Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

Одним из самых мощных загрязнителей атмосферы становится транспорт, особенно автомобильный. Его вклад в загрязнение атмосферы в крупных городах достигает 70 90 %.

Основные выбросы в атмосферу их происхождение:

сернистый ангидрид (SO2) выделяется в процессе сгорания органического топлива, содержащего серу, или переработки сернистых руд; соединение SO3 образуется на воздухе при окислении SO2; конечным продуктом реакции является раствор серной кислоты в дождевой воде, который окисляет почву;

сероводород (H2S) поступает в атмосферу с нефтеперерабатывающих заводов и нефтепромыслов и в атмосфере подвергается медленному окислению до серного ангидрида;

оксиды азота (NOx) поступают в атмосферу в основном с предприятий, производящих азотные удобрения;

соединения фтора поступают в атмосферу в виде газа фтороводорода; источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, стекла, фосфорных удобрений;

соединения хлора поступают в атмосферу от химических предприятий;

хлорфторуглероды (ХФУ), широко использующиеся в качестве хладагентов, распылителей, растворителей и пр., проникают в тропосферу и разрушают озоновый слой;

аэрозольное загрязнение атмосферы происходит твердыми или жидкими мелкими частицами (аэрозоли), находящимися во взвешенном состоянии в воздухе; в атмосфере аэрозольные загрязнения присутствуют в виде дыма, тумана и мглы.

Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 1 км3 пылевидных частиц искусственного происхождения. Время пребывания газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 3 мин до нескольких месяцев). Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух населенных пунктов, установлены два норматива:

1)максимальная разовая ПДК за 20 мин измерения, мг/м3;

2)среднесуточная ПДК, усредненная за длительный промежуток времени (вплоть до года), мг/м3.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в атмосфере – это максимальная концентрация, отнесенная к определенному

периоду времени (20 30 мин, 24 ч, месяц, год), которая не оказывает

21

прямого или косвенного вредного воздействия на человека и санитар- но-гигиенические условия жизни.

Предельно допустимый выброс (ПДВ) определяют по каждому источнику выбросов или сбросов, которых может быть несколько на одном предприятии. При этом должно соблюдаться правило, что выбросы вредных веществ от источника, а при наличии других источников от их совокупности, не создадут приземную концентрацию, превышающую ПДК. Следует отметить и такое загрязнение, как появление в почве радиоактивного трития, который образуется в верхних слоях атмосферы в результате реакции 14N + n → 12C + T, а затем с водой попадает на землю.

Особое внимание следует уделить парниковому эффекту.

1.1.1. Парниковый эффект

Оксиды углерода образуются при сгорании органического топлива и сжигании твердых отходов. Монооксид углерода (СО) (угарный газ) – продукт неполного сгорания. Диоксид углерода (СО2) (углекислый газ) является одним из главных парниковых газов, вклад которого составляет 60 %. К основным антропогенным парниковым газам относятся и метан (СН4) 20 %, закись азота (N2О) – 10 %, ХФУ – 10 %. За последнюю треть прошлого века объемная концентрация СО2 в атмосфере возросла с 0,029 до 0,036 % (почти на

25 %) (табл. 4).

Таблица 4

Страны с наибольшими выбросами СО2

Страна		Выброс СО2, тыс. т
США		1 528 796
Китай		761 586
Россия		391 664
Япония		323 281
Индия		292 265
Германия		214 386
Англия		154 979
Канада		118 957
Южная Корея		116 543
	22

В чем же суть парникового эффекта? Углекислый газ почти не поглощает видимую и ультрафиолетовую области спектра солнечного излучения, которое проходит через атмосферу на поверхность Земли. В то же время инфракрасное излучение от разогретой земной поверхности интенсивно поглощается СО2 в атмосфере и не пропускается в космос. Это приводит к нарушению энергобаланса Земли, повышению температуры вблизи ее поверхности и уровня Мирового океана за счет таяния ледников.

Использование атомной энергетики будет способствовать сокращению выбросов парниковых газов. В настоящее время во всем мире атомная энергетика позволяет уменьшить выброс углекислого газа почти на 4 млрд т в год (табл. 5).

Таблица 5

Коэффициенты эмиссии СО2 для различных видов топлива, млрд т/Q*

Природный	Нефть	Уголь
газ
14,5	20,8	25,2

*1 Q = 1,055 1021 Дж.

1.1.2. Киотский протокол

Для возможного решения возникших глобальных экологических проблем в 1997 г. представители более 160 стран в японском городе Киото подписали исторический протокол к Конвенции по изменению климата, ранее принятой в 1992-м в г. Рио-де-Жанейро и вступившей

всилу в 1994 г.

Косновным парниковым газам, подпадающим под действие Киотского протокола, относятся шесть отдельных газов или групп хими-

ческих соединений: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), N2О (закись азота), ГФУ (гидрофторуглероды), ПФУ (перфторуглероды), SF6 (гексафторид серы). Кроме них парниковым газом также является водяной пар, но он не рассматривается в Протоколе ввиду своего преимущественно природного происхождения, сложности контроля и отсутствия данных о росте его концентрации в атмосфере.

23

Киотский протокол закрепил количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой, включая Россию, по ограничению и снижению поступления парниковых газов в атмосферу. Киотский протокол теоретически вступил в силу 16 февраля 2005 г., через 90 дней после официальной передачи документа о ратификации его Россией, поскольку для вступления его в силу была необходима ратификация всеми государствами, на долю которых приходилось бы не менее 55 % выбросов парниковых газов.

Однако ведущая страна, ответственная за выбросы углекислого газа, США до настоящего времени не ратифицировали этот согласованный международный документ.

Согласно Киотскому протоколу подписавшие его страны берут на себя обязательства к 2012 г. сократить свои выбросы парниковых газов не менее чем на 5 % от уровня 1990 г., а для России требуется не превышать этот уровень выбросов. Поскольку в России выброс в ближайшем времени не достигнет уровня базового года, то можно продавать соответствующие квоты другим странам. В настоящее время Россия выполнила обязательства по нейтрализации выбросов парниковых газов не только за себя, но даже за другие государства. Сейчас Россия выбрасывает всего лишь 6 % всего глобального цикла и, помимо этого, треть мирового стока оксидов углерода идет через ее леса, т.е. порядка 500 млн т вредных веществ перерабатывают деревья России. Суммарная цифра по эмиссии парниковых газов у Китая составляет 24 %, США – 21 %, Евросоюза – 12 %, Индии – 8 %.

1.2. Загрязнение почвы

Почва обеспечивает человечеству 95 97 % продовольственных ресурсов. Площадь земельных ресурсов мира составляет почти 129 млн км2, или 86,5 % площади суши, а пригодных для ведения сельского хозяйства от 25 до 32 млн км2, т.е. около 11,4 млрд га продуктивной площади суши или по 1,9 на каждого из 6 млрд людей. Притом, что среднее потребление в странах Африки и Азии снижено до 1,4 га на человека, в Западной Европе составляет 5 га, а в Северной Америке 9,6 га.

Россия – крупнейшая страна мира с территорией более 17 млн км2, что составляет около 13 % всей суши Земли. Выше 10 млн км2 территории России представляет собой массивы ненару-

24

шенных экосистем. Однако существуют серьезные экологические проблемы, связанные со многими сторонами жизни нашей страны. Так, 10 15 % территории России не соответствует экологическим международным требованиям. По оценкам, Россия расходует на охрану окружающей среды около 2 % валового продукта, что крайне мало на общемировом фоне. Реально эти расходы включают средства федерального, региональных и местных бюджетов, экологических фондов и предприятий. На решение экологических проблем тратится менее одного процента федерального бюджета.

Основными экологическими проблемами загрязнения почвы являются следующие.

Аридизация суши – уменьшение влажности обширных территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности экологических систем под действием примитивного земледелия и нерационального использования пастбищ, в результате чего почвы превращаются в пустыни. Ежегодные потери земель в связи с опустыниванием составляют около 50 тыс. км2 с ущербом в 40 млрд долл.

Эрозия почв – разрушение почв под действием ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Ветровая эрозия способствует уничтожению растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота. Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и другой техники.

Ирригационная эрозия – нарушения правил полива при орошаемом земледелии или слишком интенсивный полив почвы. Засоление и заболачивание почв в основном связаны с этими нарушениями. За последние десятилетия 50 млн га стали непригодны для любого вида сельскохозяйственных культур по причине засоления или заболачивания, из них не менее 50 % площади орошаемых земель. Кстати, считается, что одной из причин падения богатейшей Римской империи была ирригационная эрозия ранее богатых пахотных земель.

В пахотном слое почвы ПДК – это концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на контактирующие среды (вода, воздух) и здоровье человека, а также на способность почвы к самоочищению. Повышенное содержание свинца в почве происходит за счет выхлопных газов автомобилей. Например, в Германии ближе 300 м от автобанов запрещено выращивать что-либо, кроме

25

цветов. Опасны также пестициды, фунгициды и инсектициды от неразумного ведения сельского хозяйства.

1.3. Загрязнение водной среды

Россия обладает одним из самых высоких водных ресурсов в мире: на каждого жителя приходится свыше 30 тыс. м3/год пресной воды. Однако около 70 % поверхностных водоемов в России либо загрязнены, либо непригодны для использования в качестве источников питьевой воды, в результате чего почти половина населения потребляет загрязненную воду. Даже такая жемчужина природы, как озеро Байкал, входящее в список охраняемых природных объектов ЮНЕСКО, подверглась загрязнению. Только за последние 20 лет было загрязнено более 100 км3 байкальской воды.

Основным источником загрязнения поверхностных водных бассейнов является регулярный сброс в водоемы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйствами, а также с поверхностным дренажным стоком с сельскохозяйственных угодий. Загрязнению, как правило, подвергаются поверхностные воды. Подземные воды более чистые, поскольку почва – хороший биологический и химический фильтр.

Установлено, что более 400 типов веществ могут вызвать загрязнение вод. Вода считается загрязненной, если превышены допустимые нормы хотя бы по одному из трех показателей: санитарнотоксикологическому, санитарному или органолептическому (запах, привкус, цветность, мутность).

Крупнейшая из известных в истории водных экологических катастроф произошла у берегов Великобритании с супертанкером «Тори Каньон» в 1967 г. Ее результатом стал разлив в море 120 тыс. т сырой нефти. В результате другой катастрофы у берегов Аляски в 1990 г. нефтяное пятно растянулось на 2000 км вдоль побережья и привело к гибели более 500 тыс. птиц. Нефтяное загрязнение Мирового океана оценивается от 3 до 15 млн т в год, причем значительная часть его выносится реками.

Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд м3 сточных вод, 90 % которых не подвергается предварительной очистке.

К основным процессам в морских экосистемах, ведущим к негативным экологическим последствиям, относятся:

26

эвтрофикация; появление «красных приливов»;

накопление химических токсикантов; снижение биологической продуктивности;

микробиологическое загрязнение в прибрежных районах моря. Эвтрофикация – избыточная концентрация в воде питательных

минеральных веществ, необходимых для роста водных растений. Помимо процесса эвтрофикации прибрежных вод, неочищенные стоки выносят в море токсичные для морских организмов синтетические моющие средства, часто покрытые густыми шапками разноцветной пены.

Название «красные приливы» происходит от цвета воды, вызванной стремительным размножением одноклеточных водорослей, содержащих опасные нейротоксины, которые по пищевым цепочкам могут попасть в организм человека. Цветение охватывает, как правило, наиболее продуктивные области океана, используемые для промысла рыб. Часто «красные приливы» наблюдаются у берегов Восточного Китая, Индонезии, Японии, и иногда – даже по нескольку раз в год.

Кроме обычной ПДК, отражающей указанные требования к качеству воды, существуют рыбохозяйственная ПДК – это максимальная концентрация загрязняющего вещества, при постоянном наличии которой в водоеме не наблюдается отрицательных последствий для его рыбохозяйственного использования (табл. 6).

К числу важнейших факторов, обусловливающих загрязнение воды, относятся тяжелые металлы. Наибольшее загрязнение океана металлами наблюдается в прибрежных водах и внутренних морях как результат речных выносов, промышленных и бытовых стоков. Кроме того, некоторые металлы, прежде всего, ртуть, свинец, кадмий, переносятся с атмосферными потоками и попадают в морскую среду. Глобальный характер переноса некоторых металлов подтверждается фактом выявления ртути даже в гренландских льдах. Поступая в морскую среду, ртуть соединяется с твердыми неорганическими и органическими частицами и оседает на дно. В донных отложениях ртуть под воздействием некоторых микроорганизмов переходит в высокотоксичные и достаточно устойчивые химические формы, которые активно накапливаются в организмах рыб и моллюсков. Концентрация в рыбах в тысячи раз превышает содержание самой ртути в воде.

27

Таблица 6

Значения ПДК для питьевой воды

Вещество	ПДК, мг/л
Нефтепродукты	0,1
Алюминий	0,5
Бериллий	0,0002
Железо	0,3
Кадмий	0,001
Медь	1,0
Мышьяк	0,05
Нитраты	45
Нитриты	3,0
Ртуть	0,0005
Свинец	0,03
Хлориды	350

Сильнейшее отравление ртутью произошло в Японии в результате потребления рыбы. Катастрофа случилась в г. Минамата. На местном химическом заводе в результате стока отходов ртуть попала в реку, а из нее в бухту моря. Рыба, накопившая ртуть в огромных количествах, была уже не в состоянии нормально плавать и поэтому становилась легкой добычей жителей. Только после смерти двух сотен людей и тысячи людей заболевших было установлено, что «болезнь Минамата» является ртутным отравлением.

1.4. Проблема бытовых отходов

Проблема бытовых отходов стара как мир. В древние времена, когда население было немногочисленным, а человек вел натуральное хозяйство, природа была в состоянии справляться с отходами. В средние века в связи с ростом городов, развитием ремесел и торговли проблема отходов уже стала значимой, особенно для городских жителей. Средневековые города утопали в грязи и нечистотах, отсутствие канализации приводило к тому, что в жаркое время года отбросы разлага-

28

лись и, попадая в почву и водоемы, становились источниками тяжелых болезней и зачастую эпидемий, таких как чума и холера.

В XIII XIV вв. в Англии и во Франции появились первые законы, обязывающие содержать дом и улицу перед ним в чистоте. Появилась профессия мусорщика. Стали применяться специальные повозки. Однако проблема бытовых отходов со временем приобретала все большую остроту, так как горожане не выполняли предписания, а городские власти не контролировали этот процесс. Уже к концу XIX в. в крупных городах вошло в практику применение фильтрации для очистки сточных вод, сжигание отходов, контролируемое размещение отходов на свалках и закапывание отходов. В середине XX в. проблема отходов признана одной из наиболее серьезных, требующих применения сложных технологий.

На сегодняшний день бóльшую часть ТБО составляют тара и упаковка (табл. 7). В настоящее время в развитых странах производится от 1 до 3 кг бытовых отходов на душу населения в день. По данным американского агентства по защите окружающей среды общий годовой объем твердых бытовых отходов (ТБО) в США за 1960 2005 гг. вырос почти в 3 раза и составил около 250 млн т.

В России ежегодно накапливается примерно 130 млн т ТБО, из них промышленной переработке подвергается только 3,5 % отходов, остальные размещаются на свалках. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд т ТБО. На полигоны под размещение отходов в России ежегодно отчуждается примерно 10 тыс. га земель. Дефицит свободных земель приводит к тому, что свалки удаляются от города на 50 100 км, что приводит к удорожанию перевозки отходов. Свалки являются источником загрязнения окружающей среды: атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод. Часто они просто засыпаются слоем земли и используются затем для строительства и других нужд. ТБО современного города содержат более 100 различных токсичных и канцерогенных соединений, среди них красители, растворители, пестициды, соединения ртути, свинца, кадмия, мышьяка, лекарственные препараты и др.

При правильном сборе, разделении и переработке мусора можно отобрать до 80 % полезного продукта. Однако сейчас даже в лучшем случае в разных странах доля повторного использования отходов достигает всего около 30 % (США).

29

Таблица 7

Отходы как один из источников загрязнения природной среды

Природная	Источник и вид	Токсические
среда	загрязнения	компоненты
Воздух	Сжигание мусора – ды-	Cd, Hg, Pb, диоксины,
	мы, аэрозоли, пыль	оксиды углерода, азота и
		др.
	Полигоны захоронения	CH4, металлы, летучие
	отходов	органические вещества
Вода	Полигоны захоронения	Нитраты, аммоний, Cd,
	отходов	микроорганизмы
	Стоки станций водоочи-	Органические вещества,
	стки	фосфаты, нитраты и др.
Почва	Илистые отходы станций	Аммоний, металлы (в
	водоочистки	том числе токсичные)
	Металлический лом	Диоксины, хлорпроиз-
		водные органических
		веществ
	Аэрозоли мусоросжига-	Нитраты, аммоний, Cd,
	тельных заводов	хлорорганические веще-
	Полигоны захоронения	ства, микроорганизмы
	отходов

Сжигание не может рассматриваться и как экологически безопасный, экономически оправданный или ресурсосберегающий процесс, поскольку многие органические вещества, которые могли бы быть использованы, сжигаются с дополнительными затратами энергии. К тому же существующие мусоросжигательные установки образуют вторичные чрезвычайно токсичные отходы, выделяемые в окружающую среду с дымовыми газами. К подобным веществам относятся диоксины – крайне устойчивые хлорорганические соединения, входящие в группу из 12 наиболее опасных веществ. В шлаках и золе после сжигания концентрация тяжелых металлов, как правило, на 2 3 порядка выше, чем в самих сжигаемых отходах, поэтому использовать их для утилизации или захоронения без дополнительной переработки нельзя.

30