Лекция 1 История науки. Предмет экологии. Направления экологии. Подходы и методы экологии

сероводород также выделяются при разложении. Аммиак, как конечный продукт микробиологического метаболизма, часто присутствует в воздухе животноводческих ферм в концентрациях, воспринимаемых обонянием.
Загрязнение воздуха человеком особенно проявляется в больших городах с высокой плотностью населения. Каждый человек ежедневно выдыхает около 10 м
3
воздуха, насыщенного парами воды и содержанием около 4% углекислого газа, а также выделяет 600 – 900 г пота. Поэтому в городе с пятимиллионным населением люди ежесуточно выделяют в атмосферу около 2 млн. м
3
СО
2
и около 6000 м
3
водяного пара и секрета потовых желез.
В канализационных системах больших городов скапливается значительное количество неприятно пахнущих газов, которые поступают в городскую атмосферу, так как вентиляционные устья сточных труб, как правило, находятся в черте города и располагаются ниже уровня крыш зданий.
Значительное запыление воздуха в городах связано с постоянным износом материалов, обуви и покрышек общественного и индивидуального автотранспорта.
При этом в атмосферу поступают тонкие фракции пыли, зачастую содержащие вредные для здоровья соединения кремния, битумов, каучука. Например, в Лос-
Анджелесе, где интенсивность движения автомашин очень велика, только вследствие износа автопокрышек в воздух ежесуточно поступает около 50 т пыли.
Источниками загрязнения атмосферы в городах являются также кухни, мусоропроводы, свалки и т.п.
Для сельской местности характерны такие источники загрязнения воздуха, как рассеивание инсектицидов и гербицидов, внесение удобрений, интенсивная вспашка земли, молотьба зерна и т.д.
Нельзя не упомянуть и о таком опасном источнике загрязнения воздуха закрытых помещений, как курение табака, дым которого в равной степени вреден как для самого курящего, так и для окружающих его людей.
2. Загрязнение воздуха разными видами транспорта
Практически все средства современного транспорта являются источником загрязнения атмосферы. К ним относятся автомобильный, железнодорожный, морской и речной транспорт, а также авиация; однако наиболее интенсивным и чаще других вызывающим общее загрязнение атмосферы является автомобильный транспорт.
Автомобильный транспорт. Одиночный автомобиль выделяет сравнительно небольшие количества загрязнителей, которые быстро рассеиваются в атмосфере и не вызывают неблагоприятных последствий. При значительном сосредоточении автомашин возникает общее загрязнение атмосферы. Опасность его появления возрастает вместе с ростом уровня моторизации страны, а для отдельных районов одной и той же страны – с ростом в их пределах интенсивности движения автомашин.
При работе автомобильных двигателей вредные примеси выделяются в основном через выхлопной патрубок. Некоторое их количество постоянно поступает в атмосферу из трубы картера, через клапан бензобака, а также из карбюратора.

Характер выделяемых вредных примесей прежде всего зависит от типа двигателей, которые подразделяются на бензиновые и дизельные. Основными вредными примесями, содержащимися в выхлопных газах этих двигателей, являются: окись углерода, наиболее характерная для бензиновых двигателей, окислы азота, различные углеводороды, включая и канцерогенный 3,4-бензпирен, альдегиды, сернистые газы. Бензиновые двигатели, кроме того, выделяют продукты, содержащие свинец, хлор, бром и иногда фосфор, а дизельные – значительные количества сажи и частичек копоти ультрамикроскопических размеров.
Таблица
Состав выхлопных газов автомобилей европейского производства
Содержание, % бензиновый двигатель дизельный двигатель
1
Наименование вещества максима ль ное мини- мально е средне е макси- мально е мини- мально е средн ее
Углекислый газ
15,0 2,7 9,0 13,8 0,7 9,0
Окись углерода
13,5
-
4,0 7,6
-
0,1
Кислород
17,4
-
4,0 20,0 0,5 9,0
Углеводороды
4,0
-
0,5 0,5
-
0,02
Водород
5,8
-
2,0 2,5
-
0,03
Альдегиды
0,03
-
0,004 0,004
-
0,002
Окислы азота
0,2
-
0,06 0,15
-
0,04
Сернистый газ
0,008
-
0,006 0,03 0,01 0,02
Количество выделяемых примесей зависит от типа мотора, его мощности, режима работы, износа, условий эксплуатации и обслуживания.
3. Загрязнение воздуха при сжигании топлива
При полном сгорании топлива в атмосферу поступает двуокись углерода и пары воды, которые сами по себе не являются вредными примесями, а также незначительные количества окислов серы и азота. Однако в связи с тем, что сгорание топлива редко бывает полным вследствие неправильных режимов работы топочных устройств, их дефектов или различного рода нарушений в дымоходах, а также при использовании топлива, не соответствующего технической характеристике отопительных установок, в атмосферу поступает чрезмерное количество твердых частичек несгоревшего топлива, золы и вредных газов. Укажем основные из них.
Соединения углерода: а) углекислый газ (СО
2
), который не вреден при малых концентрациях, но при значительном содержании в топочных газах и поступлении их в плохо вентилируемые помещения способен создавать неблагоприятные условия за счет снижения количества кислорода в воздухе; б) окись углерода (СО) очень токсична, но быстро диффундирует в атмосфере; в) несгоревшие углеводороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты).
1
Кроме указанных веществ, содержание сажи в выбросах дизельных двигателей достигало 1% веса сжигаемого топлива

Соединения серы – в основном представлены сернистым ангидридом (SO
2
), который может переходить в серный ангидрид (SO
3
) и в присутствии воды или ее паров образовывает серную кислоту (H
2
SO
4
).
Окислы азота (NO и NO
2
) – благоприятные условия для их образования создаются при высоких температурах.
Сажи – представляют собой несгоревшие частички угля или других видов топлива. Частички сажи имеют очень незначительные размеры (около 1 мкм) и очень легки, но они могут соединяться между собой и образовывать довольно крупные конгломераты, видимые невооруженным глазом.
Дымы– аэродисперсная система, состоящая из мельчайших частичек. При агглютинации (спекании) содержащихся в дымах саж в некоторых случаях возникают волокнистые или пластиноподобные образования, измеряемые иногда несколькими миллиметрами. Плотность дымов очень низка, а составляющие их частицы почти всегда окислены.
Пыль – состоит из частиц угля, количество которых иногда достигает 50% состава, причем чаще из ококсованных или сгоревших частичек угля, а также частиц золы или породы.
4.
Загрязнение
воздуха
выбросами
предприятий
различных
отраслей
промышленности
Основными вредными примесями, выделяемыми в атмосферу предприятиями металлургической промышленности, являются: 1) обычные пыли различного химического и гранулометрического состава (от 10 до 100 мкм в зависимости от технологических процессов); 2) тонкие пыли и различные дымы. В том числе дымы окислов железа рыжего цвета; 3) сернистый ангидрид, образующийся из включений серы в руде или топливе. Одновременно с этими примесями могут выделяться окись углерода и соединения фтора.
Производство серной кислоты. Серная кислота представляет собой главное сырье для производства различных веществ как неорганической, так и органической химии. Прямое окисление двуокиси серы (SO
2
) в серный ангидрид (SO
3
) в присутствии катализатора (контактный метод) является в настоящее время наиболее распространенным способом получения серной кислоты. Исходными продуктами для получения серной кислоты контактным методом являются элементарная сера, пириты или сульфиды; содержание вредных примесей в них (мышьяковистый и селенистый ангидриды) изменяется в зависимости от месторождения (0,02 % мышьяка для французских пиритов и 0,18% для пиритов немецких).
Производство азотной кислоты. Азотная кислота также является исходным сырьем, применяющимся как в неорганической, так и в органической химии.
Наиболее распространены способы получения азотной кислоты, основанные на окислении аммиака кислородом воздуха. Выделяемые при этом газы содержат окислы азота, аммиак и окись углерода, которые при хорошо отрегулированных режимах производства образуются в небольших объемах. Однако при больших размерах современных производств и количествах установок обуславливаемое ими загрязнение может перерасти в значительное.

По английским данным, средняя концентрация окислов азота в газах, отходящих через 15 дымоводов, составляла 4 г/м
3
Производство хлора. Основным и широко применяемым новым способом получения хлора является электролиз растворов поваренной соли. Каждое нарушение технологии производственного процесса сопровождается опасностью загрязнения атмосферы хлором и соляной кислотой, которые при нормальном режиме процесса содержатся в отходящих газах в незначительном количестве.
Производство удобрений. В настоящее время в сельском хозяйстве используются азотные, фосфорные, калийные и другие удобрения. Основной причиной загрязнения атмосферы при производстве азотных удобрений является процесс синтеза азотной кислоты. При производстве суперфосфата, кроме пыли, выделяемой при переработке фосфата (сушка, грануляция), в атмосферу поступают фтористые выделения, образующиеся в процессе обработки природных фосфатов серной кислотой. При взаимодействии с серной кислотой фосфаты, почти всегда содержащие около 1% элементарного фтора в составе комплексных неорганических соединений, образуют фтористоводородную (HF) и кремний-фтористоводородную
(H
2
SiF
6
) кислоты.
Наибольшее выделение вредных примесей связано с операцией концентрирования фосфорной кислоты воздушным дутьем. При этом в 1 м
3
отходящего воздуха может содержаться до 10 г фтора. Даже при использовании специальных очистительных устройств крупный завод выбрасывает из дымовой трубы до 1,6 кг фтора в час.
Производство бумаги. Для этой отрасли промышленности более характерно выделение веществ с различными резкими и неприятными запахами, чем выделение вредных газов. Выделения пахучих веществ могут изменяться в зависимости от способа переработки древесной и целлюлозной массы.
Основными загрязнителями, поступающими в атмосферу при выпаривании обработанной сульфатным способом бумажной массы, являются копоть, сернистый ангидрид, неокисленные сернистые соединения, сероводород и неприятно пахнущие меркаптаны (тиолы).
Для установок по перегонке нефти характерны незначительные выделения вредных примесей (углеводороды, меркаптаны, сернистый ангидрид) за счет испарения с поверхности бассейнов с конденсатом.
На установках каталитическогно крекинга выделения окиси углерода, углеводорода и тонкой пыли происходят во время регенерации катализатора или при выбросах вместе с топливными газами. Окись углерода и углеводород обычно в основном сгорают в специальных печах и в атмосферу не поступают.
Установки вторичных процессов перегонки предназначены для различной химической обработки нефти десульфуризацией, рафинированием с помощью щелочи и кислот и т.п. способами. При этих процессах образуются многочисленные грязи и жидкие отходы, богатые соединениями серы и другими веществами с неприятным запахом.
Физико-химические свойства загрязнителей атмосферы

Дисперсный состав аэрозолей и скорость осаждения частиц. Пыли, выделяемые вместе с продуктами сгорания газов, с промышленными выбросами или при технологических процессах, прежде всего могут быть классифицированы по размерам частичек на: крупные – размером свыше 40 – 45 мкм; средние – размером от 1 до 40 мкм и тонкие – размером менее 1 мкм.
Пыли естественного происхождения также подразделяются по размеру частиц. Если он более 75 мкм, то пыль быстро осаждается на землю; при размерах от 75 до 5 мкм наблюдается медленная седиментация; а при еще меньших величинах образуются воздушные взвеси, поступающие при дыхании в легкие человека.
Взаимодействие газов и паров. Поступающие в атмосферу от различных источников вредные газы могут вступать в реакцию между собой и образовывать новые, в том числе и токсичные, соединения. При этом в атмосфере происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.п.
Процессы образования новых соединений в атмосфере пока еще плохо изучены, за исключением отдельных частных случаев. Среди последних достаточно яркой иллюстрацией взаимодействия различных газов в атмосфере явилось образование фотохимического смога в Лос-Анджелесе.
Сернистый газ, двуокись азота и альдегиды под влиянием ультрафиолетового излучения в том диапазоне его волн, которые достигают поверхности земли, взаимодействуют с молекулярным кислородом, образуя атомарный кислород. Его выделение при фотосинтезе из альдегидов и сернистого газа ограничивается исключительно количеством этих веществ, содержащихся в воздухе, и при этом реакция необратима. В случае абсорбции ультрафиолетовых лучей двуокисью азота образуются атомарный кислород и окись азота. Эти продукты реакции, взаимодействуя с молекулярным кислородом, образуют озон и восстанавливают двуокись азота. Весь ход реакции может быть представлен в следующем виде:
NO
2
+ hv
→
NO + O
O + O
2
→
O
3
NO + O
2
→
NO
3
NO
3
+ O
2
→
NO
2
+ O
3
_________________________
3O
2
→
2O
3
то есть в результате каждые три молекулы кислорода превращаются в две молекулы озона. Образовавшаяся двуокись азота может снова участвовать в последующих реакциях, если только она не будет превращена в азотную кислоту или полностью исчерпана реакциями замещения.
Таким образом, относительно низкие концентрации двуокиси азота могут создавать сравнительно большие количества атомарного кислорода, которые в свою очередь образуют озон или реагируют с веществами, загрязняющими воздух.
Именно озон и вновь образованные вещества и являются причиной раздражения слизистой оболочки органов зрения и обоняния, дыхательных путей, неблагоприятного воздействия на растения, снижения видимости – явных признаков смога.

Источник загрязнения гидросферы
В гидросферу выбрасывается 15 млрд. т загрязнителей в год.
Загрязненная поверхность вод (нефтепродукты, фенолы, соединения Cu, Zn, ксантогенаты, метилмеркаптан, формальдегид). 50% населения России пьет воду, не соответствующие гигиеническим требованиям.
Загрязнение подземных вод нефтепродуктами, фенолами, тяжелыми металлами, сульфатами и хлоридами, соединениями азота. Источники: нефтяные промыслы, горнодобывающая промышленность, шлаконакопители, свалки, животноводчество, не канализированные населенные пункты.
Основными источниками загрязнения природных вод являются:
1) атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стоке по склонам атмосферные и талыеводы дополнительно увлекают с собой массы различных веществ.Наиболее опасны стоки с городских улиц, промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, фенолов, кислот, мусора;
2) городские сточные воды, включающиев себя преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активныемоющие вещества), мик- роорганизмы, в том числе патогенные; песок. Объем – 100 км
3
/год;
3) промышленные сточные воды (млрд. м
3
/год), образующиеся в различных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химические, лесохимические и нефтеперерабатывающие предприятия.
С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество образующихся жидких отходов — сточных вод. Еще в 60-х годах ежегодно в мире образовывалось около 700 млрд. м
3
сточных вод. Примерно одна треть из них — промышленные сточные воды, загрязнённые различными веществами. Только половина жидких промышленных отходов подвергалась очистке различными способами. Другая половина сбрасывалась без очистки в водоемы. В промышленности вода используется:
• для охлаждения и нагревания жидкостей, газов и газовых смесей;
• как растворитель;
• для приготовления и очистки растворов;
• для транспортировки материалов исырья по трубам;
• для теплоэнергетических целей, в качестве пара для преобразования тепла или давления;
• для удаленияотходов и т.д.
При технологических процессах появляются следующие основные виды сточных вод: а) реакционные воды, образующиеся в процессе реакций с выделением воды. Эти воды загрязнены как исходными веществами, так и продуктами реакций; б) воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная или связанная вода); в результате переработки загрязняются различными веществами; в) промывные воды — воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;

г) водные экстрагенты и абсорбенты; д) охлаждающие воды, не соприкасающиеся с технологическими процессами и использующиеся в системах оборотного водоснабжения; е) бытовые воды - воды столовых, прачечных, душевых, туалетов, воды после мытья помещений; ж) атмосферные осадки, стекающие с территорий промышленных, предприятий, загрязненные различными химическими веществами.
Главным источником поступления в окружающую среду химических соединений, содержащих тяжелые металлы, являются металлургия и гальваническое производство. Объем сточных вод гальванических цехов составляет 1 млрд. м
3
в год.
Гальваническое производство в состоянии испортить 30% годового стока всех рек страны. При этом 60% гальванических цехов не производят очистки стоков.
4)
животноводческие хозяйства.
5)
дождевые и талые воды с растворенными химическими соединениями.
6)
водный транспорт.
7)
атмосферные осадки.
При использовании воду, как правило, загрязняют, а затем сбрасывают в водоемы. Внутренние водоемы загрязняются сточными водами различных отраслей промышленности (металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и др.), сельского и жилищно-коммунального хозяйства, а также поверхностными стоками.
Основными источниками загрязнений являются промышленность и сельское хозяйство.
Загрязнители делятся на биологические (органические микроорганизмы), вызывающие брожение воды; химические, изменяющие химический состав воды; физические, изменяющие ее прозрачность (мутность), температуру и другие показатели.
Биологические загрязнения попадают в водоемы с бытовыми и промышленными стоками, в основном предприятий пищевой, медико- биологической, целлюлозно-бумажной промышленности. Например, целлюлозно- бумажный комбинат загрязняет воду так же, как город с населением 0,5 млн. человек.
Биологические загрязнения оценивают биологическим потреблением кислорода – БПК. БПК
5
– это количество кислорода, потребляемое за 5 суток микроорганизмами – деструкторами для полной минерализации органических веществ, содержащихся в 1 л воды. Нормативное значение БПК
5
= 5 мг/л. Реальные загрязнения сточных вод таковы, что требуют значений БПК на порядок больше.
Химические загрязнители поступают в водоемы с промышленными, поверхностными и бытовыми стоками. К ним относятся: нефтепродукты, тяжелые металлы и их соединения, минеральные удобрения, пестициды, моющие средства.
Наиболее опасны свинец, ртуть, кадмий.
Физические загрязнения поступают в водоемы с промышленными стоками, при сбросах из выработок шахт, карьеров, при смывах с территорий промышленных зон, городов, транспортных магистралей, за счет осаждения атмосферной пыли.
Всего в 1996 г. в водоемы страны сброшено 58,9 км
3
сточных вод, из них 22,4 км
3
загрязненных.

перейти в каталог файлов