Лекция 3. Источники химического загрязнения биосферы

Общие представления о химическом загрязнении окружающей среды. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.

За последние десятилетия потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло: в 1913 г. на одного жителя Земли ежегодно расходовалось 5 т минерального сырья, в 1940 г. – 7,4, в 1960 г. – 14,3, а к 2000 г. потребление достигло 40-50 т. Соответственно возрастают и объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Объем (млн. т) и структура отходов производства в мире

Категории отходов	Годы	Производство «классической» энергии	Промышленность	Сельское хозяйство	Коммунально-бытовой сектор	Всего
Главные газообразные загрязняющие вещества атмосферы
Выброс твердых частиц в атмосферу
Твердые отходы		–		–
	–		–
Углеводороды
Органические отходы		–	–
	–	–
Фекальные отходы		–	–
	–	–
Итого

Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т.п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем. Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные. Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех или иных полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов. Региональные загрязнения охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов. Глобальные загрязнения чаще всего вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстояния от места возникновения и оказывают неблагоприятное воздействие на крупные регионы, а иногда и на всю планету.

Статистические данные (табл. 3.2) говорят о том, что окружающая среда в ряде крупных промышленных городов (Магнитогорск, Новокузнецк и др.) находится в катастрофическом состоянии.

Таблица 3.2. Выбросы вредных веществ в атмосферу
от стационарных источников в отдельных городах, тыс. т

Город	Всего	Твердые	Газообразные и жидкие	Диоксид серы	Оксид азота	Оксид углерода
Архангельск
Волгоград
Иркутск
Кемерово
Красноярск
С.-Петербург
Магнитогорск
Москва
Новокузнецк
Уфа

Средняя техногенная нагрузка отдельных химических элементов на поверхность земной суши значительно возросла и находится в пределах 500-1000 кг/(км²×год) для Na, Cl, Ca, Fe; 500-200 кг/(км²×год) для S, N, К, Аl, Р, а для токсичных элементов F, Сu, Zn, Pb, Ni, As, Cd достигает 10-0,1 кг/(км²×год).

Эти данные свидетельствуют о том, что расширение масштабов техногенной сферы связано с интенсивным диспергированием вещества суши, запылением и химическим загрязнением атмосферы, возвратным выпадением аэрозолей, антропогенной пыли и химических соединений на сушу и поверхностные воды, т.е. химическим загрязнением гидросферы и почвенного покрова.

Промышленные источники химического загрязнения биосферы. В начале 80-х гг. XX в. на нашей планете добывалось около
100 млрд. т различных руд, горючих ископаемых, строительных материалов. При этом в результате хозяйственной деятельности человека в биосферу поступило более 200 млн. т СО₂, около 146 млн. т SO₂, 53 млн. т NO_x и другие химические соединения. Побочными продуктами деятельности промышленных предприятий явились также 32 млрд. м³ неочищенных сточных вод и 250 млн. т пыли.

Горнодобывающая промышленность. Минеральные ресурсы, почти все виды, которых относятся к невозобновимым, современной горной промышленностью используются далеко не полностью. В большинстве стран остается в недрах или выбрасывается в отвалы 12-15% руд черных и цветных металлов. Так называемые плановые потери каменного угля составляют 40%, нефти – в среднем 56%. При разработке полиметаллических руд из них, как правило, извлекаются один-два металла, которые в настоящий момент особенно нужны, а остальные сопутствующие металлы выбрасываются вместе с вмещающей породой. При добыче калийных солей и слюды в отвалах остается до 80% сырья.

К XXI в. мировой объем добычи полезных ископаемых достиг
650 млрд. т; для их извлечения перемещаются сотни миллиардов тонн вскрышных пород, грунта, почвы. Геологическая деятельность человека превосходит по мощи природные процессы и приводит к резкому ухудшению экологической обстановки на землях горного отвода и прилегающих к ним территориях. Массовые взрывы на карьерах стали регулярными и являются очень крупными источниками пыли и ядовитых газов. Как правило, при мощном взрыве пылегазовое облако рассеивает 200-250 т пыли в радиусе 2-4 км от эпицентра взрыва, вызывая загрязнение окружающей среды на прилегающих территориях.

Разработка месторождений полезных ископаемых в большинстве случаев негативно влияет на гидрогеологические условия района добычи и приводит к образованию депрессионных воронок и обезвоживанию земель и водоемов на прилегающих территориях. В то же время сброс карьерных вод и вод шахтного отлива в природные водоемы повышает их кислотность. Ведение горных работ открытым (наиболее дешевым) способом приводит к ландшафтным нарушениям, которые по своим масштабам соизмеримы с последствиями крупных природных катастроф. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся более чем на 50 км, общей площадью до 300 км² и объемом более 50 млн. м³. От 50 до 85% всей горной массы, извлекаемой из таких карьеров, перемешается в отвалы и шламохранилища, занимающие большие территории зачастую весьма плодородных земель.

Теплоэнергетика. В качестве топлива используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и реже – древесину и торф. Основными компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших количествах содержатся сера и азот, присутствуют также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды).

В теплоэнергетике источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются теплоэлектростанции и любые промышленные и коммунальные предприятия, работа которых связана со сжиганием топлива. В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов. Наряду с газообразными выбросами теплоэнергетика является «производителем» огромных масс твердых отходов; к ним относятся «хвосты» углеобогащения, зола и шлаки. Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60% SiO₂, 22-26% Аl₂O₃, 5-12% Fe₂O₃, 0,5-1% CaO, 4-4,5% К₂О и Na₂O и до 5% С.

Одним из видов обогащения угля является технологический процесс по уменьшению содержания в топливе серы. При этом образуется крупнотоннажный твердый отход, содержащий 42-46% серы и 5-8% углерода – углистый колчедан. Только в Подмосковном угольном бассейне его запасы превышают 60 млн. т. В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы тепловых электростанций (ТЭС) – золы и шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн. т, тогда как степень использования не превышает 1-2%.

Металлургическая и металлообрабатывающая промышленность. Черная и цветная металлургия, металлообрабатывающая промышленность занимают одно из первых мест по объему загрязнений, выбрасываемых в окружающую среду.

Производство чугуна и стали в нашей стране ежегодно сопровождаются образованием более 70 млн. т металлургических шлаков, из которых используется немногим более 50%. Кроме того, различные виды металлургического производства и металлообработки (доменное, сталеплавильное, горячий прокат, травление металлов и т.д.) дают большие массы разнообразных по составу шламов и пыли, используемых частично или вообще не используемых. Только накопление шламов с содержанием железа около 50% на заводах черной металлургии достигает 20 млн. т/год. В целом производство 1 т стали сопровождается образованием около 0,4 т твердых отходов, не считая дымовых газов и загрязненных сточных вод.

Металлургические шлаки представляют собой силикатные системы с различным содержанием железа.Теже шлаки содержат тяжелые металлы, мышьяк, сурьму, остатки флотагентов и другие примеси, которые из отвалов и других накопителей отходов попадают в окружающую среду. На выплавку 1 т чугуна различные предприятия расходуют от 25 до
700 м³ воды, на 1 т ферросплавов – от 40 до 800 м, а на 1 т алюминия – около 1500 м³, что обусловлено применением недостаточно совершенных технологий.

Металлургическое производство является опасным источником загрязнения атмосферы отходящими газами и твердыми выбросами. Выбросы предприятий черной металлургии имеют высокую (300-400, а иногда до 800°С) температуру и могут быть использованы как теплоносители. Загрязнение воздуха от предприятий черной металлургии в зависимости от силы ветра распространяется на расстояние 15-25 км. Воздушный бассейн загрязняют и многочисленные источники «неорганизованных» выбросов данной отрасли: рудные дворы, бункерные эстакады, узлы агломерационного производства и переработки шлаков. Так, выброс SO₂ при агломерировании составляет около 190 г на 1 т руды, а в отходящих газах мартеновских печей, работающих на кислородном дутье, содержится до 60 кг СО и до 3 кг SO₂ в расчете на 1 т готовой продукции.

В мире ежегодно выплавляется цветных металлов приблизительно в 15 раз меньше, чем черных. Однако на 1 т производимого цветного металла выход шлаков составляет 10-200 т, поэтому их масса вполне сопоставима с выходом шлаков в черной металлургии.

В отвальных шлаках цветной металлургии обнаруживают значительные массы ценных компонентов, причем в ряде случаев их содержание выше, чем в добываемых рудах. Так, в отвалах шлаков медеплавильных заводов содержится более 27 млн. т железа, 335 тыс. т меди и 2 млн. т цинка; в шлаковых отвалах свинцовых заводов – до 3 млн. т железа, более 900 тыс. т цинка, 150 тыс. т свинца, 70 тыс. т меди. Подобные шлаки должны перерабатываться для извлечения ценных металлов, но они же являются и опасным источником загрязнения почв и поверхностных вод тяжелыми металлами. Производство цветных металлов, но сплавов и гальваническое производство поставляют в биосферу Se, As, Sb, Сu, Ag, Sr, Zn, Cd, Hg, Al, Sn, Pb, Bi, Mo, W, Ni. Кроме твердых отходов металлургические и металлообрабатывающие заводы сбрасывают в реки и другие водоприемники сточные воды, содержащие твердые взвеси, растворы и эмульсии солей, кислот и щелочей, растворимые соединения тяжелых металлов, цианиды и углеводороды.

Цветная металлургия является вторым после теплоэнергетики загрязнителем биосферы диоксидом серы. В процессе обжига и переработки сульфидных руд цинка, меди, свинца и некоторых других металлов в атмосферу выбрасываются газы, содержащие 4-10% SO₂ – концентрация, достаточная для организации производства серной кислоты.

Химическая промышленность. Предприятия химической промышленности являются источниками менее крупнотоннажных, но значительно более разнообразных и токсичных стоков и выбросов в биосферу. К ним в первую очередь следует отнести органические растворители, амины, альдегиды, хлор и его производные, оксиды азота, циановодород, фториды, сернистые соединения (диоксид серы, сероводород, сероуглерод), металлорганические соединения, соединения фосфора, ртуть. Перечень некоторых опасных для окружающей среды отходов химической промышленности представлен в табл. 3.3. Содержание вредных веществ в воздушном бассейне повышается из-за размещения технологического оборудования на открытых площадках, нарушения его герметичности, большого количества наружных технологических коммуникаций. При сернокислотном производстве происходит выброс больших объемов SO₂ и др. соединений серы. Заводы азотных удобрений выбрасывают в сутки 2-5 т оксидов азота, азотной и азотистой кислот. Поставщиками хлора в атмосферу являются предприятия по производству пестицидов, органических красителей, соды, соляной и уксусной кислот, а фтор и его

Таблица 3.3. Характерные выбросы в атмосферу предприятиями
химической промышленности

Производство	Вредные выбросы
Азотной кислоты	NO, NO2, NH3
Серной кислоты: Нитрозной Контактной	NO, NO2, SO2, SO3, H2SO4, Fе2О3 (пыль) SO2, SO3, H2SO4, Fe2O3 (пыль)
Соляной кислоты	HCl, Cl2
Щавелевой кислоты	NO, NO2, C2H2O4 (пыль)
Сульфаминовой кислоты	NH3, NH(SO3NH4)2, H2SO4
Фосфора и фосфорной кислоты	P2O5, Н3РO4, HF, фосфогипс (пыль)
Уксусной кислоты	СН3СНО, СН3СООН
Сложных удобрений	NOx, NH3, HF, H2SO4, P2O5, HNO3
Карбамида	NH3, CO, (NH2)2CO (пыль)
Аммиачной селитры	CO, NH3, HNO3, NH4NO3 (пыль)
Суперфосфата	H2SO4, HF, суперфосфат (пыль)
Аммиачной воды	NH3
Жидких углеаммиакатов	NH3
Хлорида кальция	HC1, H2SO4, CaCl2 (пыль)
Хлорной извести	Cl2, CaCl2 (пыль)
Поливинилхлорида	Hg, HgCl2, NH3
Электролиз NaCI	Cl2, NaOH
Тетрахлорэтилена	HC1, Cl2
Ацетона	СН3СНО, (СН3)2СО
Аммиака	NH3, CO
Метанола	СН3ОН, CO
Капролактама	NO, NO2, SO2, H2S, СО
Диоксида титана	TiO2 (ильменит), FеО, Fе2O3
Ацетилена	С2Н2, сажа
Карбофоса	SO2, P2O5, H2S, карбофос (пыль)
Водорода методом конверсии	СО
Катализаторов	NO, NO2, пыль катализаторов
Минеральных пигментов	Fе2O3, FeSO4, фосфогипс (пыль)
Искусственных волокон	H2S, CS2

соединения поступают в атмосферу в выбросах заводов по производству фосфорных удобрений, эмалей и т.п. Заводы синтетического каучука выбрасывают в воздушный бассейн стирол, толуол, ацетон, изопрен, а содовые заводы – аммиак, оксид фосфора (V), диоксид серы. Температура многих отходящих газов заводов химической промышленности практически не отличается от температуры окружающей среды, в результате чего происходит скопление токсических веществ вблизи источников выбросов. Огромный вред наносят рекам и водоемам стоки целлюлозно-бумажной промышленности: в сточных водах одного целлюлозно-бумажного комбината средней мощности содержится такое же количество органических веществ, как в сточных водах города с населением в 2,5 млн. человек.

Коксохимическое производство загрязняет атмосферу пылью и сложной смесью летучих соединений. При загрузке-выгрузке коксовых батарей и даже незначительных нарушениях режима их работы в атмосферу выбрасывается неочищенный коксовый газ, содержащий СО, СО₂, фенол, нафталин, бензол и его производные. Вблизи предприятий черной металлургии содержание различных канцерогенов в воздухе в 7 раз выше, чем в районах, не подверженных воздействию их выбросов. Очень велики при этом расходы пресной воды.

Добыча, транспортировка и переработка нефти. В мире ежегодно добывается более 4,0 млрд. т сырой нефти, при добыче, транспортировке и переработке которой теряется около 50 млн. т нефти и нефтепродуктов. В результате значительные территории суши и обширные морские и океанские акватории загрязняются нефтяными углеводородами.

Основными источниками загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв и поверхностных вод суши являются нефтепромыслы на суше и континентальном шельфе, нефтераспределительные пункты и базы, автомобильный транспорт, предприятия нефтеперерабатывающей промышленности. Причиной загрязнений бывают, как правило, грубые нарушения технологии добычи и переработки нефти и нефтепродуктов, а также различные аварийные ситуации, при которых происходят разливы нефти, нефтепродуктов и вод, содержащих нефть. К ним относятся:
1) пластовые воды, 2) законтурные воды нефтяных пластов и сточные воды, полученные в результате отделения пластовых вод и первичной подготовки нефти; 3) подземные воды и буровые растворы, содержащие нефть; 4) сточные воды нефтепереработки, содержащие до 10 г/л нефти. Очистку вод, содержащих нефть, производят непосредственно на промыслах, но действующие установки, как правило, малоэффективны.

Особый случай представляют «залповые» выбросы нефти и нефтяного газа в результате ошибок, что вызывает локальные, но очень сильные загрязнения окружающей среды. При выбросах газа («газовых шапок») нефтяных месторождений его компоненты осаждаются на поверхности суши и водоемов, загрязняют растительный покров, проникают с атмосферными осадками в глубь почвы. Значительное количество нефти и нефтяных углеводородов поступает в биосферу при ее переработке. По мере того как возрастает глубина переработки нефти, увеличивается и количество стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнообразные токсические соединения, в том числе пропан, бутан, этилен, фенол, бензол и другие углеводороды.

Серная кислота, используемая в больших количествах в нефтехимии, – один из наиболее вредных для окружающей среды отходов нефтепереработки. Крупнотоннажные сернокислотные отходы содержат в зависимости от технологии производства от 8-10 до 80-85% H₂SO₄, и от 2-3 до 10-15% нефтяных углеводородов, включая парафины и ароматические соединения. Регенерация отработанной серной кислоты технологически весьма сложна и обходится втрое дороже, чем получение чистой серной кислоты. Поэтому сернокислотные отходы обычно сливаются в овраги, горные выработки, а при малых концентрациях H₂SO₄, – в реки, отравляя и загрязняя почвы и поверхностные воды. Утилизация сернокислотных отходов – сложная хозяйственная проблема.

Объем выбросов SO₂, на нефтеперерабатывающем заводе мощностью 12 млн. т составляет 219 тыс. т в год, причем их отрицательное влияние проявляется на расстоянии до 20 км от предприятия. Мощные предприятия нефтепереработки имеют стабильно высокое содержание загрязняющих веществ вблизи источника, очень медленно снижающееся по мере удаления от него. Наиболее опасная обстановка возникает в аварийных ситуациях, риск которых нельзя исключать даже при использовании современных технологий и новейшей аппаратуры.

Значительно загрязняют почвы и поверхностные воды городские стоки, содержащие продукты неполного сгорания нефти и нефтепродуктов, отработанные смазочные масла, охлаждающие эмульсии и другие соединения нефтяного происхождения. Большую опасность представляют перевозки нефти крупнотоннажными танкерами-нефтевозами (табл. 3.4). Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5-10 млн. т.

Таблица 3.4. Источники загрязнения гидросферы нефтью

Источник загрязнения	Общее количество, млн т/год	Доля, %
Морские перевозки	2,13	34,9
В том числе: обычные перевозки катастрофы	1,83 0,3	30,0 4,9
Вынос реками	1,9	31,1
Попадание из атмосферы	0,6	9,8
Природные источники	0,6	9,8
Промышленные отходы	0,3	4,9
Городские отходы	0,3	4,9
Отходы прибрежных нефтеочистительных заводов	0,2	3,2
Добыча нефти в открытом море	0,08	1,3
В том числе: обычные операции аварии	0,02 0,06	0,3 0,98

Сухогрузный и пассажирский водный транспорт также сбрасывает в воды большое количество отработанной нефти и нефтепродуктов. В настоящее время почти 100% морских судов работает на жидком топливе, причем их мощность возрастает из года в год. Нефть и нефтепродукты поступают в Мировой океан в процессе бункеровки топлива, вследствие утечек, при перекачке за борт трюмных вод, из-за неполного сгорания топлива и т.п. Своего рода «залповыми» выбросами нефтепродуктов в биосферу стали аварии нефтеналивных судов при столкновениях, посадке на мель.

Использование при транспортировке нефти супертанкеров, обладающих большой массой, глубокой осадкой и малой маневренностью, с экологической точки зрения весьма опасно, тем не менее, суда водоизмещением 500 тыс. т уже спущены на воду, а суда водоизмещением 800 тыс. т проектируются и строятся в ряде государств.

Атомная промышленность. Развитие атомной промышленности, ядерной энергетики и применение радиоактивных изотопов в технике, научных исследованиях, медицине неизбежно приводят к повышению уровня радиации окружающей среды. Источниками радиоактивного загрязнения биосферы могут быть выпадение радиоактивных аэрозолей, поступивших в стратосферу в результате испытаний ядерного оружия; выпадение радиоактивных изотопов, образовавшихся в результате уничтожения в высоких слоях атмосферы ядерных энергетических установок; отходы атомной промышленности, захороненные с нарушением технологии или потерянные при транспортировке; все виды стоков, сбросов и выбросов при работе и авариях на атомных электростанциях (АЭС), подводных и надводных судах с атомными двигателями; радиоактивные вещества, попавшие в биосферу в результате аварийных ситуаций и несчастных случаев, связанных с атомным оружием; неконтролируемые источники радиации (отходы урановых шахт, производства, на которых используются радиоактивные изотопы, заводы по переработке горючих веществ). В течение многих лет массовым источником радиоактивного загрязнения биосферы были регулярные испытания ядерного оружия в разных регионах земного шара (табл. 3.5). Только за период с 1945 по 1980 гг. проведено свыше 1200 атомных взрывов, из которых около половины – в атмосфере. В момент ядерного взрыва все радиоактивные продукты находятся в атомном состоянии. По мере охлаждения облака взрыва тугоплавкие материалы оболочки бомбы конденсируются и во взвешенном состоянии переносятся на огромные расстояния.

Таблица 3.5. Радиоактивные изотопы,

образующиеся в почве при ядерном взрыве

Радиоактивный изотоп	Период полураспада	Радиоактивный изотоп	Период полураспада
Марганец-56 Калий-42 Натрий-24 Фосфор-32 Иод-131	2,6 часа 12,5 часа 15 часов 14 дней	Железо-59 Кальций-45 Железо-55 Стронций-90 Цезий-137	45 дней 163 дня 2,9 года   30 лет

Радиоактивные изотопы, находящиеся в атомном состоянии, взаимодействуют с обычными аэрозолями. Образовавшиеся радиоактивные золи попадают в верхнюю и среднюю тропосферу и через 3-4 недели распространяются в пределах всего полушария. Среднее время пребывания радиоактивных аэрозолей в тропосфере зависит от высоты ее слоя и метеорологических особенностей района: во всей толще тропосферы оно колеблется от 20 до 30 сут., в трехкилометровом нижнем слое тропосферы составляет от 2 до 10 дней. Из атмосферы радиоактивные аэрозоли выносятся осадками: захватываются в облаках при образовании дождевых капель. Кроме радиоактивных продуктов деления урана или плутония в глобальных радиоактивных выпадениях могут присутствовать радиоактивные изотопы, возникающие в результате взаимодействия нейтронов, образующихся при ядерном взрыве, с атомами элементов заряда, конструкций и элементов, содержащихся в воздухе, почве, породах. Вследствие взаимодействия нейтронов с элементами заряда образуется ²³⁹Np, а при термоядерном взрыве – ³H и ²³⁷U. При взаимодействии нейтронов с конструктивными элементами устройства образуются ⁶⁰Co, ⁵⁷Co, ¹⁸⁵W, ¹⁸¹W, ¹⁸⁷W, ¹⁸⁸Re и ¹⁰²Rh. При взаимодействии с компонентами воздуха образуются ⁴¹Ar, ¹⁴C и ³H.

Среди радиоактивных изотопов с большими периодами полураспада, которые могут накапливаться на поверхности почвы, следует отметить наиболее долгоживущие: ³H, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²³⁸Pu, ¹⁴C, ⁵⁵Fe, ⁶⁰Co. Долгоживущие изотопы, поступившие в атмосферу в результате ядерных взрывов, рано или поздно выпадают на поверхность суши или на водную поверхность. В почве они аккумулируются, загрязняя ее. Другим источником радиоактивного загрязнения биосферы являются радионуклиды, образовавшиеся в процессе работы атомных реакторов. По своему составу они близки к изотопам, образующимся при ядерных взрывах. При нормальной работе АЭС в окружающую среду поступают ⁵⁴Mn, ⁵⁸Co, ⁶⁰Co, ¹³¹I, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr и ³H. Основной путь их утечки из реактора – диффузия осколков деления через стенки тепловыделяющих элементов и проникновение через микротрещины в стенках и дефекты в соединениях. Наиболее заметно появление радионуклидов в окружающей среде при изменении нагрузки реактора, изменении давления в системе охлаждения и особенно при замене отработанных тепловыделяющих элементов на новые.

Весьма опасным источником радиоактивного загрязнения являются аварии на предприятиях, вырабатывающих или использующих атомную энергию или радиоактивные материалы. В этих случаях очаг распространения радиоактивного загрязнения, его уровень, состав выброшенных в биосферу радиоактивных изотопов определяются масштабами аварии и используемым ядерным топливом. Крупнейшая по масштабам и последствиям авария на АЭС произошла в 1986 г. в Чернобыле. В эпицентре аварии уровень загрязнения был настолько высок, что население ряда районов пришлось эвакуировать, а почвы, поверхностные воды, растительный покров оказались радиоактивно зараженными на многие десятилетия.

Постоянным источником загрязнения радионуклидами, хотя и в меньших масштабах, являются рудники, где добываются урановые и ториевые руды. В настоящее время в качестве руды для получения урана и тория используют бурый уголь некоторых месторождений. На 1 кг такого угля приходится: 37 Бк ²³⁸U; 18,5 Бк ²²⁶Ra; 25 Бк ²¹⁰Pb; 30 Бк ²¹⁰Po; 18,5 Бк ²³²Th; 7,5 Бк ²²⁸Th и 130 Бк ⁴⁰K. Весьма опасно использование в качестве топлива бурых углей, содержащих радиоактивные элементы: часть их уносится с отходящими газами на большие расстояния, часть поступает в золоотвалы ТЭС, а оттуда – в атмосферу, почву и воды прилегающих территорий.

Транспортное загрязнение. В промышленно развитых странах основным источником загрязнения атмосферы является автотранспорт, парк которого непрерывно растет. Если в 1900 г. на планете насчитывалось около 6 тыс. автомобилей, то к началу XXI в. численность мирового парка автомашин достигла 500 млн. единиц. Доля автотранспорта в загрязнении атмосферы продуктами сгорания показана в табл. 3.6. Примерный состав выхлопных газов автомобилей представлен в табл. 3.7.

Таблица 3.6. Объемы выбросов продуктов сгорания, млн. т/год

Продукты сгорания	Источники продуктов сгорания
автомобили	электростанции, промышленность
Оксид углерода	59,7	5,2
Углеводороды и др. органич. в-ва	10,9	6,4
Оксиды азота	5,5	6,5
Серосодержащие соединения	1,0	22.4
Макрочастицы	1,0	9,8

Таблица 3.7. Состав (% об.) выхлопных газов автомобилей

Компоненты	Содержание компонентов в выхлопах
карбюраторный двигатель	дизельный двигатель
N2	74-77	76-78
O2	0,3-8	2-18
Н2О	3,0-5,5	0,5-4,0
СO2	5,0-12,0	1,0-10,0
СО	5,0-10,0	0,01-0,5
Оксиды серы	0-0,8	2×10^–4-0,5
Углеводороды	0,2-3,0	1×10^–3-0,5
Альдегиды	0-0,2	(1-9) ×10^–3
Сажа	0-0,4 г/м^3	0,01-1,1 г/м^3
Бензпирен	(10-20)×10^–6 г/м^3	до 1×10^–5 г/м^3

К токсичным относят следующие компоненты выхлопных газов: СО, NO_x, углеводороды. Кроме того, некоторые виды топлива содержат серу, что обусловливает содержание в выхлопных газах SO₂. С начала 30-х гг. к подавляющему большинству бензинов добавляют в качестве антидетонатора тетраметил- или тетраэтилсвинец в количестве 80 мг/л. При движении автомобиля от 25 до 75% этого свинца выбрасывается в атмосферу, осаждается на землю, попадает в поверхностные воды. Свинец аккумулируется в почве и растительности вдоль автострад (в городах – вдоль улиц с оживленным движением), заметное количество соединений свинца содержится в воздухе крупных городов. По данным США и Великобритании, до 90% всего свинца, содержащегося в атмосфере, следует отнести на счет выхлопных газов. В настоящее время в ряде стран (Япония и др.) использование этилированного бензина запрещено.

Сельскохозяйственное загрязнение. Минеральные удобрения. Продуктивность современного сельского хозяйства в значительной степени зависит от использования минеральных и органических удобрений.

По оценке ученых, удельный вес минеральных удобрений в системе мер повышения урожаев достигает 41%, по данным других специалистов – 50%, а по мнению французских исследователей – даже 50-70%. Мировое производство туков составляет в наши дни 120 млн. т. в год.

Таблица 3.8. Поставка минеральных удобрений сельскому хозяйству
и внесение их под основные сельскохозяйственные культуры

Показатели	В среднем за годы
1971-1975	1976-1980
Поставка минеральных удобрений: всего, тыс. т. питательных веществ на 1 га пашни, кг	62,1	80,90
Внесено под сельскохозяйственные культуры, кг/га: зерновые в том числе под пшеницу сахарную свеклу хлопчатник картофель
Урожайность сельскохозяйственных культур, кг/га: зерновых пшеницы озимой пшеницы хлопчатника сахарной свеклы картофеля	14,7 14,5 22,5 27,3	16,0 16,4 24,7 29,3

В нашей стране производство минеральных удобрений в послевоенные годы стало значительно расширяться (табл. 3.8) в повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Необходимость применения минеральных удобрений одновременно с повышением урожайности вызывает загрязнение почв и поверхностных вод биогенными элементами и балластными веществами. Например, при внесении в почву калийного удобрения КСl вместе с необходимым для растений калием вносится не только бесполезный, но и вредный хлор; при мелиорации солонцовых почв фосфогипсом в почву попадает некоторое количество стронция.

Если балластные соединения хорошо растворимы, они вымываются из почвы и поступают в поверхностные и подземные воды, загрязняя их. Если они малорастворимы, то аккумулируются в почве и при достижении определенной концентрации поступают в растения и далее по пищевым (трофическим) цепям в организм животных и человека.

Основной причиной загрязнения биосферы являются грубые нарушения научно обоснованной технологии транспортировки минеральных удобрений, их хранения и внесения в почву. Чаше всего загрязняющие элементы, содержащиеся в удобрениях, поступают в окружающую среду: 1) при транспортировке от завода до поля; 2) вследствие смыва удобрений с поверхности полей в реки, озера, моря и вымывания по профилю почвы до грунтовых вод; 3) в процессе водной и ветровой эрозии почвы; 4) вследствие аккумуляции избыточного количества удобрений в почвенном профиле при передозировке, или неравномерном внесении; 5) при бесконтрольном использовании в качестве минеральных удобрений отходов различных отраслей промышленности.

В наши дни возникла угроза локального и регионального повышения концентрации соединений азота до уровня, токсичного для человека. Данные по балансу азота, полученные с помощью изотопа ¹⁵N, свидетельствуют о том, что в полевых условиях растениями усваивается лишь около 40%, в отдельных случаях – 60-70% действующего вещества азотных удобрений; 18-33% азота иммобилизуется в почве, а 10-30% его улетучивается в виде различных газообразных соединений. Потери азота зависят от дозы вносимых удобрений и соотношения содержания азота и других питательных элементов, сроков и способов внесения, формы азотных удобрений и особенностей технологии их применения, а также от почвенно-климатических условий местности. Выделение оксидов азота в атмосферу влечет за собой не только экономические потери, но и грозит нарушением озонового экрана планеты.

Сельское хозяйство является основным источником поступления в биосферу соединений фосфора. Ассортимент фосфатов постоянно изменяется в зависимости от требований сельского хозяйства. В общем объеме выпуска фосфорных удобрений постоянно возрастает доля концентрированных и комплексных форм. От других биогенных элементов фосфор отличается практическим отсутствием газообразных соединений и тем, что большинство фосфатов плохо растворимы. Тем не менее большое количество соединений фосфора ежегодно поступает в природные воды вследствие смыва фосфорных удобрений с полей под воздействием орошения и эрозионных процессов; в результате возрастания производства различных фосфорсодержащих препаратов (ядохимикатов, детергентов и т.п.), используемых в сельском хозяйстве, быту, промышленности; вследствие вовлечения в биогеохимический круговорот фосфора, входящего в состав горных пород, – фосфоритов и апатитов.

Постоянная миграция вызывает постоянное увеличение содержания фосфора в водоемах суши (эвтрофикация). Подсчитано, что только за счет поверхностного смыва с каждого гектара пашни ежегодно уносится до 10 кг фосфора. Наряду с удобрениями источником фосфорного загрязнения почвы и воды являются фосфорсодержащие пестициды.

Кроме азотных и фосфорных в современном земледелии используется широкий ассортимент калийных удобрений, поставки которых достигают 12 млн. т в год. Калий играет важную и многообразную роль в жизнедеятельности растений, однако большинство калийных удобрений содержит балластные вещества, не только загрязняющие почву, но и в определенных количествах вредные для растений. Так, сильвинит m KCl + n NaCl, каинит КСl×MgSO₄×3Н₂О, карналлит КС1×MgCl×6Н₂О содержат хлор и натрий в больших количествах, токсичных для растений, причем доля натрия и хлора составляет 75-80 и 50% соответственно. С фосфорными удобрениями в почву поступает также фтор.

Органические удобрения. Наряду с минеральными удобрениями в сельском хозяйстве широко используются органические, способствующие не только формированию высоких урожаев возделываемых культур, но и сохранению и повышению почвенного плодородия. Анализ структуры органических удобрений в нашей стране показывает, что основное место в ней принадлежит отходам животноводства. Благодаря высокому содержанию сравнительно легкоразлагаемого органического вещества, сбалансированному содержанию важнейших биогенных элементов (N, P, К) и необходимых растениям микроэлементов навоз и птичий помет издавна считаются ценными удобрениями. В Англии отходы животноводства обеспечивают всю пахотную площадь страны азотом из расчета
75 кг/га, фосфором (P₂O₅) – 25 кг/га, калием (К₂О) – 75 кг/га, что позволяет производить меньше минеральных удобрений, одновременно решается проблема утилизации отходов животноводства и зашиты окружающей среды от загрязнения экскрементами животных и птиц.

Однако при неграмотном использовании в качестве удобрений отходов животноводства и птицеводства происходит загрязнение почвы и сельскохозяйственных растений патогенными микроорганизмами и семенами сорных трав, перенасыщение питательными веществами пахотного слоя удобряемых угодий. С поверхностными стоками биогенные элементы и патогены поступают в водоемы, стимулируя развитие синезеленых водорослей, снижая содержание кислорода в воде, вызывая замор рыбы. Избыточное внесение экскрементов животных в почву ведет к увеличению содержания в ней подвижного цинка и железа, иногда меди и магния, к повышению содержания нитратов, вызывая нарушения обмена веществ у животных. Аналогичное действие вызывает силос с повышенным содержанием нитратов. Продукция животноводства также может содержать нитраты выше допустимых норм, если животных кормили подобными кормами.

Загрязнение биосферы при использовании отходов животноводства в земледелии происходит из-за недостатков технологии их переработки и внесения в почву. К таким недостаткам могут быть отнесены: 1) физический недостаток оборудования; 2) недостаточное использование подстилочных материалов (соломы и торфа), несовершенство систем навозоудаления;3) недостаточная оснащенность большинства хозяйств техникой для компостирования; 4) широкое использование свежего, неперепревшего навоза; 5) отсутствие современной техники для внесения органических удобрений; 6) при проектировании животноводческих комплексов нарушение соотношения численности животных и удобряемой площади (2-3 условные головы крупного рогатого скота на 1 га).

Пестициды. В современном земледелии широко используют различные виды пестицидов (от лат. pestis – зараза, caedo – убивать). Пестициды – вещества, используемые при возделывании, уборке и хранении продукции растениеводства для борьбы с вредителями, сорняками, фитопатогенами и другими растительными, животными и микробиологическими формами, вредными для растений. К пестицидам относят также регуляторы роста растений – дефолианты, десикаторы и т.п. В зависимости от характера использования пестициды подразделяют на следующие группы: 1) гербициды – для борьбы с сорными растениями; 2) ольгициды – для уничтожения водорослей и другой сорной растительности; 3) арборициды – для уничтожения нежелательной древесной и кустарниковой растительности; 4) фунгициды – для борьбы с грибковыми заболеваниями растений; 5) бактерициды – для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями; 6) инсектициды – для борьбы с вредными насекомыми;
7) акарициды – для борьбы с клещами; 8) зооциды – для борьбы с грызунами; 9) лимациды – для борьбы с моллюсками; 10) нематоциды – для борьбы с круглыми червями; 11) афициды – для борьбы с тлей.

В последнее время для борьбы с сельскохозяйственными вредителями (плодожорка, листовертка и др.) используют феромоны (биологически активные вещества, выделяемые экзокринными железами насекомых в окружающую среду и влияющие на поведение особей того же вида).

Высокая экономическая эффективность пестицидов способствует их активному применению и расширению ассортимента используемых ядохимикатов. Мировое производство пестицидов на 1982 г. превысило 2 млн. т в год, а ассортимент пестицидных препаратов насчитывает более 100 тыс. наименований на основе более чем 700 химических веществ, принадлежащих к различным классам органических и неорганических соединений. Даже тщательная дозировка и контроль при массовом применении пестицидов (например, при истреблении комаров) оказываются недостаточными: гибнут птицы и мелкие животные, планктон и бентос. Поэтому Мировой океан можно считать аккумулятором особо стойких пестицидов. Так, для наиболее хорошо изученного из них – ДДТ (4,4'-дихлордифенилтрихлорметилметан) – установлено, что в гидросферу поступило более 25% общего количества использованного препарата. Следовательно, использование долгоживущих пестицидов должно быть ограничено или запрещено. Например, применение ДДТ уже запрещено во всем мире, в СССР – с 1970 г. Остро стоит вопрос об утилизации вышедших из употребления пестицидов.

Загрязнение воздушного бассейна городов. В загрязнении атмосферы городов принимают участие многие источники, однако основная роль принадлежит промышленности (см. выше).

Практически в каждом городе в большом или меньшем масштабе производят строительные материалы, а эта отрасль промышленности отличается большим разнообразием атмосферных выбросов. Например, при производстве 1 т извести выделяется 200 кг пыли, а при получении 1 т строительного гипса – 140 кг пыли. Всего предприятия по производству стройматериалов в нашей стране выбрасывают ежегодно более 38 млн. т пыли, 60% которых составляет цементная пыль. Отходящие газы производства строительных материалов содержат оксиды углерода, серы, азота, углеводороды. Атмосферные выбросы текстильной промышленности содержат оксид углерода, сульфиды, нитрозамины, сажу, серную и борную кислоты, смолы, а обувные фабрики интенсивно выделяют кожевенную пыль, аммиак, ацетон, этилацетат, сероводород и другие токсичные соединения.

В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы автомобилей приходится 30%, а в некоторых – 50% загрязнений воздуха. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96% оксида углерода, 33% диоксида азота, 64% углеводородов. В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов, тогда как нормируются из них лишь немногие (дымность, оксиды углерода и азота, углеводороды). Особенно опасным компонентом отработанных газов автомобилей являются полициклические углеводороды, в т.ч. канцерогенный бензпирен. По усредненным показателям, содержание в воздухе этого токсичного соединения близ транспортных магистралей крупных городов иногда в 10-12 раз превышает нормы. Бензпирен поступает в воздух и вследствие истирания автомобильных шин, поскольку присутствует в саже, входящей в состав резины, и из дорожных покрытий.

Отработанные газы автотранспорта содержат ряд продуктов полного и неполного сгорания топлива, которые могут вступать в фотохимические реакции с оксидами азота, образуя смог – сложное сочетание пылевых частиц, капель тумана, токсичных газов. Возникая при определенных погодных условиях над крупными промышленными городами, смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, раздражение глаз.

Коммунальное хозяйство городов. Немногим более столетия тому назад только 5% населения земного шара жило в городах и всего 2% – в городах с населением более 100 тыс. жителей. Сегодня в городах живет почти треть населения планеты, а в наиболее промышленно развитых странах мира – США, Великобритании, Германии, Нидерландах – городское население составляет 75-80% от всего населения страны. В наши дни городское население растет вдвое быстрее, чем население Земли в целом. В нашей стране городское население также постоянно увеличивается и приближается к 70-75% от общей численности.

В городах активно протекают антропогенные процессы: промышленная и хозяйственная деятельность, строительство, движение транспорта – все это постоянно действующие факторы, вызывающие глубокие изменения как в окружающей среде, так и в самой структуре городского ландшафта. Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 химических соединений. Загрязненная атмосфера городов поглощает около 20% солнечного света, а при низком стоянии солнца – более 50%. Наиболее сильно задерживается ультрафиолетовое излучение.

Продолжительность жизни деревьев в городах значительно короче, чем в лесу. Это объясняется как неблагоприятным составом воздуха, содержащего диоксид серы, хлор, углеводороды, так и характером городских почв – маломощных, зачастую подстилаемых щебнем, дробленым асфальтом, городским мусором, а также уничтожением опавшей листвы, что нарушает круговорот элементов питания.

Загрязнение природных вод коммунальными стоками. Значительное количество загрязнений сбрасывается в поверхностные и подземные воды с коммунально-бытовыми стоками городов. Бытовые стоки имеют сравнительно постоянный качественный состав. Их объем зависит от степени благоустроенности города или поселка и, как правило, имеет два суточных максимума – утренний и вечерний и глубокий ночной минимум. Урбанизация резко повысила объем коммунально-бытовых стоков, однако далеко не все большие города очищают свои сточные воды. Между тем недопотребление коммунального хозяйства неуклонно растет.

В Москве на жилищно-коммунальный сектор приходится около 75% водопотребления, в т.ч. 55% расходуется на водоснабжение жилых домов и 18% – на обеспечение работы коммунально-бытовых предприятий. Удельное водопотребление в городе достигло в 80-е гг. 379 л/сут на одного жителя, тогда как по расчетам специалистов даже при высоком уровне жилищного комфорта для одного человека требуется не более 250 л/сут. Одновременно возникает необходимость очистки и утилизации огромных объемов сточных вод, так как приблизительно 90% воды, потребляемой в городах, сбрасывается в загрязненном виде в реки и водоемы. Объем сточных вод в мире достигает в наши дни 450 км³/год; очищают же не более 50% и большую часть этого объема дают города.

В настоящее время средняя концентрация загрязняющих веществ в сточных водах коммунально-бытового сектора составляет приблизительно 1 кг/м³, причем около 50% загрязняющих веществ находится в растворенном состоянии.

Весьма опасная разновидность загрязнений, свойственных стокам городов,– детергенты, или синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые являются сильными токсикантами, устойчивыми к процессам биологического разложения. В экономически развитых странах концентрация ПАВ в сточных водах достигает 5-15 мг/л. Воды плохо подвергаются очистке от детергентов и в водоемы сбрасывается до 50-60% их первоначального количества. Практически концентрация этих веществ в городских стоках составляет в среднем 4-6 мг/л, а в речных водах – 0,3-1,0 и даже 1,5 мг/л, хотя предельно допустимая концентрация ПАВ в природных водах не должна превышать 0,3 мг/л.

Кроме коммунально-бытовых стоков в городскую канализацию поступают и сточные воды промышленных предприятий, энергетики, транспорта. Для этих видов стока характерна относительная равномерность поступления, а их ингредиенты определяются промышленными предприятиями города.

И наконец, в городскую канализацию поступает поверхностный сток, т.е. дождевые или снеговые воды с территории жилого сектора и промышленных предприятий, содержащие как загрязнения общего типа, так и специфические, зависящие от технологии производства.

Твердые бытовые отходы. К твердым бытовым отходам (ТБО) относят смесь веществ и материалов, образующихся в результате жизнедеятельности населения, которые необходимо утилизировать или уничтожать как бесполезные, нежелательные или опасные. По составу ТБО неоднородны и включают макулатуру (20-40% по массе), черные и цветные металлы (2-5% и более), пищевые отходы (20-40%), пластмассу (1-5%), стекло (4-6%), текстиль (4-6%) и др. В табл. 3.9 показано количество ТБО (мусора), образующееся в некоторых странах мира в среднем на душу населения (по различным источникам на начало 80-х гг.).

Таблица 3.9. Количество ТБО (на душу населения), кг/год

Страна	Количество ТБО	Страна	Количество ТБО
США	520-600	Швеция
Канада		Норвегия
Франция (Париж)	300-360	Испания
Финляндия		Польша	180-240
Великобритания	240-420	Нидерланды	165-190
Дания	210-310	Швейцария	150-320
ФРГ	210-300	Россия (Москва)	307-320

Среднее количество мусора на одного городского жителя СССР в 1978 г. оценивалось в 1,07 м³, в крупных городах – 1,3 м³ с ежегодным ростом на 3%. В середине 80-х гг. из населенных пунктов нашей страны ежегодно вывозили 213 млн. м³ ТБО. Городские свалки вокруг городов не только занимают обширные территории (для захоронения 1 т ТБО требуется 3 м²), но и представляют опасность для здоровья людей и являются потенциальным источником загрязнения подземных вод и распространения неприятных запахов. Они пожароопасны и способствуют распространению инфекций. Как правило, спустя год после начала складирования отходов на свалке начинается интенсивное выделение биогаза, состоящего на 54% из метана и на 46% – из диоксида углерода. В процессе разложения 1 т отходов выделяется 11,4 тыс. м³ такого газа, неконтролируемые выбросы которого создают опасность взрыва или воспламенения метана, содержащегося в биогазе.

Дополнительным источником ТБО являются городские очистные сооружения, в которых накапливается в больших количествах осадок/ил, состоящий на 70-80% из органических веществ. Он имеет неприятный запах и содержит патогенную микрофлору. Обезвреживание осадка является обязательным условием очистки сточных вод, однако в ряде случаев в осадке могут остаться трудноудаляемые примеси (например, тяжелые металлы).

Дата добавления: 2014-01-05