Введение

Хозяйственная деятельность человека всегда сопряжена с воздействием на окружающую среду. Развитие различных отраслей промышленности, широкое использование природных сырьевых и земельных ресурсов сопровождаются поступлением и рассеиванием больших количеств различных веществ, химических соединений, интенсивно загрязняющих окружающую среду. Это заставляет считаться с возможностью возникновения неблагоприятных последствий, связанных:

• с нарушением нормального функционирования всех компонентов биосферы;

• изменением климата;

• ухудшением здоровья населения.

Сильное загрязнение окружающей среды (воды, воздуха, почвы) в мировом масштабе, резко возросшая химическая нагрузка на биосферу за последние 30 - 40 лет привели к исчезновению многих видов животных и растений. Кислотные дожди, их «экспорт» вызвали закисление почв, изменение баланса питательных веществ в почве, гибель лесов на обширных территориях, порой удаленных от источника на значительные расстояния.

Защите окружающей среды уделяется все большее внимание во всем мире. Принимаются природоохранные законы, разрабатываются безотходные технологические процессы, внедряются схемы замкнутого водооборота, строятся сооружения для улавливания и очистки газов, сточных вод. Более чем в 110 странах созданы министерства, комитеты и агентства по охране окружающей среды.

Изучению причин загрязнения окружающей среды должны предшествовать исследования технологического процесса производства, состава используемых руд, топлива, других сырьевых ресурсов, характеристик очистных сооружений и т.п. Это позволяет определить группу веществ, поступающих в окружающую среду, оценить последствия таких загрязнений, наметить меры по предотвращению или снижению техногенной нагрузки.

В данном практикуме рассмотрены теоретические и практические подходы и решения задач по оценке содержания различных загрязнителей, методы и способы очистки окружающей среды от их вредного воздействия.

Особое внимание уделено вопросам защиты окружающей среды от таких загрязнителей, как пыли, аэрозоли, суспензии, растворы, взвешенные вещества, пленки и эмульсии нефтемаслопродуктов.

1. Загрязнение окружающей природной среды

Основной целью инженерной защиты природной среды от антропогенных и техногенных воздействий являются разработка и применение технологических и технических решений, позволяющих обезвреживать или существенно снижать влияние загрязняющих веществ на окружающую среду.

Загрязняющие вещества – это химические соединения различной природы, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию. Загрязняющие вещества по агрегатному состоянию подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые загрязняющие вещества в зависимости от размера частиц представляют собой дисперсные системы, например: обычные макрочастицы – сажа (агломераты углеродных частиц) – пыль – летучая зола – дым. Жидкие загрязняющие вещества могут быть представлены в виде эмульсий, аэрозолей различной степени дисперсности и пленок. Газообразные выбросы по своей природе смешиваются с атмосферным воздухом без ограничений.

В практике природоохранной деятельности загрязняющие вещества классифицируют с учетом их химических свойств: выделяют неорганические и органические вещества; используют также более дробное деление на оксиды, кислоты, щелочи, соли, взвешенные вещества различной природы.

По воздействию на живые организмы особую опасность представляют загрязняющие вещества, оказывающие мутагенное влияние, результатом которого могут быть нарушения в системе воспроизводства потомства, и канцерогенное, обусловливающие развитие злокачественных новообразований.

Практическое значение имеет деление загрязняющих веществ на группы в зависимости от отраслей хозяйства, их производящих или способствующих их появлению. Выделяют загрязняющие вещества химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, черной и цветной металлургии, автотранспорта, теплоэнергетики, сельского хозяйства и др.

Это деление нестрогое, так как в разные группы может входить одно и то же загрязняющее вещество. Например, диоксид серы поступает в окружающую среду с выбросами предприятий черной и цветной металлургии, заводов химической промышленности, теплоэлектростанций.

Однако такую классификацию успешно применяют при разработке системы природоохранных мероприятий. Для каждого конкретного типа предприятия можно составить список загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация загрязняющих веществ по группам отраслей

хозяйственной деятельности

Отрасль	Основные виды загрязняющих веществ
Предприятия химической промышленности	Аммиак, сернистый ангидрид, сероводород, фосфорный ангидрид, фтористые соединения, оксиды азота, хлор, пары кислот, предельные и непредельные углеводороды, разнообразные продукты сгорания отходов
Автотранспорт	Оксид и диоксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бензапирен, соединения свинца
Предприятия цветной металлургии	Оксиды и соли тяжелых металлов, мышьяка, фтора, сурьмы; остатки флотоагентов - цианиды, ксантогенаты, нефтепродукты; сульфаты, хлориды, оксиды серы и азота
Нефтеперерабатывающие предприятия	Оксид углерода, диоксид серы, сероводород, оксиды азота, углеводороды, фенол, аммиак, минеральные соли
Сельскохозяйственное производство	Минеральные и органические удобрения, отходы и стоки животноводческих ферм, пестициды (гербициды); нитраты, нитриты, аммонийные соли, сульфаты, тяжелые металлы

Выбросы загрязняющих веществ в зависимости от агрегатного состояния подразделяют на классы: жидкие, твердые, газо- и парообразные и смешанные. Выбросы по химическому составу делятся на группы, а в зависимости от размеров частиц – на подгруппы: «Классификация выбросов по составу» (ГОСТ 17.2.1.01-76) и «Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы» (ГОСТ 17.2.1.04-77).

Для различных отраслей промышленности они различаются по количественному и качественному составу. Так, тепловые электростанции выбрасывают до 50% оксида серы от общего выброса загрязнителей (табл. 1.2).

В черной металлургии при выплавке каждой тысячи тонн стали в атмосферу выбрасывается до 40 т пыли, 30 т диоксида серы, 50 т оксида углерода. В химической промышленности при производстве серной и азотной кислот на каждую тысячу тонн продукции приходится до 20 т оксидов азота и диоксида серы.

Таблица 1.2

Выбросы загрязняющих веществ

по отдельным отраслям промышленности, %

Отрасль промышленности	Пыль	Оксид серы	Оксид азота
Автотранспорт	16	20	17
ТЭЦ	30	50	72
Промышленность стройматериалов	35	0,4	2
Металлургия	14	26	6
Химическая промышленность	4,5	1,6	2,4
Нефтеперерабатывающая промышленность	0,5	2	0,6
Итого	100	100	100

Различные возможности контроля выбросов обусловливают их деление на две группы: организованные и неорганизованные.

Общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН, включает:

• сернистый газ (SO₂);

• взвешенные вещества;

• оксид и диоксид углерода (СО и СО₂);

• оксиды азота (N₂O, NO, NO₂);

• фотоокислители и реакционноспособные углеводороды;

• ртуть (Hg);

• свинец (Pb);

• кадмий (Сd);

• хлорированные органические соединения (ДДТ – дихлордифенил- трихлорэтан, ПХБ – полихлорбифенилы);

• нефть;

• микотоксины (накапливаются при определенных условиях в кормах животных);

• нитраты (NO^-₃), нитриты (NO^-₂), нитрозамины;

• аммиак (NH₃);

• отдельные микробные загрязняющие вещества;

• радиоактивные вещества.

1. Водная среда

Рассматривая водную среду, следует различать ее состав и свойства:

• состав – содержание химических элементов и их соединений; может быть выражен количественно, например 0,013 г/л NO₂^-;

• свойства – физико-химические характеристики, обусловленные наличием различных примесей; например, рН<7 указывает на присутствие в воде кислот, но не определяет каких и сколько; электропроводность характеризует общую минерализацию воды и т.д.

Ионный состав воды характеризует содержание наиболее распространенных анионов и катионов:

• натрий, калий;

• хлориды, сульфаты;

• кальций, магний (обусловливают жесткость воды);

• железо и марганец (в зависимости от рН и редокс-потенциала могут находиться в окисленной и восстановленной формах в виде комплексов, коллоидов, дисперсных частиц);

• силикаты (присутствуют в органических и неорганических формах);

• соединения фосфора (в виде дисперсных частиц органического и минерального происхождения и ионов ортофосфорной кислоты);

• фтор (содержится в виде аниона и необходим в биологическом питании как микроэлемент);

• азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитриты, нитраты) – продукты естественных окислительно-восстановительных реакций, а также внесенные с бытовыми, промышленными и дренажными стоками от сельхозугодий, сточными водами, кислотными дождями.

Физические показатели, оценивающие свойства воды: температура, содержание взвешенных веществ, цветность, запах и вкус.

Прозрачность и мутность характеризуют наличие в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины, ила, планктона и водорослей).

Цветность воды обусловлена присутствием в ней органических веществ (гумусовых, дубильных, белковых, углеводоподобных, жиров, органических кислот, входящих в состав зоо- и фитопланктона вод и являющихся продуктами их метаболизма или распада).

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) около 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения.

Непрерывный рост водопотребления в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве ведет к количественному и качественному истощению вод.

Количественное истощение вод обусловлено увеличением водопотребления такими отраслями промышленности, как энергетика, горно-добывающая, металлургическая и химическая. Так, для изготовления 1т алюминия расходуется 1500 м³ воды, а 1 т искусственного волокна – 4000 м³. Сельское хозяйство, в свою очередь, потребляет воды в несколько раз больше, чем все остальные водопотребители (табл.1.3).

Таблица 1.3

Объем водопотребления, км³год

Водопотребители	Г о д ы
	1970	1980	1990	2000
Коммунальное хозяйство	9,7/1,7	20/2,6	33/3,4	42/4
Промышленность	66/2,8	108/5,7	185/10,8	220/12
Сельское хозяйство	149/90	236/139	317/181	420/338

Примечание. В числителе приведено полное, в знаменателе безвозвратное водопотребление (объем сбрасываемых вод определяется как разность значений числителя и знаменателя).

Качественное истощение вод обусловлено их загрязнением вредными веществами в количествах, превышающих установленную для них предельно допустимую концентрацию (ПДК), и засорением нерастворимыми в воде механическими примесями.

Основными источниками поступления взвешенных веществ в водную среду являются неорганизованный поверхностный сток с эродируемых территорий, горно-добывающие и горно-перерабатывающие предприятия, мелиоративная и строительная деятельность, проводимые в прибрежной зоне водоемов.

Загрязнение поверхности водоемов пленками масла, жиров, смазочных материалов препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает насыщаемость воды кислородом, оказывает отрицательное влияние на состояние фитопланктона и является причиной массовой гибели рыбы и птиц.

Использование воды на сельскохозяйственные нужды имеет наибольший удельный вес, достигая 60-70% всех водных ресурсов. На втором месте стоят промышленность и энергетика, на третьем – коммунальное хозяйство. Например, вместе со сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий в Иваньковское водохранилище за 1999 год сброшено: 21 т биологической потребности кислорода (БПК), 13251 т сухого остатка, 358 т взвешенных веществ, 105 т хлоридов, 237 т сульфатов, 25 т азота аммонийного, 1,9 т нитритов, 98 т нитратов, 2 т нефтепродуктов, 11,5 т железа, 0,124 т меди, 0,018 т цинка, 24 т фосфатов.

Загрязняющие вещества, попадая в воду, ведут себя по-разному. Одни растворяются и переносятся за счет движения водных масс, другие адсорбируются на взвешенных частицах и оседают на дно, третьи могут вовлекаться в биологические циклы и переноситься различными организмами. Наиболее распространенными соединениями, загрязняющими водную среду, считают пестициды, сельскохозяйственные удобрения, синтетические моющие средства, тяжелые металлы и их соли, нефтепродукты.

Основная водная масса в зависимости от глубины может быть разделена на поверхностную, промежуточную (или глубинную) и придонную. В поверхностный слой воды проникает солнечный свет, поэтому в нем в наибольшей степени отмечается биологическая активность, обусловленная протеканием фотосинтеза, приводящая к образованию питательных веществ. Свойства глубинных вод определены перемещением водных масс (течением), поэтому для каждого конкретного случая неодинаковы.

В придонной водной массе возможно вторичное загрязнение, поскольку в ней происходит перенос веществ от воды к осадку и обратно. Осадок, образующийся в результате седиментации взвешенных веществ, является зоной концентрации загрязняющих воду веществ. На дно оседают нерастворимые в воде соединения, в том числе хлорорганические, а сам осадок является хорошим сорбентом для многих веществ. Например, ртуть хорошо адсорбируется осадками и может медленно высвобождаться, растворяясь в воде. В результате образуется вторичный источник хронического загрязнения, который может существовать длительное время после ликвидации первоначального источника. При этом ртуть легко трансформируется в хорошо растворимое соединение – метилртуть, которое усваивается планктоном и моллюсками и через пищевую цепочку попадает в организм человека.

Донные осадки могут обладать окислительно-восстановительными свойствами и биологической активностью, катализировать некоторые реакции.

Концентрация металлов в осадке намного выше, чем в воде. Так, концентрация ртути в осадке составляет 80-800, а в воде 0,1 - 3,6 мгл.

Нормативами предусмотрено возможное превышение содержания взвешенных веществ от источника загрязнения к фону, составляющее для питьевых водоемов + 0,25 и + 0,75 мгл для воды в местах отдыха.

Анализ данных по содержанию взвешенных веществ в сточных водах, сброшенных в водоемы Тверской области за 1990-1999 гг., показал, что сбрасываемые воды становятся чище. Так, если в 1990-91гг. в водоемы области поступало 3,5 - 4,1 тыс. т взвешенных веществ, то в 1998-99 гг. – 1,82 - 2,01 тыс. т. В Иваньковское водохранилище за 1999 г. поступило 358 т взвешенных веществ.

Широко известно возникновение патологических изменений в организме, связанных с повышенным количеством в воде нитратов, которые при их восстановлении в нитриты способствуют образованию в крови метгемоглобина, препятствующего нормальному окислительному процессу в организме.

В последние годы внимание ученых привлекают нитрозамины – вещества, образующиеся при взаимодействии нитратов с алифатическими и ароматическими аминами. Эти соединения широко используются в промышленности. Доказана возможность их синтеза в природных водоемах, а также в организме человека. Нитрозамины являются весьма активными канцерогенами и веществами, способными вызывать нарушения хромосомного аппарата и наследственные уродства.

2. Воздушная среда

В воздухе содержится большое число веществ природного и антропогенного происхождения, качественный и количественный состав которых постоянно меняется. К таким веществам относят пары воды, пыль, химические вещества в газо- и парообразном состоянии и в виде аэрозолей.

Воздух является окислительной средой, где происходят химические и фотохимические превращения загрязняющих его веществ. Основной причиной специфических фотохимических превращений в атмосферном воздухе городов и промышленных районов является загрязнение воздуха органическими веществами (главным образом, углеводородами нефтяного происхождения) и оксидами азота, образующимися в процессе высокотемпературного горения при окислении азота воздуха молекулярным кислородом. Такое окисление азота происходит и при использовании топлива в двигателях внутреннего сгорания. Уровень загрязнения атмосферного воздуха зависит не только от источников загрязнения, но и от метеорологических и топографических факторов. К основным относят выбросы промышленных предприятий, направление и скорость ветра, температурные инверсии, барометрическое давление, влажность воздуха, рельеф местности, расстояние от источника загрязнения и его высота.

При изучении загрязнения окружающей среды выбросами какого-либо промышленного предприятия обычно учитывают лишь те химические вещества, которые на основании технологического процесса могут считаться приоритетными по валовому выбросу. Однако значительная часть этих соединений может участвовать в химических и фотохимических реакциях с образованием качественно новых соединений. Примером превращений, протекающих в атмосферном воздухе, может служить образование серной кислоты по схеме

2SO₂ + O₂ + 2H₂O → 2 H₂SO₄

Многие газообразные примеси могут взаимодействовать между собой и с аэрозольными частицами. Возможны реакции, например, аммиака с серной кислотой, азотной кислоты с хлоридом натрия и озоном, с органическими веществами и т.д. Сульфат аммония, являющийся важным компонентом аэрозольных загрязнений, образуется при взаимодействии аммиака с аэрозолем серной кислоты.

Многочисленные исследования показали, что в воздухе многих городов содержатся фенолы, аммиак, фторо- и хлороводород, сероводород и многие другие токсичные химические соединения. Средние концентрации диоксидов азота и серы, обнаруженные во многих обследованных городах, в десятки раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК).

Высокие концентрации полициклических ароматических углеводородов, в частности бензапирена, содержатся в выбросах теплоэлектростанций (ТЭС). Это вещество известно как сильный канцерогенный фактор и рассматривается в мировой практике как стандарт для сравнения с канцерогенной активностью других химических реагентов. Поэтому технология инженерной защиты должна особое внимание уделять решению вопросов по полному исключению присутствия в воздухе веществ, вызывающих раковые заболевания, в частности полициклического органического соединения, называемого бензапиреном, ПДК которого в воздухе 1·10^-6 мг/м³, а класс опасности 1.

Вблизи предприятий нефтехимической промышленности также возможно загрязнение почв этим веществом.

1.3. Почва

Почва, являясь природным объектом, компонентом биосферы, используется для производства продовольствия и сырья в агропромышленном комплексе, лесном хозяйстве. В процессе эксплуатации почвы подвергаются загрязнению в результате механической обработки, внесения минеральных удобрений, пестицидов и т.д. Недостатки в агротехнологии приводят к накоплению токсичных веществ в почве или их выносу в окружающую среду путем воздушной, водной миграции.

По данным агротехнических обследований в Российской Федерации выявлено более 1 млн. га сельскохозяйственных угодий, загрязненных особо токсичными элементами, и около 2,3 млн. га – токсичными.

Растения обладают способностью избирательно аккумулировать тяжелые металлы. Причем в тканях разных частей растений отмечается неодинаковая интенсивность накопления. Наибольшая аккумуляция тяжелых металлов наблюдается в корнях растений. Миграция загрязняющих веществ в системе почва–растение определяется миграционной способностью токсиканта и избирательной поглотительной способностью растений.

Загрязнение почв определяется уровнем его возможного влияния на контактирующие среды (вода, воздух), пищевые продукты и прямо или опосредованно на человека, а также на биологическую активность почвы и процессы самоочищения.

Под химическим загрязнением почвы подразумевается изменение ее химического состава, возникшее в результате прямого или косвенного воздействия фактора землепользования (промышленного, сельскохозяйственного, коммунального).

Санитарно-гигиеническими критериями качества почвы являются предельно допустимые концентрации (ПДК) или ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) загрязняющих веществ.

Предельно допустимая концентрация представляет собой комплексный показатель безвредного для человека содержания химических веществ

в почве, базирующийся на четырех основных показателях вредности:

• транслокационном - переход вещества из почвы в растения;

• водно-миграционном - способность перехода вещества из почвы в грунтовые воды;

• воздушно-миграционном - способность перехода вещества из почвы в атмосферный воздух;

• общесанитарном - влияние загрязняющего вещества на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность.

При этом каждый показатель оценивается количественно. Показатель с наименьшим уровнем является лимитирующим и принимается за ПДК (табл.1.4).

Таблица 1.4

Основные показатели вредности

Вещество	Показатели				ПДК
	трансло-кационный	водно-миграци-онный	воздушно-миграци-онный	общесанитарный
Ртуть	2,1	33,3	2,5	5,0	2,1
Хлористый калий	1000	560	1000	5000	560
Сероводород	160	140	0,4	160	0,4

Основным критерием оценки загрязнения почвы химическими веществами является ПДК или ОДК этих веществ.

Оценка проводится по каждому веществу. При этом принимаются во внимание очевидные и не вполне очевидные обстоятельства. Опасность загрязнения тем выше,

• чем больше фактическое содержание загрязняющих веществ превышает ПДК, что выражается коэффициентом K₀ = C/ПДК, т.е. опасность загрязнения тем выше, чем больше K₀ превышает единицу;

• чем выше класс опасности контролируемого вещества, его персистентность, растворимость в воде, подвижность в почве и глубина загрязненного слоя;

• чем меньше буферная способность почвы, которая зависит от механического состава, содержания органических веществ, кислотности; т.е. чем ниже содержание гумуса, рН и легче механический состав почвы, тем опаснее ее загрязнение.

Оценка степени химического загрязнения с учетом ПДК, класса опасности и максимального значения перечисленных выше основных показателей вредности K_max для неорганических веществ проводится в соответствии с табл. 1.5.

Таблица 1.5

Критерии оценки загрязнения почв неорганическими веществами

Содержание в почве	Категория загрязнения почвы
Класс опасности	1	2	3
Более Kmax	Очень сильная	Очень сильная	Сильная
От ПДК до Kmax	Очень сильная	Сильная	Средняя
От 2 Сфон до ПДК	Слабая	Слабая	Слабая

Для органических веществ оценка проводится аналогичным образом, но с использованием других критериев (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Критерии оценки загрязнения почв органическими веществами

Содержание в почве	Категория загрязнения почвы
Класс опасности	1	2	3
Более 5 ПДК	Очень сильная	Очень сильная	Сильная
От 2 до 5 ПДК	Очень сильная	Сильная	Средняя
От 1 до 2 ПДК	Слабая	Слабая	Слабая

Оценка химического загрязнения почвы городов с распределенными источниками загрязнения проводится на основании суммарного показателя загрязнения Z_c:

,

где K_c,i – коэффициент концентрации химического вещества, определяемый как отношение фактической концентрации вещества C_i к региональному фону С_ф,i ,

.

Оценочная шкала опасности загрязнения почвы по суммарному показателю загрязнения выглядит следующим образом:

Zc < 16	–	допустимая,
16  Zc < 32	–	умеренно опасная,
32  Zc < 128	–	опасная,
128  Zc	–	чрезвычайно опасная.

Самоочищающая способность почвы от органических загрязнений зависит от степени ее гумификации и характеризуется санитарным числом С. Санитарное число – это отношение количества почвенного белкового (гумусного) азота к общему количеству органического азота в почве (обе величины выражаются в мг/100 г сухой почвы).

Почва считается:

практически чистой	при	С ≥ 0,98,
слабо загрязненной	при	0,98 > С ≥ 0,85,
загрязненной	при	0,85 > С ≥ 0,70,
сильно загрязненной	при	0,70 > С.