратуре;

положение – исключение выбросов градирни оборотной воды цикла ко нечного охлаждения коксового газа путем перехода на ох Авдеевский 55664 лаждение в закрытой теплообменной аппаратуре.

Алчевский 18246 Горловский 12030 2070 Реализация описанных в настоящем разделе технических ре Енакиевский 8079 шений и комплекса мероприятий по защите окружающей среды по Донецкий 9126 зволит сократить вредные выбросы коксохимических производств в Мариупольский 18235 5.4 раза – с 239 до 44 тыс. т (табл. 3.4) [14]. Будет обеспечено дости Стахановский 1406 – жение нормативов ПДВ на всех коксохимических предприятиях Ук Ясиновский 22500 раины.

Макеевский 12838 – Днепропетровский 5073 1222 3.2.5. Проблема озонового слоя Днепродзержинский 12418 В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британ Криворожский 31834 ской Антарктической Службы сообщили о неожиданном факте: со Баглейский 20577 держание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде Запорожский 5986 уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40 %. Вскоре этот вывод Харьковский 3898 Фенольный 1376 460 подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область Итого 239287 44168 пониженного содержания озона простирается за пределы Антарк тиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную При этом крупнейшим источником выбросов (~80 %) являются часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием стояки пекококсовых печей при открывании перед выдачей кокса и озонного слоя над Антарктидой был международный самолетный ан при прожиге графита в камере после его выдачи. В настоящее время тарктический озоновый эксперимент. Ученые из четырех стран не на пекококсовых печах завода в Запорожье внедрена установка обез сколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и вреживания, позволяющая уловить выбросы стояков при выполнении собирали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней хи этих операций и обеспечить степень очистки от бенз[а]пирена до мических процессах. Выяснилось, что в полярной атмосфере имеется 90 %.

озонная «дыра», причем содержание озона над Антарктидой неук Выбросы нафталина на большинстве заводов значительно пре лонно снижается (рис. 3.3).

вышают ПДК (0.003 мг/м3). Для сокращения выбросов предусматри В начале 80-х годов по измерениям из космоса аналогичная ваются следующие мероприятия:

дыра была обнаружена и в Арктике. Эта дыра охватывала значи 123 личение числа заболеваний раком кожи, однако нет достоверных тельно меньшую площадь, и падение уровня озона в ней было не так данных, позволяющих приписать этот феномен уменьшению содер велико – около 9 %. В среднем по Земле с 1979 по 1995 г. содержание жания озона. Жесткое ультрафиолетовое излучение плохо поглоща озона упало на 7 %.

ется водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ-излучения может серьезно пострадать и даже погибнуть полно стью. Планктон находится в основании пищевых цепей практически всех морских экосистем, поэтому опасности подвергаются все мор ские организмы. Растения менее чувствительны к жесткому УФ-из лучению, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если со держание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество найдет способ защититься от жесткого УФ-излучения, но при этом рискует умереть от голода.

Благодаря многолетним исследованиям большой группы уче ных, начатым еще в 1930 г. британским физиком С. Чэпменом, к на стоящему времени поняты основные стадии механизма образования и разрушения озона в атмосфере [15, 16]. Весомый вклад в атмосфер ную химию, в особенности в исследование проблемы озонового слоя, 1955 1965 1975 1985 ученых Поля Крутцена (ФРГ), Марио Молина (США) и Ф. Шервуда Годы Роуленда отмечен Нобелевской премией по химии 1995 г.

Обсудим современные представления о химизме образования Рис. 3.3. Изменение толщины озонового слоя над станцией и разрушения озона в атмосфере.

Халли-Бей (Антарктида) (усредненные данные за октябрь).

Образование озона описывается уравнением реакции Открытие озоновых дыр обеспокоило как ученых, так и широ О2 + O = О3. (3.3) кую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, Необходимый для этой реакции атомарный кислород выше окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным ультрафиолетового излучения с <240 нм последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере ме нее 0.0001%, однако именно озон полностью поглощает жесткое O2 + h = 2 O. (3.4) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца с длиной волны < Ниже этого уровня атомы кислорода образуются, в основном, нм и значительно ослабляет излучение с 280 < < 315 нм, наносящее при фотодиссоциации диоксида азота серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концен NO2 + h = O + NO (3.5) трации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивно под действием мягкого ультрафиолетового излучения с < 400 нм.

сти жесткого ультрафиолетового излучения у поверхности земли на Разрушение молекул озона происходит при их попадании на 2%. Это излучение обладает достаточной энергией для разрушения частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основной сток ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе:

особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Уже сейчас во всем мире заметно уве O3 + X = XO + O2, (3.6) 125 O + XO = X + O2, (3.7) нимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона макси мальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиоле где X = NO, OH, Cl, Br.

тового излучения, которое не проникает ниже из-за экранирующего Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных ус высказана еще в конце 1960-х годов. Тогда считалось, что основную ловиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обла опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного дающие высокой реакционной способностью, в частности, атомар пара и оксидов азота (NOх) из двигателей сверхзвуковых транспорт ный хлор. Таким образом, ХФУ переносят хлор с поверхности Земли ных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона.

значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоя Хлор при разрушении озона действует подобно катализатору:

щее время в коммерческих целях используется только «Конкорд», со в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вслед вершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, ствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул из военных самолетов в стратосфере летают практически только све озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу.

рхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1 или Сейчас выбросы ХФУ в атмосферу составляют миллионы тонн, но Ту-160, и разведывательные самолеты. Такая нагрузка не представля даже в случае полного прекращения производства и использования ет серьезной угрозы для озонового слоя. Выбросы оксидов азота с ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже по поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и павших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятиле массового производства и применения азотных удобрений также тий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее ши представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды роко используемых ХФУ фреон-11 и фреон-12 составляет 75 и азота нестойки и редко достигают высших слоев атмосферы. Запуски лет соответственно.

ракет также происходят не очень часто, хотя хлоратные твердые топ Оксиды азота способны разрушать озон, однако они могут реа лива, используемые в современных космических системах, например гировать и с хлором. Важной является реакция в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», могут ClO + NO2 = ClONO2, (3.8) наносить серьезный локальный ущерб озоновому слою в районах за пуска.

продукт которой служит резервуаром хлора. В этом соединении хлор В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд опубликовали в самом из не активен и не реагирует с озоном. В конце концов, молекула вестном научном журнале «Nature» («Природа») статью, в которой ClONO2 может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-ни доказали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение будь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может и озона. Начиная с этого времени, хлорфторуглеродная проблема стала покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратос одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы.

фере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы на Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты много быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлорис в холодильных установках и кондиционерах, пропелленты для аэро тый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и зольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очисти метана СН4.

тели для электронных приборов и т.д.. Еще недавно из-за своей не Многие страны начали принимать меры, направленные на со токсичности и высокой стабильности они рассматривались как иде кращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США альные для практического применения химические вещества. Имен было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, ис но инертность этих соединений делает их опасными для атмосферно пользование ХФУ в других странах и сферах использования ограни го озона. ХФУ не распадаются в тропосфере (нижнем слое атмосфе чено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущие страны мира подписали ры, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), в Монреале протокол, обязывающую их снизить потребление ХФУ.

как это происходит, например, с большей частью оксидов азота, и в Согласно достигнутой договоренности, развитые страны должны к конце концов проникают в стратосферу. Когда молекулы ХФУ под 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Учи 127 тывая недостаточность мер, предусмотренных Монреальской кон- работки новых заменителей, и уже достигнуты определенные прак венцией, государства – основные производители ХФУ, позднее дого- тические результаты, но полностью проблема еще не решена.

ворились о полном прекращении их выпуска. Использование фреонов продолжается, и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети гло бального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фрео нов-11 и 12 в настоящее время растет со скоростью 5 – 9 % в год.

Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в два – три раза превышает уровень 50-х годов.

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, воз можно, были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарк тидой во многом является следствием метеорологических процессов.

Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воз Рис. 3.4. Изменение содержания ХФУ в атмосфере: a) без ог духа из средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество раничений на производство;

b) при ограничениях в соответствии с активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою.

Монреальским протоколом 1987 г.;

c) при полном прекращении про Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в се изводства.

верном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения К сожалению, даже при соблюдении этой договоренности из озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти вы за малой скорости разложения ХФУ в атмосфере их содержание еще сотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антаркти долго будет превышать безопасный уровень (рис. 3.4).

кой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарк найден заменитель ХФУ – пропан-бутановая смесь. По физическим тиды температура в стратосфере падает ниже -80°. Можно предпо параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от ложить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможно многих странах, в том числе и в Украине. Сложнее обстоит дело с хо сти вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные лодильными установками – вторым по величине потребителем фрео частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора.

нов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высо Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное пониже кую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холо ние концентрации озона только в специфических атмосферных усло дильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня замени виях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах кон телем фреонов является аммиак, но он токсичен и уступает ХФУ по центрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полно при разрушении озонового слоя жесткое УФ-излучение начнет про стью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся раз никать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области 129 с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озоновый стоки;

значительная часть бытовых стоков Парижа поступала в Сену;

слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной в США 20 млн. т отходов в виде различных химических веществ циркуляции. сбрасывались ежегодно в озеро Верхнее, превращенное в отстойник Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это не оз- сточных вод;

на протяжении десятилетий воды Рейна ежегодно несли начает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной в океан до 24 млн. т вредных отходов.

серьезной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки пред В загрязнении водоемов значительную роль сыграло сельское сказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серь хозяйство. Известно, что Япония, где на душу населения приходится езные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому всего 0.067 га пахотных земель, достигла самообеспечения важней сокращать использование ХФУ по прежнему необходимо.

шими продуктами питания (отдача земель в Японии втрое превышает отдачу земель в США) благодаря широкому использованию удобре Таким образом, проблема чистого воздуха имеет всеобщий и ний. Значительная часть удобрений не усваивается растениями и неотложный характер. Загрязнение атмосферы трудно локализовать смывается дождями и талыми водами в реки и водохранилища. В и, как результат, события, происходящие в одной стране, влияют на последних, благодаря обильному питанию, развиваются водоросли, в экологическую обстановку в других странах. Уже сейчас США не особенности короткоживущие сине-зеленые, при разложении кото хватает «собственного» кислорода, и жизнь этой огромной индустри рых выделяется отравляющий водоемы сероводород. В результате альной страны поддерживается за счет кислорода лесов Мексики и загрязнения водоемов особенно велик ущерб для рыбного хозяйства.

Бразилии. Активные мероприятия по защите атмосферного воздуха от загрязнений приносят некоторые результаты. Например, согласно Сброс неочищенных сточных и промышленных вод приводит к результатам мониторинга, в воздухе 56 % крупнейших городов мира уничтожению мест нереста промысловых рыб и их кормовых баз.

содержание SO2 стабилизировалось, а еще в 26 % – стало снижаться Чрезвычайно тревожно загрязнение водоемов химическими вещест по сравнению с уровнем начала 70-х годов.

вами, применяемыми для борьбы с вредителями растений. Примене ние пестицидов, например ДДТ, принесло человечеству определен ную пользу. Так, использованию ДДТ мы обязаны победами над ма 3.3. Проблема чистой воды лярией (только на Шри Ланке широкое применение ДДТ снизило за год смертность населения на 34 %). Вместе с тем, быстро обнаружи 3.3.1. Масштабы и последствия загрязнения лись и негативные последствия использования пестицидов – уничто природных вод жение полезных насекомых и птиц, появление устойчивых популя Расход чистой воды на Земле составляет около 40 % речных ций вредителей. Так, в 1964 г. ученые обнаружили по меньшей мере стоков. При сохранении существующих темпов загрязнения водных 140 видов насекомых, устойчивых к инсектицидам, причем 80 видов бассейнов и предполагаемого роста водопотребления в начале XXI были переносчиками болезней. Кроме того, пестициды, накаплива века все мировые запасы чистых пресных вод могут оказаться исчер ются в опасных количествах в организмах: попав в пищевые цепи, панными.

они концентрируются в организмах рыб, птиц и высших животных в Вода становится одним из дефицитных природных ресурсов.

концентрациях, на порядки превышающих фоновые содержания.

Главная причина истощения водных резервов – сброс неочищенных Глубокую озабоченность вызывает загрязнение Мирового промышленных и сельскохозяйственных стоков в общие источники океана в результате сброса промышленных стоков и аварий нефтя чистой воды. Сброс делает непригодным к потреблению в тысячи раз ных танкеров. Нефть тонким слоем покрывает поверхность воды, большее количество воды, чем безвозвратное промышленное потреб прекращая доступ в воду кислорода и вызывая массовую гибель мор ление. Так, еще недавно многие крупные города (например, Вена, Будапешт, Бухарест) сбрасывали в Дунай неочищенные бытовые ских организмов. Тоннаж танкерного флота растет, увеличивается 131 средняя грузоподъемность танкеров, все больше нефтяных скважин 3.3.2. Водооборотный цикл – наиболее рациональный появляется на морском шельфе. В результате аварий большое коли способ защиты водоемов чество нефтепродуктов попадает в океан. В 1962–1989 г.г. в резуль Стоимость очистки сточных вод до предельно допустимых тате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти, с про концентраций загрязнителей даже после значительного разбавления мышленными и бытовыми отходами ежегодно поступает еще 2. весьма высока.

млн. т. О масштабах проблемы говорят наблюдения экспедиции Тура Если принять стоимость очистки на 90 % за единицу, то очи Хейердала, сорок дней плывшей по атлантическим водам, сплошь стка на 99.9 % будет стоить в 100 раз дороже, а именно она чаще покрытым нефтяной пленкой.

всего требуется для сброса в водоемы. Поэтому частичная очистка Возвращаясь к загрязнениям местных рек и водоемов, нельзя сточных вод, достаточная для их повторного использования в произ не отметить периодически возникающие чрезвычайные ситуации, водстве, во многих случаях оказывается дешевле их полной очистки до санитарных норм. В экологическом отношении водооборот также связанные со вспышками холеры. Инфекция очень часто распростра значительно более эффективен, чем прямоточная система водоснаб няется через воду. В Советском Союзе эпидемия холеры была зафик жения.

сирована в 1965 г. в Каракалпакии и на юге Украины. Спустя пять Чем меньше свежей воды потребляется предприятием на 1 т лет вспышки этого заболевания наблюдались в Астрахани, Керчи, сырья или продукта, тем экологически совершеннее его система во Одессе, Батуми. Очаги были подавлены, и в течение многих лет ре доснабжения.

гистрировались лишь единичные случаи холеры. Начиная с 1992 г., Наиболее рационально организовано использование воды в вновь отмечают наступление этого опасного инфекционного заболе нефтехимической промышленности, в то время как пищевая, легкая вания. Случаи болезни зафиксированы в Москве, Херсонской, Нико промышленность, теплоэнергетика недостаточно ответственно отно лаевской, Одесской областях, в Крыму. Вирулентные возбудители сятся к использованию водных ресурсов. Критерием рационального холеры почти каждый год обнаруживаются в водах рек бассейна Се водопотребления является кратность использования воды ( – отно верского Донца, в том числе и на территории Харьковской области.

шение общего объема воды к потреблению свежей воды, рассчитан Благоприятными условиями для распространения холеры служит ное на единицу стоимости продукции) (табл. 3.5).

высокий уровень бактериального загрязнения рек и водоемов, аварии Таблица 3.5. Кратность использования воды в некоторых отраслях очистных сооружений, сброс недоочищенных канализационных вод в народного хозяйства реки.

Отрасль Современный уровень техники и технологии очистки сточных Нефтехимическая промышленность 6. вод обеспечивает получение воды практически любой степени чис Химическая промышленность 4. тоты. Следовательно, загрязнение водоемов происходит по причинам Черная металлургия 4. экономического, а не технического характера. Необходимо довести Пищевая промышленность 3. затраты на регенерацию сточных вод до уровня, не превышающего Легкая промышленность 1. затрат на сооружение водозабора, транспортировку воды, водоподго товку и очистку стоков перед сбросом в водоемы. К сожалению, до Создание экономически рациональных замкнутых систем вод сих пор чистая вода рассматривалась как природный дар, не имею ного хозяйства является весьма трудной с экологической точки зре щий цены. В настоящее время во многих развитых странах установи ния задачей. Сложный физико-химический состав сточных вод, раз ли цену на воду из природных источников. Это, несомненно. способ нообразие примесей, их взаимодействие друг с другом делают не ствует внедрению систем оборотного водоснабжения, наиболее раци возможным подбор универсальной схемы. Принципиальная схема онального способа защиты водоемов от загрязнения.

водооборотного водоснабжения включает следующие этапы: 1) забор 133 воды из природного источника;

2) перекачка воды насосами в цирку- тановки большой мощности (180 тыс. м3 в сутки). В Казахстане на ляционную систему;

3) пополнение системы оборотной водой;

4) во- побережье Каспийского моря работает установка производительно доиспользование;

5) охлаждение и очистка оборотной воды, подаю- стью 120 тыс. м3 в сутки и проектируется установка мощностью до щейся насосами на пополнение системы. На стадиях 4) и 5) происхо- млн. м3 в сутки. Себестоимость воды составляет примерно 0.20 $ за дят потери воды, которые и обусловливают необходимость забора 1 м3.

некоторого количества воды из природных источников. Вымораживание как способ очистки имеет определенные тех При создании водооборотной схемы необходимо, прежде нологические и энергетические преимущества: не надо проводить всего, определить требования к качеству воды, используемой в тех- предварительную подготовку воды, бороться с накипью, можно ис нологических процессах. Очень часто оказывается, что возможно пользовать дешевые конструкционные материалы. Однако процесс многократное использование воды без очистки или с частичной очи- отличается значительной сложностью аппаратурного оформления, сткой, в зависимости от требований к качеству воды для различных контроля и эксплуатации по сравнению с другими методами.

технологических операций. Электродиализ основан на направленном переносе ионов дис Из множества методов оценки загрязнения водоемов наиболее социированных солей к электродам под действием постоянного элек точным является биотестирование, т.к. с помощью химических мето- трического тока через селективные мембраны, изготовленные из ес дов невозможно оценить биологический эффект от взаимодействия тественных или синтетических ионообменников. При прохождении попавших в воду веществ. Тестовыми объектами для определения тока через пакет мембран катионы перемещаются к катоду, а токсичности сточных вод чаще всего выступают дафнии или цик- анионы – к аноду. Поскольку катионообменные мембраны пропус лопы при анализе пресных вод и артемии – при анализе морской кают только катионы, а анионообменные – анионы, камеры пооче воды. редно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исход Экологически эффективнее в ряде случаев оказываются замк- ный раствор удается разделить на два потока – обессоленный и кон нутые циклы водного хозяйства не отдельного предприятия, а круп- центрированный. Метод позволяет не только разделить стоки на чис ного комплекса или района. тую воду и концентрированный раствор солей, но и превратить рас В настоящее время около 70 % потребности предприятий в творы солей в кислоты и щелочи.

воде на производственные нужды уже обеспечивается из систем во- Обратный осмос – это разделение водных растворов путем дооборотного и повторного водоснабжения. фильтрования через полупроницаемые мембраны под давлением. Его преимущества – малые энергозатраты, простота изготовления, мон 3.3.3. Основные методы очистки сточных вод тажа и эксплуатации установок, малые их габариты. В мире методом обратного осмоса обессоливают более 3 млн. м3 в сутки. В ряде стран Легче всего удалить из сточных вод органические вещества, освоено производство малых опреснительных установок производи труднее – соли. На 9000 крупных действующих в странах СНГ очист тельностью до 1 тыс. м3 в сутки, созданы необходимые условия для ных комплексах из сточных вод извлекается 90 % органических со широкого внедрения установок обратного осмоса для опреснения со единений, а также 20–40 % неорганических.

леных вод (налажено производство плоских полупроницаемых мем Удаляют соли несколькими методами: дистилляцией, вымора бран, разработана технология гиперфильтрационных полых волокон, живанием, электродиализом, обратным осмосом, ионообменной очи схемы и конструкции опреснительных установок). Мембранные ме сткой.

тоды обессоливания значительно эффективнее дистилляционных, т.к.

Дистилляция является наиболее хорошо освоенным и широко удельные капитальные вложения для них в 1.75 – 2 раза меньше, а применяемым методом. Самые сложные из имеющихся установок та стоимость очищенной воды в 2 – 2.5. раза ниже.

кого типа очищают 15–36 м3 воды в сутки. Главный их недостаток – Ионообменная очистка основана на использовании ионооб большой расход энергии (не менее 60–70 кВтч на 1 т чистой воды).

Тем не менее, в Гонконге и Кувейте построены дистилляционные ус- менных смол с их последующей регенерацией. Этот метод приме 135 няют для приготовления глубоко очищенной воды для электростан 3.4. Проблема твердых отходов. Малоотходные ций с паровыми котлами высокого, сверхвысокого и критического технологии давления, а также для получения ультрачистой воды для химической, Для того чтобы удовлетворить потребности населения Земли в электронной и некоторых других видов промышленности. Основным пище, одежде, жилье и т.д., на каждого человека используется не ме недостатком общепринятых технологических схем ионообменной нее 20 т различного природного сырья в год. Добыча полезных иско очистки является то, что к извлекаемым из очищаемой воды солям паемых во всем мире удваивается каждые пятнадцать лет. Если прибавляется большое количество солей, образующихся в процессе учесть, что выход полезного продукта из сырья не превосходит регенерации ионитов. Кроме того, эти схемы тратят 20 – 60 % полу обычно 10 %, становится ясно, какие огромные количества промыш чаемой чистой воды на собственные нужды и требуют тщательной ленных отходов накапливаются ежегодно. Кроме того, после исполь предварительной очистки воды от органических веществ, необра зования часть готовой продукции также переходит в отходы. Количе тимо сорбирующихся на ионообменных смолах и снижающих их ио ство бытовых отходов в расчете на одного жителя стремительно рас нообменную емкость. Поэтому в будущем этот метод будет широко тет и превышает 200 кг в год.

использоваться для извлечения из воды редких металлов и приготов Часто отходы рассматривают как ненужный балласт, хотя в ления глубоко обессоленной воды, а не для охраны водных источни- большинстве случаев они представляют собой недоиспользованное сырье. Поэтому ряд ученых предлагает заменить слово «отходы» ков от загрязнения.

другим термином – «продукция незавершенного производства», бо лее точным по существу и создающим необходимый психологичес Ни один из рассмотренных методов не является универсаль кий настрой. Масштабы накопления отходов громадны. Например, в ным. Энергоемкость их существенно отличается: расход электро далеко не самой крупной промышленной державе, Великобритании энергии при опреснении вод со степенью минерализации 5 г/л убы ежегодно накапливается 10 млн. т отходов при работе тепловых вает в ряду: дистилляция: 60 – 150 кВтч/м3;

электродиализ: 2 – 2. электростанций;

около 50 млн. т – как результат работы горнодобы кВтч/м3;

обратный осмос: 1.5 кВтч/м3.

вающей промышленности, примерно 60 млн. т вследствие угледо Дистилляционное опреснение наиболее целесообразно для бычи. В США ежегодно скапливается около 3.5 млрд. т твердых от сильно минерализованных вод (около 10 г/л) на установках мощно ходов. Эти отходы содержат много ценных компонентов и не исполь стью несколько десятков тыс. м3 в сутки. Электродиализ и обратный зуются только потому, что существующая технология не предусмат осмос позволяют получить воду относительно низкой стоимости на ривает их переработку.

установках малой и средней производительности (до нескольких тыс.

Истощение месторождений полезных ископаемых и ухудше м3 в сутки). Наилучшие результаты достигаются при комбинации ме- ние состояния окружающей среды заставляют пересмотреть сложив шееся отношение к промышленным отходам. В настоящее время раз тодов.

работаны методы очистки и переработки разнообразных отходов для Многообразные и настойчивые усилия общественности, про извлечения из них ценных компонентов. Там, где промышленное ис мышленных предприятий, правительств принесли определенные ус пользование этих методов в настоящее время невозможно, устраива пехи в защите и восстановлении природных вод. Так, Великие озера ются временные накопители отходов, утилизация которых станет Северной Америки, в частности, оз. Верхнее вновь стали чистыми;

в возможной в будущем.

р. Рейн, служившей примером антропогенного уничтожения природ Комплексное, рациональное использование природного сырья, ных объектов, снова появилась рыба, о которой забыли десятилетия полное и экономически оправданное извлечение всех его компонен назад. Эти примеры показывают, что загрязнение водоемов, при за тов, а также утилизация отходов являются основным принципом без трате необходимых средств и приложении определенных усилий, отходного производства. Все виды природного сырья содержат не можно сделать обратимым.

137 сколько ценных компонентов, причем полнота извлечения и исполь- станет важнейшим фактором снижения загрязненности окружающей зования сырья – категория историческая и зависит от потребностей среды. Сложность стоящей задачи определяется многотоннажностью общества и уровня развития техники. Так, например, в районах ин- накопленных отходов и отсутствием, как правило, в местах их обра тенсивного развития цветной металлургии (Урал, Алтай, Норильск и зования потребителей. В наибольшей степени эти трудности харак др.) ждут своего часа отвалы шлаков старых и действующих заводов, терны для отходов предприятий горнодобывающей промышленно содержащих большое количество ценных элементов (молибдена, ко- сти.

бальта, кадмия, теллура, германия, рения и др.). Строительство и со- При добыче полезных ископаемых образуются миллиарды держание отвалов требует затрат значительных средств. Например, тонн отходов (отвалы при открытой добыче, порода при шахтной только за сутки работы ТЭС средней мощности сжигается около 10 добыче, хвосты обогатительных фабрик, шахтные воды и воды осу тыс. т угля и образуется более 1000 т золы, под отвал которой высо- шения карьеров, газовые выбросы). На долю твердых отходов горно той 8 м требуется площадь более 1 га в год. В то же время, эти шлаки добывающих предприятий приходится 70–75 % общего объема про являются ценным сырьем для различных отраслей народного хозяй- изводственных отходов. Твердые отходы могут найти применение ства, например, промышленности строительных материалов. На при производстве стройматериалов (цемента, строительного щебня, предприятиях черной металлургии в эпоху СССР из 600 млн. м3 еже- кирпича, стекла, керамических изделий и др.), для закладки вырабо годного объема накапливаемых пород и шлаков использовалось танного пространства, для извлечения ценных компонентов. Можно лишь 13 млн. м3. В отвалах накоплено более 440 млн. т доменных и привести и примеры эффективного использования твердых отходов.

сталеплавильных шлаков. Ежегодно добавляется еще 26 млн. т шла- Так, при обжиге железной, марганцевой и других руд образуется ков и 25 млн. т отходов обогатительных фабрик. На предприятиях много отходов, которые используют на предприятиях по производ цветной металлургии содержится в отвалах 455 млн. т неиспользо- ству щебня (от 1 до 8 млн. м3 в год), цемента (3 млн. т), известковой ванных шлаков и ежегодно образуется еще около 32 млн. т твердых муки (1.5 – 7 млн. т), извести (0.3 млн. т). В ряде случаев стоимость отходов. На сернокислотных заводах накоплено 28 млн. т пиритных попутных материалов превышает стоимость основных. Например, на огарков, содержащих 39 % железа, и ежегодно к ним добавляется Сафоновском месторождении Московского угольного бассейна еще 5.7 млн. т. Предприятиями, производящими калийное удобрение стоимость огнеупорной глины, входящей в состав добываемого сы сильвинит (KClNaCl) накоплено 500 млн. т галитовых (солевых) от- рья, выше стоимости угля.

ходов. Это количество ежегодно увеличивается еще на 50 млн. т, в то Анализ технико-экономических данных работы различных время как намечаемое их использование составляет всего 6.4 млн. т в предприятий, производящих щебень из отходов, и сравнение их с год. В отвалах заводов по производству фосфорной кислоты нахо- данными производства из природных материалов показывают более дится около 120 млн. т фосфогипса. Лесозаготовительные предпри- высокую эффективность использования отходов (табл. 3.6.).

ятия накопили более млн. м3 древесной коры, причем из 17 млн. м3, образующихся ежегодно используется лишь 9 %. Таблица 3.6. Сравнение показателей предприятий, производящих Приведенный перечень свидетельствует, что проблема сущест- щебень из отходов и природного сырья вует и стоит достаточно остро. Беда в том, что предприятия, остав- № Технико-экономический Производство из Производство из шиеся новым независимым государствам в наследство от СССР, показатель отходов природного строились давно, без учета экологической ситуации. И этим предпри- сырья ятиям еще долго предстоит работать. Перевод действующих произ 1 Себестоимость щебня, 0.65–3.3 3.5–4. водств на замкнутый цикл сопряжен с решением сложных техниче усл. ед.

ских проблем и затратой значительных средств. Видится единствен 2 Удельные капитальные 2.7–9.9 10– ный выход – довести отходы до уровня товарной продукции или ис затраты, усл. ед.

пользовать их как сырье для своего производства или в других от 3 Срок окупаемости, лет 3 5– раслях промышленности. Практическое осуществление этих задач 139 Значительная экономия достигается за счет ликвидации от- предложены гетерогенно-каталитические процессы, обеспечивающие вального хозяйства. снижение выхода побочных продуктов в реакции Фриделя-Крафтса.

Из-за большого разнообразия состава твердых отходов не су- Можно привести примеры успешной, экономически эффектив ществует общих методов их переработки. Достижения химической ной работы предприятий, использующих малоотходные технологии, технологии в их утилизации связаны, главным образом, в создании и в странах СНГ.

безотходных и малоотходных производств. В 1979 г. на совещании, Пикальский глиноземный комбинат в Ленинградской области, проводимом под эгидой ООН, была принята Декларация о малоот- используя бедное по содержанию алюминиевое сырье, является од ходной и безотходной технологии и использовании отходов. Со- ним из наиболее рентабельных предприятий алюминиевой отрасли.

гласно Декларации, под безотходной технологией понимают такой Здесь производится безотходная комплексная переработка сырья для принцип функционирования промышленности, сельского хозяйства, выпуска глинозема, химических продуктов и строительных материа региона, отрасли или отдельно производства, при котором рацио- лов.

нально используются все компоненты сырья и энергии в цепочке сы- В углях, сжигаемых на ТЭС, содержится около 10 млн. т серы, рье производство потребление отходы вторичные ресурсы и в атмосферу выбрасывается около 18 млн. т диоксида серы и около и не нарушается экологическое равновесие. 0.6 – 0.7 млн. т триоксида. Можно ли избежать этих выбросов? В Малоотходными считают технологии, в которых вредные от- Подмосковном угольном бассейне находится Климская обогатитель ходы не превышают уровня, допускаемого санитарными нормами, но ная фабрика, работающая по безотходной технологии. На ней полу в которых по техническим, экономическим, организационным и чают три продукта: уголь для электростанций, углистый колчедан – иным причинам часть сырья и материалов переходит в отходы (попа- сырье для производства серной кислоты и глину, применимую для дает на захоронение или длительное хранение). В настоящее время производства стройматериалов. Содержание серы в угле после пере разработаны научно-технические основы безотходной технологии работки снижается на 35 – 40 %.

для всех отраслей промышленности. К сожалению, по экономиче ской эффективности многие из разработанных технологий все еще 3.5. Ресурсосберегающая технология в черной уступают традиционным.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.