close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Егоров А.Г. - Учебное пособие по безопасности жизнидеятельности - 2003

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АВТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
А.Г. Егоров
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
″БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ″
для студентов специальности
150100 «Автомобиле - и тракторостроение»
Тольятти 2003
1
УДК 614.8.084
ББК 68.9
Егоров А.Г. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие для вузов. – Тольятти:
ТГУ, 2003. – с.
Изложены в едином комплексе основы знаний о безопасности жизнедеятельности,
экологии, охране окружающей среды, охране труда и гражданской обороне.
Представлены положения современной экологии и экологические принципы
рационального природопользования, рассмотрены вопросы взаимодействия человека и
среды обитания, способы и методы защиты окружающей среды, дано комплексное
представление об источниках и значимости травмирующих и вредных факторах среды
обитания, с единых позиций освещены вопросы физиологии труда, производственной
санитарии, гигиены труда и техники безопасности. Раскрыты основные принципы и
способы защиты от опасностей мирного времени и возникающих при введении военных
действий, а также приеы оказания само- и взаимопомощи.
Для студентов обучающихся по специальности 150100 ″Автомобиле – и
тракторостроение″ направление 653.200 – ″Транспортные машины и транспортнотехнологические комплексы″.
Ил. , табл. , библиогр. 48 назв.
Рецензенты:
Зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» БГТУ
академик МАНЭБ, д.т.н. профессор Тотай А.В.
Зав. кафедрой “Промышленной безопасности и экологии” ТГУ
д.п.н. профессор Горина Л.Н.
Утверждено научно-методическим советом ТГУ
Допущено УМО вузов Российской Федерации по образованию в области транспортных
машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для
студентов, обучающихся по специальности 150100 – “Автомобиле – и тракторостроение“
ISBN
Егоров А.Г., 2003
Автомеханический институт, 2003
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Введение
Раздел 1. ЭКОЛОГИЯ
1.1 Основы экологии
1.1.1 Содержание, предмет и задачи экологии
1.1.2 Основные термины и определения
1.1.3 Экосистема
1.1.4 Биосфера
1.1.5 Среда и условия существования организмов
1.1.6 Совместное действие экологических факторов
1.1.7 Круговороты веществ
1.1.8 Круговорот воды
1.1.9 Биотический круговорот
1.1.10 Круговорот углерода
1.1.11 Поток энергии в экосистемах
1.1.12 Ноосфера
1.2 Экологические принципы рационального природопользования
1.2.1 Экологический прогноз и прогнозирование
1.2.2 Моделирование природных процессов в решении
экологических проблем
1.2.3 Экологический мониторинг
1.2.4 Оценка качества окружающей среды
1.2.5 Нормирование загрязняющих веществ в окружающей среде
1.2.6 Экологическая аттестация и паспортизация
1.2.7 Экологическая экспертиза
1.2.8 Концепция экологической ответственности
1.2.9 Перспективы рационального природопользования
1.2.10 Совершенствование экономического
механизма управления природопользованием
1.2.11 Международное сотрудничество в области
охраны окружающей среды
Раздел 2. ЧЕЛОВЕК И СРЕДА ОБИТАНИЯ
2.1 Человек и природная среда
2.1.1 Взаимодействие человека с природной средой
2.1.2 Экологическое равновесие в системе
«человек – окружающая среда»
2.1.3 Классификация антропогенных воздействий
2.1.4 Взаимодействие техники с природой
2.1.5 Влияние состояния окружающей среды на здоровье людей.
2.1.6 Основные источники загрязнения окружающей среды
2.1.7 Экологические кризисы и экологические катастрофы
2.1.8 Формы проявления современного экологического кризиса
2.1.9 Концепция устойчивого развития
2.1.10 Механизмы достижения целей устойчивого развития
2.2 Человек и техносфера
2.2.1 Эволюция среды обитания
2.2.2 Взаимодействие человека и техносферы
2.2.3 Критерии комфортности и безопасности техносферы
2.3 Человек и бытовая среда
3
Стр.:
8
14
22
22
23
26
28
33
37
39
41
42
46
48
49
51
51
54
57
59
61
60
61
63
65
67
69
72
72
73
74
76
78
81
86
87
94
98
101
101
105
109
113
2.3.1 Неблагоприятные факторы жилой (бытовой) среды
2.3.2 Влияние на здоровье человека состава воздуха
жилых и общественных помещений
2.3.3 Физические факторы жилой среды
Раздел 3. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
3.1 Общая характеристика структуры промышленного техногенеза
3.1.1 Требования к выбросам в атмосферу
3.1.2 Рассеивание выбросов в атмосфере
3.2 Средстава и методы защиты атмосферы
3.2.1 Осложняющие обстоятельства
3.2.2 Абсорбция
3.2.3 Адсорбция
3.2.4 Типы оборудования для адсорбции
3.2.5 Конденсация
3.2.6 Улавливание аэрозолей мокрыми скрубберами
3.2.7 Улавливание аэрозолей фильтрами
3.2.8 Улавливание пыли механическими осадителями
3.3 Снижение токсичности отработавших газов
3.3.1 Очистка газов дожиганием
3.3.2 Химические методы очистки отходящих газов
3.3.3 Снижение токсичности выхлопных газов двигателей
внутреннего сгорания
3.3.4 Снижение оксидов азота в выхлопных газах
газотурбинных установок
3.3.4.1 Образование оксидов азота при горении
углеводородных топлив
3.3.4.2 Методы определения уровня и нормирование выбросов вредных
веществ ГТД
3.3.4.3 Единицы измерения и нормирование выбросов
стационарных ГТУ
3.3.4.4 Применение катализаторов для снижения вредных
веществ в выхлопных газах ГТУ
3.4 Средства и методы защиты гидросферы
3.4.1 Механическая очистка
3.4.2 Физико-химические методы очистки
3.4.3 Биологическая очистка
3.5 Обезвреживание и утилизация промышленных и бытовых
отходов
3.5.1 Обезвреживание и утилизация твердых и жидких
промышленных отходов
3.5.2 Методы обезвреживания и утилизации твердых бытовых
отходов
3.5.2.1 Термические методы обезвреживания и утилизации
твердых бытовых отходов
3.5.2.2 Методы полевого компостирования твердых бытовых отходов
113
115
119
133
135
136
137
139
139
147
149
153
156
163
170
173
173
175
183
193
193
195
197
201
204
205
209
214
217
217
221
223
223
Раздел 4.ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЧЕЛОВЕКА И ТЕХНОСФЕРУ
4.1 Негативные факторы техносферы
227
4.1.1 Загрязнение регионов техносферы токсичными веществами
227
4.1.2 Классификация промышленных загрязнений
227
4.1.3 З агрязнение атмосферного воздуха
229
4.1.4 Загрязнение воды
234
4.1.5 Загрязнение почвы
237
4
4.1.6 Энергетические загрязнения
4.1.7 Региональный комплекс загрязнений окружающей среды
4.2. Воздействие негативных факторов и их нормирование
4.2.1 Системы восприятия человеком состояния внешней среды
4.2.2 Оценка негативных факторов
4.2.3 Вредные вещества
4.2.4 Вибрации
4.2.5 Акустические колебания
4.2.6 Электромагнитные поля и излучения
4.2.7 Ионизирующие излучения
4.2.8 Электрический ток
240
241
245
245
252
253
264
267
272
282
287
Раздел 5 БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
5.1 Человеческий фактор в обеспечении производственной
безопасности
290
5.1.1 Физиология труда и ее задачи
290
5.1.2 Психофизиологические и психологические факторы повышения
безопасности труда
295
5.1.3 Работоспособность и утомление
301
5.1.4 Влияние тяжести, напряженности, темпа и ритма труда
на безопасность
307
5.1.5 Эргономические факторы повышения безопасности труда
311
5.2 Охрана труда
320
5.2.1 Основы производственной безопасности
320
5.2.2 Правовые основы и законодательные положения по охране труда 321
5.2.3 Система стандартов безопасности труда
323
5.2.4 Управление охраной труда
326
5.2.5 Аттестация, надзор и контроль за охраной труда
332
5.2.6 Организационные мероприятия по созданию безопасных
условий труда
334
5.2.7 Ответственность за нарушение законодательства об охране труда 336
5.2.8 Анализ производственного травматизма и профессиональной
заболеваемости
337
5.2.9 Расследование несчастных случаев на производстве
338
5.2.10 Расследование профессиональных заболеваний
340
5.2.11 Методы анализа производственного травматизма и
профзаболеваемости
341
5.2.12 Экономический метод анализа травматизма
344
5.3 Производственная санитария и гигиена труда
345
5.3.1 Основные задачи гигиены труда и производственной санитарии
345
5.3.2 Метеорологические условия производственной среды
352
5.3.3 Предупреждение действия дискомфортных
метеорологических условий
359
5.3.4 Производственная пыль и борьба с ней
366
5.3.5 Вредность вещества и предупреждение отравлений
368
5.3.6 Безопасность работ с источниками ионизирующих излучений370
5.3.7 Производственное освещение
372
5.3.8 Защита от шума и вибраций
379
5.4 Техника безопасности
386
5.4.1 Взрывозащита технологического оборудования
386
5.4.2 Защита от механического травмирования
394
5.4.3 Средства автоматизированного контроля и сигнализации
398
5.4.4 Основы электробезопасности
400
5.4.5 Средства защиты от статического электричества
408
5
5.5 Пожарная безопасность
5.5.1 Горение и свойства веществ, характеризующие их
взрывопожароопасность
5.5.2 Огнестойкость строительных конструкций
5.5.3 Основы пожарной профилактики
5.5.4 Средства локализации и тушения пожаров очем месте
оператора ПЭВМ
5.6 Организация безопасных условий труда на рабочем месте
оператора ПЭВМ
5.6.1 Технические методы увеличения безопасности при
работе на ПЭВМ
5.6.2 Требования к помещениям для эксплуатации ПЭВМ
5.6.3 Эргономичная организация рабочего места
5.6.4 Режим труда и отдыха при работе с ПЭВМ
5.6.5 Жалобы и заболевания вызываемые работой на ПЭВМ
5.6.6 Профилактические методы уменьшения усталости
при работе на ПЭВМ
Раздел 6 ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ
6.1 Характеристика и классификация чрезвычайных ситуаций
6.2 Техногенные аварии и катастрофы
6.3 Катастрофы и крупные аварии на производстве
6.4 Прогнозирование параметров опасных зон
6.5 Стихийные бедствия и катастрофы
6.6 Гидрометеорологические явления
6.7 Гидрологические явления
6.8 Морские гидрометеорологические явления
6.9 Стихийные явления, связанные с геофизическими процессами
6.10 Природные пожары
6.11 Биологические ЧС
6.12 Космические ЧС
6.13 Терроризм и криминальные действия
6.14 Единая государственная система предупреждения
и ликвидации чрезвычайных ситуаций
6.15 Организация работы комиссии по чрезвычайным
ситуациям объекта
6.16 Защита персонала объекта при угрозе и возникновении
чрезвычайной ситуации
6.17 Устойчивость промышленных объектов
6.18 Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций
на промышленных объектах
6.19 Спасательные работы при чрезвычайных ситуациях
6.20 Определение материального ущерба и числа жертв
6.21 Планирование ремонтно-восстановительных работ
Раздел 7 ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА
7.1 Законодательство и органы управления в системе ГО
7.1.1 Законодательство Российской Федерации в области ГО
7.1.2 Органы управления ГО в Росийской Федерации
7.1.3 Организация ГО на объектах экономики
7.2 Воздействие оружия массового поражения на промышленные
объекты и человека
7.2.1 Современные средства нападения противника
7.2.2 Воздействие ядерного оружия
6
411
411
415
418
422
429
432
434
437
439
441
445
451
453
457
459
466
468
472
473
475
478
480
482
483
488
490
492
495
501
501
503
505
507
507
508
511
514
514
516
7.2.3 Воздействие химического оружия
7.2.4 Воздействие бактериологического (биологического) оружия
7.2.5 Очаг комбинированного поражения
7.2.6 Применения обычных средств поражения
7.3 Защита населения от оружия массового поражения
7.3.1 Укрытие населения в защитных сооружениях
7.3.2 Рассредоточение рабочих, служащих и эвакуация населения
7.3.3 Средства индивидуальной защиты
7.3.4 Действия по сигналам оповещения гражданской обороны
7.4 Спасательные и неотложные аварийно – восстановительные
работы в очагах поражения
7.4.1 Основы спасательных и неотложных
аварийно-восстановительных работ
7.4.2 Содержание спасательных и неотложных
аварийно – восстановительных работ
7.4.3 Проведение спасательных и неотложных
аварийно – восстановительных работ
7.5 Ликвидация последствий техногенных катастроф и
стихийных бедствий
7.5.1 Проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ
при ликвидации последствий крупных аварий и катастроф
7.5.2 Проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ
при ликвидации последствий стихийных бедствий
Раздел 8 ОКАЗАНИЕ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ ПОСТРАДАВШИМ
8.1 Основные правила оказания первой помощи
8.1.1 Общие положения
8.1.2 Освобождение пострадавшего от действия травмирующих
факторов
8.1.2.1 Освобождение от действия электрического тока
8.1.2.2 Извлечение пострадавшего из воды
8.1.2.3 Тушение горящей одежды
8.1.2.4 Правила оказания первой медицинской помощи
8.2 Способы оказания первой помощи пострадавшему
8.2.1 Способы проведения искусственного дыхания и наружного
массажа сердца
8.2.2 Помощь при ранении
8.2.3 Помощь при кровотечении
8.2.4 Помощь при переломах, вывихах, ушибах и растяжении связок
8.2.5 Помощь при ожогах
8.2.6 Помощь при отморожениях
8.2.7 Помощь при попадании инородных тел в органы и ткани
8.2.8 Помощь при обмороке, тепловом и солнечном ударах
8.2.9 Помощь при отравлениях
8.2.10 Помощь при укусах
8.2.11 Помощь при утоплении
8.2.12 Переноска и перевозка пострадавшего
530
536
539
541
545
545
551
553
557
559
559
560
561
571
571
575
582
582
584
585
589
594
594
596
596
602
603
606
610
612
613
614
615
617
617
618
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
621
ПРИЛОЖЕНИЯ
623
ЛИТЕРАТУРА
646
7
Предисловие
Во все времена существования человечества обеспечение безопасности
жизнедеятельности являлось важнейшей проблемой, но именно сейчас в условиях
обострения экологической ситуации, социальных и военных противоречий вопрос стоит
прямо и однозначно: будет ли человек жить дальше на Земле или нет. В настоящее время
механизмы взаимодействия человека и природы, индивида и общества все чаще нарушаются,
что ведет к возникновению многих новых опасностей для нормальной жизнедеятельности.
Обществу наносится большой ущерб в виде человеческих потерь и убытков от
террористических актов, аварий, катастроф и стихийных бедствий. Обеспечение
экологической, военной и социальной безопасности становится одной из главных проблем
государства.
Интенсивное использование природных ресурсов и загрязнение окружающей среды,
широкое внедрение техники, систем механизации и автоматизации во всех сферах
общественно-производственной деятельности, формирование рыночных отношений
сопровождаются появлением и широким распространением различных природных,
биологических, техногенных, экологических и других опасностей. Они требуют от каждого
специалиста умения определять и осуществлять комплекс эффективных мер защиты от их
негативного воздействия на организм человека и здоровье населения.
Решение проблемы безопасности жизнедеятельности состоит в обеспечении
нормальных (комфортных) условий деятельности людей, в защите человека и окружающей
его среды (производственной, природной, городской, жилой) от воздействия вредных
факторов, превышающих нормативно-допустимые уровни. Поддержание оптимальных
условий деятельности и отдыха человека создает предпосылки для высшей
работоспособности и продуктивности.
Обеспечение безопасности труда и отдыха способствует сохранению жизни и
здоровья людей за счет снижения травматизма и заболеваемости. Поэтому объектом
изучения
безопасности
жизнедеятельности
является
комплекс
отрицательно
воздействующих явлений и процессов в системе «человек – среда обитания».
Основополагающая формула безопасности жизнедеятельности – предупреждение
потенциальной опасности. Потенциальная опасность является универсальным свойством в
процессе взаимодействия человека со средой обитания. Все действия человека и все
компоненты среды обитания (прежде всего технические средства и технологии), кроме
положительных свойств и результатов, обладают способностью генерировать опасные и
вредные факторы. При этом новый положительный результат, как правило, соседствует с
новой потенциальной опасностью или группой опасностей.
В современном мире к опасным и вредным факторам естественного происхождения
прибавились многочисленные опасные и вредные факторы антропогенного происхождения,
связанные с производственной, хозяйственной и иной деятельностью человека.
Наиболее выражено процессы техногенного изменения качественных характеристик
среды, развиваются в производственной сфере, являющейся наиболее значимой в
профессиональной трудовой деятельности специалистов различного профиля. Достигнутый
процесс в сфере производства, в период научно-технической революции сопровождался и
сопровождается в настоящее время ростом числа и повышением уровня опасных и вредных
факторов производственной среды. Например, создание двигателей внутреннего сгорания
решило многие транспортные проблемы, но и одновременно привело к повышенному
8
травматизму на автодорогах, породило трудноразрешимые задачи по защите человека и
природной среды от токсичных выбросов (отработавших газов, масел, продуктов износа шин
и др.) автомобилей.
Производственная деятельность человека постоянно оказывает возрастающее
негативное влияние на качество природной среды, способствуя возникновению
неблагоприятных экологических факторов, формирующих до 25-30% патологию человека.
При этом рост антропогенного воздействия на природную среду не всегда ограничивается
лишь прямым воздействием, в частности увеличением концентрации токсичных примесей в
атмосфере. При определенных условиях возможно проявление вторичных негативных
воздействий на природную среду и человека (процессы образования кислотных дождей,
парникового эффекта, разрушение озонового слоя Земли).
Стремительное наращивание производственных мощностей, развитие энергетики и
средств транспорта, интенсивная добыча природных ресурсов, широкое применение
удобрений и ядохимикатов в сельском хозяйстве, мелиорация земель поставили ряд регионов
страны на грань экологической катастрофы.
Происходящие негативные изменения среды обитания человека предопределяют
необходимость того, что современный специалист должен быть в достаточной степени
подготовлен к соответствующей обстановке для успешного решения возникающих задач по
обеспечению безопасности жизнедеятельности тех или иных контингентов работающих,
всего производственного персонала и населения, по ликвидации последствий стихийных
бедствий, аварий и катастроф.
В этих условиях все более значимым и необходимым становится формирование
знаний по безопасности жизнедеятельности как условия обеспечения устойчивой,
безопасной жизни. Одним из путей решения этой задачи в процессе образования, и
воспитания становится изучение современных методов адаптации человека к изменяющимся
условиям существования. Необходима организация системы всеобщего комплексного и
непрерывного образования по безопасности жизнедеятельности, начиная с курса основ
безопасности жизнедеятельности в школах и продолжая в дальнейшем в высших учебных
заведениях.
Успешная реализация экономических реформ в Российской Федерации предполагает
активное участие профессионально подготовленных, грамотных и эрудированных
специалистов, обладающих глубокими знаниями и гуманитарным мировоззрением по
различным аспектам современного развития общества, в том числе и по проблемам его
безопасности. Подготовка такого специалиста способствует изучение в высших учебных
заведениях дисциплины «Безопасность жизнедеятельности», которая помогает выработать
идеологию безопасности с целью безопасно осуществлять свои профессиональные и
социальные функции.
Предметом изучения дисциплины являются вопросы обеспечения безопасного
взаимодействия человека со средой его обитания и защиты населения от опасностей в
чрезвычайных ситуациях.
«Безопасность жизнедеятельности» представляет собой междисциплинарный
комплекс знаний, основывающийся на научной концепции безопасного взаимодействия
человека с природой и обществом. Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности»
базируется на достижениях философии, социологии, психологии, физиологии человека,
экологии, права и других наук. Она включает в себя вопросы общей и прикладной
направленности. Первые посвящены изучению негативных факторов в природе и техносфере
и их взаимодействие на человека, а также методам и средствам обеспечения безопасности.
9
На прикладном уровне рассматриваются возможности современных методов адаптации и
развития человека для обеспечения устойчивой, безопасной жизни применительно к
конкретным отраслям хозяйства и основным сферам жизнедеятельности людей.
Специалист в любой сфере деятельности должен обладать экологическими знаниями,
понимать сущность современных проблем взаимодействия общества и природы, разбираться
в причинной обусловленности возможных негативных воздействий хозяйственной
деятельности на окружающую природную среду, уметь квалифицированно оценить характер,
направленность и последствия влияния конкретной деятельности человека на природу,
увязывая решения производственных задач с соблюдением соответствующих
природоохранных требований, вырабатывать и осуществлять научно обоснованные решения
экологических проблем.
Экология – это мировоззрение 21 века. Поэтому каждый специалист с высшим
образованием должен сформировать у себя экологическое сознание и экологическое
мышление не только для решения профессиональных задач, но и для формирования из себя
достойного гражданина страны и жителя Земли. Ибо все, что неэкологично – безнравственно
Качественное преподавание основ экологии в вузах - непростая задача. Экология
является, как известно, наукой биологической. В то же время на нынешнем этапе развития
мирового сообщества подготовка квалифицированного специалиста, будущею руководителя,
немыслима без прочного усвоения им основных экологических понятий, законов,
фундаментальных знании о природе. Однако при этом экологические знания должны
излагаться на языке, понятном техническим специалистам.
Проблема усугубляется тем, что зачастую на изучение чисто экологических вопросов
учебные часы не отводятся. В некоторых вузах основы экологии изучаются в рамках
раздела "Охрана окружающей среды" (промышленная экология), являющегося, в свою
очередь, составной частью курса "Безопасность жизнедеятельности". Если принять во
внимание действующую в некоторых вузах концепцию многоуровневого обучения, при
которой учебные планы преподавания общетехнических и специальных дисциплин должны
быть интегрированы с учебными планами колледжей, то задача качественного и достаточно
полного обучения студентов основам экологических знании становится еще более сложной.
Во многих вузах преподавание курса ″Безопасность жизнедеятельности″ фактически
ведется по отдельным разделам ″Охрана окружающей среды″, ″Чрезвычайные ситуации и
гражданская оборона″ и ″Охрана труда″. Несомненным недостатком методики такого
преподавания является отсутствие ″Основ экологии″ как самостоятельного полноценного
раздела.
Г.В. Стадницкий в своем докладе на конференции ″Новое в экологии и БЖД″, 1999 г.,
отмечал, что ″преподаванию БЖД должно либо предшествовать изучение фундаментальной
экологии, либо в состав данного курса должен быть включен полномасштабный
экологический раздел. Никакие подмены экологии недопустимы″.
Во все времена опасности сопровождали человека, который был вынужден бороться
за свое существование с окружающей средой, природными катаклизмами, болезнями и
другими явлениями.
Возросшие масштабы техногенной деятельности общества, увеличение частоты
проявления стихийных бедствий, аварий и катастроф обострили проблемы, связанные с
обеспечением безопасности населения, его готовностью к действиям в чрезвычайных
ситуациях.
Понимая важность образования населения в этом направлении, Правительство
Российской Федерации постановлениями от 24 июля 1995 г. № 738 и от 2 ноября 2000 г.
10
№ 841 определило, что обучение населения Российской Федерации должно
осуществляться в рамках Единой системы подготовки в области гражданской обороны и
защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на всех
предприятиях, в учреждениях и организациях независимо от их организационно-правовой
формы, а также по месту жительства, и утвердило ее порядок.
Гражданская оборона - это система мероприятий но подготовке к защите и по защите
населения, материальных и культурных ценностей на территории Российской Федерации от
опасностей, возникающих при ведении военных действий вследствие этих действий. Таким
образом, гражданская оборона изучает только те вопросы, которые так или иначе связаны с
ведением военных действии или их последствиями. Однако возникновение чрезвычайных
ситуаций возможно и в условиях мирного времени (крупные производственные аварии,
стихийные бедствия: лесные пожары, наводнения, землетрясения, ураганы, снежные заносы,
оползни, селевые потоки и другие явления), причем современный период характеризуется
значительным возрастанием количества и увеличением степени тяжести последствий
чрезвычайных ситуаций так в России, так и в других странах. Производственные аварии, как
и стихийные бедствия, приводят к поражению людей, нарушению производственного
процесса и наносят большой материальный ущерб.
″Гражданская оборона″- является одной из составных частей дисциплины
"Безопасность жизнедеятельности" - науки о сохранении здоровья и безопасности человека в
среде обитания; окружающей производственной, бытовой с учетом чрезвычайных ситуаций
мирного и военного времени. Поэтому настоящее учебное пособие содержит раздел
″Гражданская оборона″ в котором освещены вопросы защиты населения, территорий и
промышленных объектов в условиях, как военного, так и мирного времени.
Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности» призвана интегрировать на общей
методической основе в единый комплекс знаний, необходимых для обеспечения
комфортного состояния и безопасности человека во взаимодействии со средой обитания.
Предпосылкой такого подхода является общность в курсах «Экология», «Охрана
окружающей среды», «Охрана труда», и «Гражданская оборона» целей, задач, объектов и
предметов изучения, а также средств познания и принципов реализации теоретических и
практических задач. Объединение курсов позволяет расширить и углубить комплексное
представление об источниках, количестве и значимости травмирующих и вредных факторов
среды обитания; позволяет сформулировать общую стратегию и принципы обеспечения
безопасности; подойти к разработке и применению средств защиты в чрезвычайных
ситуациях с общих позиций.
До настоящего времени вопросы экологии, безопасности жизнедеятельности и
гражданской обороны рассматривались отдельно в различной учебной литературе. В данном
учебном пособие все эти разделы представлены вместе и это позволяет изучать вопросы
безопасности жизнедеятельности в едином комплексе с экологией и гражданской обороной.
В введении показаны причины возникновения противоречий между человеком и
природой, между производством и естественными экологическими системами. Раскрыта
основная цель безопасности жизнедеятельности как науки, даны основные понятия, термины
и определения. Представлена методика изучения дисциплины.
В 1 разделе
″Экология″ изложены основные вопросы экологии, изучаемые
студентами специальности 150100 «Автомобиле – и тракторостроеие» в рамках курса
"Безопасность жизнедеятельности". Рассмотрены основные задачи экологии, экологические
системы, среда и условия существования организмов, круговороты веществ, а так же переход
биосферы в ноосферу.
11
Во 2 разделе ″Человек и среда обитания″ рассмотрены вопросы взаимодействия
человека со средой обитания, равновесие в системе ″человек – окружающая среда″, дана
классификация антропогенных воздействий на человека и окружающую среду. Показаны
основные источники загрязнения окружающей среды и виды загрязнителей.
Несмотря на все более серьезное внимание всего мирового сообщества к проблемам
защиты окружающей среды, масштабы экологического кризиса все более возрастают.
Поэтому в разделе так же показаны формы проявления современного экологического
кризиса, представлена концепция устойчивого развития и механизмы достижения целей
устойчивого развития.
В современных условиях научно-технической революции, когда человек все активнее
вмешивается в природные процессы, охрана окружающей среды становится одной из самых
острых и актуальных проблем. Она носит глобальный характер и ее решение требует усилий
всех людей населяющих нашу планету. Сегодня по значимости для населения Земли
проблема сохранения окружающей среды занимает второе место после проблемы
ликвидации военной угрозы, с которой она неразрывно связана.
В 3 разделе ″Охрана окружающей среды″ подробно рассмотрены методы и средства
защиты атмосферного воздуха, включая подавление токсичности отработавших газов
автомобильных двигателей. Рассмотрены методы и средства защиты гидросферы, а также
обезвреживание и утилизация твердых бытовых отходов.
Современный этап развития цивилизации характеризуется интенсификацией
производства и значительным расходом ресурсов окружающей среды. Работа
промышленных предприятий сопровождается их мощным воздействий на человека и
окружающую среду, последствиями которого могут стать загрязнение воздушной и водной
среды, нарушение экологического баланса, образование значительного количества отходов и
др. Поэтому современный инженер обязан обладать прочными знаниями об источниках и
причинах промышленного загрязнения окружающей среды, видах загрязнений и их
последствиях, методах устранения либо уменьшения возможного ущерба для человека и
окружающей среды.
В 4 разделе ″Человек и техносфера″ рассмотрены негативные факторы техносферы и
загрязнение регионов техносферы токсичными веществами, дана классификация
промышленных загрязнений. Показано воздействие негативных факторов на человека и
техносферу, рассмотрены системы восприятия человеком состояния внешней среды,
проведена оценка негативных факторов техносферы и их нормирование.
″Охрана труда″- является одной из составных частей дисциплины "Безопасность
жизнедеятельности" - науки о сохранении здоровья и безопасности человека в
производственной среде.
В 5 разделе ″ Безопасность технологических процессов и производств ″ освещены
вопросы охраны труда (в том числе правовые и организационные), гигиены труда и
производственной санитарии, техники безопасности и
пожарной безопасности.
Рассмотрены с учетом специфики работы вопросы организации безопасных условий труда
пользователей ПЭВМ. Представлены психофизиологические и психологические факторы
повышения безопасности труда. Показано значение тяжести, напряженности, темпа и ритма
труда на безопасность.
Рассмотрены также эргономические факторы повышения
безопасности труда.
Крупные производственные аварии и катастрофы наносят большой ущерб народному
хозяйству, поэтому обеспечение безаварийной работы имеет исключительно большое
12
государственное значение. Результаты исследований проблем комплексной безопасности
свидетельствует о том, что на первое место среди опасностей и угроз выходят техногенноприродные аварии и катастрофы.
В 6 разделе ″Чрезвычайные ситуации″ дана характеристика и классификация
чрезвычайных ситуаций. Рассмотрены основные требования по устойчивому
функционированию промышленных объектов. Дана характеристика и классификация
стихийным бедствиям и катастрофам. Освещена одна из актуальных на сегодняшний день
проблем - проблема терроризма.
В 7 разделе ″Гражданская оборона″ в учебном пособии предусмотрены вопросы
защиты населения, территорий и промышленных объектов в условиях, как военного,
так и мирного времени. В разделе так же рассмотрена структура организации ГО и ее
основные задачи, дана классификация современных средств нападения противника и
воздействие оружия массового поражения на людей, и промышленные объекты.
Первая помощь – это комплекс мероприятий, направленных на восстановление или
сохранение жизни и здоровья пострадавшего. Ее должен оказывать тот, кто находится рядом
с пострадавшим, или сам пострадавший до прибытия медицинского персонала.
От того, насколько умело и быстро оказана первая помощь, зависит жизнь
пострадавшего и, как правило, успех последующего лечения. Поэтому каждый образованный
человек должен знать, как оказать первую помощь, и уметь оказать ее пострадавшему и себе.
В 8 разделе «Оказание первой помощи пострадавшим» описаны приемы
восстановления и сохранения жизни и здоровья пострадавших, при несчастных случаях в
процессе обслуживания энергетического оборудования. Даны общие сведения о состоянии
организма и способах оказания первой помощи пострадавшим от действия электрического
тока, при ранении, кровотечении, переломе костей, ожоге, отморожении, отравлении,
утоплении, попадании инородных тел в органы и ткани и др.
Учебное пособие «Безопасность жизнедеятельности» составлено в соответствии с ГОС
ВПО для студентов вузов обучающихся по специальности 150100 – «Автомобиле – и
тракторостроение».
Настоящее учебное пособие могут использовать для изучения дисциплины
«Безопасность жизнедеятельности» так же и студенты других специальностей технических
вузов. Оно может быть полезно практическим работникам, занимающимся вопросами
охраны труда и окружающей среды, техники безопасности и гражданской обороны, а также
специалистам при разработке средств защиты окружающей среды.
Автор приносит глубокую благодарность профессору Гориной Л.Н. и коллективу
руководимой ею кафедры за критические замечания и помощь при подготовке рукописи.
Замечания и пожелания по улучшению учебного пособия просим отправлять по
адресу: ТГУ, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14.
13
Введение
1. Предмет безопасность жизнедеятельности
Никакое общество не может развиваться без потребления. Для удовлетворения своих
потребностей люди организуют хозяйственную деятельность. Основой хозяйственной
деятельности является производство. Цели его развития в разных сообществах различны. Но
какими бы ни были цели и принципы общественного развития, возникновение противоречий
между человеком и природой, между производством и естественными экологическими
системами неизбежно. Речь может идти лишь о глубине этих противоречий и о разных
возможностях их разрешения. Такова диалектика взаимодействия общества и природы.
В современном мире численность населения Земли быстро возрастает.
Соответственно растут и потребности людей, причем не пропорционально росту их
численности, а более высокими темпами вследствие расширения ассортимента,
количественного и качественного роста потребления благ. Удовлетворить эти непрерывно
умножающиеся потребности можно только за счет развития производства. Развитие
производства немыслимо без использования природы и ее разнообразных ресурсов. Ежегодно
человечество отторгает от природы десятки миллиардов тонн природного вещества - это
уголь и руда, нефть и газ, различные строительные материалы, водные и продовольственные
ресурсы, кислород и другие газообразные вещества, древесина и т. п.
Но, пожалуй, самое отрицательное воздействие производства на окружающую
природную среду - это ее загрязнение, которое во многих районах мира достигло
критического уровня для устойчивости экологических систем и здоровья людей. Мировое
хозяйство ежегодно выбрасывает только в атмосферу 200 млн. т оксида углерода, более 50
млн. т углеводородов, 120 млн. т золы, 150 млн. т диоксида серы, большое количество
оксидов азота, фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ. По имеющимся
оценкам, общий объем выбросов загрязняющих веществ в 1970 г. составлял 19 млрд. т, а к
концу прошлого тысячелетия бриблизился к 50 млрд. т.
Загрязнение атмосферного воздуха сопровождается массовой гибелью лесов - «легких
планеты», снижением поголовья или исчезновением видов фауны, снижением урожайности
сельскохозяйственных культур, потерей рыбопродуктивности водоемов, наносит урон
здоровью людей. Общий экономический ущерб при этом исчисляется каждый год десятками
миллиардов долларов.
Все это ставит перед всеми людьми и особенно перед теми, кто ответствен за научнотехнический прогресс, кто призван принимать решения на государственном и
международном уровнях, объективное требование - учитывать воздействие производства на
окружающую среду. Не допускать превышения порогов устойчивости экологических систем,
чтобы не вызвать необратимых процессов в природе, способных привести к ее критической
деградации и гибели всего живого на Земле.
Отрицательное воздействие производства на окружающую среду обусловлено не
только его нерациональной структурой, но и несовершенством технологических процессов.
Об этом свидетельствует уже тот факт, что из огромного количества вещества, изымаемого
людьми из природной среды для целей производства, в конечный продукт превращается
лишь 1,5 - 2,0%. Основная же его масса переходит в производственные и бытовые отходы.
Такое положение сложилось исторически. Оно обусловлено, с одной стороны, уровнем
развития науки и техники, а с другой - характером производственных отношений,
доминирующих в том или ином сообществе.
14
Следует заметить, что в исследованиях взаимодействия в системе «природа общество» ее элементы - природа, человек и техника - очень часто противопоставляются
друг другу. Между ними действительно есть существенные различия, но много у них и
общего. Общность эта определяется единством материального мира и историческим
развитием, потому что появление на Земле человека и формирование человеческого
общества - явления закономерные в процессе эволюции нашей планеты. Человек - это часть
природы, И в этом отношении было бы неправомерным противопоставление природы и
человека как сил внешних по отношению друг к другу. А раз это так, то и появление в
недрах человеческого общества техники - явление тоже закономерное в процессе эволюции
Земли.
Гармоничное развитие природы и техники возможно только в результате научно
обоснованного компромисса между объектами природы и социальной деятельностью
человека. Ответственность за такой компромисс лежит на, безопасности жизнедеятельности этой многопрофильной области знаний о законах природосберегающего формирования
техносферы планеты и ее сбалансированного экологически безопасного развития.
В конце XIX века В.И. Вернадский на основе достижений химии, биологии,
антропологии и других наук пришел к выводу о том, что человеческая деятельность
становится основным, как он говорил, геологопреобразующим фактором развития земной
оболочки. Отсюда следует неизбежность совместного изучения развития биосферы и
общества, подчинения их единой цели сохранения и безопасного развития человечества.
Биосфера может постепенно перейти в новое состояние, которое позднее ( в 20-х годах) Э.
Леруа назвал ноосферой. По мнению академика Н. Н. Моисеева, учение Вернадского о
развитии биосферы и о возможности перехода ее в состояние ноосферы, когда ее основные
процессы будут определяться Разумом, является одним из важнейших вкладов науки ХХ
века в современную ″картину мира″. В связи с этим возникла настоятельная, жизненно
важная необходимость расширения проблемы безопасности до глобального ноосферного
уровня и объединения разрозненных научных направлений в единую науку,
ориентированную на обеспечение безопасности жизнедеятельности человека и человечества
как единого целого.
В окружающем нас Мире возникли новые условия взаимодействия живых и неживых
материй: взаимодействие человека с техносферой, взаимодействие техносферы с биосферой (
природой) и другие. В настоящее время 75% населения Земли проживает в техносфере или
зоне перехода от техносферы к биосфере.
В новых техносферных условиях все чаще биологическое взаимодействие стало
замещаться процессами физического и химического взаимодействия, причем уровни
физических и химических факторов воздействия в 20 веке непрерывно нарастали, часто
оказывая негативное влияние на человека и природу. Возникла необходимость в защите
природы («Охрана природы») и человека («Безопасность жизнедеятельности») от
негативного влияния техносферы.
Первопричиной многих негативных процессов в природе и обществе явилось
антропогенная деятельность, не сумевшая создать техносферу необходимого качества как по
отношению к человеку, так и по отношению к природе. В настоящее время, чтобы решить
возникающие проблемы общество должно совершенствовать техносферу, снизив ее
негативное влияние на человека и природу до допустимых уровней. Достижение этих целей
взаимосвязано. Решая задачи обеспечения безопасности человека, одновременно решаются
задачи охраны природы от губительного влияния техносферы.
15
Основная цель безопасности жизнедеятельности как науки – защита человека в
техносфере от негативных воздействий антропогенного и естественного происхождения и
достижения комфортных условий жизнедеятельности.
Средством достижения этой цели является реализация обществом знаний и умений,
направленных на уменьшение физических, химических, биологических и иных негативных
воздействий техносферы на человека до допустимых значений. Это и определяет
совокупность знаний, входящих в науку о безопасности жизнедеятельности (БЖД), а также
место БЖД в общей области знаний – экология техносферы.
2. Основные понятия, термины и определения
Безопасность жизнедеятельности
- наука о комфортном и безопасном
взаимодействии человека с техносферой.
В жизненном цикле человек и окружающая его среда обитания образуют постоянно
действующую систему «человек – среда обитания»
Среда обитания – окружающая человека среда, обусловленная в данный момент
совокупностью факторов (физических, химических, биологических, социальных), способных
оказывать прямое или косвенное, немедленное ил отдаленное воздействие на деятельность
человека, его здоровье и потомство. Действуя в этой системе, человек непрерывно решает,
как минимум, две основные задачи:
- обеспечивает свои потребности в пище, воде и воздухе;
- создает и использует защиту от негативных воздействий, как со стороны среды
обитания, так и себе подобных.
Негативные воздействия, присущи среде обитания, и существуют столько сколько
существует Мир. Источниками естественных негативных воздействий являются стихийные
явления в биосфере: изменения климата, грозы, землетрясения и т.п.
В результате активной техногенной деятельности человека во многих регионах нашей
планеты разрушена биосфера и создан новый тип среды обитания – техносфера.
Биосфера – область распространения жизни на Земле, включающая нижний слой
атмосферы, гидросферу и верхний слой литосферы, не испытавших техногенного
воздействия.
Техносфера – регион биосферы в прошлом, преобразованный людьми с помощью
прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия
своим материальным и социально-экономическм потребностям (техносфера – регион города
или промышленной зоны, производственная или бытовая среда).
Регион – территория, обладающая общими характеристиками состояния биосферы
или техносферы.
Производственная среда – пространство, в котором совершается трудовая
деятельность человека.
Создавая техносферу, человек стремился к повышению комфортности среды
обитания, к росту коммуникабельности, к обеспечению защиты от естественных негативных
воздействий. Все это благоприятно отразилось на условиях жизни и в совокупности с
другими
факторами
(улучшение
медицинского
обслуживания)
сказалось
на
продолжительности жизни людей. Однако созданная руками и разумом человека техносфера,
призванная максимально удовлетворять его потребности в комфорте и в безопасности, не
оправдала во многом надежды людей. Появившиеся производственная и городская среды
оказались далеко по уровню безопасности от допустимых требований.
16
Появление техносферы привело к тому, что биосфера во многих регионах нашей
планеты стала активно замещаться техносферой. К новым, техносферным относятся условия
обитания человека в городах и промышленных центрах, производственные, транспортные и
бытовые условия жизнедеятельности. Практически все урбанизированное население
проживает в техносфере, где условия обитания существенно отличаются от биосферных
прежде всего повышенным влиянием на человека техногенных негативных факторов.
Человек и окружающая среда (природная, производственная, городская, бытовая и
др.) в процессе жизнедеятельности постоянно взаимодействуют друг с другом. При этом в
соответствии с законом сохранения жизни Ю.Н. Куражковского «жизнь может
существовать только в процессе движения через живое тело потоков вещества, энергии и
информации.
Человек и окружающая среда гармонично взаимодействуют и развиваются лишь в
условиях, когда потоки энергии, вещества и информации находятся в пределах,
благоприятно воспринимаемых человеком и природной средой. Любое превышение
привычных уровней потоков сопровождается негативными воздействиями на человека или
природную среду. В естественных условиях такие воздействия наблюдаются при изменении
климата и стихийных явлениях.
В условиях техносферы негативные воздействия обусловлены элементами
техносферы (машины, сооружения и т.п.) и действиями человека. Изменяя величину любого
потока от минимально значимой до максимально возможной, можно пройти ряд
характерных состояний взаимодействия в системе «человек – среда обитания»:
- комфортное (оптимальное), когда потоки соответствуют оптимальным условиям
взаимодействия: создают оптимальные условия деятельности и отдыха; предпосылки для
проявления наивысшей работоспособности и как следствие продуктивности деятельности;
гарантируют сохранение здоровья человека и целостности компонент среды обитания;
- допустимое, когда потоки, воздействуя на человека и среду обитания, не оказывают
негативного влияния на здоровье, но приводят к дискомфорту, снижая эффективность
деятельности человека. Соблюдение условий допустимого взаимодействия гарантирует
невозможность возникновения и развитие необратимых негативных процессов у человека и в
среде обитания;
- опасное, когда потоки превышают допустимые уровни и оказывают негативное
воздействие на здоровье человека, вызывая при длительном воздействии заболевания, или
приводят к деградации природной среды;
- чрезвычайно опасное, когда потоки высоких уровней за короткий период времени
могут нанести травму, привести человека к летальному исходу, вызвать разрушения в
природной среде.
Из четырех характерных состояний взаимодействия человека со средой обитания
лишь первые два (комфортное и допустимое) соответствуют позитивным условиям
повседневной жизнедеятельности, а два других (опасное и чрезвычайно опасное) –
недопустимы для процессов жизнедеятельности человека, сохранения и развития природной
среды.
Взаимодействие человека со средой обитания может быть позитивным или
негативным, характер взаимодействия определяют потоки веществ, энергий и
информации.
Результат взаимодействия человека со средой обитания может изменяться в весьма
широких пределах: от позитивного до катастрофического, сопровождающегося гибелью
людей и разрушением компонент среды обитания. Определяют негативный результат
17
взаимодействия опасности - негативные воздействия, внезапно возникающие, периодически
или постоянно действующие в системе «человек – среда обитания».
Опасность – негативное свойство живой и неживой материи, способное причинить
ущерб самой материи: людям, природной среде, материальным ценностям.
Влиянию опасностей подвергается человек, природная среда, материальные ценности.
Источниками (носителями) опасностей являются естественные процессы и явления,
техногенная среда и действия людей. Опасности реализуются в виде потоков энергии,
вещества и информации, они существуют в пространстве и во времени. При идентификации
опасностей необходимо исходить из принципа «все воздействует на все». Опасности не
обладают избирательным свойством, при своем возникновении они негативно воздействуют
на всю окружающую их материальную среду.
Опасности – центральное понятие в безопасности жизнедеятельности.
Различают опасности естественного и антропогенного происхождения. Естественные
опасности обуславливают стихийные явления, климатические условия, рельеф местности т.п.
Вредный фактор – негативное воздействие на человека, которое приводит к
ухудшению самочувствия или заболеванию.
Травмирующий (травмоопасный) фактор – негативное воздействие на человека,
которое приводит к травме или летальному исходу. Перефразируя аксиому о потенциальной
опасности, сформулированную О.Н. Русаком, можно констатировать: Жизнедеятельность
человека потенциально опасна.
Значительным техногенным опасностям подвергается человек при попадании в зону
действия технических систем: транспортные магистрали; зоны излучения радио-и
телепередающих систем, промышленные зоны и т.п. Уровни опасного воздействия на
человека в этом случае определяются характеристиками технических систем и
длительностью пребывания человека в опасной зоне. Вероятно проявление опасности и при
использовании человеком технических устройств на производстве и в быту; электрические
сети и приборы, станки, ручной инструмент, газовые баллоны и сети, оружие и т.п.
Возникновение таких опасностей связано как с наличием неисправностей в технических
устройствах, так и с неправильными действиями человека при их использовании. Уровни
возникающих опасностей при этом определяются энергетическими показателями
технических устройств.
Мир опасностей, весьма широк и непрерывно нарастает. В производственных,
городских, бытовых условиях на человека воздействует, как правило, несколько негативных
факторов. Комплекс негативных факторов, действующих в конкретный момент времени,
зависит от текущего состояния системы «человек-среда обитания».
3. Роль инженера в обеспечении безопасности жизнедеятельности
Практическое обеспечение безопасности жизнедеятельности при проведении
технологических процессов и эксплуатации технических систем во многом определяется
решениями и действиями инженеров и техников. Руководитель производственного процесса
обязан [1]:
- обеспечивать оптимальные (допустимые) условия деятельности на рабочих местах
подчиненных ему сотрудников;
- идентифицировать травмирующие и вредные факторы, сопутствующие реализации
производственного процесса;
- обеспечивать применение и правильную эксплуатацию средств защиты работающих
и окружающей среды;
18
- постоянно (периодически) осуществлять контроль условий деятельности, уровня
воздействия травмирующих и вредных факторов на работающих;
- организовывать инструктаж или обучение работающих безопасным приемам
деятельности;
- лично соблюдать правила безопасности и контролировать их соблюдение
подчиненными;
- при возникновении аварий организовывать спасение людей, локализацию огня,
воздействия электрического тока, химических и других опасных воздействий.
Разработчик технических средств и технологических процессов на этапе
проектирования и подготовки производства обязан:
- идентифицировать травмирующие и вредные факторы, возникновение которых
потенциально возможно при эксплуатации разрабатываемых технических систем
и
реализации производственных процессов в штатных и аварийных режимах работы;
- применять в технических системах и производственных процессах экобиозащитную
технику с целью снижения вредных воздействий до допустимых значений;
- определить риск возникновения травмоопасного воздействия в системе и снизить
его значение до допустимого уровня применением защитных устройств и других
мероприятий;
- обеспечить конструктивными решениями непрерывный (периодический) контроль
за состоянием защитных средств и параметров или процесса, влияющих на уровень их
безопасности и экологичности;
- сформулировать требования к уровню профессиональной подготовки оператора
технических систем или технологических процессов; 42
- при выборе технического решения обеспечить малоотходность производства и
максимальную эффективность использования энергоресурсов.
Задачи специалиста в области безопасности жизнедеятельности сводятся к
следующему:
- контроль и поддержание допустимых условий (параметры микроклимата, освещение
и др.) жизнедеятельности человека в техносфере;
- идентификация опасностей, генерируемых различными источниками в техносферу;
- определение допустимых негативных воздействий производств и технических
систем на техносферу;
- разработка и применение экобиозащитной техники для создания допустимых
условий жизнедеятельности человека и его защиты от опасностей;
- обучение работающих и населения основам безопасности жизнедеятельности в
техносфере.
4. Образование в области безопасности жизнедеятельности
Основы образования в области безопасности в нашей стране были положены в 30-х
годах XX столетия, а подготовка специалистов в области БЖД начата недавно, лишь в 90-х
годы.
Образование - процесс и результат усвоения систематизированных знаний, умений и
навыков. Основной путь получения образования - обучение в учебных заведениях.
Сегодня образовательная структура выглядит следующим образом [1].
Первый - общеобразовательный уровень, которым должен владеть каждый, обязан
обеспечить подготовку на уровне знания и понимания проблем БЖД, он должен вооружить
19
человека навыками и приемами личной и коллективной безопасности. Реализуется этот
уровень подготовки введением в средней школе дисциплины «Основы БЖД».
Второй уровень образования по БЖД - подготовка инженерно-технических
работников (ИТР) всех специальностей, поскольку создаваемая и эксплуатируемая техника и
технология являются основными источниками травмирующих и вредных факторов,
действующих в среде обитания. Разрабатывая новую технику, инженер обязан обеспечить не
только ее функциональное совершенство, технологичность и приемлемые экономические
показатели, но и достичь требуемых уровней ее экологичности и безопасности в техносфере.
С этой целью инженер при проектировании или перед эксплуатацией техники должен
выявить все негативные факторы, установить их значимость, разработать и применить в
конструкции машин средства снижения негативных факторов до допустимых значений, а
также средства предупреждения аварий и катастроф.
Поскольку повышение экологичности современных технических систем часто
достигается применениями экобиозащитной техники, ИТР обязан знать, уметь применять и
создавать новые средства защиты, особенно в области своей профессиональной
деятельности. Вместе c тем ИТР обязан понимать, что в области охраны природы
наибольшим защитным эффектом обладают малоотходные технологии и производственные
циклы, включающие получение и переработку сырья, выпуск продукции, утилизацию и
захоронение отходов, а в области безопасности -системы с высокой надежностью,
безлюдные технологии и системы с дистанционным управлением.
Решение задач БЖД при проектировании и эксплуатации технических систем
невозможно без знания инженером уровней допустимых воздействий негативных факторов
на человека и природную среду, а также знания негативных последствий, возникающих при
нарушении; этих нормативных требований.
Рассмотренным выше блоком знаний в области БЖД должны владеть специалисты
всех отраслей экономики, но прежде всего специалисты в области энергетики, транспорта,
металлургии, химии и ряда других отраслей промышленного производства. Обучения этого
уровня в вузах целесообразно вести на основе дисциплины «Безопасность
жизнедеятельности» с изучением отдельных вопросов безопасности труда в базовых курсах
специальности или специализации.
Третий уровень образования необходим для подготовки инженеров по безопасности
жизнедеятельности - специалистов, профессионально работающих в области защиты
человека и природной среды. К ним относятся прежде всего специалисты по контролю
безопасности техносферы и экологичности технических объектов, мониторингу окружающей
среды в регионах, эксперты по оценке безопасности техносферы и экологичности
технических объектов, проектов и планов; инженеры-разработчики экобиозащитных систем
и защитных средств. Основной задачей деятельности таких специалистов должна быть
комплексная оценка технических систем и производств с позиций БЖД, разработка новых
средств и систем экобиозашиты, управление в области БЖД на промышленном и
региональном уровнях.
Для реализации этого уровня образования в нашей стране с 1994 г, введены новые
специальности: 330100 «Безопасность жизнедеятельности», 330200 «Инженерная защита
окружающей среды» (по отраслям), 330500 «Безопасность технологических процессов и
производств» (по отраслям), 330600 «Защита в чрезвычайных ситуациях», а также направление 553500 «Защита окружающей среды». Вузы активно откликнулись на это
решение. Уже открыта подготовка кадров более чем в 60 вузах, в том числе в Москве
(МГТУ, МГАТУ, МИСиС, АГЗ, ГАНГ и др.), Санкт-Петербурге (С.-ПГТУ и др.), Тольятти
20
(ТГУ), на Урале (УГТУ и др.) и в других регионах России. Государственные требования к
минимуму учебных дисциплин по направлению 553500 и специальностям группы 330000
определены соответствующими государственными стандартами.
Четвертый уровень образования - внедрение как общего курса БЖД, так и
специализированных курсов по безопасности и экологичности в системах МИПК и ФПК.
5. Методика освоения предмета
При изучении курса ″Безопасность жизнедеятельности″ необходимо иметь в виду,
что изложеный в учебном пособии материал, во-первых, содержит лишь тот минимум
сведений, которым должен руководствоваться будущий специалист вне зависимости от
своей конкретной инжнерной специализации. Следовательно данное учебное пособие
является общеобразовательным, преследующим цель усвоения единой системы
обязательного образования инженеров в области безопасности жизнедеятельности, которая
обеспечит стабильный минимально необходимый уровень подготовки специалистов. Вовторых, настоящий курс безопасности жизнедеятельности позволяет главным образом
усвоить общепринятые и общеметодические основы предмета, состовляющие базис этой
научно-технической дисциплины.
Чтобы хорошо освоить содержание курса ″Безопасность жизнедеятельности″ по
данному учебному пособию следует руководствоваться следующими рекомендациями.
1. В обязательном порядке проработать вопросы, помещенные в конце каждого
раздела. Если какие-либо вопросы вызывают затруднения, то необходимо воспользоваться
дополнительной литературой или
получить исчерпывающую консультацию у
преподавателя.
2. Не остовляйте ни один вопрос без внимания. Любой пропущенный раздел
неизбежно потребует возврата к предыдущему материалу.
3. Необходимо помнить, что безопасность жизнедеятельности является комплексной
научно-технической дисциплиной, понятийный аппарат которой и методология в
значительной мере опираются на базовые естественнонаучные знания математики, физики,
химии, биологии, и т.д. Поэтому углубленное изучение курса безопасности
жизнедеятельности связано с необходимостью проработки отдельных разделов этих
естественнонаучных дисциплин.
4. При изучении курса обратите особое внимание на взаимосвязь теории и практики,
аналитических методов исследования и решения прикладных задач. Постарайтесь понять и
открыть для себя смысл синтеза теории и практики в решении конкретных проблем по
охране человека и окружающей среды от негативных факторов техносферы.
5. Основными рекомендуемыми источниками для углубленного изучения предмета,
на основе которых составлено настоящее пособие, являются:
- Учебник для вузов “Безопасность жизнедеятельности” под общей редакцией С.В. Белова.
- Учебник для вузов “Экология”. А.С. Степановских.
- Учебное пособие “Инженерная экология. Общий курс”под общей редакцией И.И. Мазура
- Учебник для вузов ”Гражданская оборона” под редакцией Д.И. Михайлика.
- Учебник для вузов ”Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических
процессов и производств (Охрана труда) ” под общей редакцией В.Л. Лапина.
21
Раздел 1. ЭКОЛОГИЯ
1.1. Основы экологии
1.1.1 Содержание, предмет и задачи экологии
Экология в буквальном переводе означает наука о ″доме″ ( от греч. ″ойкос″ – местообитания, жилище, дом и ″логос″ – учение). Впервые этот термин и общее определение
экологии было сделано немецким биологом Э.Геккелем в 1866 году. Экология приобрела
практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый
индивидум для того, чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей
его среде или о силах природы, растениях и животных. Можно утверждать, что цивилизация
возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия,
позволяющие ему изменять среду своего обитания. Как и другие области знания, экология
развивалась непрерывно, но неравномерно на протяжении истории человечества.
Как показано [2] содержание современной экологии лучше всего можно определить
исходя из концепции уровней организации, которые составляют своеобразный
″биологический центр″.
Сообщество, популяция, организм, орган, клетка и ген – основные уровни
организации жизни. Расположены в иерархическом порядке – от крупных систем к малым.
На каждом уровне или ступени в результате взаимодействия с окружающей физической
средой (энергией и веществом) возникают характерные функциональные системы. Под
системой понимают упорядочнно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты,
образующие единое целое. Экология изучает главным образом системы выше уровня
организма: популяционные, экологические.
Самая крупная и наиболее близкая к идеалу по ″самообеспечению″ является
биологическая систем – биосфера. Она включает все живые организмы земли, находящиеся
во взаимодействии с физической средой Земли как единое целое, что бы поддерживать эту
систему в состоянии устойчивого равновесия, получая поток энергии от Солнца, ее
источника, и переизлучая эту энергию в космическое пространство. Иерархический подход
дает удобную основу для подразделения и изучения экологических ситуаций. На этом
основании можно дать определение экологии как науки, ее содержания, предмета и задач.
Экология – это наука исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых
ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учетом
изменений, вносимых в среду деятельностью человека.
Основным
содержанием
современной
экологии
является
исследование
взаимотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом
уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов
(экосистем), биосферы, их продуктивности и энергетики.
В экологии главное не изучение существ, а изучение состояния среды обитания и
процессов взаимодействия существ со средой обитания. Объектами экологии являются
биосфера (область распространения жизни на земле, состав, структура и энергетика которой
определяются главным образом прошлой или современной деятельностью живых
организмов), экосистема, сообщество ( биоценоз – совокупность животных, растений и
микроорганизмов, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными
условиями жизни) популяция организмов, биотоп ( участок среды обитания биоценоза –
22
животных, растений, микроорганизмов, характеризующийся относительно однородными
условиями ). Другими словами- предметом исследования экологии является биологические
макросистемы (популяции, биоценозы) и их динамика во времени и в пространстве.
Основные задачи экологии могут быть сведены к изучению динамики популяций, к
учению о биоценозах и экосистемах. Структура биоценозов, на уровне формирования
которых происходит освоение среды, способствует наиболее экономичному и полному
использованию жизненных ресурсов. С этой точки зрения главная теоретическая и
практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть законы этих процессов и
научиться управлять ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей
планеты.
В экологии используются методы исследований и понятия, применяемые и в других
науках - биологии, математике, физике, химии и т.д. Многие же методы исследований
свойственны исключительно экологии.
Основные методы экологических исследований: полевые, экспериментальные
исследования с использованием экосистемного подхода, изучения сообществ (синэкология),
популяционного подхода (демэкология), анализ местообитаний, эволюционного и
исторических подходов.
Экологическое воспитание и просвещение (формальное и неформальное образование в
области окружающей среды) - это формирование у человека сознательного восприятия
окружающей природной среды, убежденности в необходимости бережного отношения к
природе, к разумному использованию ее богатств, пониманию важности приумножения
естественных ресурсов. В современных условиях экологическое воспитание и просвещение основы основ процесса гармонизации взаимодействия общества с природой.
Задача такого воспитания является сложной, комплексной, приобретающей все
большую актуальность. Ее решение способствует формированию у человека
высокосознательного, ответственного отношения к обеспечению благоприятной по качеству
окружающей среды. В эту задачу входит пробуждение широкой инициативы и активной
жизненной позиции граждан, которые требуются для решения экологической проблемы.
Экологическое просвещение должно привить человеку в первую очередь знания и
навыки разумного общения с природой.
1.1.2 Основные термины и определения
На современном этапе развития экология обязана изучать не только связи организмов
и законы функционирования надорганизменных систем, но и обосновывать рациональные
формы взаимоотношений природы и человеческого общества.
Необходимо повышать эффективность использования природных ресурсов, сохраняя
при этом состояние окружающей среды
На первый
план выдвигаются вопросы биологической продуктивности к
стабильности природных и искусственных сообществ.
В настоящее время экология представляет собой разветвленную систему наук [2]. Она
делится на общую экологию, изучающую закономерности связи со средой, присущие всем
группам организмов, и на частные направления, по экологической специфике отдельных
групп (экология микроорганизмов, растений, млекопитающих, птиц, рыб, насекомых,
человека). В ней выделяются такие области, как аут- и синэкология, экология популяций.
23
Физиологическая экология выявляет закономерности физиологических изменений,
лежащих в основе адаптации организмов.
Биохимическая экология
(бурно развивающаяся в последние годы) изучает
молекулярные механизмы приспособительских преобразовании в организмах в ответ на
изменение среды.
Палеоэкология изучает экологические связи вымерших групп.
Эволюционная экология посвящена экологическим механизмам преобразования
популяций.
Морфологическая экология изучает закономерности строения органов и структур в
зависимости от условий обитания.
Геоботаника изучает закономерности сложения и распределения фитоценозов.
Существуют также экология наземных экосистем, экология ландшафтов и пр.
Математическая экология - перевод эмпирически накопленных сведений и
закономерностей в математические модели, позволяющие прогнозировать состояние и
поведение популяций и сообществ.
Промышленная экология - дисциплина, изучающая поведение и адаптацию живых
организмов в условиях производственной деятельности и развития человеческой
цивилизации.
Охрана природы - система естественнонаучных, технико-производственных,
экономических и административно-правовых мероприятий, осуществляемых с целью
сохранения и контролируемого изменения природы в интересах развивающегося
человечества, на поддержание и увеличение ее продуктивности, обеспечение рационального
использования природных ресурсов и окружающей среды.
Охрана окружающей среды - это совокупность мероприятий, обеспечивающих
функционирование природных систем в пределах, необходимых с точки зрения здоровья,
благосостояния человека и удовлетворения его социальных и экономических потребностей в
конкретных исторических и региональных условиях.
Если сравнить охрану окружающей среды с экологией, то можно подчеркнуть, что
экология изучает условия существования живых организмов и взаимоотношения их со
средой обитания, причем рассматриваются самые различные аспекты проблемы:
географические, биологические, эволюционные и пр. Однако основной предмет изучения
экологии - это воздействие человека на природу и его последствия, то есть экология в
основном является биологической наукой. Охрана же окружающей среды занимается
преимущественно разработкой мероприятий по защите природы от воздействия человека,
то есть уклон делается на техническое решение проблемы.
При сравнении охраны окружающей среды с охраной труда можно отметить много
общего, как в характере решаемых задач, так и в подходе к их решению. Глобальное же
различие в том, что охрана окружающей среды распространяется не только на людей,
непосредственно занятых в производстве, но и на всех людей вообще, на всю фауну и флору,
сооружения, конструкции, жилища, предметы обихода и пр.
Среда обитания - та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он
непосредственно взаимодействует. На нашей планете организмы освоили четыре основных
среды обитания. Первой средой, в которой возникла и распространилась жизнь, была водная.
В последующем живые организмы овладели наземно-водной и воздушной средой, создали и
заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами живые организмы,
каждый из которых представляет собой целый мир для населяющих его паразитов.
24
Окружающая среда - это среда обитания и производственной деятельности человека.
Иначе говоря, под окружающей средой понимают целостную систему взаимосвязанных
природных и антропогенных объектов и явлений, в которых протекают труд, быт и отдых
людей. Понятие "окружающая среда" включает природные, социальные и искусственно
создаваемые физические, химические и биологические факторы, то есть все то, что
воздействует на индивидуума. Ее основные составляющие:
- воздушная среда (нижняя часть атмосферы - тропосфера);
- водная среда (гидросфера);
- животный мир (человек, домашние и дикие животные);
- растительный мир (культурные и дикие растения, в том числе растущие в воде);
- почва (растительный слой);
- недра (верхняя часть земной коры, в пределах которой возможна добыча полезных
ископаемых);
- климатическая среда;
- бытовая среда.
Воздушная среда может быть наружной, в которой люди проводят, как правило,
меньшую часть времени (до 10-15%); внутренней производственной (до 25-30%) и
внутренней жилой (до 60-70%).
Часто воздух у поверхности земли имеет различные примеси, особенно в городах: там
он содержит более 40 ингредиентов, чуждых природной воздушной среде. Внутренний
воздух в жилых помещениях имеет, как правило, повышенное содержание углекислого газа,
а внутренний воздух производственных помещений обычно содержит примести, характер
которых определяется технологией производства.
Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в
основном сосредоточены в океане, содержащем 1 млрд. 375 млн. км куб. - около 98% всей
воды на Земле. Поверхность. океана (акватория) составляет 361 млн. км кв. Она примерно в
2,4 раза больше площади суши.
Воды классифицируются на соленые, солоноватые и пресные. Для производственной
деятельности человека и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода,
количество которой составляет всею 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень
малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть
пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, а также в реках ; подземных
водах.
Климатическая среда. Развитие органического мира, развитие всех внешних оболочек
нашей планеты происходило в результате взаимодействия сложнейших геологических
процессов и климатических условий. Под действием геологических процессов менялся и
состав атмосферы и гидросферы, мощные извержения вулканов сотрясали земную кору, и
все это, в конечном счете приводило к изменению климата. Еще более очевидно влияние
климата, т.е. процессов в атмосфере на ландшафт планеты. "Кухней погоды" на планете
считается Мировой океан, а источником энергии для всех мощных планетарных
атмосферных (и не только атмосферных) процессов является Солнце.
Бытовая среда - это отдельная специфическая среда обитания человека, в которой он
проводит большую часть своей жизни. Поэтому особо важно обеспечение безопасных и
безвредных условий обитания человека в бытовой среде.
25
1.1.3 Экосистема
Многообразные живые организмы всречаются на Земле не в любом сочетании, а в
процессе совместного существования образуют биологические единства сообщества, или
биоценозы [2].
Термин ″биоценоз″ (от лат. биос – жизнь, ценоз – общий) был предложен К. Мебиусом
в 1877 г. По его определению, биоценоз – ″это объединение живых организмов″,
соответствующее по своему составу, числу видов и особей некоторым средним уровням
среды, объединение, в котором организмы связаны взаимной зависимостью и сохраняются
благодаря постоянному размножению в определенных местах. В настоящее время получило
широкое распространение следующее определение : биоценоз – это совокупность популяций
всех видов живых организмов, населяющих определенную географическую территорию,
отличающуюся от других соседних территорий по химическому составу почв, вод, а также
по ряду физических показателей (высота над уровнем моря, величина солнечного облучения и
т.д.). В состав биоценоза таким образом , входят такиие компоненты, как растительный. Он
представлен тем или иным растительным сообществом – фитоценозом; животный
компонент – зооценоз; микроорганизмы.
Компоненты, относящиеся к неживой природе, образуют косное единство – экотоп.
Относительно однородное по абиотическим факторам среды пространство, занятое
биоценозом, называют биотопом.
Приспособленность членов биоценоза к совместной жизни выражается в
определенном сходстве требований к важнешим абиотическим условиям среды и
закономерных отношениях друг с другом.
Биоценоз и биотоп оказывают друг на друга взаимное влияние, выражающееся
главным образом в непрерывном обмене энергией как между двумя состовляющими, так и
внутри каждой из них. Масштаб биоценотических группировок организмов весьма различен,
от сообществ, например, подушек лишайников на стволах деревьев до населения
ландшафтов: лесов, степей, пустынь т.д. Между биоценотическими группировками разных
масштабов принципиальной разницы нет. Увеличение масштабов сообществ усиливает их
сложность и долю непрямых, косвенных связей между видами. Например, все живое
население лишайниковых и моховых подушек на стволе дерева является частью более
крупного сообщества организмов, связанного с этм деревом и включающего подкоровых и
наствольных его обитателей, население кроны, ризосферы и т.д. Вместе с тем данная
группировка лишь одна из сотавных частей лесного биоценоза, входящего в более сложные
комплексы, которые образуют в итоге весь живой покров Земли.
Естественные обединения живых существ имеют собственные законы сложения,
функционирования и развития.
Экосистемы. Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение неразделимо
связаны друг с другом, находятся в постоянном взаимодействии. Любая единица
(биосистема), включающая все совместно функционирующие организмы (биотическое
сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом,
что поток энергии создает четко определенные структуры и круговорот веществ между
живой и неживой частями, представляет собой экологическую систему или экосистему.
Термин "экосистема" был предложен в 1935 г. английским экологом А.Тенсли,
который подчёркивал тем самым, что органические и неорганические факторы выступают
как равноправные компоненты, и мы не можем отделить организмы от конкретной
окружающей их среды. А.Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы
26
на поверхности Земли, хотя они и не имеют определённого объёма и могут охватывать
пространство любой протяжённости.
В настоящее время широкое распространение получило следующее определение
экосистемы. Экосистема – это любая совокупность организмов и неорганических
компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ. Следует
подчеркнуть, что свокупность специфического физико-химического окружения (биотопа) с
сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему.
А. Тенсли (1935) предложил следующее соотношение:
Экосистема = Биотоп + Биоценоз
Масштабы экосистемы в природе чрезвычайно различны. Неодинакова и степень
замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, то есть многократность
вовлечения одних и тех же атомов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно
рассматривать и подушку лишайников на стволе дерева, И небольшой временный водоём,
луг, лес, степь, пустыню, весь океан, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.
В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их
стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества
извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоёмы,
ручьи, реки, участки на крутых склонах гор.
Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и
относительно автономны (леса, луга, озера и т.д.). Однако ни одна, даже самая крупная
экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно
обмениваются веществом с океанами, причем большую роль здесь играет атмосфера, и вся
наша планет часть материи получает из космического пространства, а часть отдает в космос.
В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в
иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является
одним из необходимых условии ее существования. Запасы биогенных элементов, из которых
строят тела живые организмы, на Земле в целом и на каждом конкретном участке ее
поверхности небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим законам
свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни.
Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные
группы организмов. Таким образом, функционально-экологическое разнообразие живых
существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы древнейшее свойство жизни.
Параллельно с развитием концепции экосистем успешно развивается учение о
биогеоценозах, автором которого был академик В.Н. Сукачёв (1942). По его определению,
биогеоценоз – ″это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных
природных явлений (атмосферы, горгной породы, почвы и гидрологических условий),
имеющая свою особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и
определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями
природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектической единство,
находящееся в постоянном движении, развитии″ (рис.1.1).
27
Рис.1.1 Схема взаимодействия компонентов биогеоценоза
Экосистема и биогеоценоз - близкие по сути понятия, но если первое из них
применяется для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, то
биогеоценоз - понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты
определёнными единицами растительного покрова фитоценозами.
Биогеоценология (наука о биогеоценозах) выросла из геоботаники и направлена на
изучение экосистем в конкретных условиях ландшафта в зависимости от свойств почвы,
рельефа, характера окружения биогеоценоза и составляющих его первичных компонентов горной породы, животных, растений, микроорганизмов.
Биогеоценология рассматривает поверхность Земли как сеть соседствующих
биогеоценозов, связанных между собой через миграцию веществ, но, тем не менее,
автономных по своим круговоротам.
Как отмечено в [2] обе концепции - экосистем и биогеоценозов - дополняют и
обогащают друг друга, позволяя развивать функциональные связи сообществ и окружающей
их неорганической среды в разных аспектах и с разных точек зрения.
1.1.4 Биосфера
Существующие на Земле экосистемы разнообразны. Выделяют микроэкосистемы
(например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд ит.д.), макроэкосистемы
(континент, океан идр.) и глобальную – биосфера. Крупные наземные экосистемы называют
биомами [2].
Биосфера (греч. биос - жизнь, сфера - шар) - это наружная оболочка Земли, область
распространения жизни, включающая все живые организмы и все элементы неживой
природы, образующие среду обитания живых организмов.
Одна из гипотез возникновения биосферы (А. Опэрин-Холдейн ) предполагает, что
первичная атмосфера Земли состояла из аммиака, метана, водорода, углекислого газа, а
первичная литосфера и гидросфера были насыщены простейшими углеводородами. Под
28
действием сверхмощных электрических разрядов молнии, ультрафиолетового излучения,
высоких температур, радиации в первородном океане зародились первичные сахара,
аминокислоты, азотистые основания (составные части белков) и нуклеиновые кислоты,
энергоносители. Из коллоидных сгущений живого вещества – коацерватных капель возникали первичные примитивные организмы - протобионты. Так зародилась биосфера. С
момента возникновения первых живых организмов до появления кислорода в атмосфере
прошло не менее I млрд. лет. И еще 2,5 млрд. лет его было ничтожно мало 1 - 2%.
Атмосфера с высоким содержанием кислорода сформировалась 500...600 млн. лет назад,
когда окончательно сложился современный биотический круговорот веществ. Каждый шаг в
эволюции жизни определял и развитие биосферы. В определенные, экологически
специфические периоды, сбалансированность биотического круговорота веществ
нарушалась: из круговорота выводились излишки, которые депонировались в виде нефти,
каменного угля, известняков и других минералов органического происхождения.
В свете новых данных, раннее зарождение жизни произошло в пределах Солнечной
системы. Химическая эволюция вещества Земли совершилась еще в космических условиях
до зарождения Солнечной система. Далее космохимическая гипотеза жизни предполагает
два пути: либо химическая эволюция, начавшись в космических условиях, продолжалась в
условиях Земли, либо образование первых сложных молекул ДНК произошло в космических
условиях, а полная реализация возможностей ДНК наступила в первых водоемах нашей
планеты. Согласно этой гипотезе первая биосфера была гетеротрофной - восстановительной.
Затем, 4 млрд. лет тому, назад произошел перелом от гетеротрофной к автотрофной
(окислительной) биосфере. В дальнейшем эволюция биосферы происходила и происходит
как разрешение противоречия между безграничной способностью организмов к
размножению и органичностью минеральных ресурсов. Противоречие разрешалось путем
овладения новыми источникам вещества и энергии и приобретением живыми организмами
новых качеств приспособления.
Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты,
которая находится в непрерывном обмене с этими организмами [2].
По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три
среды: атмосферу, гидросферу и литосферу (рис. 1.2). Основные компоненты геосферы
Земли представлены в табл. 1.1.
Основоположником современного учения о биосфере является выдающийся русский
геохимик В.И. Вернадский (1868-1945). В 1920-х гг. академик Вернадский разработал
представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход
геохимических и энергетических превращений определяется живым веществом, то есть
совокупностью живых организмов и биосферы. Употребив в 1926 г. термин "биосфера",
предложенный в 1875 г. австрийским зоологом Э.Зюссом, Вернадский внес в него новый
смысл. По Вернадскому, биосфера - это та область пашен планеты, в которой существуют
или когда-либо существовала жизнь, и которая постоянно подвергается или подвергалась
воздействию живых организмов. Иначе говоря, биосфера - это та область Земли, которая
охвачена влиянием живого вещества. Жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, а
живые организмы порождают всеобщий планетарный процесс миграцию химических
элементов. движение земных атомов. Живое вещество рассматривается Вернадским в
качестве носителя свободной энергии и биосфере.
Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно
мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много,
они обладают высоким
29
потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и представляют
особый, глобальный фактор, преобразующий нашу планету.
Рис 1.2 Общая структура Земли
Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни (В.И.
Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым
веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу,
химический состав и энергию.
Косное вещество, по Вернадскому, - совокупность тех веществ в биосфере, в
образовании которых живые организмы не участвуют.
Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых
организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь,
битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в
нем малодеятельны.
Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский (1926) писал, что
оно ″создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами,
представляя системы динамического равновесия тех и других″. Организмы в биокосном
веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом, - это почва,
кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле
живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена
влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее
поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не
все химические элементы таблицы Менделеева.
Структура биосферы подробно рассмотрена в [2].
30
Таблица 1.1
Основные компоненты геосферы Земли
Показатели
Глубина
(толщина),км
Объем,1018
м3
Плотность,
г/см3
Масса, 10 21г
Процент от
общей массы
Земли
Атмос
фера
1000 1300 (до
2000)
1320
Гидросфера
Литосфера
Мантия
Средняя для океана –
3,8.
Максимум 11,022 (по
другим данным 11,034)
1,4
Средняя- около17,
континенты - в среднем
35 (до 70), под океанами
- 5-7
до 2900
Ядро
Земли
2900-6371
10,2
896,6
175,2
У
поверхно
сти
Земли10-3, на
высоте
750 км –
10-16
5,15 - 5,9
0,99 - 1,03
2,7 - 3,32
3,32 - 5,68
9,43 - 17,20
1455,8
5⋅104
405⋅104
188⋅10 4
Около 10-
0,02
0,48
67,2
32,3
8
Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами
можно разделить на три подсферы: аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом
жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу - глобальный мир воды (водная
оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами; геобиосферу - верхнюю
часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.
Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом пресных, вод
- аквабиосферу (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосферу (с
маринобионтами).
Геобиосфера состоит: из области жизни на поверхности суши - террабиосферы (с
террабионтами), которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек
деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю
кору выветривания) с педобионтами; из литобиосферы - жизни в глубинах Земли (с
литобионтами, живущими в порах горных пород). Литобиосфера распадается на два слоя:
гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера) и
теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в
толще литосферы существует в основном в подземных водах.
Подобные слои существуют и в гидробиосфере, но они связаны главным образом с
интенсивностью света. Выделяют три слоя: фотосферу - относительно ярко освещенный,
дисфотосферу - всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции), афотосферу абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.
Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель
воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с
поверхности Земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых
облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий
слой, чем атмосферная тропосфера. Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной
31
микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Над ней простирается пространство, куда
жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, парабиосфера.
На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и
вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных
поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще
достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, расположена
высотная часть террабиосферы - эоловая зона. Это царство членистоногих и некоторых
микроорганизмов - эолобионтов. Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах,
она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня
распространения жизни - изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном
давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода
превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может. Жизнь в глубинах Земли
фактически не идет дальше 3 - 4 км, максимум 6 - 7 км и лишь случайно в неактивных
формах может проникнуть глубже - в гипобиосферу (″подбиосфера″ - аналог парабиосферы в
атмосфере). Следует отметить, что здесь, где залегают биогенные породы, образно
выражаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера. Метабиосфера, начинаясь с
поверхности Земли, простирается далеко в глубь литосферы, теряясь там, где процессы
метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.
Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно
биосфера - зубиосфера. Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или,
по В. И. Вернадскому (1926), ″пленкой жизни″.
Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или ″надбиосфера″, где сравнительно
обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима). Под метабиосферой
расположена абиосфера (″небиосфера″).
Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют
мегабиосферой, а вместе с артебиосферой (пространством человеческой экспансии в
околоземной космос) - панбиосферой.
Таким образом, ″поле существования жизни″, особенно активной, по новейшим
данным, ограничено в вертикальном пределе высотой около б км над уровнем моря, до
которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить
хлорофиллоносные растения (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, "обитают лишь
жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами
растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т.
д. Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять
жизнь в виде спор). Верхняя граница жизни определяется озоновым слоем атмосферы,
поглощающим основную часть ультрафиолетовой радиации космоса и расположенным на
высоте 22-25 км от поверхности Земли. Всё живое, поднимающееся выше защитного слоя
озона, погибает. Споры бактерий и грибов обнаружена на высоте 20-22 км, но основная часть
живых организмов сосредоточена в слое до 1-1,5 км.
Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном
океана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около
11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км.
Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3 - 4 км. Таким образом,
вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в
сухопутной - 12 км. Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу
определяет озоновый экран. Более значительны колебания толщи мегабиосферы, охватыва-
32
ющей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших
глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200°С), и не поднимается выше
наибольших плотностей озоного экрана (22 - 24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33 - 35 км.
Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их
назвали ″черными курильщиками″ из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах
около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250°С.
При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (пределы жизни ограничены
точками превращения воды в пар и сворачивания белков). Перегретая жидкая вода
обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать
критическая температура 460°С, при которой при любом давлении вода превращается в пар
и жизнь принципиально невозможна.
Биосфера непрерывна. В ней представлены все формы движения материи и структуры
физические, химические и биологические.
Идеи Вернадского о биосфере намного опередили его время и были в должной мере
оценены лишь во второй половине века, после возникновения концепции экосистем.
Большинство процессов, меняющих в течение геологического времени лик планеты,
рассматривали ранее как чисто физические, химические или физико-химические явления
(размыв, растворение, осаждение, гидролиз и др.). Вернадский впервые создал учение о
геологической роли живых организмов, показав, что деятельность живых существ является
главным фактором преобразования земной коры.
С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему
планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.
В отличие от круговорота веществ, аккумулированная живым веществом продуцентов
солнечной энергии трансформируется в процессе биологического круговорота на каждом
трофическом уровне и, в конечном счете теряется в космическом пространстве по законам
термодинамики (энтропия). Суть живых организмов в том и проявляется, что они способны
извлекать энтропию из пищи, используя упорядоченность её химических связей. Таким
образом, живое вещество биосферы в силу упорядоченности своей организации способно
работать против энтропии, удержать на какое то время аккумулированную солнечную
энергию, прежде чем она будет рассеяна окончательно.
Начиная с работы продуцентов, солнечная энергия запасается живыми организмами
в виде биомассы каждого трофического уровня и теряется в процессе дыхания. Наибольшее
количество запасённой живыми организмами энергии используется деструкторами. При этом
разложение органической массы происходит до углекислого газа и воды, а также
образования гумуса почвы. Последний обладает ещё значительным запасом энергии и
является основой почвенного плодородия. Работа фотосинтеза оценивается в 1⋅1022 Дж/год:
это 0,2% всей поступившей на Землю солнечной энергии. В процессе фотосинтеза
потребляется 480 млрд. тонн веществ, в том числе 341 млрд. тонн СО; 248 млрд. тонн О2
уходит в атмосферу. При этом создаётся 238 млрд. тонн живого вещества. Общая биомасса
организмов Земли оценивается в 2,4232⋅1012 тонн (из них 2,4⋅1012 приходится ни долю
растений). Биомасса суши составляет 2,42⋅1012 тонн, океана - 0,0032⋅1012 тонн.
1.1.5 Среда и условия существования организмов
Различают такие понятия, как среда и условия существования организмов [2].
33
Среда - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них
прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимое для
жизни и в нее же выделяют продукты обмена веществ. Среда каждого организма слагается из
множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых
человеком и его производственной деятельностью. При этом одни элементы могут быть
частично или полностью безразличны организму, другие необходимы, а третьи оказывают
отрицательное воздействие.
Условия жизни, или условия существования, - это совокупность необходимых для
организма элементов среды, с которыми он находится в неразрывном единстве и без которых
существовать не может.
Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Способность к
адаптациям - одно из основных свойств жизни вообще, обеспечивающее возможность ее
существования, возможность организмов выживать и размножаться. Адаптации проявляются
на разных уровнях - от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и
функционирования сообществ и экологических систем. Все приспособления организмов к
существованию в различных условиях выработались исторически. В результате
сформировались специфические для каждой географической зоны группировки растений и
животных.
Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются
экологическими факторами.
Многообразие экологических факторов подразделяется на две большие группы:
абиотические и биотические.
Абиотические факторы - это комплекс условий неорганической среды, влияющих на
организм.
Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних
организмов на другие.
В отдельных случаях антропогенные факторы выделяют в самостоятельную группу
факторов наряду с абиотическими и биотическими, подчеркивая тем самым чрезвычайное
действие антропогенного фактора. Более правильно классифицировать его как часть
факторов биотического влияния, так как понятие «биотические факторы» охватывает
действия всего органического мира, к которому принадлежит и человек [2]. Совокупность
факторов одного рода составляет верхний уровень понятий. Нижний уровень понятий связан
с познанием отдельных экологических факторов.
Влияние факторов среды определяется прежде всего их воздействием на обмен
веществ организмов. Отсюда все экологические факторы по их действию можно
подразделить на прямодействующие и косвеннодействующие. Те и другие могут оказывать
существенные воздействия на жизнь отдельных организмов и на все сообщество.
Экологические факторы могут выступать то в виде прямодействующего, то в виде
косвенного. Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями, например силой и диапазоном действия.
Интенсивность
экологического
фактора,
наиболее
благоприятная
для
жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект пессимумом, т. е. условия, при которых жизнедеятельность организма максимально угнетается, но он еще может существовать. Так, при выращивании растений при различных
температурах точка, при которой наблюдается максимальный рост, и будет оптимумом. В
большинстве случаев это некий диапазон температур, составляющий несколько градусов,
поэтому лучше здесь говорить о зоне оптимума. Весь интервал температур, от минимальной
34
до максимальной, при которых еще возможен рост, называют диапазоном устойчивости
(выносливости) или толерантности. Точки, ограничивающие его, т. е. максимальная и
минимальная, пригодные для жизни температуры, - это пределы устойчивости. Между
зоной оптимума и пределами устойчивости по мере приближения к последним растение
испытывает все нарастающий стресс, т. е. речь идет о стрессовых зонах или зонахугнетения
в рамках диапазона устойчивости (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Зависимость действия экологического фактора от
его интенсивности
По мере удаления от оптимума вниз и вверх по шкале не только усиливается стресс, а
в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибель.
Результаты влияния других факторов графически будут соответствовать кривой
подобного же типа. Повторяемость наблюдаемых тенденций дает возможность сделать
заключение, что здесь речь идет о фундаментальном биологическом принципе. Для каждого
вида растений (животных) существуют оптимум, стрессовые зоны и пределы
устойчивости или выносливости в отношении каждого средового фактора.
При значении фактора, близком к пределам выносливости или толерантности,
организм обычно может существовать лишь непродолжительное время. В более узком
интервале условий возможно длительное существование и рост особей. Еще в более узком
диапазоне происходит размножение, и вид может существовать неограниченно долго.
Обычно где-то в средней части диапазона устойчивости имеются условия, наиболее
благоприятные для жизнедеятельности, роста и размножения. Эти условия называют
оптимальными, в которых особи данного вида оказываются наиболее приспособленными, т.
е. оставляют наибольшее число потомков. На практике выявить такие условия сложно, и
обычно определяют оптимум для отдельных показателей жизнедеятельности - скорости
роста, выживаемости и т. п.
Свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды
обозначается понятием «экологическая пластичность» (экологическая валентность) вида.
35
Чем шире диапазон колебаний экологического фактора, в пределах которого данный вид
может существовать, тем больше его экологическая пластичность.
Виды, способные существовать при небольших отклонениях от фактора, от
оптимальной величины, называются узкоспециализированными, а выдерживающие
значительные изменения фактора - широкоприспособленными. К узкоспециализированным
видам относятся, например, организмы пресных вод, нормальная жизнь которых сохраняется
при низком содержании солей в среде. Для большинства обитателей морей, наоборот,
нормальная жизнедеятельность сохраняется при высокой концентрации солей в окружающей
среде. Отсюда пресноводные и морские виды обладают невысокой экологической
пластичностью по отношению к солености. В то же время, например, трехиглой колюшке
свойственна высокая экологическая пластичность, так как она может жить как в пресных, так
и в соленых водах.
Экологически выносливые виды называют эврибионтньши : маловыносливые стенобионтными . Эврибионтность и стенобионтность характеризуют различные типы
приспособления организмов к выживанию. Виды, длительное время развивающиеся в
относительно стабильных условиях, утрачивают экологическую пластичность и
вырабатывают черты стенобионтности, тогда как виды, существовавшие при значительных
колебаниях факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и
становятся эврибионтными (рис. 1.4).
Рис.1.4 Экологическая пластичность видов (по Одуму, 1975)
Отношение организмов к колебаниям того или иного определенного фактора
выражается прибавлением приставки «эври-» или «стено-» к названию фактора. Например,
по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы, к концентрации
солей - эвристеногалинные, к свету – эври - и стенофотные и др. По отношению ко всем
факторам среды эврибионтные организмы встречаются редко. Чаще всего эври- или
стенобионтность проявляется по отношению к одному фактору. Так, пресноводные и
морские рыбы будут стеногалинными, тогда как ранее названная трехиглая колюшка типичный эвригалинный представитель. Растение, являясь эвритермным, одновременно
может относиться к стеногигробионтам, т. е. быть менее стойким относительно колебаний
влажности.
Эврибионтность, как правило, способствует широкому распространению видов.
Многие простейшие, грибы (типичные эврибионты) являются космополитами и
распространены повсеместно. Стенобионтность обычно ограничивает ареалы. В то же время,
нередко благодаря высокой специализированности, стенобионтам принадлежат обширные
36
территории. Например, рыбоядная птица скопа - типичный стенофаг, а по отношению же к
другим факторам является эврибионтом, обладает способностью в поисках пищи
передвигаться на большие расстояния и занимает значительный ареал.
Все факторы среды взаимосвязаны, и среди них нет абсолютно безразличных для
любого организма. Популяция и вид в целом реагируют на эти факторы, воспринимая их
поразному. Такая избирательность обусловливает и избирательное отношение организмов к
заселению той или иной территории.
Различные виды организмов предъявляют неодинаковые требования к почвенным
условиям, температуре, влажности, свету и т. д. Поэтому на разных почвах, в разных
климатических поясах произрастают различные растения. С другой стороны, в растительных
ассоциациях формируются разные условия для животных. Приспосабливаясь к
абиотическим факторам среды и вступая в определенные биотические связи друг с другом,
растения, животные и микроорганизмы распределяются по различным средам и формируют
многообразные экосистемы, объединяющиеся в биосферу Земли. Следовательно, к каждому
из факторов среды особи и формирующиеся из них популяции приспосабливаются
относительно независимым путем. Экологическая валентность их по отношению к разным
факторам оказывается неодинаковой. Каждый вид обладает специфическим экологическим
спектром, т. е. суммой экологических валентностей по отношению к факторам среды.
1.1.6 Совместное действие экологических факторов
Экологические факторы обычно действуют не поодиночке, а целым комплексом [2].
Действие одного какого-либо фактора зависит от уровня других. Сочетание с разными
факторами оказывает заметное влияние на проявление оптимума в свойствах организма и на
пределах их существования. Действие одного фактора не заменяется действием другого.
Однако при комплексном воздействии среды часто можно видеть «эффект замещения»,
который проявляется в сходстве результатов воздействия разных факторов. Так, свет не
может быть заменен избытком тепла или обилием углекислого газа, но, действуя
изменениями температуры, можно приостановить фотосинтезирование растений или
активность у животных и тем самым создать эффект диапаузы, как при коротком дне, а
удлинив активный период, создать эффект длинного дня. И в то же время это не замещение
одного фактора другим, а проявление количественных показателей экологических факторов.
Это явление широко используется в практике растениеводства и зоотехнии.
В комплексном действии среды факторы по своему воздействию неравноценны для
организмов. Их можно подразделить на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие,
второстепенные). Ведущие факторы различны для разных организмов, если даже они живут
в одном месте. В роли ведущего фактора на разных этапах жизни организма могут выступать
то одни, то другие элементы среды. Например, в жизни многих культурных растений, таких,
как злаки, в период прорастания ведущим фактором является температура, в период
колошения и цветения - почвенная влага, в период созревания - количество питательных
веществ и влажность воздуха. Роль ведущего фактора в разное время года может меняться.
Так, в пробуждении активности у птиц (синицы, воробьи) в конце зимы ведущим фактором
является свет, и в частности длина дня, то летом его действие становится равнозначным
температурному фактору.
Ведущий фактор может быть неодинаков у одних и тех же видов, живущих в разных
физико-географических условиях. Например, активность комаров, мошек, мокрецов в
37
теплых районах определяется комплексом светового режима, тогда как на севере изменениями температуры.
Понятие о ведущих факторах нельзя смешивать с понятием об ограничивающих
факторах. Фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении
(недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного
организма, называется ограничивающим, или лимитирующим. Ограничивающее действие
фактора будет проявляться и в том случае, когда другие факторы среды благоприятны или
даже оптимальны. В роли ограничивающего фактора могут выступать как ведущие, так и
фоновые экологические факторы.
Понятие о лимитирующих факторах было введено в 1840 г. химиком Ю. Либихом.
Изучая влияние на рост растений содержания различных химических элементов в почве, он
сформулировал принцип: «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и
определяется величина и устойчивость последнего во времени». Этот принцип известен под
названием правила, или закона минимума, Либиха.
Поясним закон минимума Либиха на конкретных примерах. В почве содержатся все
элементы минерального питания, необходимые для данного вида растении, кроме одного из
них, например бора или цинка. Рост растении на такой почве будет сильно угнетен или
вообще невозможен. Если мы теперь добавим в почву нужное количество бора (цинка), это
приведет к увеличению урожая. Но если мы будем вносить любые другие химические
соединения (например, азот, фосфор, калий) и даже добьемся того, что все они будут
содержаться в оптимальных количествах, а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст
никакого эффекта.
Рис.1.5 Влияние загрязняющего атмосферного воздух
вещества на организм человека
Точно так же, если кислотность (рН) почвы отклоняется от оптимума, например для
озимой ржи, то никакие агротехнические мероприятия, кроме снижающего кислотность
известкования, не помогут существенно увеличить урожайность этой культуры на данном
поле.
Закон минимума Либиха относится ко всем влияющим на организм абиотическим и
биотическим факторам. Это может быть, например, конкуренция со стороны другого вида,
38
присутствие хищника и паразита. Сформулированный закон применим как к растениям, так
и животным.
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, на что указывал Либих,
но и избыток таких факторов, как, например, тепло, свет и вода. Как уже было отмечено
ранее, организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим
максимумом. Диапазоны между этими двумя величинами принято называть пределами
устойчивости, выносливости или толерантности. Представление о лимитирующем влиянии
максимума наравне с минимумом ввел В. Шелфорд (1913), сформулировавший закон
толерантности. После 1910 г. по «экологии толерантности» были проведены
многочисленные исследования, благодаря которым стали известны пределы существования
для многих растений и животных.
Ценность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она дает экологу
отправную точку при исследовании сложных ситуаций. Изучая конкретную ситуацию,
эколог может выделить слабые звенья и сфокусировать внимание на тех условиях среды,
которые с наибольшей вероятностью могут оказаться критическими или лимитирующими.
Если для организма характерен широкий диапазон выносливости (устойчивости,
толерантности к фактору, отличающемуся относительным постоянством, и присутствует в
среде в умеренных количествах, вряд ли такой фактор является лимитирующим. Наоборот,
если известно, что тот или иной организм обладает узким диапазоном толерантности к какому-то изменчивому фактору, то именно этот фактор и заслуживает внимательного
изучения, так как он может быть лимитирующим. Так, содержание кислорода в наземных
местообитаниях настолько велико и он столь доступен, что редко служит лимитирующим
фактором для наземных организмов, за исключением паразитов, обитателей почв или
больших высот. Тогда как в воде кислорода сравнительно мало, его содержание там нередко
значительно варьируется, и вследствие этого для водных организмов, в первую очередь
животных, он часто служит важным лимитирующим фактором. Поэтому эколог-гидробиолог
всегда имеет наготове прибор для определения количества кислорода V измеряет содержание
этого газа в ходе изучения любой незнакомой ситуации. Экологу же, изучающему наземные
экосистемы, реже приходится измерять содержание кислорода. В целом же смысл анализа
условий среды, например при оценке воздействие человека на природную среду, состоит в
следующем:
- путем наблюдения, анализа и эксперимента обнаружить «функционально важные»
факторы;
- определить, как эти факторы влияют на особей, популяции, сообщества, тогда
удается довольно точно предсказать результат нарушений среды или планируемых ее
изменений.
1.1.7 Круговороты веществ
Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материальноэнергетическими связями [1]. Растения могут существовать только за счёт постоянного
поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, питательных солей. Гетеротрофы (то
есть все живые существа, нуждающиеся в пище органического происхождения) живут за
счёт автотрофов (то есть организмов, использующих в качестве источника для построения
своего тела неорганические соединения), но нуждаются в поступлении таких неорганических
соединений, как кислород и вода. В любом конкретном местообитании законов
39
неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности
населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти законы не возобновлялись.
Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни микроорганизмов,
так и после их смерти в результате разложений трупов и растительных остатков. Таким
образом, сообщество образует с неорганической средой определенную систему. В которой
поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, замыкается в круговорот.
Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или
геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы,
и малый, биологический (биотический), развивающийся на основе большого и состоящий в
непрерывном, циклическом, но неравномерном во времени и пространстве, и
сопровождающийся более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного уровня
организации.
Биологический круговорот как замкнутая система отработан в процессе эволюции за
несколько миллиардов лет. Зелёные растения, используя солнечную энергию, в процессе
фотосинтеза создают первичную органическую продукцию из минеральных веществ,
потребляют углекислоту и выделяют кислород. Животные поедают растения, потребляют
кислород и выделяют углекислоту. Мертвых животных и растения перерабатывают
насекомые, простейшие, грибы, бактерии, и другие деструкторы, которые разрушают их,
превращая в минеральные или простейшие органические вещества, поступающие в почву и
вновь, усваиваемые растениями. При этом биологический круговорот в отличие от
геологического происходит быстро - обновление биомассы суши происходит примерно за 15
лет и только в пределах современной биосферы, однако масштабы его планетарны.
В биологический круговорот вовлекаются огромные количества углекислого газа
кислорода атмосферы, воды, минеральных веществ. Круговорот химических веществ из
неорганических соединений через живую обратно в неорганическую среду с использованием
солнечной энергии называется биогеохимическим циклом. В ходе его атомы поглощаются
живым веществом, заряжаются энергией, а затем покидают живое вещество, отдавая
накопленную энергию во внешнюю среду.
Оба круговорота взаимно связаны и представляют как бы единый процесс.
Подсчитано, что весь кислород, содержащийся в атмосфере, оборачивается через организмы
(связывается при дыхании и высвобождается при фотосинтезе) за 2000 лет, углекислота
атмосферы совершает круговорот в обратном направлении за 300 лет, а все воды на Земле
разлагаются и воссоздаются путем фотосинтеза и дыхания за 2 000 000 лет.
Взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы
сопровождается непрерывным круговоротом вещества между биотопом и биоценозом в виде
чередующихся то органических, то минеральных соединений. Обмен химических элементов
между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого
происходят внутри экосистемы, называют биогеохимическим круговоротом, или
биогеохимическим циклом.
Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции
(гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство
процентного содержания различных элементов. Здесь действует принцип функционирования
экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходят в рамках круговорота
всех элементов.
Рассмотрим некоторые основные биохимические круговороты которые подробно
представлены в [2].
40
1.1.8 Круговорот воды.
Самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на
Земле - это планетарный гидрологический цикл - круговорот воды (рис. 1.6).Каждую секунду
в него вовлекается 16,5 млн м3 воды и тратится на это более 40 млрд МВт солнечной энергии
(Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994). Но данный круговорот - это не только перенос водных
масс. Это фазовые превращения, образование растворов и взвесей, выпадение осадков,
кристаллизация, процессы фотосинтеза, а также разнообразные химические реакции.
Рис.1.6 Общая схема круговорота воды
(по Ромаду, 1981), Цифры – толщина слоя в метрах
В этой среде возникла и продолжается жизнь. Вода - основной элемент, необходимый
для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой
материи. У человека вода составляет 63% массы тела, грибов - 80%, растений – 80 - 90%, а у
некоторых медуз - 98%.
Вода, участвующая в биологическом круговороте и служащая источником водорода и
кислорода, составляет лишь небольшую часть своего общего объема.
В жидком, твердом и парообразном состояниях вода присутствует во всех трех
главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере. Все воды
объединяются общим понятием «гидросферы». Составные части гидросферы связаны между
собой постоянным обменом и взаимодействием. Вода, непрерывно переходя из одного
состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с
поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на
поверхность океана образует малый круговорот. Когда водяной пар переносится
воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. При этом
часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы,
41
но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоками, завершая тем самым
большой круговорот.
Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, а над континентами 2/9.
Замкнутая, бессточная часть суши в 3,5 раза беднее осадками, чем периферийная часть суши.
Вода, выпавшая,.на сушу, в процессе фильтрации через почву обогащается минеральными и
органическими веществами, образуя подземные воды. Вместе с поверхностными стоками
она поступает в реки, а затем в океаны. Поступление воды в Мировой океан (осадки, приток
речных вод) и испарение с его поверхности составляет 1260 мм в год.
Несмотря на относительно малую толщину слоя водяного пара в атмосфере (0,03 м),
именно атмосферная влага играет основную роль в циркуляции воды и ее биогеохимическом
круговороте. В целом для всего земного шара существует один источник притока воды атмосферные осадки и один источник расхода - испарение, составляющее 1030 мм в год. В
жизнедеятельности растений огромная роль воды принадлежит осуществлению процессов
фотосинтеза (важнейшее звено биологического круговорота) и транспирации. Подсчитано,
что 1 га елового леса на влажной почве за год транспирирует около 4000 м3 воды, что эквивалентно 378 мм осадков. Суммарное испарение, или масса воды, испаряемой древесной или
травянистой растительностью, испарившейся с поверхности почвы, играет важную роль в
круговороте воды на континентах. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растений в
процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности
самих растений.
Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных
ледников. Круговорот здесь совершается за 8,0 тыс. лет, что отражает медленное движение и
процесс таяния ледниковых масс. Подземные воды обновляются за 5,0 тыс. лет, воды
океанов - за 3,0 тыс. лет, атмосферные воды - за 10 суток. Наибольшей активностью обмена,
после атмосферной влаги, отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые
11 суток. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и
опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса
динамики вод на земном шаре. Происходящий в природе круговорот самоочищающейся
воды - вечное движение, обеспечивающее жизнь на Земле.
Пресной воды на Земле очень мало. Вместе с зоной активного водоснабжения
подземными водами это лишь 300 млн км3, причем 97% находится в ледниках Антарктиды,
Гренландии, в полярных зонах и горах. Однако естественный круговорот воды гарантирует,
что без воды Земля не останется.
1.1.9 Биотический круговорот
Под биотическим (биологическим) круговоротом понимается циркуляция веществ
между почвой, растениями, животными и микроорганизмами [2]. По определению Н. П.
Ремезова, Л. Е. Родина и Н. И. Базилевич, биотический (биологический) круговорот - это
поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы,
превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их
обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным спадом части органического вещества
или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы (Н. Ф. Реймерс,
1990г.).
Первичный биотический круговорот по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994) состоял
из примитивных одноклеточных продуцентов и редуцентов-деструкторов. Микроорганизмы
42
способны быстро размножаться и приспосабливаться к разным условиям, например
использовать в своем питании всевозможные субстраты - источники углерода. Высшие
организмы такими способностями не обладают. В целостных экосистемах они могут
существовать в виде надстройки на фундаменте микроорганизмов.
Вначале развиваются многоклеточные растения - высшие продуценты. Вместе с
одноклеточными они создают в процессе фотосинтеза органическое вещество, используя
энергию солнечного излучения. В дальнейшем подключаются первичные консументы растительноядные животные, а затем и плотоядные консументы.
Рассмотренный
биотический круговорот суши, в полной мере относится и к биотическому круговороту
водных экосистем, например океана.
Все оргаиизмы-занимают определенное место в биотическом круговороте и
выполняют свои функции по трансформации достающихся им ветвей потока энергии и по
передаче биомассы. Всех объединяет, обезличивает их вещества и замыкает общий круг
система одноклеточных редуцентов (деструкторов). В абиотическую среду биосферы они
возвращают все элементы, необходимые для новых и новых оборотов.
Следует подчеркнуть наиболее важные особенности биотического круговорота.
Фотосинтез относится к мощному естественному процессу, вовлекающему ежегодно
в круговорот огромные массы вещества биосферы и определяющему ее высокий
кислородный потенциал. Он выступает регулятором основных геохимических процессов в
биосфере и фактором, определяющим наличие свободной энергии верхних оболочек земного
шара. Фотосинтез представляет собой химическую реакцию, которая протекает, как
известно, за счет солнечной энергии при участии хлорофилла зеленых растений:
nCO
2
+ nH 2 O + энергия
→ CnH
2n
O n + nO
2
За счет углекислоты и воды синтезируется органическое вещество и выделяется
свободный кислород. Прямыми продуктами фотосинтеза являются различные органические
соединения, а в целом процесс фотосинтеза носит довольно сложный характер.
Глюкоза является простейшим продуктом фотосинтеза, образование которой
совершается следующим путем:
6 CO
2
+ 6H 2O → C 6H
12
O 6 + 6O 2
Помимо фотосинтеза с участием кислорода (так называемый кислородный
фотосинтез) следует остановиться и на бескислородном фотосинтезе, или хемосинтезе.
К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии,
серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по
субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2, CO, H2S, S, Fe2+, Н2. Некоторые виды
- облигатные хемолитоавтотрофы, другие - факультативные. К последним относятся
карбоксидобактерии и водородные бактерии. Хемосинтез характерен для глубоководных
гидротермальных источников.
Фотосинтез происходит за немногим исключением на всей поверхности Земли,
создает огромный геохимический эффект и может быть выражен как количество всей массы
углерода, вовлекаемой ежегодно в построение органического - живого вещества всей
биосферы. В общий круговорот материи, связанной с построением путем фотосинтеза
43
органического вещества, вовлекаются и такие химические элементы, как N, P, S, а также металлы - К, Са, Mg, Na, Al.
При гибели организма происходит обратный процесс - разложение органического
вещества путем окисления, гниения и т. д. с образованием конечных продуктов разложения.
Следовательно, общую реакцию фотосинтеза можно выразить в глобальном масштабе
следующим образом:
 жизнь
→
mCO 2 + nH 2 O
С ⋅ n ( H 2 O ) + mO 2
←
 m
смерть
В биосфере Земли этот процесс приводит к тому, что количество биомассы живого
вещества приобретает тенденцию к определенному постоянству. Биомасса экосферы (2
⋅1012 т) на семь порядков меньше массы земной коры (2 ⋅1019 т). Растения Земли ежегодно
Продуцируют органическое вещество, равное 1,6 ⋅ 1011 т, или 8% биомассы экосферы.
Деструкторы, составляющие менее 1% суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают массу, органического вещества, в 10 раз превосходящую их собственную
биомассу. В среднем период обновления биомассы равен 12,5 годам.
Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит:
″Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом
осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция),
или же она протекает в среде, геохимические особенности которой
(02, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее
время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей
геологической истории″.
В. И. Вернадский дал представление о пяти основных биогеохимических функциях
живого вещества.
Первая функция - газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено
жизнью. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ
растительного происхождения, захороненных ранее в осадочных толщах. Наиболее
распространенный - это болотный газ - метан (СН4).
Вторая функция - концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие
химические элементы. Среди них на первом месте стоит углерод. Содержание углерода в
углях по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть
- концентратор углерода и водорода, так как имеет биогенное происхождение. Среди
металлов по концентрации первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены
остатками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния являются
диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода - водоросли ламинарии, железа
и марганца - особые бактерии. Позвоночными животными накапливается фосфор,
сосредотачиваясь в их костях.
Третья функция - окислительно-восстановительная. В истории многих химических
элементов с переменной валентностью она играет важную роль. Организмы, обитающие в
разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют
кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же
осаждения ряда металлов с переменной валентностью (V, Мn, Ре).
Четвертая функция - биохимическая. Она связана с ростом, размножением и
перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому
44
распространению живых организмов, ″расползанию″ живого вещества в разные
географические области.
Пятая функция - это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая
все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта,
сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории земного шара и
заслуживает внимательного отношения и изучения. Таким образом, все живое
населениенашей планеты - живое вещество - находится в постоянном круговороте
биофильных химических элементов.
Биологический круговорот веществ в биосфере связан с большим геологическим
круговоротом (рис. 1.7).
Рис.1.7 Взаимосвязь малого биологического
круговорота веществ в биосфере с большим
геологическим круговоротом
Круговорот полностью замкнут (Т.А. Акимова, В.В. Хаскин, 1994), когда существует
точное равенство сумм прямых и обратных расходов: ∑ q12 = ∑ q 21 Если же в каком-то из
процессов наблюдаются прирост или утечка (″дефект замкнутости″) ∆ q, то замкнутость
круговорота выражается так:
δ
q
= (g − ∆g ) / q
Величина разомкнутости круговорота:
β q = 1 − δ = ∆q / q
45
Эти величины можно выразить и иначе, сопоставляя продолжительность поддержания
равенства расходов Т со временем исчерпания резервуара ∆ Т при полной остановке
процесса наполнения:
δ
Соответственно: β
T
= 1− δ
T
T
= (T − ∆ T ) / T ,
= ∆T /T ,
Несомненно, высокий уровень системной организации и регуляции мог быть
выработан и отшлифован миллиардолетней эволюцией.
1.1.10 Круговорот углерода
Из всех биогеохимических циклов круговорот углерода, без сомнения, самый
интенсивный. С высокой скоростью углерод циркулирует между различными неорганическими средствами и через посредство пищевых сетей внутри сообществ живых организмов
(рис. 1.8).
В круговороте углерода определенную роль играют СО и СО2 Часто в биосфере Земли
углерод представлен наиболее подвижной формой СО2 Источником первичной углекислоты
биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и
нижних горизонтов земной коры.
Миграция СО2 в биосфере протекает двумя путями [2].
Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием
глюкозы и других органических веществ, из которых построены все растительные ткани. В
дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых
существ экосистемы. Следует заметить, что вероятность отдельно взятого углерода
побывать″ в течение одного цикла в составе многих организмов мала, потому что при
каждом переходе с одного трофического уровня на другой велика возможность, что
содержащая его органическая молекула будет расщеплена в процессе клеточного дыхания
для получения энергии.
Атомы углерода при этом вновь поступают в окружающую среду в составе углекислого газа, таким образом завершив один цикл и приготовившись начать следующий. В
пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы в процессе
фотосинтеза поглощается в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями
во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление
органических веществ с образованием СО2
Атомы углерода возвращаются в атмосферу и при сжигании органического вещества.
Важная и интересная особенность круговорота углерода состоит в том, что в далекие
геологические эпохи, сотни миллионов лет назад, значительная часть органического
вещества, созданного в процессах фотосинтеза, не использовалась ни консументами, ни
редуцентами, а накапливалась в литосфере в виде ископаемого топлива: нефти, угля,
горючих сланцев, торфа и др. Это ископаемое топливо добывается в огромных количествах
для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества. Сжигая
его, мы в определенном смысле завершаем круговорот углерода.
46
По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы
в различных водоемах, где СО2 переходит в H2CО3, НСО1-3, СO2-3. С помощью растворенного
в воде кальция (или агния) происходит осаждение карбонатов биогенным и абиогенным
путями. Образуются мощные толщи известняков. В целом же без антропогенного
вмешательства содержание углерода в биогеохимических резервуарах: биосфере
(биомасса+почва и детрит), осадочных породах, атмосфере и гидросфере, - сохраняется с
высокой степенью постоянства. По Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину (1994), постоянный обмен
углеродом, с одной стороны, между биоcферой, а с другой - между атмосферой и
гидросферой, обусловлен газовой функцией живого вещества - процессами фотосинтеза,
дыхания и деструкции, и составляет около б ⋅1010 т/год.
Рис.1.8 Круговорот углерода
(по И.П. Герасимову, 1980)
Существует поступление углерода в атмосферу и гидросферу и при вулканической
деятельности в среднем 4,5⋅106 т/год. Общая масса углерода в ископаемом топливе (нефть,
газ, уголь и др.) оценивается в 3,2⋅1015 т, что соответствует средней скорости накопления 7
млн т/год. Это количество по сравнению с массой циркулирующего углерода незначительное
47
и как бы выпадало из круговорота, терялось в нем. Отсюда степень разомкнутости
(несовершенства) круговорота составляет 10-4, или 0,01%, а соответственно степень
замкнутости - 99,99%. Это означает, с одной стороны, что каждый атом углерода принимал
участие в цикле десятки тысяч раз, прежде чем выпал из круговорота, оказался в недрах. А с
другой стороны - потоки синтеза и распада органических веществ в биосфере с очень
высокой точностью подогнаны друг к другу.
В. Г. Горшковым (1988) на основе расчетов делается важное заключение: ″Потоки
синтеза и разложение органических веществ совпадают с точностью 10-4 и скоррелированы с
точностью 10-7. Скоррелированность потоков синтеза и распада с указанной точностью
доказывает наличие биологической регуляции окружающей среды, ибо случайная связь
величин с такой точностью в течение миллионов лет невероятна″.
В постоянном круговороте находится 0,2% мобильного запаса углерода. Углерод
биомассы обновляется за 12, атмосферы - за восемь лет. Огромный контраст между
краткостью данных периодов, постоянством и возрастом биосферы подтверждает
высочайшую сбалансированность ″мира углерода″.
Кратко остановимся на круговороте других основных элементов.
Круговорот кислорода. Кислород играет важную роль в жизни большинства живых
организмов на нашей планете. В количественном отношении это главная составляющая
живой материи. Кислородом представлен каждый четвертый атом живого вещества.
Растения, как правило, производят свободный кислород, а животные являются его
потребителями путем дыхания. Круговорот кислорода в биосфере необычайно сложен, так
как с ним в реакцию вступает большое количество органических и неорганических веществ.
Полный круговорот кислорода происходит за 2000 (4000) лет.
Круговорот азота. Азот – незаменимый биогенный элемент, так как он входит в
состав белков и нуклеиновых кислот. Он используется, также как фосфор и сера, для
построения белковых соединений. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку
включает как газовую, так и миниральную фазу, и одновременно самых идеальных
круговоротов. Азот атмосферы переводится в почву в результате разрядов атмосферного
электричества и деятельности азотфиксирующих бактерий. Полный цикл азота составляет
более 110 лет.
Круговорот фосфора. Круговорот фосфора в биосфере связан с процессами обменена
веществ в растениях и животных. Этот важный и необходимый элемент протоплазмы,
содержащийся в наземных растениях и водорослях 0,001 – 0,01%, животных от 0,1 до
нескольких процентов, циркулирует, постепенно переходя из органических соединений в
фосфаты, которые снова могут использоваться растениями.
В соленых морских водах фосфор переходит в состав фитоплактона, служащего
пищей другим оганизмам моря, в последующем накапливаясь в тканях морских животных,
например рыб.
Круговорот серы. Существуют многочисленные газообразные соединения серы, такие
как, сероводород H2S и сернистый ангидрид SO2. Однако преобладающая часть круговорота
этого элемента имеет осадочную породу и происходит в почве и воде.
Основной источник серы, доступный живым организмам, - сульфаты (SO4). Доступ
неорганической серы в экосистеме облегчает хорошая растворимость многих сульфатов в
воде.
1.1.11 Поток энергии в экосистемах
48
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т.
е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем
организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения [2]. Схема потока энергии в
экосистеме представлена на рис.1.9.
В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы,
которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть
использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.
Односторонний приток энергии как универсальное явление природы происходит в
результате действия законов термодинамики. Первый закон гласит, что энергия может
превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную
энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что не
может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой
ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в
недоступную тепловую энергию, а следовательно, теряется. Отсюда не может быть
превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма,
идущих со 100-процентной эффективностью.
Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый
раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном
итоге вся энергия, поступающая в биологический круговорот экосистемы, рассеивается в
виде тепла. Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для
совершения работы – они используют свет и химическую энергию.
Рис.1.1.9 Поток энергии в экосистеме (по Рамаду, 1981)
1.1.12 Ноосфера
Положение человека в биосфере двояко. Как биологические объекты, люди тесно
связаны с физическими факторами среды через питание, дыхание, обмен веществ и др.
однако главной особенностью человека, отличающей его от других живых существ, является
новый способ взаимодействия с природой через создаваемую им культуру [2].
49
Человек оказывает мощное воздействие на природу. Техническая мощь человека
достигла масштабов, соизмеримых с биосферными процессами. Так, строительная и
горнодобывающая техника ежегодно перемещает на поверхности Земли больше материала,
чем сносится в моря всеми реками мира в результате водной эрозии. Человеческая
деятельность на планете изменяет климат, влияет на состав атмосферы и мирового океана. В
условиях современной хозяйственной деятельности человека реальна возможность полного
подрыва природы.
Взаимоотношения человека и природы - это взаимоотношения единства и борьбы
противоположностей. Их изучает специальный раздел экологии - социальная экология.
Наряду с возрастанием масштабов воздействия человека на природу растет и научная
вооруженность человеческого общества. Одним из успехов естествознания в двадцатом веке
явилось осознание неразрывного диалектического единства общества и природы,
необходимости перехода от концепции господства человека над природой к концепции
взаимодействия с нею.
С появлением человечекого общества, под влиянием которого в современных
условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы, приводит к изменению качественного
состава самой биосферы, к ее переходу в ноосферу. Под ноосферой понимают сферу
взаимодействия природы и общества, в котором разумная деятельность людей становится
главным, определяющим фактором развития.
Ноосфера (греч. ноос - разум, сфера - шар) - это сфера взаимодействия природы и
общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным,
определяющим фактором развития.
Понятие ноосферы как облекающей земной шар идеальной "мыслящей" оболочки,
формирование которой связано с возникновением и развитием человечества, было введено в
прошлом веке французским ученым Э. Ле Руа и далее развито П. Тейером де Шарденом
(1881-1955). Они считали, что эта оболочка включает общество с индустрией, языком,
хозяйственной деятельностью, религией и всеми другими атрибутами, и разворачивается как
некий "мыслящий пласт" над биосферой, вне ее.
Вернадский внес в термин "ноосфера" новое понимание: ноосфера - это новая, высшая
стадия биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, которое,
познавая законы природы и, совершенствуя технику, становится крупнейшей силой,
сопоставимой по масштабам с геологическими процессами, глубоко изменяет Землю.
Научное и практическое значение деятельности В.И. Вернадского как основателя
учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени
глубоко обосновал единство человека и биосферы. Сама живая мотерия как носитель разума,
отмечал В.И. Вернадский, состовляет небольшую часть биосферы по массе. Возникновение
человеческого общества явилось результатом длительного развития живого вещества в
пределах биосферы. Появление человека на Земле предопределило неизбежность
возникновения нового состояния биосферы – переход ее в ноосферу, оболочку разума,
охваченную целенаправленной деятельностью самого человека. При этом периоду
сознательной деятельности предшествовал длительный период его дикого, полудикого и
вцелом стихийного существования. В пределах биосферы возникла первоначально сфера
первобытной деятельности человеческого общества, которую нередко называют
антропосферой. Начало ей положило расселение человека по всей поверхности суши в
результате использования огня.
В современную эпоху становление ноосферы теснейшим образом связано с
овладением различными формами движения материи – первоначально механической, потом
50
тепловой, химической, атомно-ядерной. На очереди овладение биологическими формами
движения – создание живых форм с помощью методов и средств биотехнологии и генной
инженерии. С этим связано и возникновение новых по качеству круговоротов веществ в
биосфере.
Зародившись на нашей планете, ноосфера имеет постоянную тенденцию к
расширению, превращаясь, таким образом, в особый структурный элемент космоса.
Существует точка зрения, что понятие "ноосфера" шире понятия "биосфера", поскольку оно
рассматривает в качестве единой системы планету Земля и обозримую для человека часть
Космоса, основываясь на нравственно-этических началах Духа и Разума, в то время как
размеры биосферы в пространстве ограничиваются слоем толщиной 30-40 километров.
В.И.Вернадским был предложен Закон ноосферы: биосфера неизбежно превратится в
ноосферу, то есть в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии
системы ″человек - природа″.
По мнению некоторых ученых эта светлая мечта является
религиозной или
социальной утопией. Хотя сам закон они считают справедливым. По их мнению, он точен в
том смысле, что если человечество не начнет разумно регулировать свою численность и
давление на природу в соответствии с ее законами, то в измененном виде биосфера может
сохраниться, а цивилизация и вид ″человек разумный″, не исключено, погибнут.
В целом можно говорить о ноосферном развитии как разумно управляемом
соразвитии человека, общества и природы, при котором удовлетворение жизненных
потребностей населения осуществляется без ущерба для интересов будущих поколений.
1.2. Экологические принципы рационального природопользования
1.2.1 Экологический прогноз и прогнозирование
Прогноз - всякое конкретное предсказание или вероятностное суждение о состоянии
чего-то (кого-то) или о проявлении какого-то события в будущем. Экологический прогноз предсказание изменений природных систем в локальном, региональном и глобальном
масштабах [1].
Прогноз, таким образом, представляет собой специфический вид познания, где прежде
всего проводят исследования не того, что есть, а того, что будет.
Прогнозирование - совокупность приемов мышления, позволяющих на основе
ретроспективного анализа внешних и внутренних связей, присущих объекту, а также их
вероятных изменений в рамках рассматриваемого явления или процесса, вынести суждения
определенной достоверности относительно его будущего развития.
Экологическое прогнозирование - предсказание возможного поведения природных
систем, определяемого естественными процессами и воздействием на них человечества.
Настойчивое стремление человека к знанию будущего не случайно. Оно важно и в
мелочах, и в крупном. Малейшая ошибка может обернуться трагическим уроком. Издавна, со
времен значительно более древних, чем раннеегипетское царство, людям было необходимо
точно знать, когда лучше всего сеять ту или иную сельскохозяйственную культуру, выгонять
скот на пастбище. Запоздаешь или раньше высеешь в почву семена, и они либо попадут под
засуху, либо зальет их по-ловодье. Платой за ошибку будет голод.
Когда мы говорим о природном экологическом равновесии, то подразумеваем, что это
равновесие очень подвижно. Завтра природа будет не той, что сегодня. Если же мы на нее
51
как-то воздействуем, то она будет еще и не той, что была бы в своем саморазвитии. Отсюда
значение прогноза в экологии трудно переоценить. Главной целью прогноза является оценка
предполагаемой реакции окружающей природной среды на прямое или опосредованное
воздействие человека, решение задач будущего рационального использования природных
ресурсов в связи с ожидаемыми состояниями окружающей среды. Современные прогнозы
должны проводиться, исходя из общечеловеческих ценностей, главными из которых
является человек, его здоровье, качество окружающей среды, сохранение планеты Земля как
дома для человека.
Прогнозы можно подразделить по времени, по масштабам прогнозируемых явлений и
по содержанию (рис. 1.11).
Рис. 1.11 Виды прогнозов
По времени упреждения различают следующие виды прогнозов: сверхкратковременные
(до одного года), краткосрочные (до 3 - 5 лет), среднесрочные (до 10 - 15 лет), долгосрочные
(до нескольких десятилетий вперед), сверхдолгосрочные (на тысячелетия и более вперед).
Как видим, срок, на который дается прогноз, может быть различным. Например,
проектируя крупный промышленный объект со сроками эксплуатации 100 - 120 лет, нужно
знать, какие изменения в окружающей природной среде могут возникнуть под воздействием
данного объекта в 2100 - 2200 гг. Здесь уместно сказать: «Будущее управляется из
настоящего». Однако, чем долгосрочнее прогнозы, тем они менее точны - это непреложный
факт.
По масштабам прогнозируемых явлений прогнозы делятся на четыре группы:
глобальные (их называют также физико-географическими), региональные (в пределах
нескольких стран мира), национальные (государственные), локальные (край, область, иногда
административный район или еще меньшая территория, например заповедник). Чем крупнее
регион, тем более суровой будет расплата за ошибки экологического прогнозирования. На
локальном уровне, образно выражаясь, при «разбитом корыте» ресурсы можно занять у
соседей. На национальном уровне могут оказать помощь дружественные страны.
Региональные экологические катастрофы типа жестоких засух 70-х гг. XX в. в зоне южнее
Сахары, называемые Сахелью, несмотря на международную помощь, влекут за собой
неисчислимые бедствия. Сахельс-кая трагедия была предсказана в 40-е гг. XX в., но никто не
придал серьезного значения сделанному экологическому предостережению. В результате
пало до 80% скота, погибли почти все дети в возрасте до двух лет. Число человеческих
жертв, по некоторым данным, достигло 2 млн человек. Игнорирование же всеземных
экологических прогнозов может привести к таким серьезным последствиям, которые
недопустимы и должны быть предотвращены. Другого пути нет. Например, вырубая
влажные экваториальные леса Африки и Южной Америки, человек тем самым воздействует
на состояние атмосферы Земли в целом: уменьшается содержание кислорода, увеличивается
количество углекислого газа. Антропогенное загрязнение атмосферы, в первую очередь
связанное с энергетикой и выделением техногенной углекислоты, по мнению американских
и российских климатологов, грозит глобальным потеплением: от 0,8 до 1°С за 10 лет -
52
скорость потепления, какой планета никогда не знала. Только на основе глобального
прогноза будущего потепления климата можно будет предвидеть, как отразится потепление в
конкретных регионах нашей планеты.
По содержанию прогнозы относятся к конкретным отраслям наук: геологические,
метеорологические и др. В географии комплексный прогноз относят к общенаучным.
Методы прогнозирования последствий антропогенного воздействия на
окружающую среду.
Все методы прогнозирования можно объединить в две группы: логические и
формализованные (рис. 1.12).
Рис.1.12 Методы прогнозирования
В связи с тем что в экологии, и в частности в природопользовании, приходится
большей частью иметь дело со сложными зависимостями природного и социальноэкономического характера, то в первую очередь используют логические методы, которые
устанавливают связи между объектами. К логическим относят методы индукции, дедукции,
экспертных оценок, аналогии.
Методом индукции устанавливают причинные связи предметов и явлений.
Индуктивным методом исследование обычно начинают со сбора фактических данных,
выявляются черты сходства и различия между объектами и делаются первые попытки
обобщения. Так, для составления прогноза погоды необходимо провести соответствующие
наблюдения и измерения, после чего можно сделать вывод в целом о погоде на сутки.
При дедуктивном методе идут наоборот, от общего к частному, т. е., зная общие
положения и опираясь на них, приходят к умозаключению. Этот метод помогает определить
стратегию прогнозных исследований. Индуктивный и дедуктивный методы тесно связаны
между собой.
При отсутствии об объекте прогноза достоверных сведений и если объект не поддается
математическому анализу, то в этом случае используют метод экспертных оценок, суть
которого состоит в определении будущего на основании мнения квалифицированных специалистов-экспертов, привлекаемых для вынесения оценки по проблеме. Существуют
индивидуальная и коллективная экспертизы. Для прогнозирования методом экспертных
оценок специалисты используют статистические, картографические и другие материалы.
Метод аналогий исходит из того, что закономерности развития одного процесса с
определенными поправками можно перенести на другой процесс, для которого необходимо
составить прогноз. Метод аналогий чаще всего применяют при разработке локальных
прогнозов. Так, при прогнозировании влияния будущего водохранилища на окружающую
среду можно использовать данные по уже имеющемуся водохранилищу, которое находится в
сходных условиях.
Формализованные методы подразделяют на статистический, экстраполяции,
моделирования и др.
53
Статистический метод опирается на количественные показатели, которые позволяют
сделать вывод о темпах развития процесса в будущем.
Метод экстраполяций представляет собой перенесение установленного характера
развития определенной территории или процесса на будущее время. Так, если известно, что
при создании водохранилища при неглубоком расположении грунтовых вод на участке
началось подтопление и заболачивание, то можно положить, что в дальнейшем здесь будут
продолжаться эти процессы и приведут в конечном итоге к образованию болота.
Необходимо зорко следить за всем грозным, что потенциально может сбыться.
Маленькая засуха может превратиться в грандиозное опустынивание, легкий ветерок - в
бурю, крошечный ледничок - в оледенение, пустячные перемены - в катастрофу.
1.2.2 Моделирование природных процессов в
решении экологических проблем
Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, экосистемы, биосфера),
изучаемые экологией, чрезвычайно сложны. В них возникает большое количество
взаимосвязей, сила и постоянство которых непрерывно меняются. Одни и те же внешние
воздействия нередко приводят к различным, а иногда и к противоположным результатам.
Это зависит от состояния, в котором находилась система в момент воздействия. На действие
конкретных факторов предвидеть ответные реакции системы можно только через сложный
анализ существующих в ней количественных взаимоотношений и закономерностей. Поэтому
широкое распространение в экологии получило моделирование, особенно при изучении и
прогнозировании природных процессов [1].
Термин «модель» имеет целый ряд смысловых значений:
1) физическое (вещественно-натуральное) или знаковое (математическое, логическое)
подобие (обычно упрощенное) реального объекта, явления или процесса;
2) уменьшенное подобие реального объекта; отличают действующую модель и только
имитирующую форму чего-то (макет);
3) схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и
обществе.
В экологии под моделью довольно часто понимается материальный или мысленно
представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал, и его
непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале. Модель неизбежно
упрощает действительность и в то же время показывает особенно ярко элементы и связи,
интересующие ученого.
Моделирование - метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их
упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). Основывается на
теории подобия (сходства) с объектом-аналогом.
Требования, предъявляемые к моделям. Важнейшие требования к любой модели - ее
подобие с моделируемым предметом и наличие следующих свойств:
- модель - это увеличенное (клетка) или уменьшенное (глобус) подобие объекта;
- модель может замедлить быстро протекающие процессы или ускорить медленно
протекающие;
- модель упрощает реальный процесс, что дает возможность обратить внимание на
главную сущность объекта.
54
Виды моделей. Модели принято делить на две группы: материальные (предметные) и
идеальные (мысленные), рис. 1.13.
Рис.1.13 Виды моделей
Из материальных моделей наиболее широко распространены в природопользовании
физические модели. Например, при создании крупных проектов, таких, как строительство
ГЭС, связанных с изменениями окружающей природной среды. Вначале строятся
уменьшенные модели устройств и сооружений, на которых исследуются процессы,
происходящие при заранее запрограммированных воздействиях.
Во второй половине XX в. среди видов моделей в экологии использовались идеальные:
математические, кибернетические, имитационные, графические модели.
Суть математического моделирования заключается в том, что с помощью
математических символов строится абстрактное упрощенное подобие изучаемой системы.
Далее, меняя значение отдельных параметров, исследуют, как поведет себя данная
искусственная система, т. е. как изменится конечный результат.
Математические
модели,
строящиеся
с
применением
ЭВМ,
называют
кибернетическими.
Исследования, в которых ЭВМ играет важную роль в самом процессе построения
модели и проведения модельных экспериментов, получили название имитационного
моделирования, а соответствующие модели - имитационных.
Рис.1.14 Блоковая схема (Ю. Одум, 1986):
Е – движущая сила; Р – свойства; F – потоки; I - взаимодействие
Графические модели представляют блоковые схемы (рис. 1.14) или раскрывают
зависимость между процессами в виде таблицы-графика. Графическая модель позволяет
конструировать сложные эко- и геосистемы.
55
На рис. 1.14 буквами Р1 и Р2, обозначены два свойства, которые при взаимодействии (I)
дают некое третье свойство Р3 (или влияют на него), когда система получает энергию от
источника Е. Обозначены также пять направлений потоков вещества и энергии (F), из
которых F1 - вход, а F6 - выход для системы как целого. Отсюда, в работающей модели
экологической ситуации имеется как минимум четыре ингредиента или компонента: 1)
источник энергии или другая внешняя движущая сила; 2) свойства, которые системоаналитики называют переменными состояний; 3) направления потоков, связывающих
свойства между собой и с действующими силами через потоки энергии и вещества; 4)
взаимодействия или функции взаимодействий там, где взаимодействуют между собой силы
и свойства, изменяя, усиливая или контролируя перемещение веществ и энергии или
создавая качественно новые (эмерджентные) свойства.
По охвату территории все модели могут быть: локальными, региональными и
глобальными.
В построении математических моделей сложных природных процессов выделяются
следующие этапы:
1. Реальные явления, которые планируется смоделировать, должны быть тщательно
изучены: выявлены главные компоненты и установлены законы, определяющие характер
взаимодействия между ними. Если неясно, как связаны между собой реальные объекты,
построение адекватной модели невозможно. На данном этапе нужно сформулировать
вопросы, на которые ответ должна дать модель. Прежде чем строить математическую модель
природного явления, надо иметь гипотезу о его течении.
2. Разрабатывается математическая теория, описывающая изучаемые процессы с
необходимой деятельностью. На ее основе строится модель в виде абстрактных
взаимодействий. Установленные законы должны быть облечены в точную математическую
форму. Конкретные модели могут быть предоставлены в аналитической форме (системой
аналитических уравнений) или в виде логической схемы машинной программы. Модель
природного явления есть строгое математическое выражение сформулированной гипотезы.
3. Проверка модели - расчет на основе модели и сличения результатов с
действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При
значительном расхождении сведений модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные
исходные параметры.
В качестве научной основы природопользования используется модель геосистемы
(географической системы). Эта модель применяется в природопользовании для
прогнозирования, а также с целью управления природопользованием посредством воздействия на один компонент для получения положительного эффекта от другого.
Природная геосистема рассматривается обычно как сравнительно простая
географическая модель, саморегулирующаяся система. Ее целостность поддерживается
взаимосвязью природных компонентов. В более сложные модели в качестве нового элемента
вводится человек (общество). Человек способен не только приспосабливаться к природной
геосистеме, но и ее преобразовывать. Использование таких моделей является типичным при
изучении систем типа «человек - среда». Используя данные модели, можно проследить
цепочку: воздействия на природный комплекс → изменение комплекса → последствия
изменения природы для человеческой деятельности → изменение деятельности → изменение
ее воздействия на природу и т. д.
В природно-технических системах техника и природа представлены как элементы
одной системы.
56
Подход, в котором природа и техника рассматриваются как элементы одной системы,
несомненно, способен углубить представления о механизме взаимодействия, выявить
последствия воздействия техники на природу. Здесь представление о геосистеме как системе
самоуправляемой относительно быстро меняется на представление о ней как системе
управляемой.
Геосистема, включающая в качестве своих элементов население и орган управления,
который принимает и контролирует решения, называется интегральной. Для рационального
природопользования это очень важно, так как ставится задача выработки системы мер по
сохранению целостности геосистемы.
1.2.3
Экологический мониторинг
Экологический мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза,
позволяющая выявить изменение состояния окружающей среды под влиянием
антропогенной деятельности [1]. Термин ″мониторинг″ образован от латинского слова ″монитор″ - наблюдающий, предостерегающий (так называли впередсмотрящего матроса на
парусном судне). Идея глобального мониторинга окружающей человека природной среды и
сам термин ″мониторинг″ появились в 1971 г. в связи с подготовкой к проведению
Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (1972). Первые предложения по
разработке такой системы были выдвинуты Научным комитетом по проблемам окружающей
среды (СКОПЕ).
Профессор Р. Мэнн в 1973 г. в постановочном аспекте изложил концепцию
мониторинга, которая была обсуждена на первом Межправительственном совещании по
мониторингу (Найроби, февраль 1979 г.). Мониторингом Р. Мэнн предложил называть
систему повторных наблюдений одного или более элементов окружающей природной среды
в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой.
В 90-х гг. XX в. в Российской Федерации мониторинг природной среды и источников
антропогенных воздействий осуществляется службами Госкомгидромета, Санэпиднадзора,
Министерства охраны окружающей среды, Минсельхозпрода и других ведомств.
Цель экологического мониторинга – информационное обеспечение управления
природоохранной деятельностью и экологической безопасностью (рис. 1.15).
В состав мониторинга входят:
- наблюдение за изменением качества окружающей среды, факторами, воздействующими на окружающую среду;
- оценка фактического состояния природной среды;
- прогноз изменения качества среды.
Наблюдения осуществляются по физическим, химическим и биологическим
показателям. Перспективны интегрированные показатели состояния окружающей среды.
В систему экологических наблюдений входит определение показателей опасного
загрязнения среды техногенного происхождения, например, соединений тяжелых металлов,
газовых загрязнителей и т. д.
Выделяют глобальный, национальный, региональный и локальный мониторинги.
Глобальный (биосферный) мониторинг осуществляется на основе международного
сотрудничества, позволяет оценить современное состояние всей природной системы Земли.
57
Наблюдение ведут базовые станции в различных регионах планеты (30 – 40 сухопутных и
более 10 океанических). Нередко они располагаются в биосферных заповедниках.
Национальный мониторинг осуществляется в пределах государства специально
созданными органами.
Рис.1.15 Схема мониторинга
Региональный мониторинг осуществляется за счет станций системы, куда поступает
информация в пределах крупных районов, интенсивно осваиваемых народным хозяйством, а
следовательно, подверженных антропогенному воздействию.
К локальному мониторингу относятся наблюдения за воздушной средой различных
зон города, промышленных и сельскохозяйственных районов и отдельных предприятий.
Локальный мониторинг осуществляется с помощью стационарных, передвижных или
подфакельных постов. Такая система имеется в большинстве крупных городов России. Так, в
г. Кургане мониторинг атмосферного воздуха осуществляется на пяти постах.
Биологический, или биоэкологический (санитарно-гигиенический) блок мониторинга
осуществляет постоянное наблюдение за состоянием среды и ее влияния на здоровье
человека. Значение этого блока мониторинга трудно переоценить. Нередко люди и не
представляют, какой опасности они подвергают свое здоровье, проживая в той или иной
местности. Сравнение показателей некоторых болезней на различных территориях дает
возможность установить, в какой степени благоприятны или неблагоприятны условия для
жизни и деятельности человека.
Геосистемный (геоэкологический, хозяйственный) блок мониторинга включает
наблюдение за изменением природных геосистем и превращением их в природнотехнические. Практика показывает; что прогнозы по созданию оптимальных природнотехнических систем, в пределах которых может жить и работать человек без ущерба для
58
своего здоровья, удается получить в результате тщательного изучения механизмов
превращения природных геосистем в природно-технические.
Биосферный (глобальный) блок мониторинга охватывает наблюдения за параметрами
геосферы в глобальном масштабе. Это наиболее сложная система наблюдений, которая
позволяет прогнозировать изменения качества окружающей человека среды в глобальном
масштабе. В качестве примера можно привести прогнозы по потеплению климата из-за
возникновения ″парникового эффекта″ и его последствия для природы планеты. Другой
пример. Концепция ″ядерной зимы″ как результата атомной войны – яркое подтверждение
необходимости тщательного изучения и учета всех прогнозов по изменению природы Земли
при проведении, в частности, международной политики. Людей от всеобщего самоубийства
могут остановить знания. Таким образом, рациональное природопользование возможно при
наличии и правильном использовании информации, полученной системой экологического
мониторинга.
1.2.4 Оценка качества окружающей среды
Важным направлением мониторинговых исследований является оценка качества
окружающей среды.
Качество окружающей среды – это степень соответствия природных условий
физиологическим возможностям человека. Различают окружающую природную среду
здоровую, или комфортную, при которой здоровье у человека в норме, и нездоровую, при
которой нарушается состояние здоровья. Когда при взаимодействии человека со средой
наблюдаются необратимые изменения состояния здоровья, то такая среда называется
экстремальной. Отсюда следует, что для сохранения здоровья населения нашей страны
необходимо следить за качеством окружающей среды. Для этого разработаны научные
оценки качества окружающей среды, которые называются стандартами качества
окружающей среды. Они подразделяются на экологические и производственнохозяйственные.
Экологические стандарты устанавливают предельно допустимые нормы
антропогенного воздействия на окружающую среду, превышение которых несет опасность
здоровью человека, губительно для растительности и животных. Данные нормы
устанавливаются в виде предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК)
и предельно допустимых уровней вредного физического воздействия (ПДУ).
ПДК – это количество вредного вещества в окружающей среде, отнесенное к массе
или объему ее конкретного компонента, которое при постоянном контакте или при
воздействии в отдельный промежуток времени практически не оказывает влияния на
здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.
При определении ПДК, учитывается не только степень влияния загрязнителей на
здоровье человека, а также и воздействие данных загрязнителей на природные сообщества в
целом. ПДК с каждым годом все больше устанавливаются для веществ в воздухе, воде,
почве.
Так, в настоящее время разработаны ПДК для 200 загрязняющих веществ воздушной
и более 600 водной среды.
Предельно допустимые уровни вредного физического воздействия (ПДУ)
устанавливаются, как правило, для шумового и электромагнитного загрязнения.
59
Производственно-хозяйственные
стандарты
качества
окружающей
среды
регламентируют экологически безопасный режим работы производственного, коммунальнобытового и других объектов. К данному виду стандартов качества окружающей среды
относятся предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в окружающую среду
(ПДВ) и предельно допустимый сток (ПДС) загрязняющих веществ в водоемы конкретными
источниками (предприятиями) той или иной территории.
Около 2 млн т, не считая минеральных удобрений, составляет общее количество
веществ, ежегодно попадающих в биосферу.
Меры по улучшению качества окружающей среды разрабатываются на каждом
предприятии, в каждом городе или поселке. Их можно объединить в следующие группы
(рис.1.16): технологические, архитектурно-планировочные, инженерно-организационные,
правовые, экономические мероприятия.
Меры улучшения качества
окружающей среды
Экономические
Технологические
1. Разработка новых
технологий
2. Очистные
сооружения
3. Замена топлива
4. Электрификация
производства, быта,
транспорта
Правовые
Создание
законодательных
актов по
поддержанию
качества окружающей
среды
Архитектурно –
планировочные
1. Зонирование
территории населенного
пункта
2. Озеленение
населенных мест
3. Организация
санитарно-защитных зон.
4. Рациональная
планировка предприятий
и жилых кварталов
Инженерно –
организационные
1. Уменьшение стоянок
автомобилей у
светофоров
2. Снижение
интенсивности
движения транспорта
на перегруженных
автомагистралях
Рис.1.16 Меры улучшения качества окружающей среды
Обращается внимание на следующие обстоятельства. Если для данного
территориально-производственного комплекса определены предельно допустимая
техногенная нагрузка (ПДТН), суммарные и дифференцированные по источникам ПДВ и
ПДС, то контур регули рования сравнительно простой. Главная обратная связь для принятия
решений определяется оценкой выбросов. В том же случае, когда строгая оценка не
произведена и используются временно согласованные нормативы, то задача усложняется,
относительно большое значение для принятия решений приобретает оценка экологического
ущерба.
60
Следует иметь в виду и то, что принятие решений не ограничивает мероприятия
только воздействиями на технологические процессы или средства очистки которые должны
уменьшить интенсивность и опасность эмиссий. Могут быть и другие варианты:
перераспределение и перемещение мощности источников, замена технологии, увеличение
санитарно-защитной зоны, отселение людей из зоны активного влияния источника и т. д. В
целом из схемы управления качеством окружающей среды следует, что главная обратная
связь в контуре принятия природоохранных решений определяется блоком оценок
воздействия. Одной из центральных процедур контроля экологической регламентации является оценка воздействий хозяйственной деятельности на окружающую среду.
1.2.5 Нормирование загрязняющих веществ
в окружающей среде
Определяющее значение для контроля и управления качеством окружающей среды
имеют гигиенические нормативы, направленные в первую очередь на профилактику
неблагоприятного воздействия загрязняющих веществ на здоровье человека.
Санитарно-гигиенические нормативы - это устанавливаемые в законодательном
порядке, обязательные для исполнения всеми ведомствами, органами А организациями
допустимые уровни содержания химических и других соединений в объектах окружающей
среды.
Норматив качества окружающей среды носит конкретный характер и основан на
определенных признаках. К ним относятся:
- объект защиты, например, древесные растения, технологическое оборудование,
человек и т. д.;
- среда, в которой нормируется и контролируется содержание вещества (воздух, вода,
почва, биосубстраты человека (кровь, моча, волосы и т. д.);
- критерий вредности (появление заболеваний в разных формах у человека, включая
потомство; снижение продуктивности, пищевой ценности растений; выход из строя
технологического оборудования и т. д.);
- регламентируемая временная характеристика (воздействие в течение всей жизни
человека, в течение его рабочего стажа, в короткий промежуток времени, например, в
аварийных ситуациях);
- последствия или ″цена″ норматива, к которым может привести отсутствие или
превышение допустимого уровня.
Санитарно-гигиенические нормативы в течение длительного времени оставались
единственными критериями качества окружающей среды. В настоящее время наряду с
гигиеническими ПДК нормируются содержание вредных веществ в кормах, химический
состав ирригационных вод, устанавливаются ПДК химических соединений в сточных водах,
подаваемых на сооружения по биологической очистке, разрабатываются ПДК для водоемов
рыбохозяйственного назначения. Разработаны ПДК химических соединений в воздухе особо
охраняемых территорий, например, для усадьбы-заповедника ″Ясная Поляна″, предложены
ПДК для защиты древесных растений от загрязнения.
Однако до настоящего времени гигиенические ПДК являются основным критерием
качества окружающей среды и используются для оценки опасности экологической
обстановки, расчета предельно допустимых выбросов и сбросов (ПДВ и ПДС), установления
связи загрязнения окружающей среды с риском развития нарушения здоровья населения.
61
Гигиенические нормативы в связи со специфичностью и изменчивостью физикохимических свойств атмосферного воздуха, воды почвы, пищевых продуктов растительного
и животного происхождения, а также особенностями их воздействия на организм устанавливаются отдельно для каждого объекта или используется принцип разделения объектов
санитарной охраны. Воздействие химических соединений может быть не только прямым, но
и косвенным, например вследствие отказа населения от контролируемого водоисточника,
ограничения водопользования и т. д. Следовательно, при нормировании химических
соединений в тех или иных объектах должны учитываться различные виды неблагоприятных
воздействий: влияние на органолептические показатели (внешний вид, запах, привкус и др.),
рефлекторное действие, влияние на общесанитарные показатели (изменение численности
сапрофитной микрофлоры, ее состав и др.), возможность миграции из одной среды в другую
(переход вещества или его метаболита из почвы в воду, воздух, растения), санитарнобытовой (изменение прозрачности атмосферы, бытовых условий проживания и т. д.),
санитарно-токсикологический.
Установление окончательной величины ПДК проводится на основе принципа
лимитирующего показателя вредности, в соответствии с которым величина норматива
выбирается на уровне меньшей из значении концентрации, установленных по различным
критериям вредности или используется принцип учета ″слабого звена″.
В реальных же условиях человек подвергается не изолированному воздействию
какого-либо вещества, а сложному многофакторному воздействию. Отсюда необходимость
учета всего многообразия воздействий отражена в принципе комплексного (единого, интегрального) гигиенического нормирования. Особенности комбинированного действия в
настоящее время учитываются при гигиеническом нормировании вредных веществ во всех
средах. Например, для атмосферного воздуха населенных мест установлены 56
коэффициентов комбинированного действия (для 36 бинарных смесей, 20 смесей из 3 - 5
компонентов).
1.2.6 Экологическая аттестация и паспортизация
Экологическая аттестация и паспортизация служат для документального описания
эколого-экономических
характеристик
объектов
природоохранной
деятельности:
территорий, территориально-производственных комплексов и хозяйственных объектов. Для
этих целей разработаны формы экологического паспорта предприятия (производственного
объединения), территории и методики проведения экологической паспортизации.
Экологический паспорт предприятия разрабатывается для учета всех видов
техногенных воздействий на окружающую среду и сравнительного анализа вклада
различных производственных процессов в общую природоемкость. Он содержит нормативно-справочную, фактографическую и отчетную информацию о природоемкости
производства.
В экологический паспорт вносится, периодически корректируется и обновляется
информация об исходных данных для расчета материально-энергетических балансов,
нормативы ресурсопотребления, производственных циклов. Важными разделами паспорта
являются результаты инвентаризации отходов производства, где дается описание условий
образования и характеристики всех источников газовых выбросов, сточных вод, твердых и
жидких отходов, приводятся сведения о текущей экономике предприятия, о планируемых и
62
фактических затратах на мероприятия по достижению нормативных ПДВ и ПДС, а также и о
других природоохранных мерах.
Паспорт дает возможность осуществить экологическую аттестацию того или иного
хозяйственного объекта по признакам его соответствия требованиям предельно допустимой
техногенной нагрузки и экологической техноемкости территории.
Экологический паспорт территории составляется с целью информационного
обеспечения широкого круга пользователей информацией для решения научных,
организационных и практических задач, которые направлены на рациональное природопользование. Дается систематизированная сводка данных о современном состоянии природных
комплексов территории и воздействующих на них антропогенных факторов. Данный паспорт
рассчитан на территорию административного района, но может использоваться и для других
территориальных образований. В качестве примера приведем экологический паспорт
территории, разработанный в 1990 г. НИИ охраны природы и заповедного дела, предусматривающий документальную фиксацию более 2,5 тыс. различных показателей по
основным разделам:
- общие сведения (административное деление, население территории,
землеустройство);
- природные условия (географическая характеристика, геологическое строение,
климат, поверхностные и подземные воды, почвы, растительный покров и животный мир);
- хозяйственная структура (специализация хозяйства, промышленность, энергетика и
теплоснабжение, горнодобывающая промышленность, транспорт и пути сообщения, водное
хозяйство, коммунальное хозяйство, сельское хозяйство, лесное хозяйство, охотничье
хозяйство, рыбное хозяйство);
- загрязнение природной среды (загрязнение атмосферного воздуха, почв, природных
вод, сельхозпродукции, заболеваемость населения, животных и растений в результате
загрязнения природной среды);
- охрана природных комплексов (охраняемые природные территории, генофонд, зоны
рекреации).
К паспорту прилагается атлас тематических карт и составляется общая экологическая
карта территории. В конце документа дается заключение об экологической ситуации, что
фактически является экологической аттестацией территории.
1.2.7 Экологическая экспертиза
При осуществлении мероприятий, связанных с воздействием на окружающую среду,
природные экосистемы, здоровье людей, необходимо заранее, на уровне предпроектной или
проектной документации исключить возможные отрицательные, негативные последствия
путем проведения экологической экспертизы. Под экологической экспертизой следует
понимать систему комплексной оценки всех возможных экологических и социальноэкономических
последствий
осуществления
проектов,
функционирования
народнохозяйственных объектов, принятия решений, направленных на предотвращение их
отрицательного влияния на окружающую среду и на решение намеченных задач с
наименьшей затратой ресурсов и минимальными последствиями.
Объектами экологической экспертизы являются:
- все виды предплановой и предпроектной документации по развитию и размещению
производственных сил страны и отраслей хозяйства всех субъектов федерации;
63
- технико-экономические расчеты (обоснования), проекты строительства,
реконструкции, расширения, технического перевооружения и ликвидации хозяйственных
объектов и комплексов;
- документация по созданию новой техники, технологии, материалов и веществ;
- проекты нормативно-правовой, инструктивно-методической и нормативнотехнической документации, регламентирующей природопользование при ведении
хозяйственной деятельности;
- материалы, характеризующие экологическую ситуацию в регионе, которая
формируется под воздействием различных видов текущей хозяйственной деятельности.
Цель экологической экспертизы:
- обеспечение научно обоснованного определения соответствия проектных решений
современным экологическим требованиям перед их утверждением в компетентных
государственных органах;
- предупреждение возможных негативных воздействий на экосистему планируемых,
проектируемых и функционирующих объектов в процессе их реализации;
- поддержание динамичного природного равновесия и благоприятного состояния
окружающей среды при реализации народнохозяйственных планов.
Независимо от объекта экологической экспертизы она должна давать исчерпывающие
данные (ответы) относительно его влияния:
- на состав и режимы экологических фактов в аспекте закона толерантности по
отношению к человеку и другим организмам;
- экологические ниши живых организмов (в том числе и человека), обитающих
исторически или временно в пределах зоны воздействия создаваемого или действующего
объекта;
- состав и структуру популяций организмов, ценных в хозяйственном, научном,
историческом, эстетическом отношениях;
- структуру, свойства и продукцию экологических систем;
- состояние ландшафтов и природных комплексов;
- функционирование круговоротов вещества и возможные последствия на глобальном
уровне.
Выполнение вышеуказанного достигается в ходе решения следующих задач:
- проверки и оценки проектных материалов в соответствии с требованиями статей
Конституции Российской Федерации, Основ законодательства Российской Федерации о
недрах, земельного, водного, лесного и иных законодательств, законов об охране атмосферного воздуха, животного мира, других правовых актов об охране природы и рациональном
использовании природных ресурсов, о планировании, проектировании и капитальном
строительстве;
- осуществления экспертизы с позиций государственной экологической политики с
тем, чтобы к реализации проектов возводимые народнохозяйственные объекты были не
только технически, но и экологически передовыми и исключали любую возможность
нарушения экологического равновесия;
- установления экологических свойств проектных материалов и определения степени
учета и отражения в них закономерностей взаимодействия антропогенных и конкретных
экологических подсистем в общей системе общего — природа на основе использования
знаний экологических наук;
- установление объективных данных о возможности реализации экспортируемых
объектов в конкретных природных условиях;
64
- подготовка заключений, содержащих выводы о степени экологичности материалов и
рекомендации оптимальных вариантов природоохранных решений с учетом особенностей
конкретной экосистемы.
В процессе экспертизы детально и всесторонне изучают экологическое содержание
проектов путем анализа, синтеза, сравнения, наблюдения, описания, абстрагирования при
строгом соблюдении требований действующего законодательства.
Критериями оценки выступают требования правовых норм, принципы охраны
природы, природоохранительные приоритеты, экологические императивы, стандарты по
охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, строительные нормы
и правила, санитарно-гигиенические нормативы, основные показатели утверждений
предплановой, проектно-планировочной и проектно-сметной документации.
Оценочными критериями из ненормативных показателей являются обобщенные
показатели природных особенностей местности, направления ветров, туманов, штилей,
воздушных инверсий, рельефа и др., используя которые, эксперты могут дать объективную
оценку работ.
Эколого-экспертная деятельность должна содержать элементы экологического
прогнозирования не только на проектный период, но и на перспективу - в форме научно
обоснованного
предвидения, направленного на сохранение оптимального режима экосистемы
общество - природа.
Эксперты обязаны обеспечивать соблюдение в проектах нормативных требований по
очистке вод, включая промышленные и бытовые стоки, защите атмосферы от вредных
выбросов, утилизации, нейтрализации и вторичному использованию хозяйственно-бытовых
и промышленных отходов, рациональной разработке полезных ископаемых и рекультивации
земель.
Эколого-экспертный процесс состоит из трех основных этапов: подготовительного,
или проверки наличия необходимых реквизитов, представляемых проектных материалов и
их соответствия действующему законодательству: основного, или аналитической обработки
данных по объектам экспертизы; заключительного, или обобщения и оценки данных и
составления акта экспертизы.
Правовой основой экологической экспертизы является законодательство Российской
Федерации (Федеральный закон об экологической экспертизе, принят Государственной
Думой 19 июля 1995г. и одобрен Советом Федерации 15 ноября 1995 г) и субъектов
Федерации (республики, края, области в составе России), нормативной базой - весь
комплекс существующих природоохранных и технических стандартов, ГОСТов,
строительных норм и правил, санитарно-гигиенические и экологические нормативы.
В заключение еще раз обратим внимание на то, что решение экологических проблем
зависит не только от ученых, но и политиков, производителей, от разумного поведения всего
общества. Роль экологии - помочь осознать, чем грозит незнание или пренебрежение этими
проблемами, изучая природные сообщества, найти пути их сохранения для настоящего и
будущего нашей планеты.
1.2.8 Концепция экологической ответственности
Экологическая ответственность в перспективном смысле - это обязанность
соблюдать нормы взаимоотношений общества и природы с целью сохранения научно
65
обоснованного сочетания экологических и экономических интересов, в ретроспективном
- обязанность претерпевать неблагоприятные последствия нарушения норм
взаимодействия общества и природы.
В основе экологической ответственности лежит экологическое нарушение: не
согласованное с интересами охраны экологической среды (т.е. среды, в рамках которой
совершается процесс взаимодействия общества и природы) поведение человека,
продиктованное удовлетворением экономических потребностей и причиняющее вред
природной среде.
При хозяйственной деятельности потери для природной среды неизбежны.
Однако они могут быть нормативные, т.е. установленные в пределах
обоснованных
нормативов,
утвержденных
компетентными
органами,
и
сверхнормативными, превышающими установленные пределы воздействий.
Формы
и
механизм
экологической
ответственности.
Экологическая
ответственность - это
экономико-правовой комплекс, соединяющий в себе нормы и
соответствующие им отношения по возмещению и предупреждению вреда природной
среде. Его сущность состоит в сохранении устойчивого баланса экономических и
экологических интересов в процессе хозяйственной деятельности на основе
предупреждения, сокращения и восстановления потерь в природной среде.
Классифицируют три функции экологической ответственности: стимулирующую
(наличие экономических и правовых стимулов), компенсационную (восстановление потерь
природной среды в форме натуральной или денежной компенсации) и превентивную
(предупредительное воздействие).
Механизм экологической ответственности зависит от конкретных видов данной
ответственности.
Выделим виды экономической ответственности в сфере взаимодействия общества и
природы, закрепленные законодательно:
- обязательные платежи предприятий за нормативные
и сверхнормативные
выбросы;
- сбросы загрязняющих веществ в воздух и водоемы;
- захоронение вредных отходов;
- возмещение потерь сельскохозяйственного и лесохозяйственного производства
при изъятии земель или ограничении их в использовании;
- взимание платы за использование вод в промышленности.
Состав экологического правонарушения. Экологическое правонарушение - это
виновное, противоправное деяние (действие, бездействие), посягающее на установленный в
РФ и других республиках экологический правопорядок н причиняющее вред природной
Среде либо создающее реальную угрозу такого причинения,
В его состав входят: субъект (субъекты), субъективная сторона, объект, объективная
сторона, последствия правонарушения и причинная связь между нарушением закона и
наступившим результатом.
Субъектами экологического правонарушения являются предприятия, объединения,
организации, учреждения различных форм собственности, а также должностные лица и
граждане. Развитие приватизации привело к значительному сокращению доли
государственных предприятий.
Противоправность субъекта экологического правонарушения проявляется в двух
формах: активной - нарушение природоохранительного законодательства, и пассивной несоблюдение его требований.
66
Объектами эколого-правового нарушения является природная среда, охраняемая
Законом о загрязнения, истощения, разрушения, а через нее и здоровье - человека,
материальные ценности, состояние которых зависит от качества окружающей природной
среды.
Причины экологических правонарушений это:
- несовершенство закона;
- отсутствие экономической основы исполнения эколого-правовой нормы;
- недостатки организационно-исполнительной деятельности;
- господство потребительской психологии.
Классификация экологических правонарушений. По предмету все правонарушения,
связанные с охраной и использованием окружающей природной среды, подразделяются на
три группы:
- нарушающие право собственности, владения, пользования природными ресурсами;
- противоречащие экологическим требованиям охраны природной среды;
- препятствующие хозяйственной эксплуатации природных ресурсов.
По объектам охраны экологические правонарушения принято делить по отраслевым
признакам: земельные, водные, лесные и др.
По
санкциям
классифицируются
административные,
уголовные,
гражданские, дисциплинарные правонарушения.
По способу причинения вреда:
- загрязнение природной среды;
- нерациональное использование природных ресурсов;
- порча, повреждение, истощение природных объектов;
- истощение;
- разрушение природной среды.
Экологические преступления. Экологическим преступлением
следует считать
виновное общественно-опасное деяние,
посягающее
на установленный в Российской
Федерации экологический правопорядок, экологическую безопасность общества и
причиняющее вред окружающей природной среде и здоровью человека (ст.85 Закона РФ об
охране окружающей природной среды).
Содержание понятия "экологическое преступление" формируется двумя определениями:
1. Экологический правопорядок - система экологических правоотношений по
реализации экологических требований природоохранительного законодательства.
2. Вред природной среде и здоровью человека.
Экологический правопорядок и экологическая безопасность составляют предмет
экологического преступления. Объект экологического преступления - материальные блага
природы, т.е. охраняемые законом природные объекты и природные комплексы, а также
окружающая природная среда в целом.
Перечень таких охраняемых объектов приводится в ст.4 Закона РФ об охране
окружающей природной среды: естественные экологические системы, озоновый слой
атмосферы, земля, недра, воды, леса, животный мир, атмосферный воздух, природные
ландшафты, генетический фонд, природно-заповедный фонд,
К экологическому преступлению относится только такое преступление, когда объект
посягательства а момент совершения преступного деяния состоит в системе экологических
связей с окружающей природной средой. Так, например, уничтожение зверей и птиц в
зоопарке, жестокое обращение с домашними животными уничтожение рыб в аквариуме нельзя
67
отнести к числу экологических преступлений.В уголовном кодексе РФ 1996 г. экологическим
преступлениям посвящена целая глава.
1.2.9 Перспективы рационального природопользования
Численность населения Российской Федерации составляет порядка 170 млн. человек,
в том числе около 70% - городского. Общая земельная площадь - 1710 млн. га. Земли в
пользовании сельскохозяйственных предприятий и хозяйств около 648 млн. га, в том числе
пахотных - около 132 млн. га. Покрытая лесом площадь - 770 млн. га. Общий запас
древесины – 80 - 81 млрд. м3. Число заповедников и национальных парков - 73, общей
площадью 17444 тыс. га.
Основными целями, которые должны быть поэтапно достигнуты в результате
природоохранной работы в России в период до 2005 г., являются:
- сокращение выбросов вредных веществ в атмосферу более чем в 2 раза;
- снижение уровня загрязнения атмосферы до допустимого по санитарным нормам в
35 промышленных центрах с наиболее высоким уровнем загрязнения атмосферы и городахкурортах к 1995 г., а во всех городах и населенных пунктах - к 2005 г.;
- оптимизация водопотребления в сельском и коммунальном хозяйстве к 2005 г.;
- обеспечение к 2005 г. защиты почв от эрозии за счет внедрения комплекса
противоэрозионных мероприятий и равновесия между отработкой и рекультивацией земель;
- максимальное сохранение и воспроизводство лесных ресурсов, повышение
биологической устойчивости лесов;
- повышение в 2 - 3 раза продуктивности охотничьих угодий;
- увеличение площадей заповедных территорий до оптимального уровня;
- увеличение полноты извлечения из минеральных ресурсов полезных ископаемых;
- внедрение малоотходных технологий и создание безотходных территориальных
промышленных комплексов, максимальное использование отходов.
Для сохранения и повышения плодородия почв необходимо:
- предотвратить разрушение земель эрозионными процессами на 113 млн. га
сельскохозяйственных угодий за счет внедрения комплекса противоэрозионных
мероприятий; при этом основные противоэрозионные агротехнические приемы обработки
почв проводить на всей эродированной пашне к 2000 г., на эрозионно-опасной - к 2005 г.;
- обеспечить равновесие между наличием отработанных земель и их рекультивацией
к 2000 г. в 26 областях, к 2005 г. - на территории всех областей, краев и других федеральных
образований;
- довести защиту сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней
биологическим методом к 2005 г. до 80 - 90% в защищенном грунте и до 40 - 60% в полевых
условиях;
- построить необходимые противоэрозионные, берегоукрепительные, противоселевые, противообвальные, противолавинные сооружения.
Лесовосстановление в 2000 - 2005 гг. необходимо осуществить на площади 28,9 млн.
га. Довести площадь зеленых зон городов к 2005 г. в целом по России до 15,4 млн. га и
обеспечить увеличение площади зеленых зон городов на 2,1 млн. га. Обеспечить переход на
интегрированные системы защиты леса с преимущественным использованием
биологических средств. Удельный вес биологического метода в защите леса от вредителей и
68
болезней намечается довести к 2005 г. до 75% от объема лесозащитных работ. Увеличить
лесистость территории до 46% и поднять удельный вес покрытой площади до 67.
В целях охраны и рационального использования водных ресурсов необходимо:
- прекратить к 2001 г. сброс загрязненных стоков в водоемы;
- довести к 2005 г. объем оборотного водоснабжения в промышленности до 84%, в
теплоэнергетике - до 85%, увеличить мощность очистных сооружений к 2005 г. в 2 раза,
обеспечив при этом полную очистку сточных вод;
- осуществить к 2005 г. комплексную реконструкцию устаревших оросительных
систем на площади 2,7 млн. га, строительство и переустройство коллекторно-дренажной сети
на площади 1,2 млн. га, довести КПД оросительных систем к 2005 г. до 0,85. Сократить к
2005 г. удельный расход воды на единицу продукции в промышленности на 30 - 35%, на
производство 1 кВтч электроэнергии в теплоэнергетике - на 50%. В орошаемом земледелии
сократить удельный расход воды к 2005 г. на 20%. Довести уровень централизованного
водоснабжения сельских населенных пунктов к 2005 г. до 96%. Построить 28,5 тыс. км
магистральных водопроводов.
Улучшение состояния атмосферного воздуха городов и крупных промышленных
центров республики будет осуществляться за счет проведения воздухоохранных
мероприятий, обеспечивающих снижение вредных выбросов, в первую очередь на
предприятиях металлургии, энергетики, химии и нефтехимии, лесопереработки.
Выбросы вредных веществ в атмосферу в целом по России составляют в среднем в
год 40,5 млн. т. Для достижения установленных предельно допустимых выбросов вредных
веществ в атмосферный воздух на всех предприятиях, имеющих источники загрязнения, к
2005 г. необходимо значительно снизить количество вредных веществ, выбрасываемых в
атмосферу.
Снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных
источников будет осуществляться поэтапно, предусматривается обеспечить к 2000 г. - 25,8
млн. т; к 2005 году - 18,7 млн. т.
За счет проведения мероприятий по сокращению вредных выбросов в атмосферу от
автотранспорта общее их количество снизится к 2005 г. до 10,9 млн. т (или на 46%).
Основными направлениями охраны и рационального использования минеральносырьевых ресурсов являются снижение их потерь при добыче, обогащении и переработке,
совершенствование техники и технологии извлечения полезных ископаемых, комплексное
использование на основе разработки и широкого внедрения ресурсосберегающих
технологических процессов, создание малоотходных и безотходных производств и
комплексов.
Осуществление мероприятий по охране, воспроизводству и рациональному
использованию животного мира повысит биологическую продуктивность охотничьих угодий
не менее чем в 2 раза. Предусмотрена организация в 2000 - 2005 гг. 38 заповедников общей
площадью 19992 тыс. га и 19 национальных парков общей площадью 7405 тыс. га. За этот
период площадь особо охраняемых территорий намечено довести до 3% от всей площади
страны
69
1.2.10 Совершенствование экономического механизма
управления природопользованием
При работе по всем направлениям совершенствования охраны окружающей среды и
рационального использования природных ресурсов необходимо эффективно сочетать
экономические, организационные, правовые и воспитательные меры, повысить роль местных
органов власти и управления в деле охраны окружающей среды, активизировать роль
общественных природоохранных организаций, личной инициативы граждан на основе
широкой информированности населения о состоянии окружающей среды, о намечаемом
проектировании и строительстве крупных хозяйственных объектов, воспитания в человеке
уважения к природе и повышения экологической культуры населения.
Предусматривается
отработать
механизм
координации
природоохранной
деятельности министерств, ведомств, компаний, объединений, предприятий и организаций с
целью повышения эффективности использования средств, выделяемых на осуществление
природоохранных мероприятий, усиление взаимодействия и целенаправленности работы в
этой области субъектов федерации с расположенными на их территории предприятиями
независимо от их подчиненности. При этом администрации субъектов федерации должны
исходить из возложенной на местные органы управления всей полноты ответственности за
экологическую обстановку в соответствующих регионах.
За этот период будут разработаны и пройдут экспериментальную проверку в
различных регионах страны элементы нового экономического механизма управления
природопользованием, включая нормативы платы за природные ресурсы и платы за выбросы
загрязняющих веществ в окружающую среду. К 2005 г. хозяйство РФ должно войти с
полностью отработанной системой управления природоохранной деятельностью,
соответствующей новым хозяйственно-производственным отношениям. К этому времени
должны быть внесены все необходимые изменения и уточнения в основы природоохранительного законодательства.
Для перехода к рациональному природопользованию в реализуемой в настоящее
время системе управления экономикой страны необходимо привести в действие механизмы
обеспечения заинтересованности природопользователей в сохранении и улучшении качества
окружающей среды, рациональном использовании и воспроизводстве ее ресурсного
потенциала.
Новый экономический механизм природопользования должен обеспечить:
- приоритетное решение экологических проблем при обосновании развития и
размещения производительных сил;
- прогрессивное развитие и внедрение в практику ресурсосберегающих технологий,
комплексных безотходных производств, перераспределение материально-технических и
трудовых ресурсов в приоритетные сферы природопользования, развитие адекватных
научных знаний, культуры и образования;
- расширенное воспроизводство природно-ресурсного потенциала регионов страны в
целом;
- формирование финансовых средств для обеспечения воспроизводства природноресурсного потенциала.
Основными
элементами
хозяйственного
механизма
рационального
природопользования должны стать предельные лимиты и нормативы природопользования;
долговременные экономические нормативы платы за природные ресурсы и за загрязнение
окружающей среды; плановые показатели по охране окружающей среды, включая
70
контрольные цифры и государственные заказы на ввод в действие природоохранных
объектов и сооружений; цены на продукцию природоэксплуатирующих отраслей и др.
Переход к новому экономическому механизму требует:
- установления приоритета территориального управления в вопросах охраны
окружающей среды и рационального использования природных ресурсов; повышения роли
местных органов и администраций в планировании природоохранной деятельности;
- введения платежей за природные ресурсы и за загрязнение окружающей среды,
стимулирующих повышение полноты и качества использования природных ресурсов с
учетом экологических требований;
- установления повышенных платежей за сверхнормативное потребление (потери)
природных ресурсов, сверхнормативное загрязнение окружающей среды, другие нарушения
установленного порядка природопользования;
- образования региональных фондов охраны природы или специальных счетов в
составе местных бюджетов, средства которых используются в основном для финансирования
природоохранной деятельности; ориентации планирования природоохранной деятельности
на конечные результаты, определяющие антропогенное воздействие на состояние окружающей среды;
- от покомпонентного планирования воспроизводства и использования природноресурсного потенциала перейти к его комплексному планированию;
- при формировании оптовых и закупочных цен на продукцию природоэксплуатирующих отраслей учитывать общественно необходимые затраты на выполнение
природоохранных мероприятий, а также экологические последствия от дальнейшего
использования (потребления) продукции;
- совершенствования методов разработки инвестиционной политики в области охраны
природы, включая порядок определения экономической эффективности природоохранных
мероприятий для выполнения расчетов на федеральном и региональном уровнях, при
составлении региональных экологических программ, территориальных комплексных схем
охраны природы, территориальных схем развития производительных сил, государственных
планов экономического и социального развития.
Для экономически обоснованного развития и размещения производительных сил
необходимо обеспечить:
- территориальную дифференциацию нормативов платы за природные ресурсы и за
загрязнение окружающей среды, оптовых цен на продукцию природоэксплуатирующих
отраслей промышленности;
- ограничение строительства новых и расширения действующих предприятий в
урбанизированных и экологически напряженных районах.
При разработке предплановых и предпроектных документов приоритетным
направлением решения экологических проблем считать формирование региональных
безотходных и малоотходных комплексов на основе комбинированных производств, в
которых отходы одного производства используются в качестве сырья для другого
производства.
71
1.2.11 Международное сотрудничество в
области охраны окружающей среды
Международное сотрудничество в решении глобальных проблем взаимодействия
общества и природы является объективной потребностью эпохи, условием существования и
прогресса человечества. Предпосылкой международного сотрудничества в решении
глобальных проблем выступает прежде всего сама биосфера, ее единство, которое требует
совместных действий как при воздействии на нее, так и при ее охране [1].
Международные конвенции и соглашения по экологическим проблемам проводятся с
XIX в. Первыми были «Конвенция по ловле устриц», заключенная в 1839 г. между Францией
и Великобританией, «Соглашение об охране морских котиков», достигнутое в 1867 г. между
Россией, США и Японией, ряд конвенций и соглашений по рыболовству. Несколько
конвенций и соглашений было заключено в начале XX в. по охране перелетных птиц и
защите растений от вредителей и болезней.
В 20 - 40-х гг. XX в. нашей страной были заключены соглашения с Финляндией о
рыболовстве в пограничных водах, совместном использовании водных ресурсов с
Афганистаном, конвенция с Турцией о предотвращении занесения эпизоотии, многосторонняя конвенция с Афганистаном и Ираном по защите растений, а также по борьбе с саранчой.
Особенно быстро развивались международные отношения с конца 40-х гг. XX в., после
окончания Второй мировой войны, охватившие самые различные природные объекты и
окружающую среду. Организационные формы международного сотрудничества стали
многообразными. Они подразделяются на международные правительственные союзы (МПО)
и международные неправительственные объединения (МНПО). Крупнейшей международной
межправительственной организацией является Организация Объединенных Наций (ООН), в
состав которой входят Организация Объединенных Наций по вопросам просвещения, науки
и культуры (ЮНЕСКО), Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО),
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Всемирная метеорологическая организация
(ВМО), Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и др. Необходимость
международного сотрудничества в области изучения использования в мирных целях атомной
энергии привела к созданию в 1957 г. Международного агентства по атомной энергии
(МАГАТЭ). В целях исследования значения океана для человечества в 1960г. была создана
Межправительственная океаническая комиссия (МОК). В этот период было заключено более
250 международных договоров, соглашений, конвенций, имеющих природоохранительное
значение. Среди них такие важные, как Московский договор 1963 г. «О запрещении
испытания ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой», который
подписали более 100 стран. В мае 1972 г. было подписано межправительственное
соглашение между СССР и США, охватывающее 11 крупных проблем в рамках 39
конкретных проектов. В Стокгольме в 1972 г. на конференции ООН была принята
Декларация об охране окружающей среды и было объявлено, что 5 июня является
«Международным днем охраны окружающей среды».
Генеральная ассамблея ООН в 1981 г. по инициативе нашей страны приняла
резолюцию «Об исторической ответственности государств за сохранение природы Земли для
нынешнего и грядущих поколений», в которой отмечалось пагубное последствие для
природной среды гонки вооружений. Особое место в 50 - 90-х гг. XX в. занимали
Международные Межправительственные организации социалистических стран - Совет
Экономической Взаимопомощи (СЭВ) и другие. В рамках СЭВ была принята и осуществ-
72
лялась комплексная программа по 14 проблемам рационального использования и охраны
природных ресурсов.
Важную роль в решении экологических проблем играют международные
неправительственные организации: Международный союз охраны природы и природных
ресурсов (МСОП), Всемирный фонд охраны природы (ВФОП), Международная молодежная
федерация (ММФ), Международный совет научных союзов (МСНС), Всемирная
конфедерация организации преподавательских профессий (ВКОПП).
В 90-х гг. XX в. Россией продолжено международное сотрудничество по восьми
основным программам в рамках ЮНЕП, в частности, по решению проблем Аральского и
Черного морей, озера Байкал, по преодолению последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
В 1991 г. произошло подключение к Глобальной базе данных о природных ресурсах (ГРИД),
действующей в рамках ЮНЕП.
Среди результатов сотрудничества с Европейской экономической комиссией ООН
(ЕЭК) следует выделить подготовку конвенций по трансграничным последствиям
промышленных аварий, по охране и использованию трансграничных водных путей и международных озер.
Продолжалось сотрудничество страны с Всемирной метеорологической организацией
(ВМО) по Программе службы погоды. В рамках проекта «Человек и биосфера» (МАБ)
продолжается работа по развитию международной сети биосферных заповедников,
разработан ряд проектов по Международной гидрологической программе.
Во Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) осуществляется работа по
решению проблем здравоохранения и окружающей среды, питьевого водоснабжения и
санитарии, безопасных химических веществ. Взаимодействие с МАГАТЭ включало
проведение экспертизы уровня безопасности АЭС, обращение с радиоактивными отходами.
Центральное место в сотрудничестве с неправительственными экологическими
организациями занимала подготовка к КОСР-92. В 1991 г. Россия стала членом
Международного союза охраны природы и природных ресурсов (МЕОП).
В рамках многосторонних конвенций и соглашений продолжается сотрудничество по
совместной программе наблюдения и оценки распространения загрязняющих воздух веществ
в Европе (ЕМЕП) в рамках Хельсинкской комиссии по защите морской среды района
Балтийского моря (ХЕЛКОМ).
Осуществляется и двухстороннее сотрудничество на межправительственном и
межведомственном уровнях. Действуют более 20 соглашений, в том числе подписаны
соглашения с Австрией, Испанией, Нидерландами, Румынией, Японией. Развитие связей с
Финляндией направлено на улучшение экологической обстановки в сопряженных регионах
(снижение загрязнения бассейна Балтийского моря, реконструкция комбината
«Печенганикель»), приграничных районах Финляндии, Республики Карелия и России,
проведение совместных работ в международных заповедниках и национальных парках.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Предмет и основные задачи экологии?
Что включает в себя понятие "окружающая среда"?
Что представляет собой экологическая система ?
Структура биосферы, ее основные компоненты?
Влияние факторов среды обитания на организмы?
73
6. Сущность закона минимума, Либиха?
7. Охарактеризовать большой и малый круговороты веществ?
8. Суть и значение биотического круговорота?
9. Принцип передачи энергиив экосистемах?
10. Суть учения В.И.Вернадского о ноосфере?
74
Раздел 2. ЧЕЛОВЕК И СРЕДА ОБИТАНИЯ
2.1 Человек и природная среда
2.1.1 Взаимодействие человека с природной средой
Природа как объект деятельности человека представляет собой сложную систему,
включающую явление биологического и абиотического порядка. На данном этапе
существования нашей планеты природная среда и антропогенная деятельность находятся в
неразрывном диалектическом единстве, образуя некоторую систему "природа-общество".
Взаимодействие общества и природы невозможно осмыслить без комплексного подхода к
нему. Поэтому необходимым условием
и средством глубокого понимания любого
явления жизни в его взаимосвязях как с более высокими, так и с элементарными его
формами и окружающей средой становится системный подход [3].
Под системой в общем случае понимают множество элементов, находящихся в
отношениях и связях между собой, что в совокупности образует определенную
целостность, единство. Любая система связана с окружающей средой и ей свойственны
известная расчлененность и многие уровни организации. Поэтому любая система может
быть рассмотрена и как элемент системы высшего порядка, и как совокупность элементов
более низшего порядка.
Под биологической системой понимают выполняющую некоторую функцию
(биохимическая, физиологическая и др.) структуру (клетка, организм, сообщество
организмов и пр.), которая взаимодействует со средой и другими системами как единое
целое, состоит из подсистем более низкого уровня, непрерывно приспособительно
перестраивает свою деятельность по сигналам обратной связи и проявляет свойства
самоорганизации.
Важнейшими инструментами анализа систем являются математика, теория
информации, кибернетика.
В процессе взаимодействия общества и природы первое воздействует на вторую,
при этом возникают адекватные ответы второй по каналам обратной связи. Так,
промышленные отходы, проникая в окружающую среду, изменяют ее, а это сказывается на
деятельности общества.
Системный подход предусматривает комплексную оценку
воздействия
промышленно-технической деятельности общества на природу с обязательным
прогнозированием реакции природы на это воздействие.
Положение человека в биосфере двояко. С одной стороны, как биологические объекты
мы тесно зависим от физических факторов среды и связаны с нею через питание, дыхание,
обмен веществ. Однако главной особенностью человека, отличающей его от других видов,
является новый способ взаимодействия с природой через создаваемую им культуру, то есть
мощное воздействие на природу.
Анализ истории взаимодействия человека с природой и вопросы происхождения
проблемы охраны окружающей природной среды свидетельствуют о существовании в
истории развития человечества четырех периодов, различных по времени и силе воздействия
людей на природу. Сейчас в этом взаимодействии наблюдается переход к пятому периоду
(Зубаков В. А.) [3].
75
Длительное время воздействие человека на биосферу было ничтожным. Но с
возникновением 20-30 тыс. лет назад (в среднем палеолите) первой общественноэкономической формации биологические законы развития человека стали оттесняться
социальными законами развития общества. В результате многократно возросшей
технической мощи деятельность человека в эпоху НТР приобрела масштаб геологических
и биосферных процессов: человеческая деятельность на планете изменяет климат, влияет на
состав атмосферы и Мирового океана. Строительная и горнодобывающая техника ежегодно
перемещает на поверхности Земли больше материала, чем сносится в моря всеми реками
мира в результате водной эрозии.
Так, на современном этапе развития можно выделить следующие виды воздействия
человека на биосферу:
1. Изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов,
мелиорация, создание искусственных морей и пр.);
2. Изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ
(изъятие ископаемых, создание отвалов, выброс вредных веществ в атмосферу и в воду);
3. Изменение энергетического (в частности, теплового) баланса отдельных районов
земного шара;
4. Изменения, вносимые в биосферу в результате истребления некоторых видов
фауны и флоры, создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их в иные
места обитания.
Биологический обмен веществ между человеком и природой не исчез. Однако появился
также антропогенный обмен веществ, то есть обмен, возникший в процессе
производственной деятельности человека (или иначе социальный обмен). Принципиальное
отличие антропогенного обмена от биологического круговорота - его незамкнутость. На
вводе антропогенного обмена идет потребление природных ресурсов, а на выводе образование промышленных и бытовых отходов.
Незамкнутость антропогенного обмена делает его экологически несовершенным, а
скорость и масштабы приближают наступление экологического кризиса.
Кризисным состоянием окружающей среды считается такое состояние, когда ее
параметры приближаются к допустимым пределам, переход через которые влечет за собой
потерю устойчивости и разрушение системы.
Экологический кризис - устойчивое нарушение равновесия между природой и
обществом, проявляющееся в деградации окружающей природной среды, с одной стороны, и
неспособности государственных управленческих структур, правоохранительных органов
выйти из создавшегося состояния и восстановить равновесие общества и природы - с другой
стороны.
2.1.2 Экологическое равновесие в системе
«человек - окружающая среда»
По мере развития человеческого общества в направлении интенсификации научнотехнического прогресса повышается экологический риск (как производная промышленного и
строительного техногенеза) [2]. Наиболее опасны процессы деградационного характера,
связанные с переходом «материя - энергия». В частности, следствием таких переходов
являются парниковый эффект как фактор глобального нарушения экологического
равновесия; локальные экологические скачки, обусловленные авариями, отказами оборудо-
76
вания и др. В основе техногенного воздействия на окружающую среду лежат монотонные и
скачкообразные количественные превращения, закономерно приводящие к качественно
новым ее состояниям, преимущественно более низкого уровня.
Скоротечность происходящих антропогенных изменений в природе определенным
образом зависит от интенсивности и размеров ареалов источников техногенного
воздействия. Реакция компонентов природы неодинакова по своим деградационным
последствиям. С некоторой степенью условности можно считать, что деградационные
процессы в атмосфере протекают быстрее, чем в почве. В значительной мере это
обстоятельство обусловлено физической плотностью среды и условиями протекания в ней
тепло-, массо- и энергообмена.
В оценке последствий промышленного воздействия на природу важное значение
имеет выявление допустимых масштабов этого воздействия, при которых оно не причинило
бы вреда человеку и природе. Любое промышленное воздействие на природу
характеризуется ответной реакцией со стороны окружающей среды, выражающейся, как
правило, в трех формах:
- адаптационной (с локальным, статическим смещением равновесия);
- восстановительной (или самовосстановительной), характеризующейся полным
возвратом экосистемы в исходное состояние;
- частично восстановительной (или невосстанавливаемой), характеризующейся
необратимым сдвигом экосистемы от исходного (равновесного) состояния.
Таким образом, любое промышленное воздействие обусловливает определенный
комплекс локальных потерь, выражающих соответствующую ответную реакцию в природе адаптационную, восстановительную, невосстановительную. В границах рассмотренных форм
техногенного воздействия происходит антропогенное изменение природного ландшафта.
Поэтому регламентация антропогенных факторов окружающей среды составляет необходимое условие обеспечения и сохранности экологического равновесия в системе «человек природа».
Для оценки влияния промышленного техногенеза на экологическое равновесие в
природе можно использовать следующие интегральные характеристики:
- абсолютные потери окружающей среды, выражаемые в конкретных единицах
измерения состояния данных биогеоценозов флоры и фауны;
- компенсационную возможность экосистемы, характеризующую ее восстанавливаемость в естественном и принудительном режимах;
- опасность нарушения природного баланса, определяющую величину вероятности
возникновения необратимых потерь и локальных экологических сдвигов;
- уровень концентрации экологических потерь, характеризующий масштабы воздействия промышленного техногенеза на окружающую среду.
Особенность перечисленных характеристик - их функциональная изменчивость во
времени. Поэтому целесообразно их рассматривать в трехмерных координатах.
Техническая реализация прикладных решений с позиций рассмотренных физикоматематических аспектов региональной экологии осуществляется в направлении
формирования экосистем замкнутого типа. Системы замкнутого цикла локализуют в себе
противоположные процессы, взаимоисключая, таким образом, негативные последствия
техногенеза
При этом следует учитывать корреляционный аспект экологической взаимосвязи как
фактор управляемого или спонтанного развития природно-технической геосистемы.
Локальные антропогенные нагрузки, создаваемые в различных регионах промышленного
77
освоения, формируют в конечном счете общую экологическую обстановку в региональном
масштабе. Таким образом, можно говорить о его крупномасштабном развитии в
континентальном и планетарном выражении.
2.1.3 Классификация антропогенных воздействий
На интенсивность использования природных ресурсов и тесно связанное с нею
состояние окружающей среды в современную эпоху объективно влияют две группы
факторов: первая - научно-техническая революция (НТР) и ее проявление в производственной деятельности человеческого общества, вторая - демографические факторы
(рост численности населения, урбанизация) [2]. Обе группы факторов взаимообусловлены. С
одной стороны, достижение НТР в ходе производственной деятельности реализуются
людьми, одновременно выступающими и творцами научно-технического прогресса (НТП). С
другой стороны, достижения НТР объективно влияют на увеличение численности
народонаселения благодаря росту производства продуктов питания и снижения смертности.
Принципиальная схема взаимодействия основных факторов в системе ″общество окружающая среда″ по В.Ф. Протасову, А.В. Молчанову (1995) состоит из двух подсистем.
В социально-экономической подсистеме анализируется влияние научно-технической
революции на развитие и территориальное размещение производительных сил с учетом
демографических факторов, в том числе и урбанизации.
В природно-ресурсной подсистеме определяется влияние развития производительных
сил на количественное и тесно связанное с ним качественное истощение природных
ресурсов различных видов. Количественное истощение природных ресурсов связано с
уменьшением их общих запасов из-за высоких темпов расходования, а качественное
истощение - с поступлением в окружающую среду (атмосфера, вода, почвенный и
растительный покровы) веществ - загрязнителей биосферы. Для минерально-сырьевых
ресурсов качественное истощение связывается со снижением их промышленных кондиций.
Антропогенные воздействия на экосферу и среду обитания людей
Т. А. Акимовой, В. В. Хаскиным (1994) подразделены по следующим категориям.
1. Общий характер процессов антропогенного воздействия, предопределяемый формами человеческой деятельности: 1) изменение ландшафтов и целостности природных
комплексов; 2) изъятие природных ресурсов; 3) загрязнение окружающей среды.
2. Материально-энергетическая природа воздействий: механические, физические
(тепловые, электромагнитные, радиационные, радиоактивные, акустические), физикохимические, химические, биологические, факторы и агенты, их различные сочетания.
3. Категории объектов воздействия: природные ландшафтные комплексы, поверхность земли, почва, недра, растительность, животный мир, водные объекты атмосферы,
микросреда и микроклимат обитания, люди и другие реципиенты.
4. Количественные характеристики воздействия: пространственные масштабы
(глобальные, региональные, локальные), единичность и множественность, сила воздействий
и степень их опасности (интенсивность факторов и эффектов, характеристики типа ″доза эффект″, пороговость, допустимость по нормативным экологическим и санитарногигиеническим критериям, степень риска и т. п.).
5. Временные параметры и различия воздействий по характеру наступающих
изменений: кратковременные и длительные, стойкие и нестойкие, прямые и опосредованные,
78
обладающие выраженными или скрытыми следовыми эффектами, вызывающие цепные реакции, обратимые и необратимые и т. д.
С последними категориями классификации связано еще деление всех антропогенных
изменений на преднамеренные и непреднамеренные, попутные, побочные.
Преднамеренные преобразования: освоение земель под посевы или многолетние
насаждения, сооружение водохранилищ, каналов и оросительных систем, строительство
городов, промышленных предприятий и путей сообщения, рытье котлованов, разрезов, шахт
и бурение скважин для добычи полезных ископаемых, осушение болот и т. д. К
непреднамеренным изменениям относят: загрязнение окружающей среды, изменения
газового состава атмосферы, изменения климата, кислотные дожди, ускорение коррозии
металлов, образование фотохимических туманов (смогов), нарушение озонового слоя, развитие эрозионных процессов, наступление пустыни, экологические катастрофы в результате
крупных аварий, обеднение видового состава биоценозов, развитие экологической патологии
у населения и т. п. На первый план выступают непреднамеренные экологические изменения
не только по той причине, что многие из них очень значительны и важны, а также и потому,
что они хуже контролируются и чреваты непредвиденными эффектами.
2.1.4 Взаимодействие техники с природой
Современный энциклопедический словарь дает следующее определение техники:
«Техника (от греч. techne - искусство, мастерство) - совокупность средств человеческой
деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания
непроизводственных потребностей общества-». Основное назначение техники - полная или
частичная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и
повышения его производительности. Нередко термин «техника» употребляют также для
совокупной характеристики навыков и приемов, используемых в каком-либо деле или в
искусстве. Во втором значении термин «техника» близок по содержанию к термину
«технология» [3].
Стремительный рост техники в качественном и количественном отношении
ознаменовал собой так называемый период научно-технической революции. Так, считается,
что за последние 50 лет человечество изобрело и создало технических средств гораздо
больше, чем за все предшествовавшее время. Бурное развитие транспортных средств дало
человеку возможность осваивать природу практически повсеместно, охватив своим
влиянием всю территорию Земли. Освоив сверхглубокое бурение, он проник в глубь Земли
на многие километры, а преодолев земное притяжение, вырвался в Космос. Находясь в
органической связи с природой, современное общество преобразует ее посредством техники,
причем в таких деятельностных масштабах, которые обусловили формирование
искусственной среды обитания человека, все более обретающей черты некоей целостной
оболочки, трактуемой как техносфера Земли.
Во взаимодействии общества и природы техника играет, как правило, двоякую роль.
С одной стороны, с ее помощью человек удовлетворяет многие свои потребности, но с
другой - она оказывается главной причиной изменений, происходящих в природе
(антропогенные изменения), которые являются нежелательными для всех обитателей
биосферы.
Промышленные предприятия преобразуют почти все компоненты природы (воздух,
воду, почву, растительный и животный мир и т. д.). В биосферу (атмосфера, водоемы и
79
почва) выбрасываются твердые промышленные отходы, опасные сточные воды, газы, разные
по размерам и химическому составу аэрозоли.
Атмосферные загрязнения ускоряют разрушение строительных материалов,
резиновых, металлических, тканевых и других изделий. При соответствующем составе и
концентрации они могут явиться причиной гибели растений и животных. Самый же большой
ущерб эти сложные по химическому составу вещества наносят здоровью населения.
Взвешенная в воздухе пыль адсорбирует ядовитые газы, образует плотный,
токсичный туман (смог), который увеличивает количество осадков. Насыщенные
сернистыми, азотистыми и другими веществами, эти осадки образуют агрессивные кислоты.
По этой причине скорость коррозионного разрушения машин и оборудования во много раз
увеличивается.
Под загрязнением окружающей среды понимают любое внесение в ту или иную
экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических
или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и
обмена веществ, потоки энергии со снижением продуктивности или разрушением данной
экосистемы.
Различают
природные
загрязнения,
вызванные
природными,
нередко
катастрофическими, причинами, например извержение вулкана, и антропогенные,
возникающие в результате деятельности человека.
Антропогенные загрязнители делятся на материальные (пыль, газы, зола, шлаки и
др.) и физические, или энергетические (тепловая энергия, электрические и электромагнитные
поля, шум, вибрация и т. д.). Материальные загрязнители подразделяются на механические,
химические и биологические. К механическим загрязнителям относятся пыль и аэрозоли
атмосферного воздуха, твердые частицы в воде и почве. Химическими (ингредиентами)
загрязнителями являются различные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу, гидросферу и вступающие во
взаимодействие с окружающей средой - кислоты, щелочи, диоксид серы, эмульсии и другие.
Биологические загрязнители - все виды организмов, появляющиеся при участии
человека и наносящие ему вред - грибы, бактерии, сине-зеленые водоросли и т. д.
Радиоактивные отходы могут рассматриваться как материальные и как
энергетические.
В основу классификации материальных загрязнений принята среда их
распространения (атмосфера, гидросфера и литосфера), их агрегатное состояние
(газообразные, жидкие, твердые), применяемые методы обезвреживания и степень
токсичности загрязнений.
Материальные загрязнения подразделяются на выбросы в атмосферу, сточные воды и
твердые отходы. Классификация выбросов вредных веществ в атмосферу устанавливается
государственными стандартами, согласно которым выбросы подразделяются по агрегатному
состоянию и массе веществ, выбрасываемых в единицу времени (обычно тонны в сутки).
Основными физико-химическими характеристиками газообразных загрязнений
воздуха являются химический состав и плотность, для парообразных - химический состав,
плотность, летучесть, упругость и температура. Массовая концентрация всех выбросов
выражается в мг/м3 или г/м3 и приводится к нормальным условиям, т. е. к
20 °С и 760 мм рт. ст.
Физико-химический состав промышленной пыли зависит в основном от материала, из
которого она образовалась, и механизма ее образования. Механизм образования пыли
определяет ее дисперсный состав: крупнодисперсные (более 10 мкм) и мелкозернистые
80
(менее 10 мкм), но существуют и используются и более детальные классификации пыли по
размерам и структуре. По структуре пыль может быть аморфной, кристаллической,
волокнистой и пластинчатой.
Производственные сточные воды характеризуются рядом параметров -количеством и
физико-химическими свойствами растворенных, эмульгированных и взвешенных примесных
веществ, степенью их токсичности, щелочностью или кислотностью, органолептическими
характеристиками (запах, вкус, цвет).
Производственные сточные воды подразделяются на условно чистые и грязные.
Условно чистыми являются воды от охлаждения технологического оборудования и
аппаратуры. Эти воды охлаждаются в заводских прудах или градирнях, очищаются от масел
и взвешенных частиц и затем возвращаются в производство при ограниченном добавлении
чистой воды. Грязные сточные воды отличаются не только на различных предприятиях, но и
на одном предприятии от разных цехов и участков.
Промышленные твердые отходы кроме классификации по токсичности
подразделяются
на
металлические,
неметаллические
и
комбинированные.
К
неметаллическим отходам относят химически инертные (отвалы пустой породы, зола и т. д.)
и химически активные (пластмассы, резина и т. д.), к комбинированным - промышленный и
строительный мусор.
Энергетические загрязнения окружающей среды включают промышленные тепловые
выбросы, а также все виды излучений и полей.
Тепловое загрязнение биосферы присуще в большей или меньшей степени всем видам
производств и проявляется в виде конвективного или радиационного теплообмена между
нагретыми выбросами или нагретыми технологическими установками и окружающей
средой, что приводит к локальному повышению температуры атмосферы, воды или почвы.
Особенно нежелательно воздействие тепловых выбросов на водоемы, поскольку это
нарушает водный экологический режим.
Последствия загрязнения окружающей среды могут быть кратко сформулированы
следующим образом.
1. Ухудшение качества окружающей среды.
2. Образование нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств при
добыче и заготовке человеком сырья и материалов, которые превращаются в безвозвратные
отходы, рассеиваемые в биосфере.
3. Необратимое разрушение не только отдельных экологических систем, но и
биосферы в целом, в том числе воздействие на глобальные физико-химические параметры
окружающей среды.
4. Потери плодородных земель, снижение продуктивности экологических систем и в
целом биосферы.
5. Прямое или косвенное ухудшение физического и морального состояния человека главной производительной силы общества.
2.1.5 Влияние состояния окружающей среды
на здоровье людей.
Многие годы не существовало общепринятого представления о количественной связи
между загрязнением окружающей среды и состоянием здоровья населения [2].
81
В 70-х гг. XX в., по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ),
состояние смешанных контингентов людей в разных странах в среднем на 50 - 60% зависело
от экономической обеспеченности и образа жизни, на 18 - 20% - от состояния окружающей
среды и на 20 - 30% - от уровня медицинского обслуживания.
Л. Г. Мельник и Н. С. Владимирова (1991) на основании обработки статистического
материала о потерях рабочего времени по болезни делают выводы, что «загрязнение воздуха
на 43 - 45% повинно в ухудшении здоровья населения» (рис.2.1).
Т.А. Акимова, В.В, Хаскин (1994) считают, что следует различать акценты, которые
относятся к загрязнению среды, когда имеются в виду воздействия, опосредованные
воздухом, водой, пищей, физическими факторами, и акценты, которые относятся к качеству
среды, или состоянию среды, в достаточно широком понимании. Современной
гигиенической наукой установлено, что загрязнение окружающей среды повышает уровень
заболеваемости населения в среднем на 20%. Например, частота болезней крови и
кроветворных органов в Российской Федерации находится на высоком уровне,
соответствующем районам мира с высоким развитием индустрии.
На экологическое неблагополучие особенно остро реагирует детский организм.
Увеличивается число «экогенных» состояний, отмечается рост числа хронических болезней
детского возраста (аллергических, бронхолегочных, сердечно-сосудистой системы, болезней
почек, крови и т. д.).
Загрязнение
атмосферного
воздуха (химическое,
биологическое)
Загрязнение питьевой
воды и источников
питьевого и
рекреационного
назначения
(химическое,
биологическое)
Загрязнение почв
селитебных
территорий
(химическое,
биологическое,
радиоактивное)
Ионизирующее
излучение
Угроза и ухудшение состояния здоровья
человека
Рис.2.1 Изменение среды обитания и состояния здоровья человека [2]
В России, по данным НИИ человека и гигиены окружающей среды имени А. Н.
Сысина РАМН, только 15% горожан проживают на территориях с допустимым уровнем
загрязнения атмосферы. Наряду с другими факторами это приводит к дефициту
кислородного обеспечения организма, в первую очередь детского, что сказывается на
нормальной деятельности всех его систем, особенно иммунной, которая определяет в
основном уровень как острой, так и хронической заболеваемости. Загрязнением атмосферы
обусловлено около 20 - 30% общих заболеваний населения промышленных центров. На состоянии здоровья населения отражается неблагоприятное влияние на окружающую среду
предприятий основных отраслей промышленности. В центрах черной металлургии (гг.
Магнитогорск, Липецк, Нижний Тагил, Новокузнецк и др.) общая заболеваемость как
детского, так и взрослого населения почти на 40% выше, чем в относительно «чистых»
82
городах. Взрослые в 1,5 раза чаще страдают болезнями органов кровообращения, в 1,7 раза органов пищеварения. Дети в 1,2 - 1,4 раза чаще страдают болезнями органов дыхания,
пищеварения, а также болезнями кожи и слизистых оболочек глаз.
Т.А. Акимова, В.В. Хаскин (1994) указывают, что при распределении крупных
городов России по общему индексу техногенной загрязненности атмосферы выявились
частные особенности, которые связаны с характером загрязнения и общим
этиопатологическим фоном. Так, в г. Перми (14-е место по загрязненности) у детей до 5 лет
частота заболеваний крови в 3,5 раза выше, чем в среднем по городам; в г. Березники (19-е
место) заболеваемость по респираторным и гемопатологиям в 8 раз выше средней, в г.
Стерлитамаке, где систематически регистрировались 10-кратные превышения ПДК по ртути,
заболевания гипертонией у взрослых людей в 2,6 раза выше средней по городам. В г. Подольске сумма вредных выбросов в атмосферу составляет более 65 тыс. т/год, а
аккумуляторный завод рафинирует свинца на 25 тыс. т больше, чем могут обработать его
очистные системы, распространенность легочных заболеваний у взрослых в 2 раза чаще.
Исследования содержания свинца в волосах жителей и в эмали молочных зубов у детей,
которые живут в районе медеплавильного комбината, показали, что в зонах максимального
загрязнения в 64% случаев был превышен допустимый, а в 14% случаев - критический
уровень содержания. Превышение уровней содержания свинца около свинцово-кадмиевого
комбината было почти двухкратным. Здесь зарегистрирована повышенная частота
заболеваний нервной системы, характерных для воздействия свинца.
Проживание в городах с предприятиями нефтехимии и органического синтеза
(Стерлитамак, Уфа, Чайковский и др.) ведет к увеличению заболеваемости,
преимущественно детей, бронхиальной астмой (в 2 - 3 раза), и аллергическими поражениями
кожи и слизистых оболочек (в 1,5 - 2,0 раза). В городах Светлоярск, Мантурово, Шебекино с
пуском предприятий биотехнологии уровень общей заболеваемости населения увеличился в
1,6 - 3,0 раза, а аллергической - в 1,5 - 12,0 раза.
На состояние здоровья населения большое влияние оказывает качество питьевой
воды. В Амурской, Курганской, Кемеровской, Новгородской областях и Мордовской
республике установлено прямое влияние химического загрязнения на возникновение заболеваний центральной нервной системы, нефритов, гепатитов, токсикозов беременности,
увеличение мертворождаемости и врожденных аномалий. Бактериальное и вирусное
загрязнение рек России (бассейны рек Волги, Оки, Камы, Дона, Кубани, Оби и др.), в десятки
и сотни раз превышающее допустимые величины, создает на соответствующих территориях
постоянную опасность эпидемических вспышек острых кишечных инфекций.
Одной из причин неблагополучия с питьевой водой является недостаточная
гигиеническая эффективность систем водоподготовки. В 1991 г. 23,7% проб питьевой воды
не отвечали требованиям ГОСТа по химическим и 12,2% по бактериологическим показателям.
Нарушение регламентов хранения и применения пестицидов, минеральных удобрений
приводит к загрязнению почв и сельхозпродукции остаточными количествами химических
веществ и продуктами их деструкции. Особенно неблагоприятная ситуация в 90-х гг. XX в.
сложилась в Среднем Поволжье, Приморском крае, в Центральном Черноземном районе
России. Превышение допустимого уровня содержания хлорорганических пестицидов в почве
в 3 раза сказывается на более высокой, по сравнению с другими территориями страны,
заболеваемости детей в возрасте до года. В сельской местности с максимальными
пестицидными нагрузками уровень заболеваемости детей анемией и туберкулезом
значительно выше, чем в контрольных районах.
83
На территориях, подверженных радиоактивному загрязнению, состояние здоровья
населения требует долгосрочного углубленного изучения. В последние годы резко обострилась проблема борьбы с эндокринными заболеваниями в районах, пострадавших от аварий
на Чернобыльской АЭС, которые достигают 70% патологии населения.
Среди подверженных радиационному воздействию жителей Южно-Уральского
региона у 935 человек диагностирована хроническая лучевая болезнь, на 41% увеличилась
заболеваемость лейкозами среди 17 тыс. человек, наблюдаемых с 1950 г., зарегистрирован
рост общей смертности на 17 -24%. В Сибири, на Дальнем Востоке и Крайнем Севере
нарастание экологических проблем усугубляет влияние на человеческий организм
неблагоприятных субэкстремальных и экстремальных климато-географических факторов
(низких температур, электромагнитных полей солнечного и космического происхождения).
На жителей городов Норильска, Братска, Новокузнецка, Ангарска приходится наибольшая
нагрузка по валовым выбросам вредных веществ. Замедленная самоочищаемость северных
рек на фоне антропогенного загрязнения способствует возникновению кишечных инфекций.
Оценка современного состояния и тенденций изменения здоровья населения России позволяет сделать вывод, что экологические проблемы повсеместно сказываются на изменении
процессов возрастной динамики, появлении сдвигов в клинике и характере заболеваний,
длительности течения и разрушения патологических процессов, т. е. изменения среды самым
непосредственным образом затрагивают биологию человека.
В середине 90-х гг. XX в. население России насчитывало около 148 млн человек. По
прогнозу, составленному Госкомстатом России совместно с Центром экономической
конъюнктуры при правительстве Российской Федерации, в течение ближайших 10 лет
численность населения страны может сократится на 16,5 млн человек, или на 11,2%. В 1993г.
в России был зарегистрирован один из самых низких в мире показатель рождаемости - 9,2
младенца на 1000 человек, в то время как в 1987 г. он составлял 17,2.
В России уровень младенческой смертности в 25,5 раза выше, чем в Швеции, в 6,4
раза, чем в США, в 5,5 раза, чем в Японии. Смертность детей в возрасте от года до четырех
лет выше в 4 - 5 раз по сравнению с развитыми странами. Показатель ожидаемой
продолжительности жизни заметно уменьшился, достигнув в 1992 г. уровня 68,8 года В
начале 70-х гг. XX в. продолжительность жизни россиян была примерно на два года ниже,
чем в развитых странах Европы, Северной Америки, Австралии и Японии, а в настоящее
время эта разница составляет 5 - 10 лет. Сокращение численности населения объясняется
прежде всего ростом смертности из-за увеличения числа профессиональных и общих
заболеваний [2].
Данные об изменениях в демографических показателях под влиянием
профессиональных и общих заболеваний в наиболее общем, интегральном виде дают
представление о состоянии здоровья населения России, на формирование которого непосредственное влияние оказывает состояние окружающей среды.
2.1.6 Основные источники загрязнения окружающей среды
При абстрактном подходе все проблемы окружающей среды можно свести к
человеку, сказать, что любое отрицательное воздействие на окружающую среду исходит от
человека - субъекта хозяйственной деятельности, производителя, потребителя, носителя
технического прогресса да и просто жителя планеты [2]. В этой связи необходимо
проанализировать некоторые аспекты деятельности человека, которые оказывают особо
84
вредное воздействие на среду, и среди них производство, транспорт, потребление, использование современной техники, урбанизация и т. д. как основные источники загрязнения и
ухудшения окружающей среды. Такой подход дает возможность выделить те сферы
деятельности человека, которые наносят вред или создают угрозу среде, наметить пути их
исправления или предотвращения.
До последнего времени считалось бесспорным, что серьезные нарушения
окружающей среды человек совершает в сфере производственной деятельности. Заводские
и фабричные трубы являлись основным источником загрязнения воздуха, стоки
промышленных предприятий - рек и прибрежных морских вод. В конце XX в., когда
транспорт и непроизводственная деятельность потеснили промышленность в шкале
загрязнителей, промышленное и сельскохозяйственное производство остаются одними из
главных источников ухудшения окружающей среды. Рассмотрим несколько подробнее
основные источники загрязнения окружающей среды.
Производство энергии. Основой развития любого региона или отрасли экономики
является энергетика. Темпы роста производства, его технический уровень,
производительность труда, а в конечном итоге уровень жизни людей в значительной степени
определяются развитием энергетики. Основным источником энергии в России и многих
других странах мира является в настоящее время и будет, вероятно, оставаться в обозримом
будущем тепловая энергия, получаемая от сгорания угля, нефти, газа, торфа, горючих сланцев. Так, в 1993 г. в России было выработано 956,6 млрд кВт/ч электроэнергии, в том числе
тепловыми электростанциями 662 млрд кВт/ч, гидроэлектростанциями - 175 млрд кВт/ч,
атомными электростанциями -119 млрд кВт/ч.
Основными источниками загрязнения окружающей среды в энергетике являются
тепловые электростанции. Наиболее характерно химическое и тепловое загрязнение. Если
обычно сгорание топлива бывает неполным, то при сжигании твердого топлива в котлах на
ТЭС или ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы, канцерогенов. Они
загрязняют окружающую среду и оказывают влияние на все компоненты природы.
Например, диоксид серы, загрязняя атмосферу (табл. 2.1), вызывает кислотные дожди.
Таблица 2.1
Загрязнение атмосферы при работе ТЭЦ
на разных видах топлива, г/кВт/ч
Выброс
SO2
NOx
Твердые частицы
Фтористые
соединения
Вид топлива
бурый
мазут
уголь
7,7
7,4
3,4
2,4
2,7
0,7
1,11
0,004
каменный
уголь
6,0
21,0
1,4
0,05
природный
газ
0,002
1,9
-
Кислотные дожди, в свою очередь, закисляют почву, снижая тем самым
эффективность применения удобрений, изменяют кислотность вод, что сказывается на
видовом многообразии водного сообщества. Существенно влияет 80, и на наземную
растительность.
В целом же на энергетику по объему выброса в атмосферу приходится 26,6% общего
количества выбросов всей промышленности России. В 1993 г. объем выброса вредных
85
веществ в атмосферный воздух равнялся 5,9 млн т, из них пыль - 31%, диоксид серы - 42%,
окислы азота - 23,5%.
К другому источнику загрязнения окружающей среды в энергетике относится сброс
загрязненных сточных вод в водоемы. В середине 90-х гг. XX в. в России из 1,5 млрд. м3
сточных вод, требующих очистки, нормативно-очищенными сбрасывалось около 12%.
Источником загрязнения подземных вод являются многочисленные золошлакоотвалы.
Сильно загрязнены подземные воды в районе Курска (ТЭЦ-1), Нижнего Новгорода
(Сормовская ТЭЦ), Конаково (Конаковская ГРЭС).
К городам с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы, где определяющим
является влияние предприятий энергетики, относится Иркутск, Ростов-на-Дону, Саратов,
Улан-Удэ, Хабаровск, Чита, Южно-Сахалинск.
Металлургическая промышленность. Черная и цветная металлургия относится к
самым загрязняющим природную среду отраслям. На долю металлургии приходится около
40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, из них по газообразным веществам - около 34%, по твердым - около 26%.
В среднем на 1 млн. т. годовой производительности заводов черной металлургии
выделение пыли составляет 350 т/сут, сернистого ангидрида - 200, оксида углерода - 400,
оксидов азота - 42 т/сут.
Черная металлургия является одним из крупных потребителей воды.
Водопотребление ее составляет 12 - 15% общего потребления воды промышленными
предприятиями страны. Около 60 - 70% сточных вод, образующихся в технологическом
процессе, относятся к ″условно чистым″ стокам (имеют только повышенную температуру).
Остальные сточные воды (30 - 40%) загрязнены различными примесями и вредными
соединениями.
Концентрация вредных веществ в атмосфере и водной среде крупных
металлургических центров значительно превышает нормы. Неблагоприятная экологическая
обстановка наблюдается в таких металлургических городах России, как Липецк,
Магнитогорск, Нижний Тагил, Новокузнецк, Челябинск, Череповец и др. Так, в 1993 г.
выбросы вредных веществ в атмосферный воздух Череповецким металлургическим
комбинатом составили 414,6 тыс. т (12,8% общего выброса по отрасли). Магнитогорским 388 тыс. т. Новолипецким - 365 тыс. т, Качканарским горно-обогатительным комбинатом - 23
5,9 тыс. т. Выбросы вредных веществ (сероводород, сероуглерод, втористае соединения,
бенз(а)пирен, аммиак, фенол, углеводород) из-за большой токсичности стали причиной
превышения допустимых санитарно-гигиенических норм. В среднем за год концентрации
сероуглерода составляли: в Магнитогорске -5 ПДК, в Кемерово - 3 ПДК, бенз(а)пирена - в
Новокузнецке и Череповце -13 ПДК, Магнитогорске -10 ПДК, Новотроицке - 7 ПДК,
Нижнем Тагиле - 5 ПДК.
Одним из лидеров загрязнения окружающей среды продолжает оставаться цветная
металлургия. В 1993 г. выбросы предприятия цветной металлургии составили 10,6% валовых
выбросов загрязняющих веществ в атмосферу всей промышленности России.
Загрязнение атмосферы предприятиями цветной металлургии характеризуется в
первую очередь выбросами сернистого ангидрида (75% суммарного выброса в атмосферу),
оксида углерода (10,5%) и пыли (10,4%).
На воздушный бассейн основную нагрузку по объему выбросов вредных веществ
оказывают: комбинат ″Южуралникель″ (Орск) - 200,3 тыс. т, Среднеуральский
медеплавильный завод (Ревда) - 101 тыс. т, Ачинский глиноземный комбинат (Ачинск) - 85,9
86
тыс. т, Красноярский алюминиевый завод - 77,8 тыс. т, Медногорский медно-серный
комбинат 65,9 тыс. т.
На предприятиях цветной металлургии значительны объемы сточных вод. В 1993 г.
сброс загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты достигал 537,6 млн м3, в
том числе на предприятиях концерна ″Норильский никель″ - 132млн м3.
Сточные воды предприятий цветной металлургии загрязнены минеральными
веществами, фторореагентами, большей частью токсичные (содержат цианиды, ксаногенты,
нефтепродукты и т. д.), солями тяжелых металлов (меди, никеля, свинца, цинка и др.),
мышьяком, сульфатами, хлоридами, сурьмой, фтором и другими.
Мощными источниками загрязнения почвенных покровов как по интенсивности, так и
по разнообразию загрязняющих веществ являются крупные предприятия цветной
металлургии. В городах, где размещены предприятия цветной металлургии, обнаруживаются
в почвенном покрове тяжелые металлы нередко в количестве, превышающем ПДК в 2-5 раз
и более. Первое место по суммарному индексу загрязнения почвенного покрова занимает
Рудная Пристань (Приморский край), где расположен свинцовый завод. В радиусе 5 км
вокруг Рудной Пристани наблюдается загрязнение почв:
свинцом - 300 ПДК, марганцем - 2 ПДК и другие. К опасной категории загрязнения
почв относятся города: Белове (Кемеровская область), в которых содержание свинца в
почвенном покрове достигает 50 ПДК; Ревда (Свердловская область) - содержание ртути - до
7 ПДК, свинца - до 5 ПДК.
Химическая, нефтехимическая и целлюлозно-бумажная промышленность. Эти
отрасли относятся к одним из основных загрязнителей воздушного бассейна (углекислый газ,
окись углерода, сернистый газ, углеводороды, соединения азота, хлора, мышьяка, ртути и т.
д.), воды и почвы (нефть и продукты нефтехимии, фенолы и другие ядовитые вещества,
сульфитные сточные воды целлюлозно-бумаж-ной промышленности и др.). Так, в 1992 г.
предприятиями химической и нефтехимической промышленности было выброшено в
атмосферу около 1,6 млн т загрязняющих веществ, что равнялось примерно 6% общих
выбросов по России. Данные выброса вызывали загрязнение почв металлами выше ПДК в
радиусе до 5 км вокруг городов, где они расположены. Из 2,9 км3 сточных вод надолго
загрязненных приходилось около 80%, что свидетельствует о крайне неэффективной работе
очистных сооружений этих предприятий. Это отрицательно сказывается на
гидрохимическом состоянии водных объектов. Например, река Белая выше Стерлитамака
(Башкортостан) относится к III классу (″грязной″). Аналогичное состояние отмечается и с
водами реки Оки после сбросов заводами Дзержинска, в которых резко возрастает содержание метанола, цианидов, формальдегида. После сбросов сточных вод Чапаевского завода
химических удобрений река Чапаевка становится практически непригодной для
использования из-за высокого загрязнения ее вод пестицидами.
Предприятия химической и нефтехимической промышленности являются
источниками загрязнения подземных вод металлами, метанолом, фенолом в концентрациях,
достигающих нередко сотен тысяч ПДК на площадях в десятки квадратных километров, что
приводит к невозможности использования водоносных горизонтов для питьевого
водоснабжения.
Проблема охраны окружающей среды, связанная с химической, нефтехимической и
целлюлозно-бумажной промышленностью, особенно актуальна в связи с увеличением в
химическом производстве доли синтетических продуктов, которые в природной среде не
разлагаются или разлагаются очень медленно.
87
Транспортно-дорожный комплекс и связь. Негативная роль транспортно-дорожного
комплекса в ухудшении качества окружающей среды в 70 - 90-е гг. XX в. постоянно
возрастает. Из 35 млн т вредных выбросов 89% приходится на выбросы предприятий
автомобильного транспорта и дорожно-строительного комплекса, 8% - на железнодорожный
транспорт, около 2% - на авиатранспорт и около 1 % - на водный транспорт.
Выбросы от автомобильного транспорта в нашей стране составляют около 22 млн т в
год. Более 200 наименований вредных веществ и соединений, в том числе и канцерогенных,
содержат отработанные газы двигателей внутреннего сгорания. Нефтепродукты, продукты
износа шин и тормозных накладок, сыпучие и пылящие грузы, хлориды, используемые в
качестве антиобледенителей дорожных покрытий, загрязняют придорожные полосы и
водные объекты.
Загрязнение атмосферы асфальтобетонными заводами имеет существенное значение,
так как выбросы этих предприятий содержат канцерогенные вещества. В настоящее время
эксплуатируемые асфальтосмесительные установки разной мощности выбрасывают в атмосферу от 70 до 300 т взвешенных веществ в год.
Ежегодно на подвижных дорожных объектах, которые обеспечивают строительство,
ремонт и содержание дорог общего пользования, выбрасывается 450 тыс. т пыли, сажи и
других вредных веществ. Свыше 130 тыс. т загрязняющих веществ поступает от стационарных источников загрязнения.
В поверхностные водоемы этими же предприятиями сбрасывается 43 млн м3
загрязненных сточных вод.
От работы воздушного транспорта выбросы в атмосферный воздух в 1992 г.
составили 280 тыс. т. Из-за высокого шумового воздействия воздушного транспорта
серьезные проблемы возникают для прилегающих к аэропортам территорий жилой
застройки. Наблюдается заметный рост доли населения, страдающего от авиационного шума.
Это связано главным образом с расширением географии аэропортов, которые принимают
самолеты более шумных типов (Ил-76Т, Ил-86 и др.) по сравнению с ранее
эксплуатируемыми, например Ту-134, Ту-154, Як-42 и др. В 90-х гг. XX в. около 2 - 3%
населения России постоянно подвержено воздействию авиационного шума, превышающего
нормативные требования.
В 1992 г. на железнодорожном транспорте объем выбросов в атмосферный воздух от
стационарных источников составлял 465 тыс. т, из которых только 28,6% уловлено и
обезврежено, а 71,4%, или 331,5 тыс. т, выброшено в атмосферу, в том числе твердых
веществ - 98,2 тыс. т, оксидауглерода - 122,6 тыс. т, оксидов азота - 21,5 тыс. т. Выбросы от
передвижных источников составили более 2 млн т.
Негативным образом сказывается на здоровье людей возрастание общего
электромагнитного фона, особенно в крупных промышленных центрах. Основными
источниками электромагнитных полей являются радиотехнические объекты, телевизионные
и радиолокационные станции, термические цеха, высоковольтные линии электропередач
(ЛЭП-500, ЛЭП-750).
Сельское и лесное хозяйство. Производственная деятельность в сельском и лесном
хозяйстве наиболее тесно связана с природной средой, так как она протекает
непосредственно в природе. Однако с внедрением индустриальных методов и в этих
отраслях произошли существенные изменения, которые неблагоприятно сказываются на
среде. Механизация и химизация сельского хозяйства сопровождается загрязнением
выхлопными газами атмосферного воздуха, загрязнением маслами, бензином дорог.
Минеральные удобрения, особенно азотные и фосфорные, а также химические средства
88
защиты растений (пестициды) загрязняют почву, воду, а в результате могут нанести вред
здоровью людей.
Нерациональное землепользование вызывает эрозию почвы, а нерациональное
ведение лесного хозяйства ведет к обезлесению, вызывающее в свою очередь изменения в
растительном и животном мире, нередко приводящие к исчезновению некоторых видов
растений и животных. Более подробно последствия производственной деятельности в
сельском и лесном хозяйстве мы рассмотрим в разделах антропогенное воздействие на
растительность и воздействие сельскохозяйственной деятельности человека на природу.
Военно-промышленный комплекс. Военно-промышленный комплекс (ВПК)
относится к одному из основных природопользователей, влияние которого на окружающую
среду обладает большой разрушительной силой. На окружающей среде деятельность ВПК
негативно отражается не только во время войн, но и в мирное время. Современная армия, как
в нашей стране, так и за рубежом, требует все возрастающих пространств для своего
функционирования. Размеры территории и степень воздействия на нее многократно
увеличиваются во время маневров и учений. Дислокация столь огромной военной мощи
вызывает на обширной территории значительную деградацию природных комплексов.
Значительное загрязнение воздуха и земли происходит в процессе производства,
испытания и хранения обычного, химического, биологического и ядерного оружия.
Промышленные комплексы по производству вооружения потребляют колоссальные
количества дефицитного сырья и энергии. Например, на военные нужды расходуется 9%
всей мировой продукции металлургии. По данным США, для строительства и развертывания
только одной мобильной межбаллистической ракеты требуется 4,5 тыс. т стали, 2,2 тыс. т
цемента, 50 т алюминия, 12,5 т хрома, 750 кг титана, 120 кг бериллия. Их функционирование
связано с большим экологическим риском.
Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают и испытания ядерного
оружия, которое несет губительные последствия для растительного и животного мира, но
самое опасное, когда в зоне испытаний оказывается человек.
Испытания влекут за собой опасность радиоактивного облучения, в результате
которого возникают тяжелые заболевания (лейкемия, рак щитовидной железы).
В последние годы стало ясно, что и разоружение, уничтожение оружия, в первую
очередь ядерного, химического и биологического, связаны с огромным экологическим
риском.
Опаснейшим в деятельности ВПК являются войны, несущие обширные опустошения.
Войны были постоянным спутником человека. С 1496 г. до н.э. по 1861 г. люди жили в мире
только 227 лет, а воевали 3130 лет. В период с 1900 по 1938 г. произошло 24 войны, а с 1946
по 1979 г. - 130 войн. Военные действия обычно охватывают огромные территории
государств, в зоне которых происходит непосредственное разрушение всей природной среды
обитания.
Трудно в начале XXI в. представить все последствия ядерной войны. Но одно
несомненно, что главное последствие ядерной войны - это столь сильное глобальное
разрушение природной среды и социально-экономических структур человеческого общества,
исключающее возврат к предвоенному состоянию.
К мерам по снижению воздействия ВПК на окружающую среду, несомненно,
относятся проблема разоружения и решение любых конфликтов между государствами путем
мирных переговоров. Вероятность военных конфликтов тем меньше, чем выше уровень
цивилизации и культуры стран.
89
2.1.7 Экологические кризисы и экологические катастрофы
Нерациональное природопользование является причиной экологических кризисов и
экологических катастроф [2]. Экологический кризис - это обратимое изменение равновесного
состояния природных комплексов. Он характеризуется не столько усилением воздействия
человека на природу, сколько резким увеличением влияния измененной людьми природы на
общественное развитие. Проявление экологического кризиса нередко называют ″эффектом
бумеранга″. Известен ряд экологических кризисов: относительного обеднения доступных
примитивному человеку ресурсов промысла и собирательства, обусловивший стихийные
биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для ее лучшего и более раннего роста (с наступлением весны, влажного периода года); перепромысла крупных
позвоночных животных (50 - 10 тыс. лет назад); современный кризис глобального
загрязнения, которому, по мнению ученых, соответствует высший этап научно-технической
революции. Человек выступает при экологическом кризисе активно действующей стороной.
История цивилизации доказывает, что вслед за экологическим кризисом следует
революционное изменение во взаимоотношениях общества и природы.
В предистории и истории человечества выделяют ряд экологических кризисов и
революций.
1. Изменение среды обитания живых существ, вызвавшее возникновение
прямоходящих антропоидов - непосредственных предков человека.
2. Кризис относительного обеднения доступных примитивному человеку ресурсов
промысла и собирательства, обусловившего стихийные биотехнические мероприятия типа
выжигания растительности для лучшего и более раннего роста.
3. Первый антропогенный экологический кризис - массовое уничтожение
(перепромысел) крупных животных (″кризис консументов″), связанный с последовавшей за
ним сельскохозяйственной экологической революцией.
4. Экологический кризис засоления почв и деградация примитивного поливного
земледелия, недостаточность его для растущего народонаселения Земли, что привело к
преимущественному развитию неполивного земледелия.
5. Экологический кризис массового уничтожения и нехватки растительных ресурсов,
или ″кризис продуцентов″, связанный с общим бурным развитием производительных сил
общества, вызвавший широкое применение минеральных ресурсов, промышленную, а в
дальнейшем и научно-техническую революцию.
6. Современный кризис угрозы недопустимого глобального загрязнения. Здесь
редуценты не успевают очищать биосферу от антропогенных продуктов или потенциально
не способны это сделать в силу неприродного характера выбрасываемых синтетических
веществ. Этот кризис называют ″кризисом редуцентов″, которому соответствует высший
этап научно-технической революции - реутилизация продуктов и условное замыкание
технологических циклов.
С кризисом ″редуцентов″ почти одновременно наступают два других экологических
напряжения: термодинамическое (тепловое) и снижение надежности экосистем. Они связаны
с экологическими ограничениями производства энергии в нижней тропосфере и нарушением
природного экологического равновесия. Данные экологические кризисы ближайшего
будущего будут разрешены на основе энергетической и эколого-плановой экологических
революций. Первая будет заключаться в максимальной экономии энергии и переходе к ее
источникам, практически не добавляющим тепло в приземный слой тропосферы (главным
образом солнечным), вторая - в регулируемой коэволюции в системе ″общество - природа″.
90
Экологическая катастрофа - это природная аномалия (длительная засуха, массовый
мор, например, скота и т. д.), зачастую возникающая на основе прямого или косвенного
воздействия человеческой деятельности на природные процессы и ведущая к остронеблагоприятным экономическим последствиям или массовой гибели населения
определенного региона; авария технического устройства (атомной электростанции, танкера
и т. п.), приведшая к остронеблагоприятным изменениям в среде и повлекшей за собой
массовую гибель живых организмов и экономический ущерб; одно из состояний природы.
Экологическая катастрофа отличается от экологического кризиса тем, что кризис - это
обратимое состояние, где человек выступает активно действующей стороной, а катастрофа необратимое явление, человек здесь вынужденно пассивная, страдающая сторона. В более
широком понимании экологические катастрофы - это фазы развития биосферы, где
происходит качественное обновление живого вещества, например вымирание одних видов и
возникновение других.
2.1.8 Формы проявления современного экологического кризиса
Несмотря на все более серьезное внимание всего мирового сообщества к проблемам
защиты окружающей среды, масштабы экологического кризиса все более возрастают.
Ежедневно вымирает один вид растений, ежегодно - один вид животных. На каждого
жителя Земли из недр извлекается около 20 тонн горной массы в год. Объем
перемещаемого вещества в процессе производства на целый порядок превысил величину
естественных рельефообразующих поверхностных процессов. Рассмотрим следующие
основные формы проявления экологического кризиса: смог, кислотные дожди, разрушение
озонового слоя, парниковый эффект.
Смог. 5 декабря 1952 года произошла крупнейшая катастрофа - великий лондонский
смог. За одну неделю погибло около 4 тысяч человек. В результате проведенных исследований
по установлению причин смертей обнаружили наличие в воздухе двуокиси серы. Двуокись
серы выделяется в основном в результате сжигания серных соединений, присутствующих в
угле и в других видах топлива (в большинстве видов жидкого топлива). Она невидима и
лишена запаха при обычной концентрации. Вызывает сильное раздражение легких,
особенно у людей со слабыми легкими, и может превращаться в воздухе в туман,
содержащий серную кислоту, которая поражает людей, одежду, металл, дома и др.
Смог ( англ, smoke - дым и fog - туман) - сильное загрязнение воздуха в больших городах
и промышленных центрах. Различают два типа смога:
1. Густой туман с примесью дыма или газовых отходов производства (Лондонский тип смога);
2. Пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под
действием ультрафиолетовой радиации Солнца в воздухе в результате фотохимических
реакций, происходящих в газовых выбросах автомашин и химических предприятий (Лосанжелесский тип смога).
Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности воздуха, и, следовательно,
при устойчивом распределении температуры воздуха по высоте, слабом ветре или штиле.
Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает
отрицательное воздействие на здоровье человека.
Кислотные дожди. Широко известный ныне термин "кислотные дожди" появился в
1872 г. Его ввел в практику английский инженер Роберт Смит, опубликовавший книгу
91
"Воздух и дождь: начала химической климатологии". Детальными, по-настоящему
научными исследованиями кислотных дождей стали заниматься только в конце 60-х годов XX
века.
Кислотные дожди образуются в результате промышленных и транспортных
выбросов в атмосферу химических веществ, прежде всего двуокиси серы и окислов
азота. Существует точка зрения, что кислотные дожди - не порождение века
индустриализации, и что они были причинами катаклизмов в далекие времена В 1987 г.
американские ученые Р.Принн и Б.Фегали выдвинули новую гипотезу о причинах гибели
динозавров. Они считают, что эти гигантские рептилии вымерли в результате длительных
кислотных дождей. Откуда же они взялись, если в те далекие времени не было ни ТЭЦ,
ни заводов, ни автотранспорта? Полагают, что это случилось в результате столкновения
нашей планеты с кометой. Именно тогда в атмосфере образовалась большое количество
оксидов азота, которые выпадали в виде дождей с высоким содержанием азотной кислоты.
Источники кислотных дождей: производственные предприятия, электростанции;
транспортные средства, сжигающие нефть, природный газ, уголь и другие горючие
вещества. Эти вещества, попадая в воздух на высоте 200 м и более от поверхности земли и
реагируя в течение 2-4 суток с атмосферным кислородом, образуют обезвоженную
серную и азотную кислоты, которые уносятся сотни километров от источника
загрязнения и при благоприятных атмосферных и топографических условиях выпадают на
землю в виде кислотного дождя. Считается, что кислотные дожди на 60% обязаны своим
происхождением двуокиси серы и на 40% окислам азота. Влияние на образование
кислотных дождей оказывают и летучие органические соединения (ЛОС).
Впервые проблема кислотных дождей стала предметом обсуждения на XXVIII
Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии
(ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г. По словам канадского министра
окружающей среды Дж. Робертса, "кислотный дождь - одна из наиболее тяжелых форм
загрязнения окружающей среды, которую только можно себе представить, опасная
болезнь биосферы".
Максимальный отрицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят
воздушной среде, а через нее - флоре и фауне. Однако велик и уровень загрязнений
водной среды. Этот процесс развивался особенно быстро после 2-ой мировой войны. За
период 1910-1940 гг. загрязненность водоемов США увеличилась вдвое, а в последующие
30 лет - более чем в 7 раз.
Приведем пример динамики роста выбросов. В 1950 году электростанции США
выбросили в атмосферу 5,4 млн. тонн двуокиси серы, в 1975 году эта цифра составила
18,6 млн. тонн. В 1990 году она увеличилась еще на 21,2 млн.
В соизмеримых с этими данными объемах SO2 и NOх выбрасываются
автотранспортом, предприятиями нефтехимии, газохимическими комплексами и пр.
Пробы ледниковых покровов показали, что кислотность осадков, выпавших 190 лет
назад, более чем в 100 раз ниже кислотности дождей, выпадающих сегодня.
Кислотные дожди чаше всего образуются при подъеме и охлаждении загрязненных
воздушных масс в соответствующих метеорологических условиях. Сохранению их
опасных свойств (стеканию в озера и реки при высокой кислотности) благоприятствуют
малопроницаемые гонкие почвенные слои с небольшим содержанием щелочных агентов,
недостаточным для нейтрализации кислот.
Из-за загрязнения атмосферы, согласно докладу ООН, на всей планете поражено
около 35 % лесов - на 50 млн. гектаров. Только в Польше, где в атмосферу ежегодно
92
выбрасывается 3,9 млн. тонн двуокиси серы, поражено более 75 % всех деревьев.
Огромное количество продуктов сгорания горючих веществ, выбрасываемых в
атмосферу, их трансформация в сложной по химическому составу и среде загрязненного
воздуха благоприятствуют накоплению серной и азотной кислот, которые, выпадая на
землю в виде осадков, оказывают отрицательное воздействие на растительный и
животный мир, воздух, почву, воду, и, конечно, на человека.
Можно классифицировать различные виды воздействия кислотных дождей.
Воздействие на водоемы. Механизм воздействия кислотных дождей на водоемы
следующий: когда дожди попадают в водоемы, то у рыбы нарушается жидкостный баланс
в организме, теряются соли, особенно натрий. Повышается концентрация растворимого
алюминия в воде, а он разрушает жабры. Гибнут морские икринки.
Развитие популяций рыб отражает суммарные функции экосистемы. При рН воды
выше 6 развитие популяций рыб устойчиво, некоторые нарушения наблюдаются при
рН = 5,5. Поддержание популяции при рН менее 5 практически невозможно.
В результате в реках и озерах рыба гибнет и они становятся безжизненными.
Так, в США лишь немногие районы остались не затронутыми кислотными дождями.
Ученые Корнуельского университета в 1975 г. обследовали 214 горных озер на
высоте свыше 700 метров и установили, что в половине из них кислотность достигла
критической для выживания рыб величины. В 82 озерах рыбы не было. В 1979 году рыбы
не было уже в 170 озерах. В Швеции загрязнено около 85 тысяч озер и 100 тысяч рек и
притоков. В Канаде около 14 тысяч озер безжизненны. В Норвегии в озерном районе
Товдаль поражено 175 озер из 266. В тяжелом состоянии находятся многие моря и в
нашей стране. Так, в последние 20 лет запасы рыбы в Баренцевом море сократились в 7
раз. Неудовлетворительно состояние экосистем Белого, Балтийского, Черного и
Азовского морей, не говоря уже об Аральском.
Опасность повышения концентрации ртути в тканях рыб обусловлено
увеличением ее содержания в результате сброса промышленных вод и антропогенного
закисления озер. Биоаккумуляция ртути в тканях рыб наблюдается и в водных массивах,
удаленных от промышленных производств. В этом случае она связана с выветриванием
минералов, геотермальной и вулканической деятельностью. Источниками ртути могут
быть шахты, металлургические заводы, предприятия по производству щелочи и хлора, а
также по производству этилена и красителей, топочные устройства. Ртуть
накапливалась и в почве в результате применения ртутьсодержащих ядохимикатов. В
Женевском озере (Швейцария) в донных отложениях обнаружено более 65 тонн ртути, из
них только 5 тонн естественного происхождения.
Ртуть хорошо усваивается бактериями, после чего накапливается в водорослях в
наиболее опасной форме - в виде метилртути. Этому процессу способствуют
повышенные содержания растворимых органических соединений. Метилртуть тератоген; вызывает болезнь "Минамата" - по названию деревни в Японии, где впервые
наблюдались симптомы заболеваний в результате сброса ртутных отходов в воду.
Приведенные факты непосредственно связаны с закислением озерных вод.
Повышенная кислотность приводит к ускоренному накоплению ртути в тканях рыбы. Как
показали исследования, с увеличением кислотности на 1 ед. рН в озерах Швеции
концентрация ртути в тканях рыбы повышается в среднем на 0,14 мг/кг. В рыбу ртуть
может попадать как в результате ионообменных тканевых процессов, так и при питании
водорослями.
Наиболее высокие концентрации ртути в товарной продукции наблюдаются в тунце
93
(0,35 мкг/г), форели (0,42 мкг/г), окуне (0,61 мкг/г). Эти данные следует учитывать в
среднегодовом и суточном потреблении рыбы.
В Швеции более 100 рек и озер определены как потенциально опасные при
потреблении выловленной в них рыбы. Населению рекомендовано употреблять в пищу
пойманную рыбу, а которой содержание ртути составляет от 0,2-1,0 мкг/г не чаще 1 раза
в неделю. В штате Миннесота (США) из 98 обследованных озер неудовлетворительная
ситуация установлена для 89. Рыболовам рекомендовано возвращать в озера пойманную
рыбу в возрасте старше 3-х лет.
Для защиты водоемов от кислотных дождей может использоваться известняк,
сбрасываемый в воду и располагаемый по берегам водоемов.
Воздействие на почву. Попадая в почву, кислотные дожди выщелачивают и уносят
из нее питательные вещества, такие как кальций, магний, калий, натрий. Убивая
микроорганизмы, разрушающие органические остатки в почве, кислотные дожди
лишают ее важнейшего питательного вещества. В случае действия кислотных дождей на
почвенную систему важно общее количество выпавших осадков, которое способствует
закислению почвы, усиливает коррозию и выветривание материалов, определяет скорость
ионообменных процессов.
Скорость закисления почв резко повышается в результате выщелачивания
питательных веществ под действие кислых осадков и озона. Процесс сопровождается
переводом нерастворимых соединений алюминия в растворимые, которые участвуют в
замещении ионообменных центров.
Для прогнозирования почвенного режима особенно важно знать количество
выпадающих сульфат- и нитрат-анионов, поскольку их можно рассматривать как
дополнительно вносимые в почву питательные вещества.
Воздействие на растения и леса. Воздействие кислотных дождей на растения
нарушает их дыхание и газообмен. Проникая в тонкую структуру листьев и ветвей,
кислотный дождь отравляет растения, снижает интенсивность фотосинтеза и всхожесть
семян. Наиболее уязвимы: белая сосна, осинообразный тополь, пушистая береза,
редис, фасоль, соевые бобы. Портятся помидоры и ягоды, образуются пятна на
поверхности яблок. Анализы показывают, что в последние 10 лет скорость роста многих
вечнозеленых растений замедлилась на 20-30 процентов (по сравнению с 1930-1950 гг.).
Кислотные дожди в первую очередь действуют на листву; при этом важным показателем
является рН дождя или тумана (например, уже при рН = 2 растения подвергаются
значительным повреждениям).
Кислотные дожди наносят большой урон и лесам. В ФРГ и некоторых районах
Швейцарии погибла 1/3 всех елей. В горнолесных районах Баварии, Шварцвальда, Бадена
пострадало до 50 лесных угодий.
Первые сведения о повреждении лесов относятся еще к 1880 г., когда в районе
металлургических заводов в США (Онтарио) произошла массовая гибель вековых
лесов. С 1970 г. ухудшается состояние лесов в высокогорьях центральной Европы,
наблюдаются массовая гибель сосны обыкновенной в Германии и России с 1980 массовые повреждения приморской сосны на западном побережье Франции.
Как считают специалисты, в ФРГ гибель лесов произошла на 7,6 площадей, т.е.
каждое тринадцатое дерево повреждено или погибло. При такой скорости гибели лесов
более 30 массивов может исчезнуть уже в начале следующего столетия. Одна из основных
причин гибели лесов - выпадение кислотных дождей.
У нас в стране более 600 тыс. га лесных массивов, расположенных в зоне выброса
94
вредных веществ промышленными предприятиями, находится в состоянии полного или
частичного усыхания.
Воздействие на здоровье человека. Кислотные дожди загрязняют пищу и питьевую воду
кислотами и ядовитыми металлами (ртуть, медь, свинец и др.), образующимися при
разложении металлических и других предметов под воздействием кислотных дождей.
Повышение кислотности воды сильно отражается на концентрации в первую очередь
свинца, растворимые соединения которого легко переходят в кровь человека. При
концентрациях свинца в воде 5, 10, 25 и 50 мкг/л содержание его в крови возрастает
соответственно на 0,02, 0,04, 0,11 и 0,21 мкг/л. Растворенный свинец вызывает тяжелые
неврологические заболевания, скорость усвоения его детьми выше, чем у взрослых.
Образование растворимых соединений кадмия опасно для человека, особенно для
детей. Вторым после питьевой воды путем попадания кадмия в организм человека является
неконтролируемое внесение его в почву вместе с удобрениями. Кадмий наиболее эффективно
усваивается овощами и табаком.
Алюминий содержится в питьевой воде (до 3 мкг/л), однако несоизмеримо большее
количество его попадает в организм вместе с лекарствами (до 208 мг в день при применении
аспирина), с пищей (до 25 мг в день). В условиях закисления природных вод и наличия
бокситов в отдельных регионах концентрация алюминия в воде может сильно возрастать.
Другие виды воздействия. В результате воздействия кислотных дождей разрушаются
памятники старины, снижается долговечность машин и сооружений, домов, мостов, дорог.
Влияние кислотных дождей на конструкционные материалы стало очевидным в
последние 30 - 40 лет. За этот период такие памятники культуры, как Акрополь в Греции,
пострадали сильнее, чем за все время своего существования. В Лондоне разрушаются Тауэр,
Вестминстерское аббатство. В последние 200-300 лет на несколько сантиметров размыт
слой портландского цемента. Повышается и скорость разрушения конструкционных
материалов. Основными повреждающими веществами являются катион водорода , диоксид
серы, оксиды азота, формальдегиды, озон, пероксид водорода. Их повреждающее действие
непосредственно обусловлено интенсивностью каталитических реакций с участием
металлов, а также синергизмом. Долгое время считали основными повреждающими
веществами и городе диоксид серы и серную кислот}. Однако исследованиями, посвященными
разрушению гранита под действием кислотных дождей в городских условиях, установлено
разрушающее действие и оксидов азота, которые в городах образуются в результате
выхлопов автомобиля, дымов котельных и ТЭЦ.
Для процессов атмосферной коррозии характерно несколько основных видов
взаимодействий:
- сухая поверхность - газовые примеси, скорость процессов определяется кинетикой
сорбции кислых газов и их последующим растворением с образованием кислот;
- влажная поверхность - газовые примеси,
скорость процесса лимитируется
растворением газа в слое воды, образованием кислоты и скоростью ее взаимодействия с
поверхностью металла;
- сухая или влажная поверхность - мелкодисперсные частицы, особенности их
действия связаны с осаждением твердых частиц кислотного характера на поверхности с
последующим образованием кислот при взаимодействии с влагой;
- прямое действие катионов, содержащихся в осадках.
Повреждение поверхности зданий под действием климатических факторов и
химических веществ, присутствующих в атмосфере, связано не только с изменением
прочности материалов, но и с ухудшением внешних качеств сооружения (изменяются цвет
95
или окраска вследствие образования новых минералов). Растворимость карбонатных пород в
дегазированной дистиллированной воде (рН = 7) невелика, однако при насыщении ее
углекислым газом и образовании угольной кислоты
(рН = 5,б) скорость растворения сильно возрастает. При наличии сажи в атмосфере не только
изменяется цвет объектов, но и ускоряется кислотное разрушение материала. Отрицательное
биологическое действие на здания и сооружения связано в первую очередь с ростом
водорослей,
грибов и лишайников. Они проникают в микротрещины и выделяют
химические соединения, которые разрушают породу и изменяют ее цвет.
В настоящее время во многих странах учеными разработаны методы подсчета
экономического ущерба от загрязнений окружающей среды. По официальным данным, в
США этот ущерб составил: в 1949 г. - 0,5 млрд. долларов, в 1967 г. - 20-30 млрд. долларов.
В 1979 г. ущерб только от загрязнения воздушной среды составил 100 долларов на душу
населения,
В целом ежегодный ущерб, наносимый Европе (без территорий бывшего СССР)
кислотными дождями только за счет окислов серы оценивается в 0,4 - 1,2 триллиона
долларов (по данным Британского департамента по окружающей среде).
Разрушение азонового слоя. Обеспокоенность разрушением озонового слоя
фторуглеродами была впервые высказана в 1974 г. учеными Калифорнийского университета,
занимавшимися изучением атмосферы. Правительства разных стран начали всерьез
рассматривать эту угрозу, когда группа ученых во главе с Джозефом Форменом из
английской организации по исследованию Антарктики "Бритиш Энтарктик Сервей"
сообщила о повторном образовании дыры в озоновом слое над Антарктикой.
В 1987г. правительства ряда ведущих стран мира подписали Монреальский протокол,
обязывающий их в ближайшее десятилетие вдвое сократить производство
фторуглеводородов и других веществ, разрушающих озоновый слой. Позднее соглашения,
подписанные в 1990г. в Лондоне и в 1992 г. в Копенгагене, обусловили то, что многие
промышленные страны были вынуждены постепенно прекратить производство таких
веществ.
Озон (греч."ozo" - пахну) - это антропогенное видоизменение кислорода,
взрывчатый газ синего цвета с резким характерным запахом. В отличие от двухатомной
молекулы обычного кислорода молекула озона трехатомна.
Впервые озон обнаружил в 1785 году голландский физик М. ван Марум по
характерному запаху (свежести) и окислительным свойствам, которые приобретает воздух
после пропускания через него электрических искр.
Озон находит значительное применение в промышленности как ввиду его
окисляющих свойств (например, при отбеливании бумаги, масел, получении многих
органических веществ и пр.), так в качестве вещества, убивающего микроорганизмы, для
очистки воды и воздуха (так называемое озонирование). Однако в воздухе допустимы лишь
очень малые концентрации озона, так как он чрезвычайно ядовит.
Озон в атмосфере определяет характер поглощения солнечной радиации. В
количественном отношении содержание озона в атмосфере ничтожно. Толщина слоя
озона, приведенного к нормальным условиям, в среднем для всей земли составляет 2,5 - 3
мм, в экваториальных областях - около 2 мм, а в высоких широтах - до 4 мм.
Основная масса озона в атмосфере расположена в виде слоя – ″Озоносферы″ - на
высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20 - 25 км. В тропосфере
содержание озона очень мало и изменчиво по времени.
Озон сильно поглощает радиацию в различных участках волнового спектра,
96
наиболее интенсивно - с длинами волн менее 2900 ангстрем, то есть гамма-радиацию.
Поэтому весьма активная в биологическом отношении часть солнечной радиации не
достигает земной поверхности.
Исследование озона в атмосфере производится за счет анализа проб воздуха, взятых
на разных высотах, а также оптическими приборами (спектрофотометрами и др.) на
земной поверхности или поднимаемыми в атмосферу с помощью зондов и ракет.
Установлено, что уменьшение концентрации озона в стратосфере увеличивает число
заболеваний катарактой. В экологической программе ООН отмечается, что уменьшение
толщины озонового слоя на 1% приведет к слепоте дополнительно 100 тысяч человек.
Последующие поколения будут испытывать более сильное влияние, так как они
подвергнутся воздействию ультрафиолетового облучения более длительный период своей
жизни.
На Земле может прекратиться развитие многих видов растений, снизятся урожаи
зерновых культур.
За последние 15 лет озоновый слой на Севере стал тоньше на шесть процентов.
Только с 1969 г. слой озона над загрязненными городами США и Канады уменьшился на 3
%, а над Австралией и Новой Зеландией – на 4 %.
Некоторые меры по защите озонового слоя. Наряду с усилением запретов на
использование хлор- и фторуглеводородов, предлагается использовать самолеты, чтобы
размешать на борту генераторы озона и выбрасывать его в атмосферу. Есть идея
забрасывать в стратосферу кислород, который под воздействием солнечного излучения
превращался бы в озон. Но выхлопные газы самолетов и ракет сами опасны для озонового
слоя. В связи с этим перспективным является использование так называемого
"баллистического" метода.
Парниковый эффект. Парниковый (или "оранжерейный" эффект): свойство
атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение в космос и
тем самым способствовать аккумуляции тепла Земли.
Согласно теории "парникового эффекта", углекислый газ, водяной пар и некоторые
другие газы не дают отражаемому поверхностью Земли солнечному теплу вырваться в
космос. Тепловая энергия накапливается и разогревает атмосферу.
Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную
радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как альбедо
земной поверхности довольно мало.
Альбедо (лат. albus - белый) - характеристика отражательных свойств поверхности
какого-либо тела: отношение потока излучения, рассеиваемого поверхностью, к потоку,
падающему на нее.
Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится
источником земного, в основном длинноволнового излучения, прозрачность атмосферы для
которого мала и которое, таким образом, почти полностью поглощается в атмосфере.
Благодаря парниковому эффекту при ясном небе только 10 - 20 % земного
излучения может, проникая сквозь атмосферу, уходить в космическое пространство.
С 1750 года концентрация углекислого, газа почти удвоилась. Температура воздуха,
согласно прогнозам, может превысить норму на пять градусов, что повлечет за собой
повышение уровня Мирового океана, смещение климатических поясов, массовой гибели
животных и растений.
К концу прошлого тысячилетия температура поднялась на 0,6 градуса, а к 2300 году
температура поднимется на 1,5 - 4,5 град. С., что приведет к более интенсивному таянию
97
полярных снегов в Гренландии. Уровень моря поднимется на 20 - 40 см.
Парниковый эффект связывают с возрастанием концентрации углекислого газа в
атмосфере за счет сжигания топлива. С начала столетия его концентрация возросла на 20%.
2.1.9 Концепция устойчивого развития
Современный этап развития мирового сообщества характеризуется интенсивным
воздействием антропогенных факторов на окружающую среду, что может привести к
глобальному нарушению экологического равновесия в природе. Человечество в своем
развитии приблизилось к той грани, за которой нарушение экологического равновесия
станет необратимым процессом. В связи с этим важнейшее значение приобретает
осуществление концепции устойчивого развития [3].
Термин "устойчивое развитие" был впервые предложен в 1987 г. в отчете комиссии
ООН по окружающей среде и развитию и означал удовлетворение потребностей ныне
живущего поколения без нанесения ущерба в развитии последующих поколений. В
дальнейшем были предложены другие толкования термина, например:
- довести до максимального значения прибыль от экономического развития, но в то
же время обеспечить разумное использование и качественное сохранение природных
ресурсов,
- использование природных ресурсов сегодня не должно сокращать реальный доход в
будущем.
Дискуссии по толкованию термина продолжаются по сей день, однако
первоначальная трактовка представляется наиболее оптимальной, поскольку она
предполагает ответственность каждого за сохранность окружающей среды.
Можно считать, что в термине "устойчивое развитие" заложена идея совместимости
экономического роста и защиты окружающей среды. Привлекательность такого термина в
том, что значение его многообразно. Каждый политик, осознающий свою ответственность за
сохранение окружающей среды, держит этот термин в почете, хотя и не всегда понимает,
что же он означает.
На Всемирном форуме по окружающей среде и развитию, проведенном в 1992г. в
Рио-де-Жанейро, было подчеркнуто, что нельзя больше рассматривать окружающую среду
и социально-экономическое развитие общества как изолированные области. Этот подход
нашел свое отражение в программе "Повестка 21 века", принятой на данной конференции.
Важную роль в обеспечении устойчивого развития играет директива стран ЕЭС по
эко-аудиту, принятая в 1993 г. Глобальное значение директивы в том, что становится
невозможной торговля со странами ЕЭС при несоблюдении экологических требований к
продукции.
Россия является участником ряда международных конвенций в области охраны
окружающей среды, например. Лондонской конвенции 1972 г., Базельской конвенции 1989
г., конвенции по изменению климата 1992 г. и др. Эти конвенции можно рассматривать как
важные документы, но существует проблема формального подхода к их выполнению.
Пожалуй, наиболее успешно выполняется Монреальский протокол, посвященный
предотвращению образования озоновых дыр. В 2002 году Россия принимала участие в
международном саммете по устойчивому развитию, на котором было заявлено о
ратификации парламентом нашей страны Монреальского протокола.
98
Для стран Центральной и Восточной Европы проблема обеспечения устойчивого
развития является крайне актуальной ввиду экономических и политических причин.
В России современная экономическая ситуация характеризуется уменьшением
объемов промышленного производства, однако при этом количество загрязнений,
поступающих в окружающую среду, непрерывно возрастает. Так, в Москве в 1990 г. в
атмосферу было внесено 277 тыс. тонн загрязнений от стационарных источников, а в 1993 г. 307 тыс. тонн. На значительной части территории России наблюдается многократное
превышение предельно-допустимых концентраций (ПДК). В 84 городах и промышленных
центрах неоднократно регистрировались уровни загрязнения воздуха свыше 10 ПДК, а
ежегодный экономический ущерб от загрязнения окружающей среды достиг в настоящее
время 30-50 % годового национального дохода России. Отметим также, что Россия
является страной, богатой природными ресурсами, однако их наиболее ценная и доступная
часть может быть исчерпана уже в обозримой перспективе.
Многофакторный анализ современного состояния охраны окружающей среды в
Российской Федерации, приведенный в государственном докладе "О состоянии
окружающей природной среды РФ в 1993 году", позволил выявить источники
экологической опасности и оценить последствия загрязнения окружающей среды на
территории России. Важнейшими нормативными актами являются "Закон РФ об охране
окружающей природной среды" 1992 г., "Указ Президента РФ о государственной стратегии
РФ по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития" 1994 г.,
Конституция РФ 1994 г. и др. На Международном Конгрессе "Экология в России", Москва,
1994, был представлен доклад на тему: "Концепция устойчивого развития и экономика",
где были рассмотрены разносторонние аспекты экологического влияния (экология и
экономика, экология и организация-управление, и др.), а также содержатся предложения
по разработке стратегии устойчивого развития России. Проблемам устойчивого развития
России был также посвящен состоявшийся недавно Всероссийский съезд по охране
природы, по итогам работы которого был принят общественный экологический кодекс
"Человек и Земля".
В ответ на инициативу Президента России В.В. Путина, высказанную им 30 января
2001 г., общественными организациями (Международный Социально-экологический союз,
Российское Представительство Всемирного Фонда Охраны Природы, Международный
Социально-экологический союз, Центр экологической политики России, Российское
Представительство Всемирного Фонда Охраны Природы, Гринпис России, Союз "За
химическую безопасность", Центр охраны дикой природы, Экологический центр "Дронт"),
были разработанны Основные положения Экологической доктрины России.
Экологическая доктрина России представляет собой совокупность официальных
взглядов на принципы, приоритеты (основные направления), пути и средства обеспечения
устойчивого развития Российской Федерации и охраны окружающей природной среды в
среднесрочной (до 2010 года) перспективе. Доктрина служит основой для формирования
государственной экологической политики России.
Разработчики документа исходили из того, что отсутствие четкой государственной
политики, направленной на сохранение и приумножение природного и человеческого
капитала, охрану окружающей природной среды создает существенные угрозы
национальной экономической и экологической безопасности страны, является одной из
главных причин углубляющегося демографического кризиса и лишает Россию перспектив
долгосрочного устойчивого экономического развития и вхождения в мировую систему в
качестве передовой постиндустриальной державы.
99
Основные положения Экологической доктрины России были вынесены на широкое
обсуждение общественным объединениям, политическим партиям, объединениям и
движениям, коммерческим структурам, органам государственной власти и местного
самоуправления.
Разработчики
документа
рассматривают
процесс
широкого
обсуждения
Экологической доктрины России как один из важнейших инструментов организации
конструктивного сотрудничества структур общества, бизнеса и власти, развития
гражданского общества, реализации конституционного права граждан России участвовать в
управлении делами государства.
Проект Экологической доктрины России, составленный с учетом присланных
замечаний и дополнений, был внесен Президенту Российской Федерации, в Совет Федерации
и Государственную Думу и в Правительство России от имени всех тех, кто заявил о
поддержке вынесенного на обсуждение документа.
Для реализации Экологической доктрины России Правительством разрабатываются
долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные Национальные планы действий по охране
среды и рациональному использованию природных ресурсов и Национальные планы
действий по защите населения от действия опасных антропогенных факторов.
Каковы же пути обеспечения устойчивого развития мирового сообщества в целом и
России в частности?
В первую очередь, необходимо осознание приоритета экологического фактора над
экономическими и политическими, а также необходимости соизмерения потребностей
человечества с возможностями биосферы. В глобальном плане речь идет о создании новой
модели общественной системы, оптимально сочетающей экологические, экономические и
социально-политические интересы мировой цивилизации. Эффективное обеспечение
устойчивого развития человечества немыслимо также без совместимости социальноэкологических программ различных стран мира. Как подчеркнул министр охраны
окружающей среды и природных ресурсов РФ В. Данилов-Данильян, устойчивое развитие
в одной отдельно взятой стране - утопия. Оно может быть достигнуто лишь на основе
усилий всех стран.
Общей задачей является также разработка продуманной системы наказаний за
загрязнение окружающей среды, стимулирующей развитие экологически чистых
технологий и безотходного производства, которая органически сочетается с программой
формирования экологического сознания и экологической культуры в обществе.
Необходимо формирование психологии неотвратимости наказаний за нарушения
экологических требований.
При дальнейшей разработке концепции устойчивого развития России, очевидно,
следует учесть ряд таких факторов, как развитие космонавтики в интересах новой
цивилизованной модели, наметить пути и взаимосвязи перехода городских, сельских и иных
территорий на путь устойчивого развития. Например, городские системы, в которых
проживает около трех четвертей населения России, можно рассматривать как неустойчивые
системы, целиком зависящие от внешней среды, из которой поступают пищевые, водные,
энергетические, минеральные и иные ресурсы, концентрируются твердые и другие отходы,
а загрязнение окружающей среды на 80 % выше, чем для сельской местности. Следует
согласиться с тем, что на современном этапе подготовки к переходу Российской
Федерации на модель устойчивого развития должны присутствовать решения и
действия, связанные с производством и экономикой.
100
Перспективы экономического развития России, а также других стран Центральной и
Восточной Европы, должны рассматриваться с обязательным учетом экономических аспектов.
Только тогда может быть достигнуто улучшение состояния окружающей среды. Необходимо
направить инвестиционную политику на сохранение природных ресурсов, развивать
инвестиции в создание экологически чистых технологий, добиваться экономии расхода
энергии и модернизации процесса ее производства и др.
При разработке концепции устойчивого развития России следует учитывать опыт
развитых стран Запада. В частности, в Германии особое внимание обращается на следующие
аспекты:
- существующее и перспективное законодательство в области защиты окружающей
среды,
- ответственность за причинение экологического ущерба,
- оценка воздействий на окружающую среду;
- стандартизация продукции с учетом экологических требований;
- региональное планирование;
- экономические стимулы;
- обязательства, гарантии;
- информация и консультации для населения;
- обучение в области охраны окружающей среды;
- отчеты по вопросам охраны окружающей среды;
- исследования в области охраны окружающей среды
Концепция устойчивого развития в неявном виде подразумевает наличие системы
объективных показателей, которые бы позволяли прослеживать смены состояний системы
"природа -хозяйство - население" и вносить необходимые коррекции в процесс управления
Непременным условием эффективного управления процессом развития является
объективная информация о состоянии объектов управления и тенденциях их изменения.
Учитывая масштабы страны, наиболее перспективна космическая съемка ее территорий и
акваторий для решения задач эффективного мониторинга и охраны окружающей среды.
Одним из важных требований к модели устойчивого развития России является
необходимость установления соотношения социального и экологического аспектов.
Социальные вопросы следует рассматривать прежде всего в плане состояния экономики, ее
возможностей в обеспечении социальных гарантий граждан, понимая при этом, что через
экономическое состояние социальная сфера также будет в значительной мере замыкаться на
проблеме экологии.
Не следует упускать из виду проблему нравственности: необходима глубокая
личная убежденность каждого гражданина России в истинности, справедливости и
жизненной значимости концепции устойчивого развития России. Возникает необходимость в
огромной работе по формированию экологического менталитета россиян, который должен
гарантировать экологически грамотное, стабильно хозяйское отношение граждан страны к ее
природным богатствам.
На практике формирование экологического менталитета общества неразрывно
связано с региональной спецификой. Россия - на редкость богатая уникальными
природными краями страна, сохранность которых можно рассматривать как важнейшую
задачу. Например, Средневолжский регион характеризуется наличием ценнейшего природнокультурного комплекса "Самарская Лука", занимающего площадь 150 тыс. Га и имеющего
статус национального парка. Однако сейчас над его сохранностью нависла серьезная угроза,
101
обусловленная в первую очередь антропогенным воздействием городов жигулевской
агломерации (Самара, Тольятти и др.). Приведем некоторые примеры такого воздействия:
- разрушение Жигулевских гор вследствие ведущихся разработок в целях добычи
цементного и известкового сырья, глин и др.;
- образование новых дачных массивов;
- создание новых карьеров;
- проектирование автомагистрали через центральную заповедную зону национального
парка.
Более того, встает даже вопрос об отмене статуса Национального парка Самарской
Луки, что неминуемо приведет к росту новых застроек жилых и дачных массивов и
дополнительным загрязнениям.
Между тем Самарскую Луку можно рассматривать как естественную модель
устойчивого развития агломерации индустриальных центров в соседстве с особо
охраняемыми природными территориями в бассейне крупной реки. Таким образом, к
Самарской Луке в полной мере применим так называемый "бассейновый подход", согласно
которому выделяются условные экологические столицы бассейнов крупных рек, что дает
возможность продуктивного контактирования в плане сохранности природных богатств [4].
С точки зрения сохранности Самарской Луки важное значение имеет разработанный
проект "Декларации органов местного самоуправления и общественных объединений
жигулевской агломерации о сохранении и устойчивом развитии природного и культурного
наследия региона Самарская Лука", в который входят шесть статей, содержащих свод
нормативных положений. Например, в пятой статье говорится, что органы местного
самоуправления берут на себя обязательство начать кампанию за сохранение и развитие
природного и культурного наследия региона Самарская Лука. Именно недопущение
равнодушного отношения к природным богатствам родного края приобретает важнейшее
значение с точки зрения обеспечения устойчивого развития человечества.
Рассмотрим основные направления перехода России на модель устойчивого развития.
2.1.10 Механизмы достижения целей
устойчивого развития
Ни одна страна в мире не располагает такой совокупностью потенциальных
предпосылок для успешного движения к устойчивому развитию, какие имеет Россия. Это
прежде всего богатство природных ресурсов, масштабы жизненного пространства и
экологической емкости территории, уровень развития базовых отраслей промышленности,
образования и науки, характер национальной культуры и духовного мира, исторические
корни и др. [3].
Созвучие идеи устойчивого развития традициям и духу россиян создает
благоприятные условия для их воплощения в России. Эти идеи должны стать
консолидирующим началом поиска согласия в обществе в деле возрождения страны, той
ощутимой и понятной перспективой, на достижение которой должны быть направлены
нынешние преобразования.
К сожалению, в настоящее время достижения России в области техники,
промышленного производства оказались экологически и социально-экономически
несостоятельны. По сравнению с другими развитыми странами в России затраты энергии на
102
единицу конечной продукции оказались в 2 - 3 раза выше, а общая эффективность
использования ресурсов - в несколько раз ниже.
Крупные структурные диспропорции в экономике, отсутствие действенных стимулов
хозяйственной активности, исчерпание возможностей экстенсивного роста обусловили
отставание России от развитых индустриальных стран и предопределили возникновение
кризисной ситуации.
В XXI в. Россия вошла в условиях глубокого кризиса в социальной, экономической и
экологической сферах. Вместе с тем кризис может быть преодолен на путях консолидации
усилий всего общества в рамках намеченного курса реформ. Этому будет способствовать
переход России на модель устойчивого развития.
В качестве конечной цели перехода России на модель устойчивого развития будет
выступать формирование качественно нового состояния общества (ноосферы), в котором
важнейшим мерилом национального богатства станут духовно-нравственные ценности и
знания человека, живущего в гармонии с окружающей средой.
В обобщенном виде концептуальная схема достижения конечной цели должна
предусматривать решение ряда принципиальных задач:
- осуществить выход страны из нынешнего социально-экономического кризиса;
- реализовать принцип экологизации хозяйственной деятельности в процессе
экономического роста и решения социальных проблем;
- обеспечить сохранение и восстановление биосферы, ее локальных экосистем при
ограничении роста природоемких элементов валового внутреннего продукта и усилении
ориентации на потребности будущих поколений с учетом состояния природно-ресурсного
потенциала;
- значительно расширить уровень знаний населения об экологической опасности,
ограниченных возможностях природы, продуцировать жизненные блага и необходимости
экономного использования природных ресурсов.
Такая концептуальная схема перехода России на модель устойчивого развития
определяется современной социально-экономической и экологической ситуацией, а также
необходимостью уже в ближайшее время трансформировать исходные принципы в реальный
национальный план действий. Данная концепция должна рассматриваться как исходное
направление действий для формирования такого плана, в котором должны в конкретной и
конструктивной форме раскрываться целевые ориентиры и механизмы развития на
ближайший период и перспективу, обеспечивающие поэтапную реализацию поставленной
задачи и позволяющие осуществить в итоге выход из кризиса и переход Российской
Федерации на модель устойчивого развития.
Смысл перехода к устойчивому развитию состоит не столько в сбалансированном
решении экономических, социальных и экологических проблем, сколько в создании новой
системы духовно-нравственных ценностей общества, ориентированных на достижение
целей формирования сферы разума (ноосферы).
Это прежде всего создание и принятие большинством населения нового образа
мышления, новой системы общественных ценностей. Это очень трудный и длительный
процесс, требующий осознанных и целенаправленных усилий.
В основу достижения целей устойчивого развития закладывается механизм
динамично сбалансированного развития триады - общество, природа, хозяйство. При этом
масштаб и характер мер, обеспечивающих необходимый динамизм и сбалансированность,
определяются стартовыми условиями через показатели и параметры, характеризующие
текущее состояние данной триады.
103
Формирование механизмов достижения целей устойчивого развития в конечном итоге
сводится к широко понимаемому процессу принятия решений.
На начальном этапе, исходя из общей идеологии устойчивого развития и схемы
формирования открытого общества, создаются рамочные условия этого процесса,
включающие систему законодательных и нормативных актов, обеспечивающих возможность
сопряженного, внутренне сбалансированного функционирования указанной триады.
На следующих этапах реализации целей устойчивого развития необходимо
осуществить
трансформацию
нормативно-правовой
базы,
экономических
и
административных инструментов, обеспечив социальную ориентацию и экологизацию
бюджетной и налоговой систем, структурной, инвестиционной и внешнеэкономической
политики.
При этом в рамках построения модели управления социально-экономической системы
должны соблюдаться следующие условия:
- никакая практическая деятельность не может быть оправдана, если выгода от нее не
превышает вызываемого ею ущерба (оправданность деятельности);
- ущерб от любой деятельности должен быть на столь низком уровне, какой только
может быть разумно достигнут с учетом экономических и социальных факторов
(оптимизация деятельности);
- деятельность, при которой тот или иной индивидуум подвергается чрезмерному
риску, не может быть оправдана, даже если эта деятельность выгодна для общества в целом.
Для оценки степени приближения к модели устойчивого развития и эффективности
выбранных для этого средств должны устанавливаться целевые ориентиры и ограничения и
определяться процедуры общественного контроля за их достижением.
Целевые ориентиры могут быть выражены в показателях, характеризующих качество
жизни, включающих уровень экономического развития и экологического благополучия. Эти
показатели должны характеризовать те уровни, при которых возможно обеспечить
безопасное развитие России в экономическом, социальном, экологическом, военном и любом
ином аспекте.
Обобщающим показателем отношения общества к экологическому благополучию
может быть размер средств, направляемых на реализацию природоохранных мер, в
сопоставлении с объемом производимого валового внутреннего продукта. При решении
проблемы сохранения и рационального использования природно-ресурсного потенциала
могут выступать показатели природоемкости отдельных видов производств и технологий, а
также показатели обеспеченности природными ресурсами в расчете на единицу территории,
душу населения, выражающие соотношение между потребностью и наличием природных
ресурсов.
Предлагаемые ограничения и характеризующие их показатели должны быть
установлены в рамках предельно допустимых антропогенных воздействий на окружающую
природную среду по различным их видам как в абсолютном выражении, так и в расчете на
душу населения и единицу ВНП.
Механизмы принятия решений должны учитывать последствия их реализации в
экономической, социальной и экологической областях и предусматривать наиболее полную
оценку затрат, выгод и рисков.
Важным направлением деятельности по обеспечению устойчивого развития является
повышение уровня экологического образования и культуры населения. Особое внимание
необходимо уделить экологической подготовке предпринимателей и менеджеров.
104
Переход к модели устойчивого развития - процесс весьма длительный. Большая
продолжительность этого процесса заложена в самой сути понятия «устойчивое развитие»,
реализация идей которого возможна при условии предвидения интересов будущих
поколений. Фактически можно говорить о том, что процесс перехода к модели устойчивого
развития является перманентным, так как по мере развития общества будет видоизменяться
само представление об устойчивости развития.
В рамках сегодняшних представлений реализация концепции перехода к устойчивому
развитию может быть осуществлена в три этапа.
На первом этапе следует решить первоочередные задачи, связанные с обеспечением
стабилизации социально-экономического развития при одновременном решении задач
создания надлежащей нормативно-правовой базы по экологизации хозяйственной
деятельности и решении неотложных задач по оздоровлению окружающей среды в зонах
чрезвычайной экологической ситуации.
На втором этапе возможна реализация основных элементов устойчивого развития,
связанных с экологизацией процесса социально-экономического развития и обеспечением на
этой основе выхода страны на нормативный уровень состояния окружающей среды.
На третьем этапе должна решаться проблема гармонизации развития общества,
природы и хозяйства. Данный этап следует рассматривать как весьма условный период,
дающий самые общие характеристики развития России в будущем при условии, что процесс
устойчивого развития России будет осуществляться в соответствии с мероприятиями,
предусмотренными для двух предыдущих этапов.
105
2.2 Человек и техносфера
2.2.1 Эволюция среды обитания
Постоянная борьба за свое существование вынуждала человека находить и
совершенствовать средства защиты от естественных негативных воздействий среды
обитания. К сожалению, появление жилища, применение огня и других средств защиты,
совершенствование способов получения пищи - все это не только защищало человека от
естественных негативных воздействий, но и влияло на среду обитания [1].
На протяжении многих веков среда обитания человека медленно изменяла свой облик
и, как следствие, мало менялись виды и уровни негативных воздействий. Так продолжалось
до середины XIX в. - начала активного роста воздействия человека на среду обитания. В XX
в. на Земле возникли зоны повышенного загрязнения биосферы, что привело к частичной, а в
ряду случаев и к полной региональной деградации. Этим изменениям во многом
способствовали:
- высокие темпы роста численности населения на Земле (демографический взрыв) и
его урбанизация;
- рост потребления и концентрация энергетических ресурсов;
- интенсивное развитие промышленного и сельскохозяйственного производства;
- массовое использование средств транспорта;
- рост затрат на военные цели и ряд других процессов.
Рис.2.2 . Рост численности населения Земли [1]:
I - рост численности до 28 - 30 млрд. человек к 2070 - 2100 гг.;
II - стабилизация численности на уровне 10 млрд. человек
Год................…………………………….
Численность населения, млрд. чел……
Период прироста, лет/1 млрд. чел……..
1840
1
500000
1930
2
90
1962
3
32
1975
4
13
1987
5
12
Демографический взрыв. Достижения в медицине, повышение комфортности
деятельности и быта, интенсификация и рост продуктивности сельского хозяйства во многом
способствовали увеличению продолжительности жизни человека и как следствие росту
населения Земли. Одновременно с ростом продолжительности жизни в ряде регионов мира
106
рождаемость продолжала оставаться на высоком уровне, и составляла в некоторых из них до
40 человек на 1000 человек в год и более. Высокий уровень прироста населения характерен
для стран Африки, Центральной Америки, Ближнего и Среднего Востока, Юго-Восточной
Азии, Индии, Китая. Статистические данные о численности населения Земли и тенденции
его изменения показаны на рис. 2.2
Вероятное изменение численности населения в некоторых регионах мира приведено
ниже (млрд. чел./доля, %):
1950 г.
0,83/32
1,37/53
0,17/9
0,22/6
2,59
Европа и Северная Америка………
Азия...........………………………….
Африка..........……………………….
Латинская Америка.....…………….
Итого, млрд. чел......……………….
2025 г.
1,3/15,7
4,9/57
1,6/18,3
0,76/9
8,56
Существуют несколько прогнозов дальнейшего изменения численности населения
Земли (см. рис.2.2). По I варианту (неустойчивое развитие) к концу XXI в. возможен рост
численности до 28-30 млрд. человек. В этих условиях Земля уже не сможет (при
современном состоянии технологий) обеспечивать население достаточным питанием и
предметами первой необходимости. С определенного периода начнутся голод, массовые
заболевания, деградация среды обитания и как следствие резкое уменьшение численности
населения и разрушение человеческого сообщества. Уже в настоящее время в экологически
неблагополучных регионах наблюдается связь между ухудшением состояния среды обитания
и сокращением продолжительности жизни, ростом детской смертности.
По II варианту (устойчивое развитие) численность населения необходимо
стабилизировать на уровне 10 млрд. человек, что при существующем уровне развития
технологий жизнеобеспечения будет соответствовать удовлетворению жизненных
потребностей человека и нормальному развитию общества.
Урбанизация. Одновременно с демографическим взрывом идет процесс урбанизации
населения планеты. Этот процесс имеет во многом объективный характер, ибо способствует
повышению производительной деятельности во многих сферах, одновременно решает
социальные и культурно-просветительные проблемы общества. По данным ООН, в городах
мира проживает:
Год..........…………………..
Городское население, %.....
1880
1,7
1950
13,1
1970
17
1984
50
2000
80...85
К 1990 г. в США урбанизировано 70% населения, в РФ к 1995 -76%.
Интенсивно растут крупные города: в 1959 г. в СССР было только три городамиллионера, а в 1984 г. - 22. В обозримом будущем в мире появятся мегаполисы с
численностью населения 25 - 30 млн. человек. Десятка мировых урбанистических лидеров
выглядит сегодня следующим образом:
Город, страна
Данные на 1994 г., Прогноз на 2015 г.,
млн. чел.
млн. чел.
Токио (Япония)……………
26,5
28,7
Нью-Йорк (США)......…….
16,3
17,6
Сан-Паулу (Бразилия)....…
16,1
20,8
Мехико (Мексика)......…...
15,5
18,8
107
Шанхай (Китай).......……..
Бомбей (Индия).......……...
Лос-Анджелес (США)....…
Пекин (Китай)……………..
Калькутта (Индия).....……
Сеул (Южная Корея)………
14,7
14,5
12,2
12,0
11,5
11,5
23,4
27,4
14,3
19,4
17,6
13,1
Москва занимает лишь 21 место среди крупнейших городов мира. Ее население –
9,2 млн. человек.
Урбанизация непрерывно ухудшает условия жизни в регионах,
неизбежно
уничтожает в них природную среду. Для крупнейших городов и промышленных центров
характерен высокий уровень загрязнения компонент среды обитания. Так, атмосферный
воздух городов содержит значительно большие концентрации токсичных примесей по:
сравнению с воздухом сельской местности (ориентировочно оксида углерода в 50 раз,
оксидов азота - в 150 раз и летучих углеводородов - в 2000 раз).
Рост энергетики, промышленного производства, численности средств транспорта.
Увеличение численности населения Земли и военные нужды стимулируют рост
промышленного производства, числа средств транспорта, приводят к росту производства
энергетических и потреблению сырьевых ресурсов. Потребление материальных и
энергетических ресурсов имеет более высокие темпы роста, чем прирост населения, так как
постоянно увеличивается их среднее потребление на душу населения. О неограниченных
способностях к росту потребления свидетельствует использование электроэнергии в США.
По статистическим данным, в 1970 г. США имели 7% населения и 1/3 мирового
производства электроэнергии.
Огромны затраты на военные цели. После второй мировой войны на вооружение в
мире израсходовано около 6 трлн. долларов США. Военная промышленность является
одним из активных стимуляторов развития техники и роста энергетического и
промышленного производства:
Год.............………………………….
Производство электроэнергии в мире, % к 1950 г........………………….
1970* 1980
173
234
1990
2000
318
413
Оценивая экологические последствия развития энергетики, следует иметь в виду, что
во многих странах это достигалось преимущественным использованием тепловых
электрических станций (ТЭС), сжигающих уголь, мазут или природный газ. Об этом
свидетельствует и структура производства электроэнергии в СССР (1985 г.): ТЭС - 1196
млрд. кВт-ч (74,5%), ГЭС - 216 млрд. кВт-ч (13,5%), АЭС - 193 млрд. кВт-ч (12%). Выбросы
ТЭС наиболее губительны для биосферы.
Во второй половине XX в. каждые 12...15 лет удваивалось промышленное
производство ведущих стран мира, обеспечивая тем самым удвоение выбросов
загрязняющих веществ в биосферу. В СССР в период с 1940 по 1980 гг. возросло
производство электроэнергии в 32 раза; стали - в 7,7; автомобилей - в 15 раз; увеличилась
добыча угля в 4,7, нефти - в 20 раз. Аналогичные или близкие к ним темпы роста
наблюдались во многих других отраслях народного хозяйства. Значительно более высокими
темпами развивалась химическая промышленность, объекты цветной металлургии,
производство строительных материалов и др.
Постоянно увеличивался мировой автомобильный парк: с 1960 по 1990 гг. он возрос с
120 до 420 млн. автомобилей. С негативным воздействием транспорта связано и шумовое
108
загрязнение городов. Около 40 - 50% населения крупных городов живут в условиях
акустического дискомфорта. На наиболее загруженных городских магистралях, вдоль
железных дорог и в зонах влияния аэропортов допустимые уровни шума превышаются на 30
- 40 дБ, что представляет опасность для здоровья населения.
Процесс урбанизации «наградил» крупные города факторами неблагополучия.
Прежде всего, это нарушения микроклиматического режима, изменения режима подземных
вод и определяемые этим процессы подтопления городских территорий, загрязнение
подземных и поверхностных вод.
В результате значительных антропогенных нагрузок в большинстве городов
происходит дальнейшая деградация растительности, что ухудшает состояние городской
среды.
Загрязнение среды обитания вредными веществами неуклонно снижает качество
потребляемых продуктов питания, воды, воздуха, способствует попаданию в организм
человека вредных веществ, что сопровождается ростом числа отравлений и заболеваний,
сокращением продолжительности жизни, ростом детской патологии и младенческой
смертности.
Необходимо отметить, что развитие промышленности и технических средств
сопровождалось не только увеличением выброса загрязняющих веществ, но и вовлечением в
производство все большего числа химических элементов. К настоящему времени в
окружающей среде накопилось около 50 тыс. видов химических соединений, не
разрушаемых деструкторами экосистем (отходы пластмасс, пленок, изоляции и т.п.)
Развитие сельского хозяйства. Вторая половина XX в. связана с интенсификацией
сельскохозяйственного производства. В целях повышения плодородия почв и борьбы с
вредителями в течение многих лет использовались искусственные удобрения и различные
токсиканты, что не могло не влиять на состояние компонент биосферы. В 1986 г. среднее
количество минеральных удобрений на 1 га пашни в мире составило около 90 кг, в СССР и
США - более 100 кг, в Европе - 230 кг. При избыточном применении азотных удобрений
почва перенасыщается нитратами, а при внесении фосфорных удобрений - фтором,
редкоземельными элементами, стронцием. При использовании нетрадиционных удобрений
(отстойного ила и т.п.) почва перенасыщается соединениями тяжелых металлов. Избыточное
количество удобрений приводит к перенасыщению продуктов питания токсичными
веществами, нарушает способность почв к фильтрации, ведет к загрязнению водоемов,
особенно в паводковый период.
Пестициды, применяемые для защиты растений от вредителей, опасны и для
человека. Установлено, что от прямого отравления пестицидами в мире ежегодно погибает
около 10 тыс. человек, гибнут леса, птицы, насекомые. Пестициды попадают в пищевые
цепи, питьевую воду. Все без исключения пестициды обнаруживают либо мутагенное, либо
иное отрицательное воздействие на человека и живую природу. В настоящее время
отмечаются высокие загрязнения почв фосфорорганическими пестицидами (фозалоном,
метафосом), гербицидами (2,4-Д, трефланом, трихлорацетатом натрия) и др.
Техногенные аварии и катастрофы. До середины XX в. человек не обладал
способностью инициировать крупномасштабные аварии и катастрофы и тем самым вызывать
необратимые экологические изменения регионального и глобального масштаба,
соизмеримые со стихийными бедствиями.
Происшествие - событие, состоящее из негативного воздействия с причинением
ущерба людским, природным или материальным ресурсам.
109
Авария - происшествие в технической системе, не сопровождающееся гибелью людей,
при котором восстановление технических средств невозможно или экономически
нецелесообразно.
Катастрофа - происшествие в технической системе, сопровождающееся гибелью
или пропажей без вести людей.
Стихийное бедствие - происшествие, связанное со стихийными явлениями на Земле и
приведшее к разрушению биосферы, гибели или потери здоровья людей.
Появление ядерных объектов и высокая концентрация прежде всего химических
веществ и их производств сделали человека способным оказывать разрушительное
воздействие на экосистемы. Примером тому служат трагедии в Чернобыле, Бхопале.
Огромное разрушительное воздействие на биосферу оказывается при испытании
ядерного (в г. Семипалатинске, на о. Новая Земля) и других видов оружия. Для испытания
химического оружия необходим полигон размером около 500 тыс. га. Иллюстрацией
негативного экологического влияния современных локальных войн являются итоги войны в
зоне Персидского залива (огромные проливы нефти в залив, пожары на нефтяных
скважинах).
Рис.2.3. Негативные факторы воздействия в системе
«человек - среда обитания» [2]:
1 - естественных стихийных явлений, 2 - производственной среды на работающего;
3 - производственной среды на городскую среду (среду промышленной зоны);
4 - человека (ошибочные действия) на производственную среду;
5 - городской среды на человека, производственную и бытовую среду,
6 - бытовой среды на городскую; 7 - бытовой среды на человека;
8 - человека на бытовую среду; 9 - городской среды или промышленной зоны на биосферу;
10 - биосферы на городскую, бытовую и производственную среду;
11- человека на городскую среду; 12 - человека на биосферу, 13 - биосферы на человека
Из приведенного выше видно, что XX столетие ознаменовалось потерей устойчивости
в таких процессах, как рост населения Земли и его урбанизация. Это вызвало
110
крупномасштабное развитие энергетики, промышленности, сельского хозяйства, транспорта,
военного дела и обусловило значительный рост техногенного воздействия. Во многих
странах оно продолжает нарастать и в настоящее время. В результате активной техногенной
деятельности человека во многих регионах нашей планеты создан новый тип среды обитания
- техносфера.
Техносфера - детище XX в., приходящее на смену биосфере. К новым, техносферным
относятся условия обитания человека в городах и промышленных центрах,
производственные, транспортные и бытовые условия жизнедеятельности. Практически все
урбанизированное население проживает в техносфере, где условия обитания существенно
отличаются от биосферных прежде всего повышенным влиянием на человека техногенных
негативных факторов. Характерное состояние системы «человек- среда обитания»,
совокупность и направленность воздействия негативных факторов в регионах техносферы
показаны на рис.2.3.
.
2.2.2 Взаимодействие человека и техносферы
Опасность как выше было сказано - негативное свойство живой и неживой материи,
способное причинять ущерб самой материи: людям, природной среде, материальным
ценностям.
При идентификации опасностей необходимо исходить из принципа «все воздействует
на все». Иными словами, источником опасности может быть все живое и неживое, а
подвергаться опасности также может все живое и неживое. Опасности не обладают
избирательным свойством, при своем возникновении они негативно воздействуют на всю
окружающую их материальную среду. Влиянию опасностей подвергается человек,
природная среда, материальные ценности. Источниками (носителями) опасностей являются
естественные процессы и явления, техногенная среда и действия людей. Опасности
реализуются в виде потоков энергии, вещества и информации, они существуют в
пространстве и во времени.
Различают опасности естественного и антропогенного происхождения. Ежегодно
стихийные явления подвергают опасности жизнь около 25 млн. человек. Так, например, в
1990 г. в результате землетрясений в мире погибло более 52 тыс. человек. Этот год стал
наиболее трагичным в минувшем десятилетии, учитывая, что за период 1980...1990 гг.
жертвами землетрясений стали 57 тыс. человек.
Негативное воздействие на человека и среду обитания, к сожалению, не
ограничивается естественными опасностями. Человек, решая задачи своего материального
обеспечения, непрерывно воздействует на среду обитания своей деятельностью и
продуктами деятельности (техническими средствами, выбросами различных производств и
т.п.), генерируя в среде обитания антропогенные опасности. Чем выше преобразующая
деятельность человека, тем выше уровень и число антропогенных опасностей - вредных и
травмирующих факторов, отрицательно воздействующих на человека и окружающую его
среду.
Все действия человека и все компоненты среды обитания, прежде всего технические
средства и технологии, кроме позитивных свойств и результатов, обладают способностью
генерировать травмирующие и вредные факторы. При этом любое новое позитивное
действие или результат неизбежно сопровождается возникновением новых негативных
факторов.
111
Справедливость этой аксиомы можно проследить на всех этапах развития системы
«человек - среда обитания». Так, на ранних стадиях своего развития, даже при отсутствии
технических средств, человек непрерывно испытывал воздействие негативных факторов
естественного происхождения: пониженных и повышенных температур воздуха,
атмосферных осадков, контактов с дикими животными, стихийных явлений и т.п. В условиях
современного мира к естественным прибавились многочисленные факторы техногенного
происхождения: вибрации, шум, повышенная концентрация токсичных веществ в воздухе,
водоемах, почве; электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.
Антропогенные опасности во многом определяются наличием отходов, неизбежно
возникающих при любом виде деятельности человека в соответствии с законом о
неустранимости отходов (или) побочных воздействий производств [5]: «В любом
хозяйственном цикле образуются отходы и побочные эффекты, они не устранимы и могут
быть переведены из одной физико-химической формы в другую или перемещены в
пространстве». Отходы сопровождают работу промышленного и сельскохозяйственного
производств, средств транспорта, использование различных видов топлива при получении
энергии, жизнь животных и людей и т.п. Они поступают в окружающую среду в виде
выбросов в атмосферу, сбросов в водоемы, производственного и бытового мусора, потоков
механической, тепловой и электромагнитной энергии и т.п. Количественные и качественные
показатели отходов, а также регламент обращения с ними определяют уровни и зоны
возникающих при этом опасностей.
В настоящее время перечень реально действующих негативных факторов значителен
и насчитывает более 100 видов. К наиболее распространенным и обладающим достаточно
высокими концентрациями или энергетическими уровнями относятся вредные производственные факторы: запыленность и загазованность воздуха, шум, вибрации,
электромагнитные поля, ионизирующие излучения, повышенные или пониженные
параметры атмосферного воздуха (температуры, влажности, подвижности воздуха,
давления), недостаточное и неправильное освещение, монотонность деятельности, тяжелый
физический труд и др.
Мир опасностей, угрожающих личности, весьма широк и непрерывно нарастает. В
производственных, городских, бытовых условиях на человека воздействует, как правило,
несколько негативных факторов. Комплекс негативных факторов, действующих в
конкретный момент времени, зависит от текущего состояния системы «человек - среда
обитания». На рис.2.4 показана характерная суточная миграция городского жителя
(сотрудника промышленного предприятия) в системе «человек - техносфера», где размер
радиуса условно соответствует относительной доле негативных факторов антропогенного
происхождения в различных вариантах среды обитания.
Все опасности тогда реальны, когда они воздействуют на конкретные объекты
(объекты защиты). Объекты защиты, как и источники опасностей, многообразны. Каждый
компонент окружающей среды может быть объектом защиты от опасностей. В порядке
приоритета к объектам защиты относятся: человек, общество, государство, природная среда
(биосфера), техносфера и т.п. Основное желаемое состояние объектов защиты безопасное.
Оно реализуется при полном отсутствии воздействия опасностей. Состояние безопасности
достигается также при условии, когда действующие на объект защиты опасности снижены до
предельно допустимых уровней воздействия.
Историческим приоритетом обладают системы обеспечения безопасности человека,
который на всех этапах своего развития постоянно стремился к обеспечению комфорта,
112
личной безопасности и сохранению своего здоровья. Это стремление было мотивацией
многих действий и поступков человека.
Рис.2.4. Суточная миграция городского жителя
в системе «человек - техносфера» [1]:
БС - бытовая среда; ГС - городская среда; ПС - производственная среда
Прогресс
в сфере производства в период научно-технической революции
сопровождался и сопровождается в настоящее время ростом числа и энергетического уровня
травмирующих, и вредных факторов производственной среды. Так, использование
прогрессивных способов плазменной обработки материалов потребовало средств защиты
работающих от токсичных аэрозолей, воздействия электромагнитного поля, повышенного
шума, электрических сетей высокого напряжения.
Создание двигателей внутреннего сгорания решило многие транспортные проблемы,
но одновременно привело к повышенному травматизму на дорогах, породило
труднорешаемые задачи по защите человека и природной среды от токсичных выбросов
автомобилей (отработавших газов, масел, продуктов износа шин и др.).
Таким образом, стремление человека к достижению высокой производительности
своей деятельности, комфорта и личной безопасности в интенсивно развивающейся
техносфере сопровождается увеличением числа задач, решаемых в системе «безопасность
жизнедеятельности человека».
Значимость проблем в системах безопасности непрерывно увеличивается, поскольку
растет не только число, но и энергетический уровень негативных воздействий. Если уровень
влияния естественных негативных факторов практически стабилен на протяжении многих
столетий, то большинство антропогенных факторов непрерывно повышает свои
энергетические показатели (рост напряжений, давлений и др.) при совершенствовании и
разработке новых видов техники и технологии (появление ядерной энергетики, концентрация
энергоресурсов и т.п.).
В последние столетия неизмеримо выросли уровни энергии, которыми владеет
человек. Если в конце XVIII в. он обладал лишь паровой машиной мощностью до 75 кВт., то
113
в конце XX в. в его распоряжении находятся энергетические установки мощностью 1000
МВт и более. Значительные энергетические мощности сосредоточены в хранилищах
взрывчатых веществ, топлив и других химически активных веществ.
Многие системы безопасности взаимосвязаны между собой как по негативным
воздействиям, так и средствам достижения безопасности. Обеспечение безопасности
жизнедеятельности человека в техносфере почти всегда неразрывно связано с решением
задач по охране природной среды (снижение выбросов и сбросов и др.). Это хорошо иллюстрируют результаты работ по сокращению токсичных выбросов в атмосферу промышленных
зон и, как следствие, по уменьшению негативного влияния этих зон на природную среду.
Обеспечение безопасности жизнедеятельности человека в техносфере - путь к
решению многих проблем защиты природной среды от негативного влияния техносферы.
Рост антропогенного негативного влияния на среду обитания не всегда
ограничивается нарастанием только опасностей прямого действия, например ростом
концентраций токсичных примесей в атмосфере. При определенных условиях возможно
появление вторичных негативных воздействий, возникающих на региональном или глобальном уровнях и оказывающих негативное влияние на регионы биосферы и значительные
группы людей. К ним относятся процессы образования кислотных дождей, смога,
«парниковый эффект», разрушение озонового слоя Земли, накопление токсичных и
канцерогенных веществ в организме животных и рыб, в пищевых продуктах и т.п.
Решение задач, связанных с обеспечением безопасности жизнедеятельности
человека, - фундамент для решения проблем безопасности на более высоких уровнях:
техносферном, региональном, биосферном, глобальном.
Как отмечено выше, опасности техносферы во многом антропогенны. В основе их
возникновения лежит человеческая деятельность, направленная на формирование и
трансформацию потоков вещества, энергии и информации в процессе жизнедеятельности.
Изучая и изменяя эти потоки, можно ограничить их величину допустимыми значениями.
Если сделать это не удается, то жизнедеятельность становится опасной.
Мир опасностей в техносфере непрерывно нарастает, а методы и средства защиты от
них создаются и совершенствуются со значительным опозданием. Остроту проблем
безопасности практически всегда оценивали по результату воздействия негативных факторов
- числу жертв, потерям качества компонент биосферы, материальному ущербу.
Сформулированные на такой основе защитные мероприятия оказывались и
оказываются несвоевременными, недостаточными и, как следствие, недостаточно
эффективными. Ярким примером вышеизложенного является начавшийся в 70-е годы с
тридцатилетним опозданием экологический бум, который по сей день во многих странах, в
том числе и в России, не набрал необходимой силы.
Оценка последствий от воздействия негативных факторов по конечному результату
- грубейший просчет человечества, приведший к огромным жертвам и кризису биосферы.
2.2.3 Критерии комфортности и безопасности техносферы
Комфортное состояние жизненного пространства по показателям микроклимата и
освещения достигается соблюдением нормативных требований. В качестве критериев
комфортности устанавливают значения температуры воздуха в помещениях, его влажности
и подвижности (например, ГОСТ 12.1.005 - 88 «Общие санитарно-гигиенические требования
к воздуху рабочей зоны»). Условия комфортности достигаются также соблюдением
114
нормативных требований к естественному и искусственному освещению помещений и
территорий (например, СНиП 23 – 05 - 95 «Естественное и искусственное освещение»). При
этом нормируются значения освещенности и ряд других показателей систем освещения.
Критериями безопасности техносферы являются ограничения, вводимые на
концентрации веществ, и потоки энергий в жизненном пространстве. Конкретные значения
ПДК и ПДУ устанавливаются нормативными актами Государственной системы санитарноэпидемиологического нормирования Российской Федерации. Так, например, применительно
к условиям загрязнения производственной и окружающей среды электромагнитными
излучениями радиочастотного диапазона действуют Санитарные правила и нормы СанПиН
2.2.4/2.1.8.055 - 96.
Для оценки загрязнения атмосферного воздуха в населенных пунктах
регламентированы класс опасности и допустимые концентрации загрязняющих веществ.
Концентрация каждого вредного вещества в приземном слое не должна превышать
максимально разовой предельно допустимой концентрации, т.е. С < ПДКcc, при экспозиции
не более 20 мин. Если время воздействия вредного вещества превышает 20 мин, то С <
ПДКmax.
При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких вредных
веществ, обладающих однонаправленным действием, их концентрации должны
удовлетворять условию:
С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 +… Сn / ПДКn< 1,
(2.1)
ПДК и ПДУ лежат в основе определения предельно допустимых выбросов (сбросов)
или предельно допустимых потоков энергии для источников загрязнения среды обитания.
Опираясь на значения ПДК и ПДУ и зная фоновые значения концентраций веществ
(Сф) и потоков энергии (IФ) в конкретном жизненном пространстве, можно определить
предельно допустимые выбросы (сбросы) примесей (энергии) для конкретных источников
загрязнения среды обитания.
Так, например, при определении предельно допустимого выброса (ПДВ) вещества в
атмосферный воздух источник загрязнения должен выполнить условие:
С ≤ ПДК − С ф ,
где С - концентрация вещества в жизненном пространстве, которая может быть создана
источником загрязнения.
По значению концентрации С можно найти ПДВ для промышленного объекта.
Требования к расчету содержатся в ГОСТ 17.2.3.02 -78 и в ОНД - 86.
Таким образом, наличие достаточно жесткой связи между концентрациями примесей
в жизненном пространстве и потоком примесей, выделяемых источником загрязнения,
позволяет реально управлять ситуацией, связанной с загрязнением жизненного пространства,
за счет изменения количества выбрасываемых веществ (энергии).
Предельно допустимые выбросы (сбросы) и предельно допустимые излучения
энергии источниками загрязнения среды обитания являются критериями экологичности
источника воздействия на среду обитания. Соблюдение этих критериев гарантирует
безопасность жизненного пространства.
В тех случаях, когда потоки масс и/или энергий от источника негативного
воздействия в среду обитания могут нарастать стремительно и достигать чрезмерно высоких
115
значений (например, при авариях), в качестве критерия безопасности принимают
допустимую вероятность (риск) возникновения подобного события.
Риск - вероятность реализации негативного воздействия в зоне пребывания человека.
В тех случаях, когда состояние среды обитания не удовлетворяет критериям
безопасности и комфортности, неизбежно возникают негативные последствия. Для
интегральной опенки влияния опасностей на человека и среду обитания используют ряд
показателей негативности. К ним относят:
- численность пострадавших Ттр от воздействия травмирующих факторов.
- численность пострадавших Тз, получивших профессиональные или региональные
заболевания;
- показатель сокращения продолжительности жизни (СПЖ) при воздействии
вредного фактора или их совокупности. К показателям СПЖ относятся абсолютные значения
СПЖ
в
сутках
и
относительные
показатели
СПЖ ,
определяемые
по
формуле СПЖ = ( П − СПЖ / 365) / П , где П - средняя продолжительность жизни, лет;
- региональная младенческая смертность определяется числом смертей детей в
возрасте до 1 года из 1000 новорожденных;
- материальный ущерб.
Современный человек не всегда пребывает в комфортных или допустимых условиях.
Опасные и даже чрезвычайно опасные условия жизнедеятельности пока вероятны в условиях
техносферы. Отклонение от допустимых условий деятельности всегда сопровождаются
воздействием негативных факторов на человека и принуждает его к толерантности, что
отрицательно влияет на производительность труда, ухудшает самочувствие, приводит к
травмам и заболеваниям, а иногда и к гибели людей.
Толерантность - способность организма переносить неблагоприятное влияние того
или иного фактора среды.
Отравление - результат воздействия химического вещества на человека, приведший к
заболеванию или летальному исходу. Причины отравлений различны, но наиболее
характерными являются: недоброкачественные пищевые продукты, алкоголь, токсичные
вещества и др.
Хорошо известны ситуации, когда загрязнение атмосферного воздуха или водоемов
привело к заболеваниям или смерти значительного числа людей. В кризисных регионах в
последние десятилетия появились приоритетные заболевания, о чем свидетельствуют данные
табл.2.2.
Таблица 2.2.
Влияние состава атмосферного воздуха на здоровье людей
Показатели среднемесячной заболеваемости
взрослого населения на 1 тыс. человек
Группа болезней
Злокачественные
новообразования
Болезни эндокринной системы
Болезни органов пищеварения
средний
показатель
0,25
г. Липецк
Г.Березники
0,48
0,32
0,26
1,09
0,30
1,9
12,11
6,64
116
Продолжение табл. 2.2
Болезни органов
дыхания
Болезни системы
кровообращения
14,7
32,29
24,96
3,06
18,85
11,70
Болезни кожи
0,76
2,4
1,3
Болезни органов чувств
1,18
4,1
3,2
Примечание. Превышение ПДК вредных веществ в воздухе г. Липецка достигало 2...6 раз; г.
Березники - 2...4 раза.
Резюмируя рассмотренные выше данные, можно утверждать, что в крупных городах,
промышленных центрах и вокруг них формируются очаги патологии человеческих
популяций. По данным специалистов, здоровье населения ухудшается на 60...70% из-за
низкого качества окружающей среды и продуктов питания; при этом ежегодно от
экологических заболеваний на планете умирает
1,6 млн. человек.
Качество среды обитания - степень соответствия параметров среды потребностям
людей и других живых организмов. Их требования к качеству среды обитания достаточно
консервативны, поэтому техносфера по качеству не должна значительно отличаться от
природной среды.
По данным ООН (1989 г.), средняя продолжительность жизни на Земле составляет
62 г. (63 - у женщин и 60 - у мужчин). По регионам и отдельным странам средняя
продолжительность жизни людей различается весьма существенно.
В России в 1995 г. продолжительность жизни женщин составила 71,7, мужчин - 58,3
года.
Младенческая смертность (данные ООН, 1989 г.) в мире составляет в среднем 71
случай на 1000 новорожденных. В развитых странах она существенно ниже и равна,
например, в США - 10, в скандинавских странах – 12…14. В бывшем СССР младенческая
смертность в 1988 г., по данным А.И. Кондрусева, составляла 24,7, а по данным М. Фешбаха
и А. Френдли - 40. В Москве в 1994 г. младенческая смертность составила 17,9.
Сокращение продолжительности жизни населения и рост младенческой смертности в
последние годы привели к тому, что в 42 регионах России в 1991 г. рождаемость оказалась
ниже смертности. По данным Госкомстата РФ в 1992 г. впервые за послевоенные годы
произошло абсолютное сокращение численности жителей России: население уменьшилось
более чем на 70 тыс. и составило 148,6 млн. человек. Эта печальная тенденция сохраняется и
на сегодняшний день.
По данным (1997 г.) Госкомитета РФ по статистике чаще всего россияне умирают от
болезней системы кровообращения (55%) и от травм и отравлений (13,2%).
Материальный ущерб от региональных загрязнений среды обитания во многих
странах также непрерывно нарастает.
Чтобы правильно оценивать масштабность и реальную опасность воздействия
негативных факторов в различных системах «человек - среда обитания», обратимся к данным
табл. 2.3.
117
Таблица 2.3.
Число погибших от воздействия
негативных факторов в 1990 г., человек
Число негативных факторов
В мире
Промышленное производство
200 000
Региональное загрязнение воды,
воздуха, продуктов питания
Стихийные явления
Чрезвычайные ситуации
1 600 000
140 000
—
В Российской
Федерации
8234
44800 (расчетные
данные)
—
1 224 (1993 г.)
Качественное изменение значимости негативных факторов в XX в. показано на
рис.2.5. Производственные негативные факторы (кривая 2) заявили о себе еще в XIX в., в
нашем столетии достигнута их стабилизация. В ряде стран производственный травматизм с
летальным исходом в последние годы снижается, что является результатом эффективности
принимаемых мер защиты.
Оценивая влияние негативных воздействий техносферы на человека и природную
среду, не следует забывать, что ряд негативных факторов не ограничивает свое влияние
только первичным воздействием. Некоторые факторы способны вызывать вторичные
негативные явления в окружающей среде. К ним, в первую очередь, относят:
- разрушение озонового слоя;
- образование фотохимического смога;
- выпадение кислотных дождей;
- возникновение парникового эффекта.
Рис.2.5 Тенденции изменения в XX в. численности погибших вследствие [1]:
1 - стихийных бедствий, 2 - воздействия производственных негативных факторов,
3 - загрязнения техносферы и биосферы, 4 - чрезвычайных ситуаций техногенного происхождения
Начиная с середины XX столетия резко возросло воздействие на людей региональных
негативных факторов крупных городов и промышленных районах. Ряд негативных
воздействий имеют уже глобальное влияние.
Нарастает
влияние и негативных
факторов техногенного происхождения, действующих в чрезвычайных ситуациях.
118
2.3 Человек и бытовая среда
2.3.1 Неблагоприятные факторы жилой
(бытовой) среды
Создание надежного жилища не что иное, как стремление обеспечить себя и свою
семью защитой от естественных негативных факторов: молнии, осадков, диких животных,
пониженной и повышенной температуры, солнечной радиации и т.п. Но появление жилища
грозило человеку возникновением новых негативных воздействий, например, обрушением
жилища, при внесении в него огня - отравлением при задымлении, ожогами и пожарами.
Даже в быту нас сопровождает большая гамма негативных факторов. К ним
относятся; воздух, загрязненный продуктами сгорания природного газа, выбросами ТЭС,
промышленных предприятий, автотранспорта и мусоросжигаюших устройств; вода с
избыточным содержанием вредных примесей; недоброкачественная пища; шум, инфразвук;
вибрации; электромагнитные поля от бытовых приборов, телевизоров, дисплеев, ЛЭП,
радиорелейных устройств; ионизирующие излучения (естественный фон, медицинские
обследования, фон от строительных материалов, излучения приборов, предмета быта);
медикаменты при избыточном и неправильном потреблении; алкоголь табачный дым; бактерии, аллергены и др.[1].
Наличие в современных квартирах многочисленных бытовых приборов и устройств
существенно облегчает быт, делает его комфортным и эстетичным, но одновременно вводит
целый комплекс травмирующих и вредных факторов: электрический ток, электромагнитное
поле, повышенный уровень радиации, шум, вибрации, опасность механического
травмирования, токсичные вещества и т.п.
Важнейшей задачей экономического и социального развития страны является
осуществление мер, направленных на постоянное улучшение условий жизни населения, в
том числе и на повышение качества современной жилой среды. Взаимодействие человека и
жилой (бытовой) среды рассмотрим на материале представленном в [6].
Гигиеническое обоснование оптимальных условий жилой среды, комплексная оценка
перспективных путей улучшения ее качества в целях предупреждения заболеваемости
людей, вызванной воздействием неблагоприятных химических и физических факторов
антропогенного происхождения, составляют основу решения актуальной проблемы
укрепления здоровья населения крупных городов.
Тесная взаимосвязь внутрижилищной и городской среды предопределяет
необходимость рассмотрения системы "человек - жилая ячейка - здание - микрорайон - жилой район города" как единого комплекса (получившего наименование жилой (бытовой)
среды).
Жилая (бытовая) среда - это совокупность условий и факторов, позволяющих
человеку на территории населенных мест осуществлять свою непроизводственную деятельность.
Совокупность всех антропогенных воздействий на окружающую среду в условиях
крупных городов ведет к формированию новой санитарной ситуации и в жилой среде.
В настоящее время термин "жилая среда" обозначает сложную по составу систему, в
которой объективно выявляются по меньшей мере три иерархически взаимосвязанных
уровня.
Первый уровень. Жилая среда, прежде всего, формируется конкретными домами.
Однако на уровне городской среды в качестве основного объекта исследования следует
119
рассматривать не отдельные здания, а систему сооружений и городских пространств,
образующих единый градостроительный комплекс - жилой район (улицы, дворы, парки,
школы, центры общественного обслуживания).
Второй уровень. Элементами системы здесь выступают отдельные градостроительные
комплексы, в которых реализуются трудовые, потребительские и рекреационные связи
населения. Единицей "городского организма" может служить определенный район города.
Критерием целостности системы этого типа связей является, следовательно, замкнутый цикл
"труд - быт - отдых".
Третий уровень. На этом уровне отдельные районы города выступают как элементы,
сравниваемые между собой по качеству жилой среды.
Установлено, что приспособление человеческого организма к жилой среде в условиях
крупного города не может быть беспредельным. Основной чертой всех неблагоприятных
воздействий жилой среды на здоровье человека является их комплексность.
Факторы жилой среды по степени опасности могут быть разделены на две основные
группы: факторы, которые являются действительными причинами заболеваний, и факторы,
способствующие развитию заболеваний, вызываемые другими причинами.
В большинстве случаев факторы жилой среды относятся к факторам малой
интенсивности. На практике это проявляется в повышении общей заболеваемости населения
под влиянием, например, неблагоприятных жилищных условий.
В условиях жилой среды имеется небольшое количество факторов (например, асбест,
формальдегид, аллергены, бензапирен), которые можно отнести к группе "абсолютных"
причин заболеваний. Большинство же факторов жилой среды по своей природе обладает
меньшей патогенностью. Например, химическое, микробное, пылевое загрязнение воздуха
помещений. Как правило, в жилых и общественных зданиях эти факторы создают условия
для развития заболеваний. В то же время они способны в определенных, крайних случаях
приобретать свойства, характерные для факторов - причин заболеваний, что позволяет
отнести их к группе "относительных" условий развития заболеваний.
Действующие в РФ государственные акты экономического и социального развития в
области градостроительства направлены на реализацию стратегии повышения качества
жилой среды.
В указанных документах подчеркивается необходимость улучшения планировки и
застройки селитебной части городов как важного дополнительного звена в создании гигиенически благоприятных условий быта и отдыха населения, т. е. речь по существу идет об
обеспечении восстановления сил населения, затраченных в процессе труда, о предоставлении
подрастающему поколению условий для полноценного развития.
2.3.2 Влияние на здоровье человека состава воздуха
жилых и общественных помещений
Большое значение для здоровья человека имеет качество воздуха жилых и
общественных помещений, так как в их воздушной среде даже малые источники загрязнения
создают высокие концентрации его (из-за небольших объемов воздуха для разбавления), а
длительность их воздействия максимальна по сравнению с другими средами.
Современный человек проводит в жилых и общественных зданиях от 52 до 85%
суточного времени. Поэтому внутренняя среда помещений даже при относительно невысоких концентрациях большого количества токсических веществ может влиять на его
120
самочувствие, работоспособность и здоровье. Кроме того, в зданиях токсические вещества
действуют на организм человека не изолированно, а в сочетании с другими факторами:
температурой, влажностью воздуха, ионно-озонным режимом помещений, радиоактивным
фоном и др. При несоответствии комплекса этих факторов гигиеническим требованиям
внутренняя среда помещений может стать источником риска для здоровья.
Основные источники химического загрязнения воздуха жилой среды. В зданиях
формируется особая воздушная среда, которая находится в зависимости от состояния
атмосферного воздуха и мощности внутренних источников загрязнения. К таким источникам
в первую очередь относятся продукты деструкции отделочных полимерных материалов,
жизнедеятельности человека, неполного сгорания бытового газа.
В воздухе жилой среды обнаружено около 100 химических веществ, относящихся к
различным классам химических соединений.
Качество воздушной среды закрытых помещений по химическому составу в
значительной степени зависит от качества окружающего атмосферного воздуха. Все здания
имеют постоянный воздухообмен и не защищают жителей от загрязненного атмосферного
воздуха. Миграция пыли, токсических веществ, содержащихся в атмосферном воздухе, во
внутреннюю среду помещений обусловлена их естественной и искусственной вентиляцией, и
поэтому вещества, присутствующие в наружном воздухе, обнаруживают в помещениях,
причем даже в тех, в которые подают воздух, прошедший обработку в системе
кондиционирования.
Степень проникновения атмосферного загрязнения внутрь здания для разных веществ
различна. Сравнительная количественная оценка химического загрязнения наружного воздуха и воздуха внутри помещений жилых и общественных зданий показала, что загрязнение
воздушной среды зданий превосходило уровень загрязнения наружного воздуха в 1,8 - 4 раза
в зависимости от степени загрязнения последнего и мощности внутренних источников
загрязнения.
Одним из самых мощных внутренних источников загрязнения воздушной среды
закрытых помещений являются строительные и отделочные материалы, изготовленные из
полимеров. В настоящее время только в строительстве номенклатура полимерных
материалов насчитывает около 100 наименований.
Масштабы и целесообразность применения полимерных материалов в строительстве
жилых и общественных зданий определяются рядом положительных свойств, облегчающих
их использование, улучшающих качество строительства, удешевляющих его. Однако
результаты исследований показывают, что практически все полимерные материалы
выделяют в воздушную среду те или иные токсические химические вещества, оказывающие
вредное влияние на здоровье населения.
Интенсивность выделения летучих веществ зависит от условий эксплуатации
полимерных материалов - температуры, влажности, кратности воздухообмена, времени эксплуатации.
Установлена прямая зависимость уровня химического загрязнения воздушной среды
от общей насыщенности помещений полимерными материалами.
Химические вещества, выделяющиеся из полимерных материалов даже в небольших
количествах, могут вызвать существенные нарушения в состоянии живого организма,
например, в случае аллергического воздействия полимерных материалов.
Более чувствителен к воздействию летучих компонентов из полимерных материалов
растущий организм. Установлена также повышенная чувствительность больных к
воздействию химических веществ, выделяющихся из пластиков, по сравнению со
121
здоровыми. Исследования показали, что в помещениях с большой насыщенностью полимерами подверженность населения аллергическим, простудным заболеваниям, неврастении,
вегетодистонии, гипертонии оказалась выше, чем в помещениях, где полимерные материалы
использовались в меньшем количестве.
Для обеспечения безопасности применения полимерных материалов принято, что
концентрации выделяющихся из полимеров летучих веществ в жилых и общественных зданиях не должны превышать их ПДК, установленные для атмосферного воздуха, а суммарный
показатель отношений обнаруженных концентраций нескольких веществ к их ПДК должен
быть выше единицы. С целью предупредительного санитарного надзора за полимерными
материалами и изделиями из них предложено лимитировать выделение ими вредных веществ
в окружающую среду или на стадии изготовления, или вскоре после их выпуска заводамиизготовителями. В настоящее время обоснованы допустимые уровни около 100 химических
веществ, выделяющихся из полимерных материалов.
В современном строительстве все отчетливее проявляется тенденция к химизации
технологических процессов и использованию в качестве смесей различных веществ, в
первую очередь бетона и железобетона. С гигиенической точки зрения важно учитывать
неблагоприятное влияние химических добавок в строительные материалы из-за выделения
токсических веществ.
Не менее мощным внутренним источником загрязнения среды помещений служат и
продукты жизнедеятельности человека - антропотоксины. Установлено, что в процессе
жизнедеятельности человек выделяет примерно 400 химических соединений.
Исследования показали, что воздушная среда невентилируемых помещений
ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении.
Химический анализ воздуха помещений позволил идентифицировать в них ряд токсических
веществ, распределение которых по классам опасности представляется следующим образом:
диметиламин, сероводород, двуокись азота, окись этилена, бензол (второй класс опасности высокоопасные вещества); уксусная кислота, фенол, метилстирол, толуол, метанол,
винилацетат (третий класс опасности - малоопасные вещества). Пятая часть выявленных
антропотоксинов относится к высокоопасным веществам. При этом обнаружено, что в
невентилируемом помещении концентрации диметиламина и сероводорода превышали ПДК
для атмосферного воздуха. Превышали ПДК или находились на их уровне и концентрации
таких веществ, как двуокись и окись углерода, аммиак. Остальные вещества, хотя и
составляли десятые и меньшие доли ПДК, вместе взятые свидетельствовали о
неблагополучии воздушной среды, поскольку даже двух - четырехчасовое пребывание в этих
условиях отрицательно сказывалось на умственной работоспособности исследуемых.
Изучение воздушной среды газифицированных помещений показало, что при часовом
горении газа в воздухе помещений концентрация веществ составляла (мг/м3): окиси углерода
- в среднем 15, формальдегида - 0,037, окиси азота - 0,62, двуокиси азота - 0,44, бензола 0,07. Температура воздуха в помещении во время горения газа повышались на 3 - 6 °С,
влажность увеличивалась на 10 - 15%. Причем высокие концентрации химических
соединений наблюдалась не только в кухне, но и в жилых помещениях квартиры. После
выключения газовых приборов содержание в воздухе окиси углерода и других химических
веществ снижалось, но к исходным величинам иногда не возвращалось и через 1,5 - 2,5 часа.
Изучение действия продуктов горения бытового газа на внешнее дыхание человека
выявило увеличение нагрузки на систему дыхания и изменение функционального состояния
центральной нервной системы.
122
Одним из самых распространенных источников загрязнения воздушной среды
закрытых помещений является курение. При спектрометрическом анализе воздуха, загрязненного табачным дымом, обнаружено 186 химических соединений. В недостаточно
проветриваемых помещениях загрязнение воздушной среды продуктами курения может достигать 60 - 90%.
При изучении воздействия компонентов табачного дыма на некурящих (пассивное
курение) у испытуемых наблюдалось раздражение слизистых оболочек глаз, увеличение
содержания в крови карбоксигемоглобина, учащение пульса, повышение уровня
артериального давления.
Таким образом, основные источники загрязнения воздушной среды помещения
условно можно разделить на четыре группы:
1) вещества, поступающие в помещение с загрязненным атмосферным воздухом;
2) продукты деструкции полимерных материалов;
3) антропотоксины;
4) продукты сгорания бытового газа и бытовой деятельности.
Значимость внутренних источников загрязнения в различных типах зданий
неодинакова. В административных зданиях уровень суммарного загрязнения наиболее тесно
коррелирует с насыщенностью помещений полимерными материалами (К = 0,75), в крытых
спортивных сооружениях уровень химического загрязнения наиболее хорошо коррелирует с
численностью людей в них (К = 0,75). Для жилых зданий теснота корреляционной связи
уровня химического загрязнения как с насыщенностью помещений полимерными
материалами, так и с количеством людей в помещении приблизительно одинаковая.
Химическое загрязнение воздушной среды жилых и общественных зданий при
определенных условиях (плохой вентиляции, чрезмерной насыщенности помещений полимерными материалами, большом скоплении людей и др.) может достигать уровня,
оказывающего негативное влияние на общее состояние организма человека.
В последние годы, по данным ВОЗ, значительно возросло число сообщений о так
называемом синдроме "больных" зданий. Описанные симптомы ухудшения здоровья людей,
проживающих или работающих в таких зданиях, отличаются большим разнообразием,
однако имеют и ряд общих черт, а именно: головные боли, умственное переутомление,
повышенная частота воздушно-капельных инфекций и простудных заболеваний,
раздражение слизистых оболочек глаз, носа, глотки, ощущение сухости слизистых оболочек
и кожи, тошнота, головокружение.
Различают две категории "больных" зданий. Первая категория - временно "больные"
здания - включает недавно построенные или недавно реконструированные здания, в которых
интенсивность проявления указанных симптомов с течением времени ослабевает и в
большинстве случаев примерно через полгода они исчезают совсем. Уменьшение остроты
проявления симптомов, возможно, связано с закономерностями эмиссии летучих
компонентов, содержащихся в стройматериалах, красках и т. д.
В зданиях второй категории - постоянно "больных" - описанные симптомы
наблюдаются в течение многих лет, и даже широкомасштабные оздоровительные
мероприятия могут не дать эффекта. Объяснение такой ситуации, как правило, найти трудно,
несмотря на тщательное изучение состава воздуха, работы вентиляционной системы и особенностей конструкции здания.
Следует отметить, что не всегда удается обнаружить прямую зависимость между
состоянием воздушной среды помещения и состоянием здоровья населения.
123
Однако обеспечение воздушной оптимальной среды жилых и общественных зданий важная гигиеническая и инженерно-техническая проблема. Ведущим звеном в решении этой
проблемы является воздухообмен помещений, который обеспечивает требуемые параметры
воздушной среды. При проектировании систем кондиционирования воздуха в жилых и
общественных зданиях необходимая норма воздухоподачи рассчитывается в объеме,
достаточном для ассимиляции тепло- и влаговыделений человека, выдыхаемой углекислоты,
а в помещениях, предназначенных для курения, учитывается и необходимость удаления
табачного дыма.
Помимо регламентации количества приточного воздуха и его химического состава
известное значение для обеспечения воздушного комфорта в закрытом помещении имеет
электрическая характеристика воздушной среды. Последняя определяется ионным режимом
помещений, т. е. уровнем положительной и отрицательной аэроионизации. Негативное
воздействие на организм оказывает как недостаточная, так и избыточная ионизация воздуха.
Проживание в местностях с содержанием отрицательных аэроионов порядка 1000 2000 в 1 мл воздуха благоприятно влияет на состояние здоровья населения.
Присутствие людей в помещениях вызывает снижение содержания легких аэроионов.
При этом ионизация воздуха изменяется тем интенсивнее, чем больше в помещении людей и
чем меньше его площадь.
Уменьшение числа легких ионов связывают с потерей воздухом освежающих свойств,
с его меньшей физиологической и химической активностью, что неблагоприятно действует
на организм человека и вызывает жалобы на духоту и "нехватку кислорода". Поэтому
особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной ионизации воздуха в
помещении, которые, естественно, должны иметь гигиеническую регламентацию.
Необходимо подчеркнуть, что искусственная ионизация воздуха помещений без
достаточного воздухоснабжения в условиях высокой влажности и запыленности воздуха
ведет к неизбежному возрастанию числа тяжелых ионов. Кроме того, в случае ионизации
запыленного воздуха процент задержки пыли в дыхательных путях резко возрастает (пыль,
несущая электрические заряды, задерживается в дыхательных путях человека в гораздо
большем количестве, чем нейтральная).
Следовательно, искусственная ионизация воздуха не является универсальной
панацеей для оздоровления воздуха закрытых помещений. Без улучшения всех гигиенических параметров воздушной среды искусственная ионизация не только не улучшает условий
обитания человека, но, напротив, может оказать негативный эффект.
Эти рекомендации легли в основу действующих в Российской Федерации санитарногигиенических норм допустимых уровней ионизации воздуха производственных и
общественных помещений.
Ионный режим помещений оценивают при помощи аспирационного счетчика ионов,
который определяет концентрацию легких и тяжелых, положительно и отрицательно
заряженных ионов.
2.3.3. Физические факторы жилой среды
Обеспечение полноценной световой среды в жилых помещениях. Стремительно
растущая урбанизация изменяет интенсивность и спектральный состав солнечной радиации у
поверхности земли - вследствие загрязнения атмосферного воздуха, снижающего его
прозрачность, и существенного затенения территории плотной многоэтажной застройкой.
124
Ограниченная прозрачность остекления светопроемов, их затеняемость, а зачастую
несоответствие размеров площади окон глубине помещений вызывают повышенный
дефицит естественного света в помещениях. Недостаток естественного света ухудшает
условия зрительной работы и создает предпосылки для развития у городского населения
синдрома "солнечного (или светового) голодания", снижающего устойчивость организма к
воздействию неблагоприятных факторов химической, физической и бактериальной природы,
а по последним данным и к стрессовым ситуациям. Поэтому дефицит естественного света и
денатурация световой среды отнесены к факторам, неблагоприятным для жизнедеятельности
человека.
В больших городах особое значение имеет качество световой среды внутри
помещения, где человеку должен быть обеспечен не только зрительный комфорт, но и необходимый биологический эффект от освещения. Последний определяется в основном
условиями освещения помещений естественным светом, под которым понимается
рассеянный свет небосвода, проникающий через светопроемы, и прямыми солнечными
лучами (инсоляцией). Эти природные факторы должны присутствовать в достаточном
количестве в каждом помещении, предназначенном для длительного пребывания человека, и
прежде всего в помещениях жилых зданий.
Естественное освещение и инсоляция. В закрытых помещениях световая среда
существенно денатурирована, а естественные оптические факторы ослаблены, так как
светопроемы составляют относительно небольшую часть ограждений, пропуская около 50%
падающего на них света и лишь незначительную долю ультрафиолетового излучения.
Для обеспечения полноценной световой среды в жилых зданиях действующими
нормами и правилами регламентируются минимальная величина коэффициента естественной
освещенности (к.е.о.), режим и длительность инсоляции.
В соответствии с требованиями СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное
освещение. Нормы проектирования" величина к.е.о. для основных помещений жилых зданий
(комнат и кухонь) в средней светоклиматической полосе установлена не ниже 0,4% для зон с
устойчивым снежным покровом и не ниже 0,5% - для остальной территории. Снижение к.е.о.
в комнатах и кухнях жилых зданий не допускается. Это требование обусловлено особой
биологической значимостью естественного света в помещениях и невозможностью
восполнения его дефицита современными средствами искусственного освещения.
Наряду с общебиологическим влиянием естественное освещение оказывает
выраженное психологическое воздействие на организм человека. Свободный зрительный
контакт с внешним миром через светопроемы достаточного размера и изменчивость
дневного освещения (колебания интенсивности, равномерности, соотношений яркости,
хроматичности света на протяжении дня) оказывают большое влияние на психику человека.
Поэтому с гигиенической точки зрения в зданиях разного назначения необходимо
предусматривать максимально возможное использование естественного освещения. Если в
помещениях, предназначенных для длительного пребывания людей, обеспечить достаточное
естественное освещение невозможно, то следует упорядочить дневной режим этих людей,
установив для них время периодического пребывания под открытым небом в часы с достаточным естественным освещением (например, в обеденный перерыв или путем смещения
графика работы).
Большое внимание уделяется в последнее время проблеме инсоляции жилых зданий.
Инсоляция - это важный "гигиенический фактор, она обеспечивает поступление в помещение дополнительной световой энергии, тепла и ультрафиолетового излучения Солнца,
влияет на самочувствие и настроение человека, микроклимат жилища и снижение его
125
обсемененности микроорганизмами. Опрос больших групп населения показал
положительное отношение к инсоляции жилых и общественных помещений у людей,
проживающих как в северных и центральных, так и в южных районах Российской
Федерации. Параллельно проведенное изучение психофизиологического состояния части
опрошенных выявило улучшение их работоспособности, самочувствия ч настроения в
хорошо инсолируемых помещениях.
Совмещенное освещение. Дефицит естественного освещения в ряде помещений жилых
и общественных зданий требует комплексного решения проблемы его восполнения
искусственным освещением, в частности с помощью системы совмещенного освещения.
Основной гигиенический недостаток применения совмещенного освещения обусловлен
разной биологической эффективностью естественного и искусственного света, которая не в
полной мере учитывается при нормировании освещения.
Неблагоприятное воздействие на организм замены естественного света
искусственным подтверждается и данными биологических экспериментов по изучению
иммунологической реактивности животных и их устойчивости к химической нагрузке.
Полученные результаты позволили показать биологическую неадекватность естественного и
искусственного света одинаковой интенсивности.
Совмещенное освещение должно улучшать положение в тех помещениях, в которых
по разным причинам (строительным, эксплуатационным и т. п.) не может быть обеспечено
удовлетворительное дневное освещение. Во вновь проектируемых жилых зданиях следует
изыскивать возможности полноценного естественного освещения.
В том случае, когда дневное освещение постоянно дополняется общим или
комбинированным искусственным, большое значение имеет выбор источников света и светильников, а также их размещение в помещении. При совмещенном освещении нельзя
применять лампы накаливания. Для этого целесообразно использовать люминесцентные
лампы белого и дневного света, выбираемые с учетом ориентации помещения, а на крупных
общественных объектах (вокзалы, спортивные залы и т. п.) - ртутные лампы, высокого
давления. Размещение и тип светильников должны обеспечивать автономный подсвет зоны с
недостаточным естественным освещением и однонаправленность теней.
Искусственное
освещение
помещений
в жилых
зданиях. Основные
гигиенические требования к искусственному освещению в быту сводятся к тому, чтобы
освещение интерьеров соответствовало их назначению: света было достаточно (он не должен
слепить и оказывать иного неблагоприятного влияния на человека и на среду);
осветительные приборы были легко управляемыми и безопасными, а их расположение
способствовало функциональному зонированию жилищ; выбор источников света
производится с учетом восприятия цветового решения интерьера, спектрального состава
света и благоприятного биологического воздействия светового потока.
До настоящего времени в жилых помещениях целесообразным с гигиенической точки
зрения считается применение светильников с лампами накаливания как более удобных в
эксплуатации, легко регулируемых, бесшумных и не излучающих ультрафиолетового
потока. Экономичные люминесцентные светильники рекомендуется использовать в
основном для освещения вспомогательных помещений с кратковременным пребыванием
людей (прихожей, ванной и т. п.). Установка их в кухнях требует применения спектрального
типа ламп, точно передающего естественный вид продукта. При освещении
люминесцентными светильниками, например, письменного стола, необходимо наряду с
правильным подбором спектрального типа ламп устранение пульсации их светового потока.
Обогащение
светового
потока
установок
искусственного
освещения
126
ультрафиолетовым
излучением.
Проблема
обогащения
искусственного
света
ультрафиолетовым излучением (УФИ) весьма актуальна в настоящее время, когда
денатурация световой среды в городах и увеличение времени пребывания человека в
условиях искусственного освещения требуют широкой профилактики возможного развития
симптомов светового голодания у людей, сопровождающихся снижением резистентности
организма к воздействию неблагоприятных факторов и повышением заболеваемости.
Наиболее удобным и эффективным приемом профилактики светового голодания является
использование в системе общего освещения помещений с длительным пребыванием людей
светооблучательных установок, создающих световой поток, обогащенный УФИ. При этом
может использоваться двойная система ламп - осветительных и эритемных, излучающих УФ
-поток в диапазоне длин волн 280 - 320 нм, или единая система - с полифункциональными
осветительно-облучательными лампами, генерирующими одновременно видимый свет и
УФИ (спектр их излучения охватывает область 280 - 700 нм), которые обеспечивают
получение человеком за 8 часов рабочего дня 0,125 - 0,25 МЭД (минимальной эритемной
дозы) при освещенности 300 - 500 лк. Эритемные лампы в системе общего освещения
обеспечивают 0,25 - 0,75 МЭД в день и используются лишь в осенне-зимний период года.
Суммарная годовая доза УФИ как от эритемных, так и от полифункциональных ламп
составляет около 65 МЭД.
Гигиеническая оценка светооблучательных установок показала их благотворное
влияние на работоспособность, а также отсутствие неблагоприятного влияния УФИ на зрительные функции человека и на среду в помещении.
Обогащение искусственного света УФИ рекомендуется, прежде всего в районах с
выраженным дефицитом естественного УФИ (севернее 57,5° северной широты, а также в
промышленных городах с загрязненным атмосферным воздухом, расположенных в зоне 57,5
- 42,5° северной широты) и на подземных объектах, в зданиях без естественного света и с
выраженным дефицитом естественного света (при к.е.о. менее 0,5%) вне зависимости от их
территориального размещения.
Шумы в жилой среде. Защита городской и жилой среды от шума имеет большое
гигиеническое и социально-экономическое значение, что связано с повсеместным ростом
шумового загрязнения, вызывающего ухудшение состояния здоровья населения.
Существующие источники шума в условиях городской жилой среды можно
подразделить на две основные группы: расположенные в свободном пространстве (вне
зданий) и находящиеся внутри зданий.
Источники шума, расположенные в свободном пространстве, по своему характеру
делятся на подвижные и стационарные, т. е. постоянно или долговременно установленные в
каком-либо месте.
Для источников шума, расположенных внутри зданий, имеют значение характер
размещения источников шума по отношению к окружающим защищаемым объектам и их соответствие предъявляемым к ним требованиям. Внутренние источники шума можно
подразделить на несколько групп:
- техническое оснащение зданий (лифты, трансформаторные подстанции и т. п.);
- технологическое оснащение зданий (морозильные камеры магазинов, машинное
оборудование небольших мастерских и т. п.);
- санитарное оснащение зданий (водопроводные сети, смывные краны туалетов,
душевые и т. п.);
- бытовые приборы (холодильники, пылесосы, миксеры, стиральные машины и др.);
- аппаратура для воспроизведения музыки, радиоприемники и телевизоры,
127
музыкальные инструменты.
В последние годы отмечается рост шума в городах, что связано с резким увеличением
движения транспорта (автомобильного, рельсового, воздушного).
Транспортный шум по характеру воздействия является непостоянным внешним
шумом, так как уровень звука изменяется во времени более чем на 5 дБ.
Уровень различных шумов зависит от интенсивности и состава транспортных
потоков, планировочных решений (профиль улиц, высота и плотность застройки) и наличия
отдельных элементов благоустройства (тип дорожного покрытия и проезжей части, зеленые
насаждения). Наблюдается зависимость уровней звука на магистралях от фактических
режимов движения транспорта.
Диапазон колебаний между фоновыми и максимальными (пиковыми) уровнями звука,
характеризующими шумовой режим при магистральной территории, в дневное время
составляет в среднем 20 дБ
В ночной период суток размах колебаний максимальных уровней звука относительно
фона увеличивается. Это связано с изменением интенсивности движения, которая в периоды
между часами пик, как правило, снижается в 2 - 2,5 раза.
Влияние шума на организм. Субъективная оценка влияния различных факторов
внутрижилищной и окружающей среды на комфортность проживания подтверждает
существенную роль шума в создании неблагоприятных условий в жилых домах. Воздействие
шума может вызвать следующие реакции организма:
- органическое расстройство слухового анализатора;
- функциональное расстройство слухового восприятия;
- функциональное расстройство нейрогуморальной регуляции;
- функциональные расстройства двигательной функции и функции чувств;
- расстройства эмоционального равновесия.
Общая реакция населения на шумовое воздействие - чувство раздражения.
Отрицательно воздействующий звук способен вызвать раздражение, переходящее в
психоэмоциональный стресс, который может привести к психическим и физическим
патологическим изменениям в организме человека. С повышением уровня звука возрастает
чувство неприятности.
Субъективная реакция человека на шумовое воздействие зависит от степени
умственного и физического напряжения, возраста, пола, состояния здоровья, длительности
влияния и уровня шума.
Воздействия шума на человека можно условно подразделить на:
- специфические (слуховые) - воздействие на слуховой анализатор, которое
выражается в слуховом утомлении, кратковременной или постоянной потере слуха, расстройствах четкости речи и восприятия акустических сигналов;
- системные (внеслуховые) - воздействие на отдельные системы и организм в целом
(на заболеваемость, сон, психику).
Уровни коммунального шума почти всегда значительно ниже предела,
установленного для рабочей зоны (85 - 90 дБ). Однако имеются коммунальные шумы,
максимальные значения которых достигают указанного верхнего предела (от телевизора,
ударных музыкальных инструментов, мотоциклов). Снижению остроты слуха может
способствовать и длительное воздействие на человека транспортного шума.
Неблагоприятное воздействие на слух оказывается в тех случаях, когда человек подвергается
действию шума как на производстве, так и дома.
В настоящее время лиц, обладающих "отличным" слухом, среди молодежи и взрослых
128
намного меньше, чем 20 лет назад. Изменения в органе слуха происходят уже в период
полового созревания. Причиной является насыщенная техникой жизненная среда, а у
молодежи, кроме того, громкая музыка.
Одной из специфических особенностей шума является его маскировочный эффект воздействие на восприятие звуковой и в особенности речевой информации.
Под влиянием шума у людей изменяются показатели переработки информации,
снижается темп и ухудшается качество выполняемой работы.
Изучение влияния шума на жителей разного пола и возраста показало, что более
чувствительны к нему женщины и лица старших возрастных групп. Данные категории
населения, проживающие в шумных районах, чаще жалуются на раздражение, нарушение
сна, головные боли, боли в области сердца. Объективно выявлены тенденции к повышению
артериального давления, изменения отдельных показателей электрокардиограммы,
функциональные нарушения центральной и вегетативной нервной системы, снижение
слуховой чувствительности.
Установлена зависимость между повышением уровня шума в квартире с 35 до 50 дБ
и значительным увеличением как периода засыпания, так и коэффициента двигательной
активности.
Уровень шума в ночное время не должен превышать 35 дБ. На шум 35 - 40 дБ
реагируют 13% спящих, а на 45 дБ - 35%. Пробуждение наступает обычно при уровне шума
50,3 дБ (изменение стадии сна - при 48,5 дБ).
Оздоровление жилой среды городов и других населенных пунктов тесно связано со
снижением отрицательного воздействия на человека шума от внешних источников.
В Российской Федерации превышение допустимых санитарными нормами уровней
звука на территории жилой застройки составляет 15 - 25 дБ, а в помещениях жилых зданий 20 дБ и более, что требует разработки и проведения эффективных шумозащитных
мероприятий.
Снижение шума в источнике его возникновения является действенным и самым
эффективным путем борьбы с шумом. Поэтому мероприятия по снижению шума должны
проводиться в процессе конструирования машин и оборудования.
Существенное влияние на шумовой режим микрорайонов оказывают также ширина
защитной территориальной полосы до источника интенсивного внешнего шума, степень ее
озеленения. На каждое удвоенное расстояние от точечного источника понижение уровня
шума составляет 3 дБ.
Большое значение имеет использование рациональных планировочных приемов
градостроительства, обоснованное решение объемно-пространственной композиции жилой
территории, учет особенностей рельефа местности и т. д.
За счет использования конфигурации местности можно достичь большого эффекта в
защите от шума при относительно невысоких затратах.
Для снижения шума на жилой территории необходимо соблюдать следующие
принципы:
- вблизи источников шума размещать малоэтажные здания;
- строить параллельно транспортной магистрали шумозащитные объекты;
- группировать жилые объекты в удаленные или защищенные кварталы;
- здания, не требующие защиты от шума (склады, гаражи, некоторые мастерские
и т. д.), использовать в качестве барьеров, ограничивающих распространение шума;
- экранирующие объекты, используемые для борьбы с шумом, должны располагаться
как можно ближе к его источнику, причем большое значение имеют непрерывность таких
129
объектов по всей длине, их высота и ширина;
- поверхность противошумовых экранов, обращенная к источнику, должна быть
выполнена по возможности из звукопоглощающего материала.
В условиях плотной городской застройки и дефицита свободной территории
целесообразно осуществлять строительство специальных шумозащитных (барьерных)
зданий-экранов (жилого и нежилого назначения), фронтально размещаемых вдоль
магистралей и образующих акустическую тень за зданием.
В качестве экранов для защиты от шума кроме протяженных зданий могут
использоваться специальные сооружения типа стенок, выемок, насыпей, эстакад и т. п. Экраны, выполненные в виде вертикальной защитной стенки, получили применение в условиях
сложившейся застройки как более компактные по сравнению с остальными типами экранов.
Уровень шума в жилой среде можно снизить за счет звукопоглощающей облицовки
лоджий и балконов и применения плотных (без отверстий) перил, особенно на более высоких
этажах.
Транспортный шум уменьшают (до 25 дБ) типовые конструкции окон с повышенной
звукоизоляцией за счет увеличения толщины стекол и воздушного пространства между
ними, тройного остекления, уплотнения притворов, использования звукопоглощающей
прокладки по периметру оконных рам.
Разработаны и внедрены в практику специальные конструкции оконных блоков с
устройством вентиляционных клапанов-глушителей ("шумозащитное окно"), обеспечивающих естественную вентиляцию помещений при одновременном снижении транспортного
шума.
Создание конструкций с высокоэффективными клапанами-глушителями (снижение
уровня звука составляет 25 - 35 дБ) позволяет оборудовать ими жилые здания, расположенные на магистралях с интенсивным движением транспорта и уровнями звука 80 дБ и
более, при условии обеспечения нормативных параметров микроклимата и воздухообмена в
жилых помещениях.
Вибрация в условиях жилищ, ее влияние на организм человека. Вибрация как
фактор среда обитания человека наряду с шумом относится к одному из видов ее
физического загрязнения, способствующего ухудшению условий проживания городского
населения.
Вибрация, воздействуя на живой организм, трансформируется в энергию
биохимических и биоэлектрических процессов, формируя ответную реакцию организма.
При длительном проживании людей в зоне воздействия вибрации от транспортных
источников, уровень которой превышает нормативную величину, отмечается ее неблагоприятное влияние на самочувствие, функциональное состояние центральной нервной и
сердечно-сосудистой систем, повышение уровня неспецифической заболеваемости.
Колебания в зданиях могут генерировать внешние источники (подземный и наземный
транспорт, промышленные предприятия). Вибрация в квартире часто вызвана эксплуатацией
лифта. В некоторых случаях ощутимая вибрация наблюдается при строительных работах,
проводимых вблизи жилых зданий (забивка свай, демонтаж и ломка зданий, дорожные
работы).
Источником повышенной вибрации в жилых домах могут служить промышленные
предприятия,
Проблема борьбы с вибрацией в жилых зданиях приобрела особую актуальность в
связи с развитием в крупных городах метрополитенов, строительство которых осуществляется способом мелкого заложения. Линии метрополитена прокладывают под
130
существующими жилыми районами, а опыт эксплуатации подземных поездов показал, что
интенсивные вибрации проникают в жилые близлежащие здания в радиусе до
40-70 м по обе стороны от тоннеля метрополитена и вызывают серьезные жалобы населения.
Изучение распространения вибрации по этажам здания показало, что в пятиэтажных
домах уровни виброускорения снижаются в направлении от первого до пятого этажа на
частотах 8 - 32 Гц на 4 - 6 дБ. В многоэтажных зданиях отмечается как уменьшение величин
колебаний на более высоких этажах, так и увеличение их из-за резонансных явлений.
Интенсивность вибрации в жилых домах зависит от расстояния до источника. В
радиусе до 10 м превышение уровня вибрации над фоновыми значениями в октавных
полосах частот 31,5 и 63 Гц в среднем составляет 20 дБ, в октавной полосе 16 Гц уровни
вибрации от поездов превышают фон на 2 дБ, а в низкочастотном диапазоне соизмеримы с
ним. С увеличением расстояния до 40 м уровни вибрации снижаются до 27 - 23 дБ
соответственно частотам 31,5 и 63 Гц, а на расстоянии свыше 50 м от тоннеля уровни
виброускорения не выходят за пределы колебания фона.
Таким образом, источники вибрации в жилых помещениях различают по
интенсивности, временным параметрам, характеру спектровибрации, что и определяет
различную степень выраженности реакции жителей на их воздействие.
Влияние вибрации на организм человека. Вибрация в условиях жилой среды может
действовать круглосуточно, вызывая раздражение, нарушая отдых и сон человека.
В отличие от звука вибрация воспринимается различными органами и частями тела.
Низкочастотные поступательные вибрации воспринимаются отолитовым аппаратом
внутреннего уха. В ряде случаев реакция людей определяется не столько восприятием самих
механических колебаний, сколько вторичными зрительными и слуховыми эффектами
(например, дребезжание посуды в шкафу, хлопанье дверей, раскачивание люстры и т. д.).
Субъективное восприятие вибрации зависит не только от ее параметров, но и от
множества других факторов: состояния здоровья, тренированности организма, индивидуальной переносимости, эмоциональной устойчивости, нервно-психического статуса
субъекта, подвергаемого действию вибрации. Имеет значение также способ передачи
вибрации, длительность экспозиции и пауз.
В квартирах ощутимые вибрации почти всегда воспринимаются как посторонние и
необычные и поэтому их можно считать мешающими. Зрительные и слуховые воздействия
усугубляют их неблагоприятное влияние.
На восприятие вибрации может существенно влиять деятельность субъекта. При этом
вибрация, мешающая человеку при спокойной сидячей работе, совсем не будет восприниматься человеком, который во время работы переходит с места на место Таким
образом, можно полагать: чем спокойнее работа, тем интенсивнее человек воспринимает
вибрацию.
Мерой оценки восприятия вибрации служит понятие "сила восприятия", которое
является связующим звеном между величинами колебаний, их частотой и направлением, с
одной стороны, и восприятием вибрации - с другой.
Американские исследователи различают три степени реакции человека на вибрацию в
зависимости от амплитуды ее ускорения: порог восприятия сидящим человеком синусоидальных вертикальных вибраций, неприятные ощущения, предел добровольно
переносимой вибрации в течение 5 - 20 минут.
Сила восприятия механических колебаний, воздействующих на человека, зависит в
значительной степени от биомеханической реакции тела человека, представляющего собой в
известной мере механическую колебательную систему.
131
Особое внимание при этом уделяется изучению явления резонанса как всего тела
человека, так и отдельных его органов и систем. Установлено, что при частоте воздействующей вибрации свыше 2 Гц человек ведет себя как целостная масса; для сидящего
человека резонанс тела находится в интервале от 4 до 6 Гц. Другая полоса резонансных
частот лежит в области 17 - 30 Гц и вызывается в системе "голова – шея -плечо". В этом
диапазоне амплитуда ускорения колебания головы может втрое превышать амплитуду
колебания плеч.
Таким образом, тело человека представляет сложную колебательную систему,
обладающую собственным резонансом, что и определяет строгую частотную зависимость
многих биологических эффектов вибрации.
Результаты опроса и клинико-физиологического обследования населения, показали,
что вибрация в жилых помещениях вызывает негативную реакцию людей. Жалобы на
вибрацию носят разнообразный характер: "ощущается, как землетрясение", "дом дрожит",
"дребезжит посуда". Регулярно повторяющиеся через 1,5 - 2 мин колебания пола, сотрясения
стен, мебели и т. п. нарушают отдых жителей, мешают выполнению домашних дел, не дают
сосредоточиться при умственном труде В новых микрорайонах после года проживания в
условиях
воздействия
вибрации
опрошенные
лица
отмечали
повышенную
раздражительность, нарушение сна, увеличение приема седативных препаратов. По данным
опроса, 20,4% жителей предъявляли жалобы в различные учреждения санитарной службы, а
47% предпринимали активные действия для перемены местожительства.
Степень раздражающего действия вибрации зависит от ее уровня (или расстояния до
источника колебаний). Наибольшие уровни вибрации, зарегистрированные в радиусе до 20 м
от источника, вызывают негативную реакцию у 73% жителей. С возрастанием зоны разрыва
количество жалоб уменьшается, и на расстоянии 35 - 40 м колебания ощущают 17% жителей.
Дальнейшее увеличение расстояния в связи с уменьшением амплитуды колебаний не влияет
на восприятие жителями вибрации, что позволило установить 40-метровую допустимую зону
разрыва между жилой застройкой и тоннелями метрополитена мелкого заложения.
Наибольшее количество жалоб (65%) предъявляют лица в возрасте от
31 до 40 лет. Нетерпимы к вибрационному воздействию лица с неудовлетворительным
состоянием здоровья, заболеваниями сердечно-сосудистой и нервной систем Количество
жалоб в этой группе в 1,5 раза больше, чем в группе здоровых людей.
Клинико-физиологическое обследование населения, подвергающегося длительному
вибрационному воздействию, выявило изменения состояния физиологических функций у
обследованных. При этом преобладали жалобы на эмоциональную волевую неустойчивость,
функциональные нарушения центральной нервной системы.
Кроме того, отмечено
напряжение регуляторных систем сосудистого тонуса, развитие функциональных изменений
различной степени выраженности в центральной нервной системе.
Гигиеническое нормирование вибрации в условиях жилища. Важнейшим направлением
решения проблемы ограничения неблагоприятного воздействия вибрации в жилищных
условиях является гигиеническое нормирование ее допустимых воздействий. При определении предельных значений вибрации для различных условий пребывания человека в качестве
основной величины используется порог ощущения вибрации Предельные значения даются
как кратная величина этого порога ощущения Ночью в жилых помещениях допускается
только одно- или четырехкратный порог ощущения, днем – двукратный.
Электромагнитные поля как неблагоприятный фактор среды жилых и
общественных помещений. Распространенным и постоянно возрастающим негативным
фактором городской среды являются электромагнитные поля (ЭМП), создаваемые
132
различными
устройствами,
генерирующими,
передающими
и
использующими
электрическую энергию. Электромагнитное загрязнение среды населенных мест стало столь
существенным, что ВОЗ включила эту проблему в число наиболее актуальных для человека
В настоящее время имеется огромное количество самых разнообразных источников
электромагнитных полей, находящихся как вне жилых и общественных зданий (линии
электропередач, станции спутниковой связи, радиорелейные установки, телепередающие
центры, открытые распределительные устройства, электротранспорт и т. д.), так и внутри
помещений (компьютеры, сотовые и радиотелефоны, пейджеры, бытовые микроволновые
печи и др.)
Мощными источниками высокочастотных электромагнитных полей являются
телерадиопередающие ретрансляторы, которые располагаются обычно в центре крупных городов, рядом с жилой застройкой. Передающие центры, спроектированные более двух
десятков лет назад для трансляции двух телевизионных программ, сейчас транслируют от 5
до 10 программ.
На территории санитарно-защитной зоны линий электропередач (ЛЭП) нередко
строятся частные дома и дачи.
Спектр электромагнитных колебаний, создаваемых линиями электропередач, радио- и
телепередающими центрами, радиолокационными системами достаточно широк (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Спектр электромагнитных колебаний ЛЭП,
радио- и телепередающих устройств
Диапазон частот
Частота колебаний
Длина волны
Низкие частоты (НЧ)
0,003 Гц - 30 кГц
10 –10 км
Высокие частоты (ВЧ)
30 Гц - 30 МГц
10 – 10 м
Ультравысокие частоты
(УВЧ)
30 МГц - 300 МГц
10 – 1 м
Сверхвысокие частоты
(СВЧ)
300 МГц - 300 ГТц
10 -1 мм
Рассматривая ЭМП как важный фактор окружающей среды, необходимо отметить,
что в электромагнитном поле выделяют две составляющие - электрическую и магнитную.
Распространяющееся в пространстве ЭМП условно делят на две зоны: зону индукции
(находится вблизи антенных устройств) и волновую зону (дальнюю), лежащую за пределами
антенного поля. Поэтому в условиях населенных мест люди чаще всего могут подвергаться
облучению в волновой зоне электромагнитного излучения.
Организм человека, находящегося в электромагнитном поле, поглощает его энергию,
в тканях возникают высокочастотные токи с образованием теплового эффекта. Биологическое действие электромагнитного излучения зависит от длины волны, напряженности
поля (или плотности потока энергии), длительности и режима воздействия (постоянный,
импульсный). Чем выше мощность поля, короче длина волны и продолжительнее время
133
облучения, тем сильнее негативное влияние ЭМП на организм. При воздействии на человека
малоинтенсивного электромагнитного поля возникают нарушения электрофизиологических
процессов в центральной нервной и сердечно-сосудистой системах, функций щитовидной
железы, системы "гипофиз - кора надпочечников", генеративной функции организма.
Для предотвращения неблагоприятного влияния ЭМП на население установлены
предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности электромагнитного поля, кВ/м:
- внутри жилых зданий - 0,5;
- на территории зоны жилой застройки - 1,0; Ф в населенной местности вне зоны
жилой застройки - 10;
- в ненаселенной местности (часто посещаемой людьми) - 15;
- в труднодоступной местности (недоступной для транспорта и сельскохозяйственных
машин) - 20.
В настоящее время действуют Временные санитарные нормы и правила защиты
населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами (ВСН 2963-92). Основным способом защиты от ЭМП в жилой зоне является защита
расстоянием, что обеспечивается путем создания специальных санитарно-защитных зон
(СЗЗ) вокруг радиотехнических объектов. К мероприятиям, снижающим плотность потока
энергии, относят рациональную застройку, применение специальных строительных
конструкций, озеленение. Застройка должна свести к минимуму площадь поверхностей,
через которые радиоволны легко проникают внутрь помещений.
Наиболее приемлемым материалом для зданий является железобетон. В зданиях,
расположенных в первом ряду застройки, рекомендуется заделка мелкоячеистой сетки в
облицовочный или штукатурный слой на стенах, обращенных в сторону радиотехнических
объектов. Стыки сеток надо сваривать, сетки должны быть заземлены. В следующих рядах
зданий поверхность облучаемых стен покрывают составами, поглощающими радиоволны.
Лучшая защита сверху - крыша из кровельного или оцинкованного железа. В сторону антенн
следует ориентировать минимальную площадь остекления. Так как в основном радиоволны
проникают в помещения через оконные проемы, то в необходимых случаях можно
экранировать оконные проемы специальным стеклом с металлизированным слоем.
Существенным источником электромагнитных полей, наряду с линиями
электропередач и телерадиопередающими установками, являются видеодисплейные
терминалы (ВДТ) и персональные электронно-вычислительные машины (ПЭВМ) компьютеры, получившие широкое использование в офисе и быту.
Основную опасность для здоровья пользователя (и в определенной степени для
находящихся вблизи от компьютера лиц) представляет электромагнитное излучение в диапазоне 20 Гц - 400 кГц, создаваемое отклоняющей системой кинескопа и видеомонитор.
Имеются многочисленные экспериментальные данные, свидетельствующие о влиянии
электромагнитных полей на живой организм (на молекулярном и клеточном уровне) нервную, эндокринную, иммунную и кроветворную системы организма
Установлено, что самой опасной является низкочастотная составляющая
электромагнитного поля (до 100 Гц), способствующая изменению биохимической реакции в
крови на клеточном уровне. Это приводит к возникновению у человека симптомов
раздражительности, нервного напряжения и стресса, вызывает осложнения в течении
беременности и увеличение в несколько раз вероятности выкидышей, способствует
нарушению репродуктивной функции и возникновению рака
Видеомонитор компьютера создает вокруг себя электромагнитное поле как низкой,
так и высокой частоты, что способствует появлению электростатического поля и ведет к
134
деионизации воздуха вокруг монитора, а это в свою очередь влияет на развитие клеток
тканей организма, увеличивает вероятность возникновения катаракты
Важное значение в обеспечении электромагнитной безопасности при применении
персональных компьютеров имеют действующие в настоящее время Санитарные нормы и
правила № 2.2.2. 542 - 96 «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам,
персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы, которые рекомендуют порядок производства, продажи и использования ВДТ и ПЭВМ»
В этом документе приводятся нормативы, устанавливающие критерии безопасности и
(или) безвредности, и требования к обеспечению благоприятных условий жизнедеятельности
человека. Все ВДТ и ПЭВМ должны иметь техническую документацию и гигиенический
сертификат. Определены требования к конструкции этих технических средств, допустимые
значения создаваемых ими параметров неионизирующих и ионизирующих излучений. С 1
января 1997 г в России введен новый норматив безопасности видеомониторов,
соответствующий требованиям самого жесткого в мире шведского стандарта МРR II.
Однако, как показали исследования центров госсанэпиднадзора РФ, значительная
часть эксплуатируемых мониторов персональных компьютеров не соответствует современным гигиеническим требованиям по энергетическим характеристикам электромагнитного
поля и предопределяет необходимость защиты пользователя и окружающих, поскольку
излучение распространяется по всем направлениям в радиусе 2,5 м.
Следует отметить, что большую роль в снижении низкочастотной электрической
составляющей электромагнитного поля видеомонитора играет эффективность заземления
(зануления) компьютера и его периферийных устройств, включая локальную сеть. В
настоящее время нередко встречаются случаи, когда используемые в компьютерах защитные
средства абсолютно неэффективны, так как или не предназначены для защиты от
электромагнитных полей по своей природе, или неправильно используются. По данным
ученых, более половины защитных экранов, находящихся в эксплуатации, либо вообще не
ослабляют напряженность поля, либо увеличивают ее в 1,5 раза, вызывая противоположный
эффект. В этой связи весьма перспективным и обнадеживающим является использование при
производстве персональных компьютеров разработанного в Российской Федерации
защитного фильтра ФЗ 14-15 ("Русский щит"), предназначенного для ослабления вредных
воздействий монитора и позволяющего снизить их до уровней, безопасных для человека.
Технико-эксплуатационные характеристики защитного фильтра ФЗ 14-15 приведены в
табл.2.5.
К профилактическим мероприятиям по предупреждению негативного влияния
источников электромагнитных излучений относится прежде всего обеспечение соответствия
их технических характеристик нормативным требованиям и строгое соблюдение правил
эксплуатации. Кроме того, для более эффективной оценки степени их электромагнитной
опасности для человека представляются целесообразными специальные исследования по
изучению фактических значений нормируемых параметров электромагнитных полей,
создаваемых различными моделями технических средств (сотовыми и радиотелефонами,
пейджерами, микроволновыми печами и т д) в реальных условиях их использования
Таким образом, изложенный выше материал показывает, что внедрение
разнообразных достижений науки и техники в производственной и непроизводственной
сферах деятельности человека сопровождается повышением электромагнитной опасности в
жилой среде и требует обеспечения надежной защиты населения современных городов от
неблагоприятного воздействия электромагнитных излучений.
135
Таблица 2.5
Технико-эксплуатационные характеристики
защитного фильтра ФЗ 14-15 "Русский щит"
№ п/п
Технико-эксплуатационные
параметры
А
Б
1
2
3
4
5
6
1
2
3
Пропускание в видимом диапазоне
спектра, не более, %
30 - 45
35 - 45
45 - 55
Пропускание электрической составляющей
ЭМП в диапазоне:
20 Гц - 2кГц, не более, %
2 кГц - 400 кГц, не более, %
0,5
0,8
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,5
1,0
0,5
0,76
285x340x22
1,0
2,0
Пропускание электростатического поля, не
менее, %
Коэффициент отражения, не более %
Масса защитного фильтра, не более, кг
Габаритные размеры, не более, мм
Контрольные вопросы
1. Виды воздействие человека на биосферу на современном этапе развития ?
2. Формы ответной реакции окружающей среды на промышленное воздествие ?
3. Назовите категории антропогенного воздействия на экосферу и людей ?
4. Сформулируйте последствия загрязнения окружающей среды ?
5. Перечислите основные источники загрязнения окружающей среды и дайте им
краткую характристику ?
6. Назовите ряд кризисов в истории человечества ?
7. Основные формы проявления современного экологического кризиса и их краткая
характеристика?
8. Основные направления концепции устойчивого развития России?
9. Современное понятие жилой (бытовой) среды и ее характерные черты?
10. Основные группы негативных факторов жилой среды?
11. Источники химического загрязнения воздушной среды жилых помещений и их
гигиеническая характеристика?
12. Влияние химического загрязнения жилой среды на здоровье человека и пути
улучшения химического состава воздуха жилых и общественных зданий?
13. Гигиеническое значение и обеспечение благоприятной световой среды
современных жилищ?
14. Источники шума в жилой среде и мероприятия по защите населения от его
неблагоприятного воздействия?
15. Гигиеническая характеристика вибрации в условиях жилищ?
16. Электромагнитные поля как негативный фактор помещений жилых и
общественных зданий и их влияние на здоровье населения?
136
Раздел 3. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
3.1. Общая характеристика структуры
промышленного техногенеза
Проблема защиты окружающей среды - одна из важнейших задач современности.
Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу,
водоемы и недра на современном этапе развития достигли таких размеров, что в ряде
районов, особенно в крупных промышленных центрах, уровни загрязнений существенно
превышают допустимые санитарные нормы.
Главную опасность представляет собой загрязнение атмосферы. На величину
концентраций вредных примесей в атмосфере влияют метеорологические условия,
определяющие перенос и рассеивание примесей в воздухе, - смена направления и скорости
ветра и др. Нежелательной с точки зрения загрязнений приземного слоя атмосферы является
инверсия температуры в атмосфере. Суть этого процесса состоит в том, что происходит
повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для нижних слоев атмосферы
убывания температуры на 0,5 - 0,6 °С на каждые 100 м высоты. Инверсия температуры
препятствует развитию вертикальных движений воздуха и может способствовать
образованию зон с повышенным содержанием примесей в приземном слое атмосферы.
Вредные выбросы промышленных предприятий и других источников загрязнения
оказывают отрицательное воздействие не только на окружающую среду, но и в ряде случаев
значительно влияют на процесс эксплуатации технических средств. Так, например,
оборудование электростанций, расположенное вне помещений, и воздушные линии
электропередачи в значительной мере подвержены воздействию выбросов продуктов
сгорания органического топлива.
Частицы пыли оседают на поверхности изоляторов. Количество накопившихся
загрязнений достигает несколько десятков миллиграммов на 1 см2 поверхности, что приводит
к образованию на поверхности изоляторов электропроводного слоя. В результате разрядные
напряжения загрязненной изоляции при увлажнении могут снижаться в несколько раз.
При рассмотрении комплекса вопросов, связанных с защитой окружающей среды,
часто забывают о неблагоприятном влиянии шума, инфразвука и вибрации на
жизнедеятельность человека. В городах промышленные и транспортные шумы, бытовые
приборы и т. д. создают сильную звуковую атаку на организм человека. «Шумовые
загрязнения» окружающей среды являются серьезной проблемой. Уровни городских шумов
возрастают в среднем за каждые 5 - 10 лет на 5 - 10 дБ. Большую опасность представляют
ультразвук и инфразвук. Даже при относительно низких уровнях энергии инфразвука он
может привести к довольно серьезным заболеваниям. Многие нервные болезни городских
жителей вызываются именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены.
В отдельных случаях возможно «загрязнение» окружающей среды тепловыми
выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными, световыми и
ионизирующими излучениями.
Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия во многих
странах мира, показали, что все возрастающее разрушительное воздействие антропогенных
факторов на окружающую среду привело ее на грань кризиса. Среди различных
составляющих экологического кризиса (истощение сырьевых ресурсов, нехватка чистой
пресной воды, возможные климатические катастрофы) наиболее угрожающий характер
137
приняла проблема загрязнения незаменимых природных ресурсов -воздуха, воды и почвы отходами промышленности и транспорта.
В связи с этим в современном обществе резко возрастают роль и задачи технической
экологии, призванной на основе оценки степени вреда, приносимого природе
индустриализацией производства, разрабатывать и совершенствовать инженернотехнические средства защиты окружающей среды, всемерно развивать основы создания
замкнутых и безотходных технологических циклов и производств.
Проблема охраны окружающей среды имеет глобальный характер и поэтому должна
решаться не только применительно к конкретному предприятию или производственному
циклу, но и в масштабах отдельных городов и промышленных центров, регионов, всей
территории страны, группы стран, отдельных континентов и всего земного шара.
Проблема охраны окружающей среды - комплексная проблема. Комплексный
характер проблемы охраны окружающей среды определяется сложностью системы,
состоящей из природы, общества и производства. Оптимальное развитие этой системы
невозможно без комплексного учета социальных, экологических, технических,
экономических, правовых и международных аспектов проблемы.
Продолжающиеся загрязнения природной среды газообразными, жидкими и
твердыми отходами производства, вызывающие деградацию среды обитания и наносящие
ущерб здоровью населения, в последнее время остаются острой экологической проблемой,
имеющей приоритетное социальное и экономическое значение.
Включая более 20 000 производственных предприятий с довольно развитыми и
разнообразными технологиями производства, промышленность Российской Федерации
играет заметную роль как в загрязнении природы, так и в решении природоохранных
проблем.
Преобладающее воздействие на загрязнение природной среды оказывают
предприятия металлургического комплекса, электроэнергии, топливной и химической
промышленности.
Практически для всех отраслей характерна низкая обеспеченность очистки сточных
вод, сбрасываемых в водоемы.
Все более определяющую роль в состоянии воздушного бассейна крупных городов
играет дорожно-транспортный комплекс, в котором выброс от передвижных и стационарных
источников составляет более 60% от общего объема всех выбросов по РФ.
Оборудование и технологии, применяемые для улавливания и обезвреживания
выбросов вредных веществ в атмосферу, совершенствуются крайне медленно, в связи с чем
продолжает оставаться низким уровень утилизации уловленных вредных веществ (лишь
половина из них используется в производстве повторно), а основная доля улова приходится
на менее опасные для здоровья населения твердые вещества, в то время как газообразные и
жидкие улавливаются лишь на 25%.
По данным Росгидромета, уровень улова вредных веществ на предприятиях
промышленности строительных материалов составляет 91,6%, химической и
нефтехимической - 91,1%, электроэнергетики - 84%, цветной металлургии - 82,9%,
наименьший показатель в нефтедобывающей - 3,1% и газовой - 1,2 % промышленности.
Серьезной проблемой остается очистка сточных вод, сбрасываемых в водные
объекты. Процент нормативно-очищенных сточных вод к объему вод, требующих очистки, в
России составляет лишь 9,5%, в промышленности - 14,9; в жилищно-коммунальном
хозяйстве - 7,8, а в сельском хозяйстве - 0,6%.
138
Промышленность Российской Федерации характеризуется высоким уровнем
использования оборотных систем водоснабжения, за счет которых экономия свежей воды
составляет 78%. Особенно это проявляется в газовой (97%) и нефтеперерабатывающей (94%)
промышленности, на предприятиях черной (93%) и цветной (91%) металлургии, а также в
нефтехимии (91%).
Промышленность и сельское хозяйство страны продолжают оставаться источником
развития процессов, оказывающих отрицательное влияние на состояние подземных вод.
Многие виды современных производств характеризуются образованием токсичных
жидких отходов, для которых отсутствуют удовлетворительные технологии очистки или
обезвреживания и, следовательно, требуется весьма длительная изоляция отходов от
биосферы. Обеспечить такую изоляцию на поверхности земли практически невозможно,
особенно для больших объемов отходов, измеряемых миллионами кубометров и
размещаемых в различного рода прудах-накопителях, испарителях и других подобных
сооружениях. Такие сооружения неизбежно становятся источниками постоянного или
эпизодического поступления отходов в подземные и поверхностные воды прилегающих
участков.
Значительно более безопасным в экологическом отношении способом обращения с
жидкими отходами является их подземное захоронение в глубокие водоносные горизонты
платформенных артезианских бассейнов. Такие горизонты содержат, как правило,
высокоминерализованные и не представляющие практической ценности подземные воды и
имеют надежную природную изоляцию от поверхности земли, поверхностных вод и пресных
подземных вод верхней части земной коры, используемых для хозяйственно-питьевого
водоснабжения. Этот способ обращения с жидкими отходами надежно обеспечивает
длительную (прогнозируемую на многие тысячи лет) изоляцию отходов, что и определяет
его экологическую безопасность.
Серьезную проблему представляет специфика многих отраслей промышленности, и,
как следствие, требуются индивидуальные подходы к решению природоохранных задач. Это
характерно, например, для предприятий оборонного комплекса, которые оказывают
специфические воздействия на окружающую среду - загрязнение почв остатками
компонентов использованного ракетного топлива, накопление токсичных ракетных топлив
старых систем и запасов химического оружия, опасность воздействия на население и
окружающую среду радиохимических и химических производств, а также предприятий,
выпускающих взрывчатые вещества.
Таким образом, несмотря на продолжавшийся в последние годы спад производств,
снижение объемов загрязнений, образующихся на промышленных предприятиях и
соответственно поступающих в воздух, водные объекты и почвы, не вызвало адекватного
уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду.
3.1.1 Требования к выбросам в атмосферу
Средства защиты атмосферы должны ограничивать наличие вредных веществ в
воздухе среды обитания человека на уровне не выше ПДК. Во всех случаях должно
соблюдаться условие
С + сф ≤ ПДК
139
по каждому вредному веществу (сф - фоновая концентрация), а при наличии нескольких
вредных веществ однонаправленного действия - условие (2.1). Соблюдение этих требований
достигается локализацией вредных веществ в месте их образования, отводом из помещения
или от оборудования и рассеиванием в атмосфере. Если при этом концентрации вредных
веществ в атмосфере превышают ПДК, то применяют очистку выбросов от вредных веществ
в аппаратах очистки, установленных в выпускной системе. Наиболее распространены
вентиляционные, технологические и транспортные выпускные системы.
На практике реализуются следующие варианты защиты атмосферного воздуха:
- вывод токсичных веществ из помещений общеобменной вентиляцией;
- локализация токсичных веществ в зоне их образования местной
вентиляцией, очистка загрязненного воздуха в специальных аппаратах и его возврат в
производственное или бытовое помещение, если воздух после очистки в аппарате
соответствует нормативным требованиям к приточному воздуху;
- локализация токсичных веществ в зоне их образования местной вентиляцией,
очистка загрязненного воздуха в специальных аппаратах, выброс и рассеивание в атмосфере;
- очистка технологических газовых выбросов в специальных аппаратах, выброс и
рассеивание в атмосфере; в ряде случаев перед выбросом отходящие газы разбавляют
атмосферным воздухом;
- очистка отработавших газов энергоустановок, например двигателей внутреннего
сгорания в специальных агрегатах, и выброс в атмосферу или производственную зону
(рудники, карьеры, складские помещения и т. п.).
Для соблюдения ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест
устанавливают предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ из систем вытяжной
вентиляции, различных технологических и энергетических установок. Предельно
допустимые выбросы - ГТДУ самолетов гражданской авиации определены ГОСТ 17.2.2.04 86, выбросы автомобилей с ДВС - ГОСТ 17.2.2.03 - 87 и рядом других.
В соответствии с требованиями ГОСТ 17.2.3.02 - 78 для каждого проектируемого и
действующего промышленного предприятия устанавливается ПДВ вредных веществ в
атмосферу при условии, что выбросы вредных веществ от данного источника в совокупности
с другими источниками (с учетом перспективы их развития) не создадут приземную
концентрацию, превышающую ПДК.
3.1.2 Рассеивание выбросов в атмосфере
Технологические газы и вентиляционный воздух после выхода из труб или
вентиляционных устройств, подчиняется законам турбулентной диффузии. Распределение
концентрации вредных веществ в атмосфере под факелом организованного высокого
источника выброса можно условно разделить на три зоны загрязнения атмосферы: переброса
факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных
веществ в приземном слое атмосферы; задымления с максимальным содержанием вредных
веществ и постепенного снижения уровня загрязнения. Зона задымления наиболее опасна
для населения и должна быть исключена из селитебной застройки. Размеры этой зоны в
зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10...49 высот трубы.
Максимальная концентрация примесей в приземной зоне прямо пропорциональна
производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей.
Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более
140
высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента
количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и
снижению их приземной концентрации.
Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм,
имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для
более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под
действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке от пыли крупные частицы
улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы;
их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.
В зависимости от расположения и организации выбросов источники загрязнения
воздушного пространства подразделяют на затененные и незатененные, линейные и
точечные. Точечные источники используют тогда, когда удаляемые загрязнения
сосредоточены в одном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные
вентиляторы и другие источники. Выделяющиеся из них вредные вещества при рассеивании
не накладываются одно на другое на расстоянии двух высот здания с заветренной стороны).
Линейные
источники
имеют
значительную
протяженность
в
направлении,
перпендикулярном к ветру. Это аэрационные фонари, открытые окна, близко расположенные
вытяжные шахты и крышные вентиляторы.
Незатененные, или высокие источники свободно расположены в недеформированном
потоке ветра. К ним относят высокие трубы, а также точечные источники, удаляющие
загрязнения на высоту, превышающую 2,5 Hзд. Затененные, или низкие источники
расположены в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на здании или за
ним (в результате обдувания его ветром) на высоте h < 2,5 Hзд.
Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания в определения
приземных концентраций выбросов промышленны предприятий, является «Методика
расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах
предприятий ОВД-86». Эта методика позволяет решать задачи по определению ПДВ при
рассеивании через одиночную незатененную трубу, пре выбросе через низкую затененную
трубу и при выбросе через фонарь из условия обеспечения ПДК в приземном слое воздуха.
При определении ПДВ примеси от расчетного источника необходимо учитывать ее
концентрацию сф в атмосфере, обусловленную выбросами от других источников. Для случая
рассеивания нагретых выбросов через одиночную незатененную трубу
( ПДК − сф ) H 2 3 Q∆T
ПДВ =
,
Ak F mn
где Н - высота трубы; Q - объем расходуемой газовоздушной смеси, выбрасываемой через
трубу; ∆Т- разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и
температурой окружающего атмосферного воздуха, равной средней температуре самого
жаркого месяца в 13 ч; А - коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы
и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредностей; kF коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере; m
и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из
устья трубы.
141
3.2 Средстава и методы защиты атмосферы
Существует пять основных методов удаления газообразных загрязнителей: абсорбция,
адсорбция, конденсация, химическая обработка и сжигание горючих загрязнителей.
Для абсорбции газа используют жидкие растворители. Ее применение особенно
эффективно при значительных концентрациях газообразных загрязнителей (начиная от
объемной доли в несколько процентов). Однако возможно применение этих растворителей и
при весьма низких концентрациях, когда растворимость газа в жидкости очень высока. Хотя
вода используется как растворитель наиболее часто, для поглощения газов, плохо растворимых в воде, можно применять другие растворители с низким давлением пара; примером
указанных газов могут служить углеводороды или H2S. Вода, используемая для абсорбции,
может содержать добавки химических веществ, таких как кислоты, щелочи, окислители или
восстановители, реагирующие с поглощаемым газом и снижающие равновесное давление его
пара Данный вариант можно рассматривать как комбинацию методов абсорбции и
химической обработки, однако в настоящей главе он обсуждается совместно с методами
абсорбции.
Адсорбцию применяют для удаления большого числа различных газообразных
загрязнений, особенно органических, до получения их очень низких объемных концентраций
(менее милллионных долей). Основными областями применения этого метода являются
обработка больших объемов газов с очень низкой концентрацией загрязняющих веществ и
снижение концентраций этих веществ до следовых уровней. Полярные адсорбенты, такие
как активированные оксиды алюминия, силикагель и молекулярные сита, обладают высокой
селективностью по отношению к газам с полярными молекулами. Однако присутствие таких
часто встречающихся полярных продуктов, как водяной пар, может приводить к снижению
их адсорбирующей способности по отношению к другим веществам или делать их вовсе
неэффективными. Неспецифический адсорбент - активированный уголь получил наиболее
широкое распространение. Он является одним из немногих адсорбентов, которые можно
использовать для влажных газов. Вследствие неспецифичности активированный уголь адсорбирует все газы, присутствующие в малых количествах, пропорционально их
концентрациям, поэтому следует учитывать тот факт, что, помимо газа, который необходимо
уловить, будут адсорбироваться и другие примеси. Поскольку адсорбент должен
регенерироваться для повторного использования, при разработке процесса необходимо
также подробно рассматривать и стадии десорбции. Некоторые материалы обладают такой
сильной адсорбирующей способностью, что при десорбции одновременно удаляется
некоторое количество молекул адсорбента (хемосорбция). Другие материалы, на которых
происходит полимеризация в порах адсорбента, постепенно теряют свою активность, потому
что удаления полимерного материала не происходит и площадь поверхности адсорбента
уменьшается.
Конденсация может быть применена для удаления материалов, имеющих низкое
давление пара, при умеренных температурах, а также для материалов с высоким давлением
пара в тех случаях, когда не требуется удаление загрязнений до столь низких концентраций,
как миллионные доли. Необходимость охлаждения при конденсации значительно снижает
экономическую эффективность этого метода обработки.
Выбор метода обработки в определенной степени может определяться параметрами
газового потока и концентрацией загрязняющих веществ. Для снижения расходов
желательно, чтобы объем обрабатываемого газа был минимально возможным, а концентрация загрязняющего вещества по возможности более высокой (необходимо минимальное
142
количество инертных разбавителей). Для потоков с высокой концентрацией загрязнителя
может оказаться целесообразным использование системы предварительной обработки.
Это позволит уменьшить размеры основной очистной системы и обеспечит более
высокую экономическую эффективность. Если не учитывать таких дополнительных
обстоятельств, как необходимость извлечения ценных продуктов или предварительное
охлаждение горячего газового потока, то обработка в одной системе, как правило, дешевле
(меньше капиталовложений), чем при двух- или многостадийной обработке. При
необходимости обработки небольших потоков с высокими концентрациями загрязнений и
больших объемов с малыми их концентрациями следует прежде всего рассматривать
возможность обработки каждого потока в отдельности, а не варианты, предполагающие
смешивание обоих потоков. При раздельной подаче потоков более разбавленный газ в
некотором количестве может периодически подаваться в обрабатывающую систему, что
позволяет поддерживать движущую силу, связанную с градиентом концентрации.
3.2.1 Осложняющие обстоятельства
Присутствие твердых частиц в газовом потоке, особенно при больших нагрузках,
может привести к затруднениям в работе очистного оборудования. Твердые частицы могут
забивать насадку в абсорберах и в солях гранулированного адсорбента, а также загрязнять
теплопередающие поверхности конденсатора.
Для удаления твердых частиц можно применять предварительную обработку в
устройствах для улавливания сухих частиц (циклоны, рукавные фильтры и электрофильтры).
Другим решением проблемы может быть разработка специального оборудования, позволяющего проводить одновременную обработку газов и твердых материалов. В абсорберах с
насадкой можно обрабатывать твердые частицы, которые достаточно хорошо растворяются в
абсорбирующей жидкости, если обеспечивается хорошая промывка всех поверхностей, о
которые ударяются частицы, и если нагрузка, вызываемая твердыми загрязнениями, не очень
велика. Обычно верхний предел концентрации твердых частиц составляет около 11,4 г/м3.
Для обработки нерастворимых (но не прилипающих) твердых частиц при высокой нагрузке
можно использовать насадочные колонны с поперечным потоком. При высокой нагрузке
потвердым загрязнениям следует использовать оборудование, обеспечивающее
одновременное улавливание твердых частиц и абсорбцию газа, например, брызгальных
градирен, тарельчатых колонн, скрубберов Вентури, псевдоожиженных сферических насадок
и мокрых электрофильтров. При недостаточной эффективности абсорбции в указанных
устройствах необходимо обеспечить эффективное удаление твердых частиц до того, как газ
поступает в контактный аппарат. При проведении конденсации в присутствии твердых
частиц предпочтительно использовать струйные конденсаторы с непосредственным
контактом.
Присутствие газообразных загрязнителей разных типов также может привести к
усложнению конструкции и к затруднениям при выборе системы обработки. Как правило,
следует выбирать такой метод, который обеспечивает обработку всех присутствующих
газообразных загрязнителей. Система должна иметь достаточную емкость по отдельным
компонентам, а также соответствующую суммарную емкость. Необходимость разделения
уловленных веществ для повторного использования в процессе (или для удаления) может
143
еще более усложнить конструкцию системы.
Все методы, обсуждаемые ниже, позволяют улавливать и выделять загрязняющие
вещества во многих случаях в виде концентрированного материала. Их использование
наиболее целесообразно тогда, когда улавливаемые загрязнения имеют какую-либо ценность
- либо для повторного использования, либо как сырье для производства других товарных
продуктов. Если улавливаемые материалы не находят никакого практического применения,
то может возникнуть дополнительная проблема их удаления. В таких случаях более
целесообразно использовать другие методы обработки, такие например, как сжигание,
конечно, если присутствующие загрязнители горючи.
3.2.2 Абсорбция
Абсорбция представляет собой процесс химической технологии, включающий
массоперенос между растворимым газообразным компонентом и жидким растворителем,
осуществляемый в аппарате для контактирования газа с жидкостью. Движущей силой
абсорбции является разность между парциальным давлением растворенного газа в газовой
смеси и его равновесным давлением над пленкой жидкости, контактирующей с газом. Если
значение движущей силы не является положительным числом, то абсорбции не происходит.
Если это значение представляет отрицательную величину, то происходит десорбция и
количество загрязнителей в обрабатываемом газе может возрасти.
Абсорбционные системы можно разделить следующим образом на:
1. Системы, в которых в качестве основной абсорбирующей жидкости используется
вода.
2. Системы, в которых используются малолетучие органические жидкости.
Абсорбционная система может быть простой, в которой жидкость применяется только
один раз и без отделения абсорбированного загрязнения удаляется из системы. В другом
варианте загрязнение отделяют от абсорбирующей жидкости, выделяя последнюю в чистом
виде. Затем абсорбент вновь подают на стадию абсорбции, снова регенерируют и
возвращают в систему. Помимо регенерации абсорбента с помощью выпаривания
(десорбции), возможно удаление абсорбированных загрязнений путем осаждения и
отстаивания, путем их химического разрушения в результате нейтрализации, окисления,
восстановления или гидролиза, а также экстракцией, жидкостной адсорбцией и другими
методами
Водные системы. При использовании воды абсорбируемый газ должен достаточно
хорошо растворяться в ней при той конечной температуре, которая устанавливается в
системе газ - жидкость. Для абсорбции газообразных загрязнений с ограниченной
растворимостью в воде, таких как SO2; или бензол, необходимы очень большие количества
воды. Такие процессы обычно не имеют практического значения, однако их можно
применять в некоторых специальных случаях. Удаление SO2 из отходящих поточных газов
путем промывки речной водой, имеющей щелочную реакцию, применяемое на
электростанциях Баттерси и Бэнксайд в Англии, может служить примером поглощения газа с
ограниченной растворимостью очень большими количествами воды при одноразовом
использовании абсорбирующей жидкости.
Вода обладает высокой эффективностью при удалении кислых растворимых газов,
таких как НСl, HF и SiF4, особенно если на последней стадии обработки используют воду,
имеющую слабощелочную реакцию. Напротив, NH3 легко улавливается водой, если на
144
последней стадии контактирования воду подкисляют. Газы с меньшей растворимостью,
например SO2, Cl2 и H2S, легче абсорбируются не чистой водой, а щелочными растворами, в
частности, разбавленным NaOH или водным раствором извести. Добавки химических
реагентов во многих случаях могут увеличивать движущую силу массопереноса за счет
химической реакции в водной пленке, приводящей к изменению молекулярной формы
абсорбируемого загрязнения.
Системы, в которых используется вода, как правило, пригодны для абсорбции только
тех органических соединений, которые обладают значительной растворимостью в воде.
Неводные системы. Помимо воды, которая является наиболее широко распространенной абсорбирующей жидкостью для кислых газов, применяются также органические жидкие
абсорбенты, такие как диметиланилин и амины (моно-, ди- и триэтаноламин и
метилдиэтаноламин). Использование таких абсорбентов, как правило, ограничено
системами, не содержащими твердых частиц, поскольку твердые вещества загрязняют
органические жидкости, в частности происходит образование шламов, трудно поддающихся
удалению. Как правило, стоимость промывной жидкости достаточно высока и в большинстве
случаев требуется ее регенерация.
Абсорбция органическим растворителем наиболее эффективна для удаления
органических газообразных загрязнений, поскольку в этом случае обеспечиваются хорошая
растворимость и смешиваемость. Низкие значения теплоты испарения органических
жидкостей позволяют снизить энергоемкость процесса в тех случаях, когда регенерация
осуществляется путем упаривания. Многие тяжелые масла, гексадекан (топливное масло №
2) или более тяжелые продукты, а также растворители с низким давлением пара позволяют
уменьшить концентрацию органических паров до очень низких значений. Однако при этом
необходимо учитывать возможность выделения некоторого количества паров абсорбирующей жидкости в окружающую атмосферу. При использовании промывных жидкостей с
достаточно высоким давлением паров может происходить насыщение ими отходящего газа,
что приводит к увеличению содержания неметановых углеводородов в выбросах. Чем
большее количество газа подается на промывку, тем ниже должно быть давление пара
промывной жидкости. Как правило, давление паров промывной жидкости на выходе газового
потока не должно превышать 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.).
Важное значение имеет также стабильность органического растворителя в системе газрастворитель (в частности, его устойчивость к окислению); необходимо учитывать и
возможную огне- и взрывоопасность органических соединений.
Однократная абсорбция и регенерация. При простой однократной абсорбции свежая
абсорбирующая жидкость непрерывно подается в абсорбционную колонну или камеру.
Выходящий поток жидкости, в котором содержатся абсорбированные или химически
связанные газообразные загрязнения, может быть снова использован в процессе, направлен
на продажу с целью утилизации или удален из системы таким образом, чтобы не нанести
вреда окружающей среде. Альтернатива состоит в регенерации и повторном использовании
абсорбирующей жидкости.
Выпаривание газообразных загрязняющих веществ и их выделение в
концентрированном виде представляет один из возможных методов регенерации. Его почти
всегда применяют при использовании органических абсорбентов, поскольку их высокая
стоимость делает необходимым сведение потерь к минимуму.
Помимо упаривания, для регенерации можно использовать такие методы, как
комплексообразование, осаждение и отстаив ние абсорбированных материалов, разрушение
с помощью химических реагентов, а также выделение другими способами, такими как
145
кристаллизация, экстракция и т. п.
Конструкция абсорбционного оборудования. Для осуществления абсорбции
необходим непосредственный контакт между газом и жидкостью. Обычно жидкость
диспергируют с образованием маленьких капель или тонких пленок, которые вследствие
турбулентности постоянно образуются заново, что обеспечивает большую площадь
поверхности жидкой фазы, необходимую для массопереноса, и наличие пленок, не
насыщенных загрязняющими веществами, вследствие чего движущая сила имеет высокие
значения. Из аппаратов наиболее часто используются насадочные и тарельчатые колонны,
открытые брызгаль-ные камеры и колонны, мокрые циклоны, а также сочетания аппаратов с
насадкой и с разбрызгиванием. В некоторых случаях применяют колонны с отражателями,
особенно при наличии серьезных проблем, связанных с образованием накипи и с забивкой
системы. Вместе с соответствующими механическими устройствами они получили
достаточно широкое распространение в ряде европейских стран для проведения абсорбции.
Абсорберы с насадкой. Колонны с насадками обеспечивают высокую эффективность
контакта между газом и жидкостью и интенсивный массоперенос. В связи с этим их размеры
обычно меньше, чем открытых камер с разбрызгиванием.
Седлообразная насадка, как правило, обеспечивает более эффективный контакт и
меньший перепад давлений, однако ее стоимость выше, чем кольцевой насадки. Кольцевая
насадка Пэлла позволяет достичь более высоких скоростей массопереноса, чем кольца
Рашига и Лессига, но и эта насадка имеет более высокую стоимость, а для ее изготовления
необходим коррозионностойкий металл. Керамические и угольные кольца, как правило,
обладают достаточно высокой стойкостью ко многим химическим соединениям. Имеются
керамические насадки, получаемые методом экструзии, для насадочных камер очень
большого размера, а также много насадок различных форм и размеров для тех случаев, когда
возможно применение металлов. Насадка Теллера и другие пластиковые насадки более
сложной формы могут быть использованы при температурах, не превышающих 355-360 К,
когда обеспечиваются высокая стойкость массопереноса и малый перепад давлений.
Большая поверхность такой насадки обусловливает постоянное обновление пленки
жидкости, а большой свободный объем - минимальный перепад давлений.
Наиболее широко распространенные типы насадок показаны на рис. 3.1.
Рис.3.1 Насадки, используемые в абсорберах [7]:
а - седлообразная Intalox; б - седлообразная Берля; в - теллеровская;
г - кольца Палля; д - кольца Лессига; е - кольца Рашига
146
На рис. 3.2 показаны насадочные абсорберы двух типов. В противоточной насадочной
колонне (рис. 3.2а) достигается максимальная движущая сила, поскольку выходящий газ с
наименьшей концентрацией загрязнений контактирует со свежим абсорбционным раствором.
Небольшие размеры, высокая скорость массопереноса и большая движущая сила позволяют
считать эту колонну оптимальным аппаратом в тех случаях, когда обрабатываемый газ не
содержит значительного количества твердых частиц. В присутствии нерастворимых твердых
веществ обработка противотоком не рекомендуется, поскольку быстро забивается насадка.
Наличие параллельного нисходящего потока газа и жидкости может уменьшить вероятность
забивки. Колонна, показанная на рис. 3.2а, может быть переведена в режим параллельного
потока путем изменения направления движения потока, газа.
Насадочный скруббер с поперечным потоком показан на рис. 3.2б; он обладает более
высокой стойкостью против забивания твердыми частицами. Газ проходит через аппарат в
горизонтальном направлении, а жидкость - над насадкой вертикальным потоком вниз
Рис. 3.2. Аппараты для абсорбции газов [7]:
а - противоточная насадочная колонна (1 - насадочная колонна; 2 - насадка;
3 - конструкционный элемент для распределения газа и удерживания насадки);
б - насадочный абсорбер с поперечным потоком (1 - слой насадки)
Теллеровскую насадку часто используют в тех случаях, когда необходимо обеспечить
малый перепад давлений и высокую скорость массопереноса без нарушения распределений в
потоке жидкости. Последнее обстоятельство позволяет изменять скорость подачи жидкости
путем перемещения насадки. Аппарат нормально функционирует при нагрузке по загрязняющим веществам до 11 г/м3 (величина площади поверхности в таких скрубберах
определяется в плоскостях, перпендикулярных к направлению движения каждого из потоком
жидкости).
В случае скрубберов с поперечным потоком основная проблема связана с
увеличением масштаба аппарата. Для каждой объемной единицы насадки характерна
собственная величина градиента движущей силы массопереноса и не существует простых
математических зависимостей, позволяющих рассчитать суммарное значение для всего
аппарата.
Тарельчатые колонны. На рис. 3.3 показана тарельчатая колонна, используемая для
абсорбции газа. Контакт между газом и жидкостью достигается при прохождении газа через
маленькие отверстия в тарелках и его барботировании через слой жидкости, находящийся на
тарелке. Колпачковая барботажная тарелка, показанная на рисунке, является классическим
устройством для осуществления контакта газа И жидкости. Другой вариант - клапанная
147
тарелка, позволяющая работать в более широком интервале скоростей газового потока без
значительного уноса жидкости. Ситовые тарелки имеют большое число мелких отверстий.
Их преимущества - малая стоимость и высокая эффективность, однако эксплуатация таких
тарелок возможна только в узком интервале скоростей газового потока. Обычно тарелки
соединяются последовательно, что позволяет обеспечить необходимую эффективность
абсорбции.
При использовании тарельчатых колонн предполагается подача жидкости и газа
противотоком. Обычно жидкость стекает по тарелкам через переливные трубки, которые
благодаря давлению восходящего газового потока позволяют поддерживать постоянный
уровень жидкости на тарелках. Переливные трубки также выполняют роль гидрозатвора, не
дающего возможности газу подниматься в обход тарелок.
Провальные тарелки имеют отверстия больших размеров, чем ситовые, и в них
жидкость стекает через те же отверстия, через которые проходит газ. Переливные трубки
здесь отсутствуют. В некоторых разновидностях ситовых тарелок используют небольшие
отражатели, погружаемые в жидкость вокруг отверстия для прохода газа (скруббер Пибоди);
вместо перфорированных тарелок, можно использовать плетеную сетку. Последний вариант
в основном применяют в скрубберах, предназначенных для улавливания твердых частиц, и
его использование для абсорбции только газовых компонентов нецелесообразно.
Рис.3.3 Типичная тарельчатая абсорбционная колонна и два вида тарелок [7]:
а - тарельчатая колонна (1 - тарелки; 2 - корпус колонны; 3 - переливная трубка);
б - колпачковая тарелка (1 - тарелка; 2 - колпачки);
в - ситовая тарелка (1- тарелка; 2 - отверстия; 3 - жидкость)
148
Газовый объем над жидкостью, находящейся на тарелке, заполняется пеной и
аэрозолем, содержащим частицы жидкости. Это явление способствует увеличению
эффективности контакта и не является нежелательным до тех пор, пока унос жидкости не
становится чрезмерным. В случае необходимости для уменьшения уноса в газовом
пространстве могут быть установлены влагоотбойники, выполненные в виде сетчатых
прокладок.
Брызгальные скрубберы. На рис. 3.4 представлены различные типы аппаратов с
разбрызгиванием. Они обладают достаточно высокой устойчивостью к забивке при наличии
в газе твердых частиц. Чтобы предотвратить возможную забивку форсунок, можно
применять рециркуляцию жидкости.
При высокой концентрации твердых частиц можно проводить предварительное
отстаивание и фильтрацию. Горизонтальные камеры с разбрызгиванием (рис. 3.4а). Они, как
и вертикальные колонны с разбрызгиванием (рис. 3.4б), широко применяются для обработки
газовых выбросов, содержащих твердые частицы. Циклонные распиливающие колонны (рис.
3.4, в и г) позволяют несколько повысить эффективность промывки газа (более высокие
коэффициенты массопереноса и большее количество единиц переноса).
Хотя теоретически не существует предела для числа единиц переноса в
противоточной вертикальной насадочной или тарельчатой колонне достаточно больших
размеров, для колонны с разбрызгиванием число единиц переноса ограничено. При очень
большой высоте колонны и при больших скоростях газа наблюдается значительный унос с
восходящим потоком, что приводит к нарушению условий истинного противотока. Хотя
теоретически возможные пределы в литературе не приводятся, имеются некоторые
экспериментальные данные. Предельным является число единиц переноса, равное 5,8, в
случае вертикальной колонны с разбрызгиванием (рис. 3.4, б) и 3,8 для горизонтальной
камеры с разбрызгиванием (рис. 3.4, а). Максимальное число единиц переноса для
промышленной циклонной распыливающей колонны равно 7 (рис. 3.4, г). При
необходимости использования большего числа единиц переноса практикуют последовательное соединение колонн.
Другие абсорбционные аппараты. В случае высоких нагрузок по загрязняющим
твердым частицам и при необходимости улавливания, помимо газообразных загрязнений,
также частиц субмикрометровых размеров обычно используют аппараты для мокрого
улавливания, эффективно удаляющие твердые частицы и позволяющие абсорбировать также
некоторое количество газа. Одним из универсальных устройств подобного рода является
скруббер Вентури, однако его применение для абсорбции ограничено тем, что потоки газа и
жидкости подаются параллельно. Максимальное число единиц переноса при абсорбции газа
в скруббере Вентури равно 3. Мокрый электрофильтр для жидких аэрозолей также может
быть использован для абсорбции и для эффективного удаления мелких частиц. Испытания в
лабораторных условиях показали, что применение коронного разряда позволяет увеличить
скорость массопереноса в процессе абсорбции, однако механизм этого явления пока
неизвестен.
Еще одним видом контактного аппарата является колонна с отражателями (рис. 3.5),
применение которой целесообразно в тех случаях, когда имеются серьезные проблемы,
связанные с образованием накипи и забивкой оборудования. Газ, поднимающийся вверх по
колонне, последовательно проходит через слои жидкости. При больших скоростях его
подачи часть жидкости в виде капель переходит в аэрозоль, при этом площадь поверхности
контакта увеличивается. Используются колонны с отражателями в виде сегментов, как
показано на рисунке, а также колонны с круглыми и тороидальными отражателями, в
149
которых газ проходит вверх через центральные отверстия, пересекая водяную завесу при
каждом изменении направления движения. Массоперенос в таких аппаратах обычно
недостаточен, а данных о конструкционных параметрах очень мало.
Рис.3.4.Различные типы распыливающих колонн [7]:
а - горизонтальная распиливающая камера (1 - сепаратор);
б - вертикальная рас-пыливающая колонна;
в - мокрый циклон Пиза - Энтони (1 - пневматический
распылитель;
2 - распыляющий патрубок; 3 - заслонка);
г - циклонная колонна с внешними форсунками
150
Рис.3.5 Тарельчатая колонна с отражателями,
используемая для абсорбции газов [7]
В некоторых европейских странах применяют абсорбцию газа в скрубберах с
механической диспергацией жидкости. Во многих случаях газ подается в верхнюю часть
камеры, наполовину заполненной жидкостью. Дисковые валы, движущиеся с высокой скоростью в горизонтальном направлении и частично погруженные в жидкость, предназначены
для разбрызгивания капель жидкости в газовом пространстве. Эффективность этого процесса
может быть увеличена при замене плоских вращающихся дисков дисками с прорезями в
радиальных направлениях. Разработаны и другие конструкции аппаратов, в которых
абсорбирующая жидкость подается в центр горизонтального вращающегося диска. Диск
имеет концентрические вращающиеся лопасти, расположенные между неподвижными
лопастями, благодаря чему газ последовательно проходит через ряд аэрозольных систем
(рис. 3.6).
Рис.3.6. Схема центробежного абсорбера для поглощения газа [7]
3.2.3 Адсорбция
Силы притяжения, существующие между атомами, молекулами и ионами в твердом
состоянии, позволяют частицам, находящимся на поверхности, притягивать и удерживать
другие вещества - газы и жидкости. Это явление и называется адсорбцией. Если твердое
151
вещество является высокопористым, с большим размером пор и развитой микроструктурой,
то для него характерна высокая адсорбционная способность.
Адсорбируемая молекула газа задерживается на твердой поверхности, причем этот
процесс сопровождается выделением тепла в количестве, часто близком к величине теплоты
конденсации. Адсорбция всегда является экзотермическим процессом. Десорбция - обратный
процесс, и для ее протекания необходима затрата энергии. Отвод тепла, связанного с
выделением энергии, способствует протеканию адсорбции и повышает адсорбционную
способность твердого вещества. Следовательно, при осуществлении адсорбции желательно
охлаждение слоя адсорбента или предварительное охлаждение подаваемого газа.
Многие адсорбционные процессы являются необратимыми, т. е. десорбция
адсорбированного вещества может быть осуществлена только при удалении некоторого
количества твердого адсорбента. Такие адсорбционные процессы называют хемосорбцией.
Так, например, кислород настолько сильно адсорбируется на активированном угле, что
удалить его с поверхности можно только в виде СО или СО2. Адсорбирующее твердое
вещество называется адсорбентом, или сорбентом, а адсорбируемый материал - адсорбатом,
или сорбатом.
Типы адсорбентов. Практически важными сорбентами являются активированный
уголь, простые или сложные оксиды и импрегнированные сорбенты. В состав
активированного угля в основном входят нейтральные атомы, и электрический градиент
между молекулами отсутствует. В связи с этим здесь нет градиента потенциалов, позволяющего притягивать и ориентировать полярные молекулы более эффективно, чем неполярные.
Таким образом, уголь является эффективным адсорбентом для улавливания органических
соединений из влажных газовых потоков. Поскольку взаимное притяжение полярных
молекул воды столь же сильно, как и их притяжение к поверхности нейтрального угля,
селективность адсорбента в отношении органических молекул несколько повышается.
Однако некоторое количество воды также адсорбируется, особенно если парциальное
давление ее паров выше, чем паров органического вещества; в этом случае адсорбцию воды
следует учитывать при проектировании. Уголь обладает меньшей селективностью, чем
другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых
потоках. Основным источниками активированного угля являются скорлупа кокосового и
других видов орехов, фруктовые косточки, битуминозные угли, твердая древесина, а также
кокс и остатки процесса нефтепереработки.
Оксидные адсорбенты характеризуются негомогенным распределением заряда, они
полярны. Эти адсорбенты обладают значительно более высокой селективностью, чем уголь,
по отношению к полярным молекулам. В связи с этим они находят применение для удаления
твердых частиц из газовых потоков. Их недостатком является снижение эффективности в
присутствии влаги. Большинство из этих адсорбентов - прекрасные осушители.
К классу кремнийсодержащих адсорбентов относятся такие оксидные адсорбенты, как
силикагели, отбеливающие и диатомитовые земли, синтетические цеолиты, или
молекулярные сита. Их адсорбционная способность изменяется в весьма широком интервале,
причем максимальные значения близки к величинам, характерным для активированного
угля. Синтетические цеолиты могут быть получены с заданными размерами пор, что
позволяет осуществлять специфическую адсорбцию молекул определенного размера и
формы. Однако даже с помощью этого приема не удается преодолеть склонность цеолитов
предпочтительно адсорбировать полярные молекулы, вследствие чего при наличии молекул
воды они не поглощают органические молекулы, даже те, размеры которых соответствуют
пористой структуре адсорбента. Такие металлоксидные адсорбенты, как активированный
152
оксид алюминия, еще более полярны, чем оксиды кремния, и их редко применяют для
удаления загрязнений.
Импрегнированные сорбенты можно разделить на три больших группы:
1) сорбенты, в которых пропитка представляет собой химический реагент;
2) сорбенты, в которых пропитка действует как катализатор непрерывного окисления
или разложения загрязнителей;
3) сорбенты, в которых пропитка лишь периодически действует
как катализатор.
Реакционноспособные пропитки в результате химической реакции превращают
загрязнитель в безвредный адсорбируемый продукт. Углерод можно импрегнировать 10 -20
% (по массе) брома, реагирующего с олефинами. Его применение особенно эффективно для
удаления примесей этилена из воздушных потоков, обычно этилен плохо адсорбируется
вследствие низкой молекулярной массы. При контакте с поверхностью, содержащей бром,
этилен превращается в 1,2-дибромэтан, который хорошо адсорбируется. По мере
расходования свободного брома система теряет свою эффективность и адсорбент должен
быть заменен или регенерирован. Другими примерами импрегнирования химическими
реагентами являются использование иода для улавливания паров ртути, ацетата свинца для
улавливания сероводорода и силиката натрия - для фтористого водорода.
Каталитические пропитки непрерывного действия катализируют только реакции,
которые могут происходить между загрязнителем и газом-носителем, в котором он
находится. Если в качестве адсорбента используется уголь, необходимо принимать
дополнительные меры, чтобы предотвратить окисление самого адсорбента. Катализаторы с
высокой окислительной способностью могут вызвать самовоспламенение угля. В случае
более полярных адсорбентов возможны ограничения в использовании катализаторов,
связанные с высокой полярностью. Известно применение каталитических пропиток
непрерывного действия на угле; в их состав входят хром, медь, серебро, палладий и платина.
В процессе пропитки происходит разложение комплексных солей, нанесенных на адсорбент.
Такие материалы использовались для разрушения при обычных температурах легко
окисляющихся загрязнителей, а также некоторых отравляющих веществ (хлорпикрин,
льюизит). Разработка
катализаторов - переносчиков кислорода открывает новые
возможности для приготовления импрег-нированных адсорбентов, позволяя проводить
окисление загрязняющих веществ в газе-носителе, не содержащем кислорода. Адсорбент с
катализатором окисления через определенные промежутки времени необходимо
регенерировать путем продувки воздухом.
В случае каталитических пропиток периодического действия сначала происходит
обычная физическая адсорбция загрязнителей. На второй стадии повышают температуру, что
приводит к активации катализатора и окислению сорбата. При использовании в качестве
адсорбента угля необходимо принимать меры предосторожности, исключающие его
самовоспламенение.
Удаление адсорбированных продуктов. Одним из путей удаления адсорбированных
загрязнителей является полная замена адсорбента с направлением отработанного материала в
отходы. Такой путь возможен в тех случаях, когда количество адсорбата невелико или
процесс замены производится достаточно редко. Стоимость свежего адсорбента невелика по
сравнению со стоимостью процесса регенерации с учетом трудовых затрат. Адсорбент может
находиться на бумажном носителе или во вставной гильзе. Удаляемый материал может быть
вывезен на свалку; однако в тех случаях, когда адсорбированное вещество токсично или
канцерогенно и может растворяться в воде, а также при использовании угля в качестве
153
адсорбента предпочтительно отработанный материал сжигать.
Как правило, возможность регенерации адсорбента и выделения адсорбированного
загрязнения определяется экономическими соображениями. Для осуществления десорбции
применяют следующие приемы:
1) нагревание адсорбента;
2) вакуумирование адсорбента;
3) продувка инертным газом;
4) вытеснение сорбата более легко адсорбирующимся материалом;
5) комбинация двух или более указанных методов.
В процессе регенерации никогда не достигается абсолютно полная десорбция,
поэтому необходимо предусматривать некоторый избыток адсорбционной емкости,
компенсирующей ее потерю за несколько циклов регенерации. При регенерации могут
возникнуть и другие проблемы, которые нужно предусматривать при выборе метода
обработки. Некоторые органические соединения, в частности, мономеры, например пары
стирола, в процессе регенерации могут полимеризоваться в порах адсорбента, что делает его
непригодным для дальнейшего использования. При высоких температурах регенерации
возможен распад органических соединений, в результате чего сорбент покрывается смолой и
сажей и также становится неактивным. В таких случаях следует использовать другие методы
десорбции, или работать при умеренных температурах и пониженных давлениях, или
проводить обработку водяным паром; возможна также регенерация дезактивированного
адсорбента в окислительной атмосфере печи. В таких печах в контролируемых условиях
органические материалы выжигают с поверхности и их пор сорбента. Во многих случаях
обработку осуществляют предприятия-изготовители адсорбента.
В результате хемосорбции сорбат связывается настолько прочно, что десорбция
возможна только при удалении некоторого количества самого сорбента. В большинстве
случаев регенерация проводится в специальных условиях. Примером может служить
регенерация активированного угля, используемого для удаления SO2, продувкой воздухом.
Часть SO2 постоянно накапливается на сорбенте в виде серной кислоты. Ее десорбируют, нагревая до 370 °С в инертной атмосфере, в результате чего кислота реагирует с углем, образуя
СО2 и SO2.
3.2.4 Типы оборудования для адсорбции
Существует пять различных типов аппаратуры для проведения адсорбции газов [7]: 1)
сменные контейнеры; 2) аппараты с постоянными регенерируемыми слоями; 3) адсорберы с
движущимся адсорбентом; 4) адсорберы с ожиженным слоем; 5) камеры для
хроматографической очистки газов.
Сменные контейнеры с адсорбентом. Использование контейнеров с заменяемым
адсорбентом, например, углем, может оказаться экономически эффективным при обработке
очень малых потоков отходящих газов, газовых потоков, которые необходимо обрабатывать
редко или периодически, а также для отходящих газов с очень малой концентрацией сорбата. Сорбент помещают в бумажные или матерчатые гильзы в виде мелкого порошка,
диспергированного в инертном материале - бумаге, органических или неорганических
волокнах или в пластмассе. В бумаге может содержаться 50 - 75 % угля (массовая доля);
имеются также целлюлозные фильтры, содержащие до 80 % активированного угля, однако
эти элементы редко используются в промышленности. Более широкое применение находят
154
контейнеры, заполненные гранулированным сорбентом. Такие сменные контейнеры
вставляют в стационарный аппарат, включенный в линию отходящего газа. После
насыщения сорбента контейнер удаляют и вместе с содержимым направляют в отходы (на
свалку, на сжигание и т. п.). Для каждого случая необходимо выбирать наиболее
эффективный метод удаления отработанного сорбента, учитывая возможность того, что
десорбированный сорбат способен оказывать вредное воздействие на окружающую среду.
Для обработки газов, выделяющихся в процессе вентиляции резервуаров с летучими
растворителями или углеводородами, ряд фирм производит специальные стальные
барабанные контейнеры объемом 210 л, заполненные активированным углем. Они снабжены
специальными входными и выходными фланцами. При установке такого барабана в
вентиляционную линию резервуара, в котором хранится бензол, при скорости выхода паров
2,7 л/мин и содержании в них 13,5 % (объемная доля) бензола срок службы адсорбента
составляет две недели. После насыщения отработанный уголь заменяют свежим.
Отработанный уголь можно использовать как топливо; довольно часто его возвращают на
предприятие-изготовитель для регенерации.
Адсорберы с постоянными регенерируемыми слоями. Такие аппараты используют в
тех случаях, если обрабатывают достаточно большое количество газа или если газ содержит
значительные концентрации сорбата, что делает выгодным регенерацию сорбента, а также,
если стоимость свежего сорбента превышает стоимость регенерации. Существует два
основных типа аппаратов с постоянными слоями: с тонким слоем и с высоким слоем. В
обоих случаях регенерацию проводят, используя методы, описанные выше.
Адсорберы с тонкими слоями. Слой адсорбента высотой до 10 см обычно
удерживается
между
двумя
вертикальными
пластинами,
предпочтительно
перфорированными металлическими листами, а газ проходит через него в горизонтальном
направлении. Гидравлическое сопротивление тонких слоев очень мало, однако необходимо
тщательно следить за тем, чтобы толщина слоя была везде одинакова и газ не мог проходить
мимо адсорбента. Аппараты могут иметь плоскую, цилиндрическую или гофрированную
форму (рис. 3.7).
Рис.3.7 Типичные конструкции адсорберов с тонким слоем [7]:
а - цилиндрический адсорбер (1 - крышка; 2 - внутренняя перфорированная оболочка;
3 - внешняя перфорированная оболочка; 4 - гранулированный активированный уголь;
5 - основание; 6 - поток воздуха); б - гофрированный адсорбер
Промышленные цилиндрические аппараты имеют производительность около 0,012
м /с, а большие гофрированные 0,35 - 0,50 м3/с. Адсорбционная емкость тонких слоев
3
155
невелика, и их целесообразнее всего использовать для обработки больших объемов газа с
низким содержанием загрязнителей. При более высоких концентрациях загрязнителей
можно использовать автоматическое регулирование, позволяющее осуществлять циклы
очень малой продолжительности. Количество сорбата, удерживаемого на единице
поверхности тонкого слоя, ограничено, и отвод выделяемого при адсорбции тепла не имеет
большого значения. В ряде случаев подаваемый газ предварительно охлаждают.
Высокие слои. Высокие слои адсорбента обычно используют в тех случаях, когда
концентрации загрязняющего вещества превышают 100 млн-1 или скорость потока
превышает 4,7 м3/с. Высота таких слоев обычно составляет 0,3 - 1 м, гранулированный
сорбент помещается горизонтально в длинных горизонтальных резервуарах. Газовый поток
обычно подается через слой адсорбента сверху вниз. При такой высоте слоя гидравлическое
сопротивление более значительно и опасность прохода газа, минуя адсорбент, уменьшается,
но тем не менее равномерное распределение адсорбента по-прежнему является важным.
Отвод выделяющегося тепла имеет более важное значение, чем в случае тонких слоев; в
некоторых случаях в слой сорбента помещают горизонтальные охлаждающие змеевики. Тем
не менее следует отметить, что охлаждение в статическом слое редко бывает очень эффективным.
Рис.3.8 Схема процесса адсорбции с использованием четырех адсорберов
с высоким слоем [7]:
1- адсорбер со свежим охлажденным адсорбентом; 2 - адсорбент частично насыщен;
3 - адсорбент охлаждается после обработки водяным паром; 4 - адсорбент регенерируется;
5 - конденсатор; 6 - декантер и/или дистилляционная колонна
Если поток обрабатываемого газа не движется по замкнутому циклу, то необходимо
иметь как минимум два одинаковых адсорбера: в одном происходит адсорбция загрязнителя,
а во втором - циклическая регенерация и охлаждение.
На рис.3.8 показана более совершенная конструкция, включающая четыре адсорбера,
156
в первом из которых происходит сорбция загрязняющего вещества на свежем
регенерированном адсорбенте.
Во втором аппарате, где адсорбент частично насыщен, также протекает адсорбция, а
выходящий из него поток проходит через регенерированный слой для охлаждения. В
четвертом адсорбере проводится регенерация водяным паром; выходящий из него поток
поступает в холодильник и сепаратор. Для соединения всех аппаратов используют
трубопроводы с вентилями, которые на схеме не показаны.
Адсорберы с движущимся адсорбентом. Противоточные адсорбционные колонны
непрерывного действия применяются довольно ограниченно. Используются насадочные и
тарельчатые колонны. В обоих случаях адсорбент подается в верхнюю часть колонны с
такой скоростью, которая позволяет поддерживать постоянную высоту твердой фазы в
колонне. На выходе из колонны, в нижней части, имеется устройство для постоянной
выгрузки насыщенного сорбента, который направляется в другую колонну на регенерацию, а
затем возвращается в верхнюю часть рабочей колонны. Обрабатываемый газ подается в
колонну снизу, проходя через адсорбент, очищается и выходит из верхней части колонны.
Адсорбент удерживается решеткой, расположенной в нижней части колонны, а газ проходит
в пространстве между гранулами адсорбента. В тарельчатых колоннах адсорбент на каждой
тарелке находится в псевдоожиженном состоянии, поддерживаемый газом, проходящим
снизу через мелкие отверстия в тарелке. Твердый материал медленно перемещается с
тарелки на тарелку по переливным трубкам, двигаясь вниз подобно тому, как это происходит
с жидкостью в абсорбционных колоннах. Еще одним вариантом аппарата рассматриваемого
типа являются фильтры с движущимся гранулированным слоем, в которых твердый
материал перемещается сверху вниз, а газ подается в поперечном направлении.
Устройства подобного рода наиболее эффективны при обработке газов с высокой
концентрацией адсорбируемых веществ, что требует относительно больших количеств
сорбента по сравнению с количеством газа; эти устройства редко используются в процессах
очистки, направленных на защиту окружающей среды.
Адсорберы с ожиженным слоем. Адсорбцию в ожиженном слое обычно применяют
в тех случаях, когда процесс является многостадийным. Все частицы адсорбента в такой
системе хорошо перемешиваются, и в ожиженном слое типичной «адсорбционной волны» не
наблюдается. Поскольку все частицы находятся в равновесии с выходящим газом, низкие
концентрации загрязнителей на выходе могут быть достигнуты только в том случае, когда
все частицы в слое поддерживаются в относительно ненасыщенном состоянии. В связи с
этим адсорбционная емкость ожиженного слоя невелика и его применение целесообразно в
тех случаях, когда адсорбент легко может быть выгружен из реактора, подвергнут
регенерации и снова возвращен в адсорбер, т. е. когда может быть обеспечена непрерывность
процесса. Преимуществом ожиженного слоя является высокая скорость теплопередачи при
использовании охлаждающих трубок для отвода тепла адсорбции. Данный вариант также
эффективен в тех случаях, когда требуется частая регенерация сорбента. Он может быть
использован для адсорбции органических соединений из газов, имеющих очень высокую
влажность, что требует частой регенерации используемого угля, при которой удаляется
адсорбированная вода.
Новым вариантом аппарата для проведения адсорбции и десорбции при переносе
сорбента является устройство, показанное на рис.3.9. Гранулированный уголь непрерывно
циркулирует через реактор с двумя сжиженными слоями, разделенными перегородкой; в
одном слое происходит адсорбция примесей, а в другом - регенерация.
Камеры для хроматографической очистки. В этих аппаратах гранулированный
157
адсорбент постоянно с контролируемой скоростью вводится в обрабатываемый газовый поток таким образом, чтобы время контакта было достаточным для протекания адсорбции еще
до входа в камеру, снабженную рукавным фильтром. На фильтре сорбент отделяется от
газовой фазы; в дальнейшем адсорбция может идти при прохождении дополнительного
количества газа через осадок сорбента. Периодически сорбент удаляют из фильтра обычными приемами. Поскольку потоки сорбента и газа подаются прямотоком, концентрация
загрязнителя на выходе зависит от соотношения количеств сорбента и газа и в меньшей
степени от продолжительности контакта. В таких системах не удается достичь полного насыщения сорбента и соответственно очень низких концентраций загрязнителя в выходящем
газе. При использовании определенных типов сорбентов отработанный твердый материал
может быть выгружен из камеры и регенерирован для повторного использования.
Рис.3.9 Адсорбционный аппарат «Linde Purasiv HR» [7]:
1- отделение адсорбции; 2 - отделение десорбции; 3 - тарелка;
4 - линия подъема газа; 5 - нагревательная трубка; 6 - десорбционная трубка
3.2.5 Конденсация
Конденсация может быть применена для обработки систем, содержащих пары
158
веществ при температурах, достаточно близких к их точке росы. Этот метод наиболее
эффективен в случае углеводородов и других органических соединений, имеющих достаточно высокие температуры кипения при обычных условиях и присутствующих в газовой
фазе в относительно высоких концентрациях. Для удаления загрязнителей, имеющих
достаточно низкое давление пара при обычных температурах, можно с успехом использовать
конденсаторы с водяным и воздушным охлаждением. Для несколько более летучих
растворителей возможна двухстадийная конденсация с использованием водяного охлаждения на первой стадии и низкотемпературного охлаждения - на второй. Замораживание до
очень низких температур только с целью удаления загрязнителей редко является
целесообразным; если в замораживании нет необходимости по каким-либо другим
технологическим причинам, то для удаления загрязнителей с большей эффективностью
могут быть применены другие методы. Максимальное снижение содержания инертных или
неконденсирующихся газов в обрабатываемой смеси позволяет облегчить проведение
процесса конденсации и повысить ее экономическую эффективность, поскольку дает
возможность исключить необходимость охлаждения до очень низких температур,
соответствующих точке росы.
Конденсацию нельзя рассматривать как практичный метод В тех случаях, когда
необходимо удаление достаточно летучих опасных или ядовитых органических соединений,
присутствующих в значительных количествах в потоках неконденсирующихся газов,
особенно если объемная концентрация загрязнителей после обработки должна составлять
всего лишь несколько миллионных долей. В то же время конденсация может быть применена
для предварительной обработки, при которой выделяются ценные растворители и
уменьшается количество загрязнителей перед последующей стадией обработки. Парциальная
конденсация может найти применение, в частности, в тех случаях, когда обработанный газ не
выбрасывается, а снова возвращается в процесс или используется в процессе дожигания
(оставшиеся в нем загрязнители при этом сгорают). Предварительная обработка конденсацией целесообразна и в тех случаях, когда перед основной обработкой газовый поток
необходимо охладить, например, при осуществлении адсорбции.
Типы используемого оборудования. Конденсацию можно проводить при
непосредственном контакте или косвенном охлаждении. В первом случае охлаждаемый пар
непосредственно контактирует с охлажденной или с замороженной жидкостью. При
косвенном охлаждении используется поверхностный конденсатор с металлическими
трубками. Трубки охлаждаются жидким хладоагентом с другой стороны стенки. В случае
неконденсирующихся газов желательно проводить их сжатие перед охлаждением, что
позволяет достичь эквивалентного парциального давления загрязняющего вещества при
более высоких температурах. В то же время сжатие газов только для целей удаления
загрязнителей, если отсутствуют какие-либо другие технологические соображения, редко
целесообразно.
Когда для достижения точки росы какого-либо конкретного загрязнителя требуется
создание низких температур, необходимо принимать во внимание, что в системе могут
присутствовать соединения, которые при таких температурах переходят в твердое состояние.
Примером таких соединений может служить водяной пар, содержащийся в газовом потоке,
загрязненном низкокипящим органическим растворителем, для удаления которого
необходима конденсация при температурах ниже 273 К. Образование льда на поверхности
конденсатора может привести к его повреждению. В данном случае предпочтительно
использовать конденсатор с непосредственным контактом, проводя обработку с помощью
жидкого антифриза.
159
Конденсаторы с непосредственным контактом. В таких аппаратах часто
предусматривают рециркуляцию охлажденной жидкости через внешний теплообменник, в
котором снимается теплота конденсации. Внутри самого конденсатора необходимо
обеспечить максимально возможное смешивание контактирующих газа и жидкости, чтобы
максимально приблизиться к условиям равновесного тепло- и массопереноса. Охлаждающую
жидкость можно распылять в газ в разбрызгивающих колоннах; возможно использование
эжекторов или колонн с устройствами для контакта между газом и жидкостью. К последним
относятся насадочные колонны, тарельчатые колонны с тарелками различной конструкции, а
также камеры с поперечными перегородками. Поскольку жидкость нагревается как газом,
так и конденсирующимся паром, для достижения низких температур можно использовать
противоток жидкости и пара; однако используют и большое число устройств, работающих
по методу прямотока.
Воду часто применяют в качестве охлаждающей жидкости, если не требуется
достижение температур, близких к ее температуре замерзания. Однако в качестве
хладоагента можно использовать любую жидкость с низким давлением пара и даже само то
вещество, которое нужно сконденсировать. Преимущество последнего варианта состоит в
том, что не требуется дополнительной стадии отделения сконденсированного материала от
охлаждающей жидкости. При использовании других хладоагентов необходимо помнить, что
обрабатываемый газ должен находиться возможно ближе к состоянию газо-жидкостного
равновесия с охлаждающей жидкостью. Следовательно, если эта жидкость имеет
относительно высокое давление пара, она может в свою очередь загрязнять обрабатываемый
газ. Кроме того, следует учитывать экономическую сторону потерь охлаждающей жидкости
в результате испарения.
При выборе хладоагента, отличного от конденсируемого вещества, следует учитывать
возможность его отделения от конденсируемого материала. Целесообразно использовать
охлаждающую жидкость, малорастворимую или плохо смешивающуюся с конденсируемым
веществом; в этом случае для разделения двух фаз можно применять простые сепарационные
устройства. В случае использования внешнего охлаждения рециркулируемой жидкости до
низких температур необходимо считаться с возможностью вымораживания твердых
компонентов на теплопередающих поверхностях. Если хладоагентом является вода, к ней
можно добавить антифриз. Однако, если вода в системе не используется, то возможна
конденсация влаги из газовой фазы или конденсация паров других присутствующих в
системе относительно высокозамерзающих паров, что приводит к возникновению ряда проблем.
Поверхностные конденсаторы. Поверхностные конденсаторы чаще всего используют
в тех случаях, когда конденсируемый пар представляет собой основной компонент газового
потока и присутствует лишь небольшое количестно неконденсирующихся газов, удаляемых
из системы. При этом можно применять обычный трубчатый теплообменник-конденсатор
(рис.3.10). Если неконденсирующиеся газы составляют основную часть газового потока, то
для улучшения теплопередачи используют трубки, гофрированные с той стороны, где
проходит газ, конечно, если конденсирующийся материал не забивает поверхность. В
противном случае в трубчатых теплообменниках должны быть предусмотрены устройства,
позволяющие легко очищать поверхность с той стороны, с которой контактирует газ.
Конденсатор может быть вертикальным и горизонтальным. В горизонтальных аппаратах
часто предусматривается возможность наклона, обеспечивающего отекание из трубок. В тех
случаях, когда достаточно получить температуры, на 10 градусов или более превышающие
максимальную температуру окружающего воздуха, можно использовать теплообменники с
160
воздушным охлаждением (рис.3.11).
Рис.3.10 Теплообменник-конденсатор с разделением газовой и жидкой фаз [7]:
1- подача газового потока; 2 - выход воды; 3 - пластина с плавающими трубками;
4 - сальник; 5 - кольца насадки; 6 - упорная плита; 7 - крепежный фланец;
8 - кольцо с пазами; 9 - выход конденсата; 10 - плавающая крышка;
11- конусная насадка для отделения сконденсировавшегося пара; 12 - выход газа;
13 - кожух отделения с плавающими трубками; 14 - отверстия для крепежных шпилек; 15 - подача воды
Рис. 3.11 Теплообменник с воздушным охлаждением [7]:
Обрабатываемая жидкость поступает через форсунку в верхней части основания и выходит
через нижнюю форсунку:
1 - вентилятор; 2 - кожух; 3 - гофрированные трубки; 4 - швеллерная рама; 5 - электродвигатель;
6 - подшипник; 7 - ременный привод; 8 - опорные элементы; 9 - вставная крышка; 10 - основание;
11 - вентили (сливные трубки внизу)
161
3.2.6 Улавливание аэрозолей мокрыми скрубберами
Мокрым скруббером называют любой прибор, в котором используется жидкость для
отделения дисперсной или газообразной примеси от газа. Это определение носит очень
общий характер. Имеется очень много типов скрубберов, поскольку существует много
способов осуществления контакта между газом и жидкостью. Изготовители скрубберов
предлагают широкий набор аппаратов, различающихся по конструктивному решению,
размерам, техническим характеристикам, стоимости изделия и его функционированию [7].
Мокрые скрубберы - это устройство, где используется жидкость для газоочистки.
Здесь мы рассматрим лишь вопросы улавливания аэрозольных частиц. Улавливание
газообразных загрязнений с помощью орошения было рассмотрено выше.
В некоторых скрубберах первичный захват происходит на водной поверхности, в
других - водой смывают частицы, осажденные на твердой поверхности. В последнем случае
для первичного улавливания частиц используют один из типов сухих коллекторов, например,
фильтр или циклонный сепаратор.
Мокрый скруббер представляет лишь один из компонентов целой системы, которая
забирает газовый поток в источнике и направляет его в атмосферу. Из схемы обобщенной
скрубберной системы (рис.3.12) видно, что некоторые компоненты этой системы являются
общими для всех систем улавливания, а другие специфичны для систем скрубберного
орошения. Поскольку свойства частиц весьма изменчивы, чрезвычайно важна судьба
газового потока до его поступления в зону улавливания.
Рис.3.12. Скрубберная система [7]:
1 - всасывающий колпак;2 - газоходы; 3 - система предварительной обработки; 4 - анализаторы;
5 - скруббер; 6 - поддерживающая конструкция; 7 - фундамент; 8 - сепаратор уноса;
9 - теплообменник; 10 - насос; 11- подогреватель; 12 - труба; 13 - насос;
14 - устройство для подготовки жидкости; 15 - управляющий клапан
162
В мокрых скрубберах реализуется тесный, бурный контакт газа и жидкости,
сопровождающийся генерацией жидких капель. Захват капель газом может привести к уносу
жидкости из скруббера в перегреватель, канал, вентилятор, дымовую трубу, а затем в
атмосферу. Если не принять мер к отделению захваченной потоком жидкости, то это может
вызвать коррозию, эрозию, забивание, повреждение вентиляторов и выбросы загрязнителя.
Загрязнитель, накапливающийся в жидкости, используемой для орошения скрубберов,
следует удалять из системы. В зависимости от конкретной ситуации для отделения твердой
фазы от жидкости можно использовать различные методы, которые не рассматриваются
здесь. Изменения жидкости, в том числе вследствие суспензирования твердых частиц, могут
приводить к накоплению осадка, эрозии, коррозии и другим серьезным проблемам в
эксплуатации скруббера. Поэтому вопросам обработки жидкости и захоронению отходор
необходимо уделять серьезное внимание.
Классификация. Приводимая здесь классификация подразделяет скрубберы на
группы по общим признакам, в основном по главным механизмам улавливания частиц.
Чтобы определить, к какой группе относится конкретный скруббер, необходимо исходить из
собственной точки зрения на конструкцию и принцип действия устройства.
Тарелочные скрубберы. Тарелочный скруббер представляет собой колонну с одной
или более тарелками внутри. Газ поступает в нижнюю часть колонны и должен пройти через
перфорацию, клапаны, щели или другие отверстия в каждой тарелке, прежде чем покинуть
колонну. Жидкость обычно вводится на верхнюю тарелку и проливается последовательно
через каждую тарелку в процессе движения вниз к сливу на дне. При прохождении через
отверстия газ перемешивается с жидкостью, текущей по каждой тарелке. При контактах газа
с жидкостью происходит массоперенос, т. е. удаление частиц из газа, для которого и
предназначен скруббер.
На рис.3.13 представлены колонна и тарелки нескольких типов. Тарелочные скрубберы
различают по типу используемых тарелок (например, скрубберы с ситовыми тарелками).
Рис.3.13 Колонна и конструкции тарелок [7]:
а - тарельчатая колонна; б - тарелка с барботажными
колпачками;
в - ситовая тарелка; 1 - тарелки; 2 - барботажные колпачки;
3 - жидкость; 4 - перфорационные отверстия; 5 - пена
На небольшом расстоянии от каждого перфорационного отверстия в ситовой тарелке
могут быть помещены барботажные колпачки. Такую тарелку называют колпачковой.
163
Колпачки на тарелке находятся ниже уровня жидкости. Осажденные частицы непрерывно
смываются с этой тарелки. Осаждение частиц происходит главным образом вследствие
ударов газовых струек о поверхности жидкости или твердых тел. Возможно, что
улавливанию способствует диспергирование жидкости под действием газовых струй,
прорывающихся через тарелку.
Эффективность улавливания возрастает с уменьшением диаметра перфорации и
может обеспечить отсекание улавливания при аэродинамическом диаметре около 1 мкм и
диаметре отверстий в тарелке, равном 3,2 мкм. Под диаметром отсекания понимают размер
частиц, улавливаемых с эффективностью 50 %.
Эффективность улавливания неодинакова для частиц различных размеров и резко
падает, когда их диаметр близок к диаметру отсекания. Когда частицы больших размеров
удалены из газа, установка дополнительных тарелок мало увеличивает эффективность. Это
характерно для скрубберов и об этом надо помнить, прежде чем поддаться искушению
поставить два скруббера последовательно с целью повышения эффективности улавливания.
Емкость тарелок скруббера, унос, перепад давления, параметры стабильности даны в
литературе по химическому машиностроению и каталогах предприятий-изготовителей.
Надо соблюдать осторожность при выборе типов тарелок для систем, в которых возможны
образование осадков на стенках и прилипание частиц, что ведет к забиванию перфорации.
Массивные насадки. Насадочные скрубберы обычно используют в качестве абсорберов и для разделения газовых смесей (см. выше), но их можно также применять для
улавливания частиц. Такие скрубберы можно заполнять различными промышленно
производимыми элементами (различные кольцевые и седлообразные насадки). Контакт газа
и жидкости может реализоваться при попутном потоке, или при противотоке, или при
перекрестном течении. Улавливание туманов насадками с последующим дренажом
возможно и без дополнительного потока жидкости.
Осаждение в насадках происходит в основном под действием центробежных сил при
криволинейном течении газа в пространстве пор и при обтекании углов элементов насадки.
Происходит также инерционное осаждение при соударениях газовых струй с поверхностями.
Если частицы достаточно малы, то хорошие характеристики массопереноса в насадке в
отношении улавливания частиц могут обеспечиваться диффузионным осаждением.
Эффективность улавливания в инерционном диапазоне размеров частиц, т. е. при
диаметре > 0,3 мкм, растет с уменьшение размера элементов насадки.
В колоннах, наполненных седлами Берля или кольцами Рашига размером 2,5 см,
диаметр отсекания составляет ~ 1,5 мкм. Насадки меньшего размера, например 1,25 см,
могут обеспечить значение диаметра отсекания, равное 0,7 мкм, при скоростях потока 9,2 м/с
и спутном течении жидкости.
Насадки подвержены забиванию, но могут удаляться для очистки. При использовании
пластиковых насадок существенны температурные ограничения; металлические насадки
могут корродировать. Как и для тарелочных колонн, данные о емкости и сопротивлении, а
также другие характеристики приведены в литературе по химическому машиностроению 12
и проспектах предприятий-изготовителей.
Волокнистые насадки. Слои волокон можно использовать в виде различных
статических или динамических систем с непрерывным или периодическим орошением (рис.
4). Волокна изготовляют из таких материалов, как полимеры, стекло или сталь. Волокнистые
насадки обычно имеют очень высокую долю свободного объема, находящуюся в пределах 97
- 99 %. Для обеспечения высокой эффективности волокна должны иметь малый диаметр, но
быть достаточно прочными, чтобы осаждение частиц или капель не сопровождалось
164
перепутыванием волокон. С этой целью используют смеси грубых и тонких волокон. Как и в
случае объемных насадок, для смывания осадков могут применяться встречные, спутные и
поперечные потоки жидкости.
Если осаждение протекает по диффузионному механизму при обтекании волокон
газовым потоком, то эффективность растет с уменьшением диаметра волокон и увеличением
скорости течения. Диффузионное осаждение может быть очень эффективным для очень
мелких частиц, и его эффективность возрастает с уменьшением скорости течения газа.
Диаметр отсекания при инерционном осаждении лежит в пределах 1,0 - 2,0 мкм для
переплетенных проволочных сеток с диаметром проволоки 0,28 мм и может достигать ~ 0,5
мкм для очень тонких проволок или большей скорости газа.
Волокнистые насадки весьма подвержены забиванию и могут оказаться
непрактичными для систем с выраженной тенденцией к налипанию и в условиях,
способствующих осаждению твердой фазы из суспензии. Очевидно, что такие насадки
должны быть очень чувствительны к химическим, механическим и термическим
воздействиям. Волокнистые насадки успешно используют во многих случаях.
Предварительное распыление жидкости. Скрубберы с предварительным
распылением жидкости собирают частицы на поверхности капель, полученных распылением
в форсунках. В случае распылителей, предназначенных для какой-либо одной жидкости,
свойства капель определяются конструкцией форсунки, свойствами жидкости и давлением
на форсунке. Для двухфазных распылителей существенны скорости течения и давления
обеих фаз (воздуха и воды или пара и воды). Капли из сопла направляются в камеру,
конфигурация которой обеспечивает прохождение газа через систему распыленных капелек.
Поток газа может быть горизонтальным или вертикальным, а распыл может вводиться
спутным, противоточным или поперечным образом (рис.3.14).
Улавливание частиц в этих устройствах происходит по инерционному механизму.
Эффективность представляет
сложную функцию размера капелек, скорости газа,
отношения расходов жидкости и газа, формы траекторий капелек. Часто существует
оптимальный размер капелек, который зависит от параметров потока. Если капельки падают
в стационарном режиме, то оптимальный размер их для сбора мелких частиц составляет 100
- 500 мкм. Для капелек, двигающихся с высокой скоростью на близком расстоянии от
форсунки, оптимальный размер меньше.
Распылительные скрубберы, в которых используются преимущества улавливания при
седиментации капель, могут обеспечить диаметр отсекания 2,0 мкм при умеренных
отношениях расхода жидкости и газа. Большая скорость капель обеспечивает достижение
значения диаметра отсекания до 0,7 мкм. Эффективность улавливания повышается с ростом
давления на форсунках и увеличением отношения расходов жидкости и газа.
Распылительные скрубберы не имеют проблем, связанных с забиванием канала для
течения газа, но вопросы забивания представляют большие сложности в случае систем
распыления жидкости. Требуемый расход жидкости высок и обычно находится в пределах 4
- 13кг⋅м-3 в зависимости от требуемой эффективности улавливания.
При рециркуляции жидкости в скруббере может наблюдаться эрозия и коррозия
форсунок, насосов и трубопроводов. Частицы осадка и агломераты частиц могут забивать
форсунки. По самой своей природе распыление связано с уносом жидкости и требует
улавливания уносимой фракции. Перепад давления газового потока мал или может быть
положительным, т. е. скруббер может подсасывать газ.
165
Рис.3.14 Скруббер с предварительным распылением [7]:
а - противоточный; б - эжектор Вентури;
в - распыление в спутном потоке; 1- сепаратор уноса
Распыление жидкости потоком очищаемого газа. Эти устройства используют поток
газа сначала для того, чтобы распылить жидкость на капельки, а затем их ускорить.
Типичными примерами таких устройств являются скруббер Вентури и сопловые скрубберы.
Высокая скорость газа обеспечивает большую разность скоростей газа и капелек и
способствует улавливанию частиц. Используется диапазон скоростей 60 - 120м⋅с-1. Различные конструкции скрубберов представлены на рис.3.15.
В скруббере Калверта со встречными струями (рис.3.16) увеличение относительной
скорости и степени диспергации жидкости обеспечивается встречным направлением двух
потоков капель, распыленных газом.
Жидкость может вводиться в различных местах и разными способами, что
существенно не влияет на эффективность улавливания, если только обеспечивается
однородное распределение капель. Обычно жидкость вводится на входе в сопло через
несколько прямоточных насадок, направленных радиально внутрь. В других устройствах
жидкость вводится в виде пленки на стенки канала выше сопла по течению потока.
166
Рис.3.15 Скрубберы с распылением жидкости потоком газа [7]:
а - кольцевая насадка; 6 - система стержней;
в - скруббер Вентури; 1 - подвижный диск
Рис.3.16. Скруббер Калверта на сталкивающихся струях [7]
Скрубберы с распылением жидкости потоком газа наиболее просты по конструкции и
компактны по сравнению с другими скрубберами. Они не подвержены забиванию, но
высокая скорость потока в сужениях ведет к эрозии. Существуют скрубберы с переменным
сечением сопла, позволяющие варьировать перепад давления и эффективность улавливания.
Центробежные скрубберы. Центробежные скрубберы сообщают вращательное
движение газу, проходящему через них. Вращение может создаваться за счет тангенциального ввода газов в скруббер или благодаря направлению газового потока на
искривленные неподвижные лопасти. В сухом центробежном осадителе - циклоне - можно
прибегать к смачиванию стенок для уменьшения сдува частиц и смывания осадка. Для
улавливания частиц по инерционному механизму и за счет эффекта касания через
вращающийся газовый поток можно пропустить поток капель. Этот поток может быть
направлен наружу от центрального разветвления или внутрь от коллектора, расположенного
на стенках. Сопла, направленные внутрь со стены, проще обслуживать, поскольку к ним
облегчен доступ снаружи скруббера.
Одним из механизмов улавливания частиц является центробежное осаждение,
обусловленное вращением газового потока. В отсутствие капель эффективность скруббера
будет такой же, как и сухого осадителя. В этом случае можно достичь значений диаметра
отсекания, равного 4,0 или 5,0 мкм. При введении капель происходит осаждение за счет
инерции и касания на каплях, причем эффективность примерно такая же, как для скрубберов
167
с предварительным распылением.
Центробежные скрубберы просты по форме и не имеют узких проходов. Они не очень
подвержены забиванию, хотя на частях стенок, не подвергаемых достаточной промывке,
может накапливаться осадок. При правильном конструировании центробежные устройства
сами по себе обеспечивают улавливание уносимой жидкости. Тангенциальная скорость не
должна превышать 30м⋅с-1, а конфигурация стенок должна предотвращать течение жидкости
по стенке к выходному отверстию.
Рис.3.17 Экраны и вторичные течения [7]:
а - система с вторичными течениями;
б - зигзагообразные экраны; 1 - экран; 2 - вихрь
Экранные скрубберы и скрубберы со вторичным потоком. В экранных скрубберах
направление потока газа изменяется под воздействием твердых поверхностей. Может быть
либо изменено главное направление потока, либо наложено вторичное поле течения
(рис.3.17). Примерами поверхностей, изменяющих главное направление потока, являются
жалюзи, зигзагообразные, дисковые и тороидальные экраны. Если улавливаемое вещество жидкость, то она стекает по экрану в коллекторный сток. Твердые частицы можно смывать с
поверхности экранов периодически.
Улавливание частиц происходит за счет центробежного осаждения, обусловленного
изменением главного направления потока, или вследствие вращения вторичного потока. Для
конфигураций типа сплошных или прерывистых зигзагов диаметр отсекания может составлять от 5,0 до 10,0 мкм.
Экраны используют для предварительной очистки и для улавливания уноса. Тяжелые
и глинистые частицы могут скапливаться в виде осадков, вызывая забивание и коррозию.
Брызгальные скрубберы. Брызгальные скрубберы, самогенерирующие капли,
вынуждают поток газа соударяться с поверхностью жидкости в процессе Движения к выходу
(рис.3.18). Выход газа обычно устроен таким образом, чтобы изменить направление потока и
уменьшить унос капель.
Улавливание частиц происходит обычно за счет инерции и касания при соударениях с
поверхностью жидкости и капель. Размер капель и соотношение потоков жидкости и газа
зависят от геометрии скруббера, но не поддаются управлению и измерению.
168
В общем эффективность скрубберов типа ″удар – унос″ сопостовима с
эффективностью скрубберов, использующих газовый поток для распыления, при том же
перепаде давлений газового потока. Диаметр отсекания изменяется в диапазоне от
нескольких микрометров для низкоскоростных устройств до десятых долей микрометра для
высокоскоростных аппаратов.
Рис.3.18 Система «удар- унос» [7]:
1 - сепаратор уноса; 2 - слой жидкости
Течение жидкости в скрубберах этого типа происходит вследствие действия газового
потока, поэтому жидкостные насосы требуются только для системы очистки и
рециркуляции. Возможно накопление твердого осадка на дне скруббера и плохо омываемых
участках стенок. Скруббер требует хорошей системы улавливания уноса вследствие
генерации больших количеств распыла.
Помимо рассмотренных здесь конструкций и типов скрубберов можно упомянуть о
скрубберах с механическими побудителями, скрубберах с подвижным слоем.
3.2.7 Улавливание аэрозолей фильтрами
Фильтрация – один из старейших и наиболее широко применяемых методов
удаления частиц из запыленных газовых потоков. В современном виде фильтры
обеспечивают улавливание самых разнообразных частиц размером от видимого до
околомолекулярного. Фильтрация вне конкуренции, когда речь идет об обеспечении
исключительно высокой эффективности улавливания очень мелких частиц ценой умеренных
затрат [7].
Очистка газов может быть осуществлена с помощью гранулированных фильтров, в
которых газ пропускается через один или множество слоев гранул, имеющих размер, много
больший размера улавливаемых частиц. Граулированные фильтры периодически очищают
от накопившихся частиц.
Тканевые фильтры используют там, где необходимо достичь высокой эффективности
и где условия позволяют использовать фильтр без его повреждения или нанесения ущерба
процессу. Применеие тканевых фильтров ограничено температурами, превышающими 500 –
600 К, при которых разрушается ткань или укорачивается срок ее службы до экономически
невыгодного, а также составом газа или частиц, которые могут разрушить ткань или не
поддаются удалению из фильтра.
С помощью тканевых фильтров улавливаются и малые частицы размерами вплоть до
молекулярных, оседающие благодаря высоким коэффициентам диффузии.
169
Основой тканевого фильтра является гибкая пористая паутина текстильного
материала из натуральные или синтетические волокна.. Это элемент, используемый для
отделения твердого дисперсного материала от газового потока. Материалы, применяемые
для изготовления фильтров, разнообразны и выбирают их таким образом, чтобы они имели
минимальную стоимость и допускали использование при данных температуре, рН и других
химических и физических условиях, характеризующих газодисперсный поток. Обычно
фильтры изготавливают из тканых или валяных набивных материалов, которые служат
подложкой для слоя пыли. В большинстве случаев именно слой пыли обеспечивает высокую
интенсивность захвата частиц, после того как образуется однородный слой на поверхности
фильтра. Ткань периодически очищается от накопившихся частиц.
Волокнистые фильтры во многих отношениях напоминают тканевые, но они
обладают высокой эффективностью и до накопления слоя пыли. В зависимости от плотности
и (или) толщины слоя волокон можно достичь относительно высокой эффективности
улавливания ∼ 90 % и в отсутствии накопленного пылевого слоя. Волокнистые фильтры
используют, когда концентрация частиц низка (> 2 г/м3) и фильтр может прослужить
достаточно долго, не требуя замены. Такие фильтры заменяют, а не очищают, за
исключением проволочных экранов большой емкости.
Методы очистки. Существует три основных метода очистки, старейшим из которых
является встряхивание фильтрующей среды для удаления пыли. Два других метода основаны
на выдувании фильтра или обратным потоком низкого давления или импульсом сжатого
воздуха. Кроме того, используют и ряд других методов, которые по техническим или
экономическим причинам до сих пор не получили широкого распространения. Иногда
прибегают к комбинации двух медов, например, к сочетанию обратного потока со
встряхивание в тех случаях, когда удаление осадка затруднено.
Очистка встряхиванием. Очистка встряхиванием, естественно, заключается в
удалении пыли под действием быстрых движений, передаваемых фильтрующей среде, при
встряхивании конструкции, удерживающей фильтрующий материал. Чтобы обеспечить
эффективную очистку, можно варьировать основные параметры процесса, которыми
являются частота и амплитуда встряхивания, а также натяжение фильтрующего материала.
Продолжительность и интенсивность встряхивания не должны превышать
необходимых для удаления пыли, поскольку этот процесс укорачивает срок службы
материала.
Как видно из рис.3.20, встряхивание обычно производят при фильтре, открытом снизу
и закрытом сверху. Запыленный поток подается снизу, и при его прохождении через
фильтрующую среду пыль осаждается на внутренней поверхности, в то время как
очищенный газ поступает через коллектор к вентилятору и на выброс. Во время фильтрации
поток газа поддерживает рукава фильтра в раздутом виде. При очистке поток газа
прекращается, рукава обмякают, а их форма определяется силой внешнего натяжения. Чтобы
не препятствовать процессу встряхивания, избегают использовать распорки в виде клеток
или колец.
Встряхивание часто используют, когда уровень запыленности потока и характер
технологического цикла позволяют держать коллектор под потоком в течение нескольких
часов. Это может составлять полный цикл улавливания между операциями очистки. Если
встряхивание необходимо использовать в непрерывном технологическом процессе, то
конструкция фильтра должна предусматривать разделение его внутреннего пространства на
изолируемые отсеки. Это даст возможность изымать отдельные отсеки из процесса
фильтрации для очистки. В этом случае конструкция должна допускать регулирование
170
линейной скорости фильтрации.
Рис.3.20. Фильтр с очисткой встряхиванием [7]:
а - пылеулавливание; б - очистка рукавов;
1 - пластина с трубчатыми насадками;
2 - закрытая заслонка; 3 - заслонка, открытая для удаления пыли;
4 - закрытый вход грязного газа
Большинство устройств для встряхивания снабжены эксцентрическим приводом от
электродвигателя, однако в случае малых фильтров, требующих редкой промежуточной
очистки, используют ручное встряхивание. Применяют также встряхивание рукавов под
действием воздушного потока при высокочастотном перемешивании с помощью
акустических или ультразвуковых средств. Следует отметить, однако, что использование
электродвигателя с эксцентриком остается до сих пор наиболее экономичным методом.
Очистка обратным потоком. Этот способ заключается в остановке газового потока
и последующем изменении его направления на обратное, при этом фильтрующие рукава
натягиваются в противоположном направлении. Обычно варьируемыми параметрами
процесса являются частота и длительность, однако до некоторой степени можно изменять
давление газа и скорость потока.
Как видно из рис.3.21, очистку обратным потоком применяют тогда, когда рукава
открыты снизу и закрыты сверху. В отличие от систем, очищаемых встряхиванием, в данном
случае рукава имеют металлические колпаки, закрепляемые вверху на устройствах для
регулирования натяжения. Как и в случае встряхивающих систем, газ входит в рукава снизу
через пластину, в отверстиях которой расположены наконечники для присоединения
рукавов, и через фильтрующую среду поступает на чистую половину. Газ выходит с
наружной поверхности рукавов, а пыль собирается на внутренней. Во время очистки
нормальный ток газа прекращен, а обратный включен. При этом рукава схлопываются, но
полное схлопывание невозможно, так как имеются внутренние кольца-распорки. Удаляемая
пыль ссыпается по внутренней полости рукавов на откидное дно.
Обратным потоком обычно очищают тканевые фильтры. Перепад давления порядка
килопаскалей достаточен для схлопывания валяных рукавов. Как и при очистке
встряхиванием типичны значения линейной скорости фильтрации, составляющие около
0,02 м/с.
171
В большинстве
систем с
оборотным потоком используется специальный
вентилятор для его реверсирования, однако возможна схема с применением одного и того же
вентилятора для прямого и обратного потоков.
Очистка пульсирующим потоком. Импульсная очистка также предусматривает
обратное схлопывание фильтрующего материала. При использовании этого метода
достигается тщательная очистка, поскольку для схлопывания применяется воздух высокого
давления - обычно 0,4-0,6 МПа. Короткий импульс сжатого воздуха создает ударную
волну, которая бежит вниз по рукаву, удаляя пыль с валяной ткани. При использовании этого
метода можно удалить слишком много пыли, что приведет к повышению допустимого
уровня выбросов. Чтобы избежать этого, уменьшают давление в импульсе или длительность
импульса. Варьируемыми параметрами процесса являются давление в импульсе, частота и
последовательность очисток, а также до некоторой степени длительность процесса.
Рис. 3.21. Фильтр с очисткой обратным потоком [7]:
а - пылеулавливание; б - удаление пыли; 1 - закрытый клапан;
2 - натяжные устройства; 3 - рукава, раздутые потоком;
4 - рукава, стянутые на кольцах
Как показано на рис.3.22, импульсная очистка применяется для рукавов, открытых
сверху и закрытых снизу. Необходимо помешать распорки в виде клеток внутрь рукавов,
чтобы предупредить их схлопывание. Этот метод позволяет очищать рукава импульсами
сжатого воздуха тогда, когда фильтр остается включенным на очищаемый поток. Это
объясняется тем, что импульс мгновенно останавливает поток в нормальном направлении.
Поэтому системы с импульсной очисткой не требуют обычного разделения на отсеки и один
ряд рукавов или несколько их рядов могут очищаться, в то время как соседние рукава
продолжают собирать пыль.
Импульсы обычно используют для очистки валяных фильтров, причем допустимы
значения линейной скорости фильтрации, равные 0,0305 м/с, поскольку при больших
значениях легче удалять частицы.
172
Рис.3.22 Фильтр с очисткой пульсирующим потоком [7]:
1 – очистка; 2- пылеулавливание
Улавливание
аэрозолей
электрофильтрами.
Практическое
развитие
электростатического осаждения как эффективного метода улавливания выбросов
дисперсных загрязнений на металлургических и цементных заводах, а также и других
отраслях тяжелой промышленности берет свое начало с начале ХХ века. Фундаментальным
отличием процесса электростатического осаждения от механических методов сепарации
частиц является то, что в этом случае осаждающая сила действует непосредственно на
частицы, а не создается косвенно воздействием на поток газа в целом. Это прямое и
чрезвычайно эффективное использование силового воздействия и объясняет такие
характерные черты электростатического метода, как умеренное потребление энергии и малое
сопротивление потоку газа. Даже мельчайшие частицы субмикрометрового диапазона
улавливаются эффективно, поскольку и на эти частицы действует достаточно большая сила.
Принципиальных ограничений степени очистки нет, поскольку эффективность может быть
повышена путем увеличения продолжительности пребывания части в электрофильтре.
В современных условиях электрофильтры обычно обеспечивают эффективность,
составляющую 99,5 % и более, многие из них работают с эффективностью, превышающей
99,9 %. Сочетание высокой эффективности, умеренного расхода энергии, способности
очищать большие потоки газа при высоких температурах и работать в агрессивной среде
объясняют широкое использование и разнообразие областей применения электрофильтров.
Принцип действия. Электрофильтр - это аппарат или установка, в которых
используются электрические силы для отделения взвешенных частиц от газов. На практике
применяют электрофильтры многих типов и конфигураций. Наиболее распространены в
промышленности установки круглого и прямоугольного сечений. При очистке
воздуха, а также в отраслях легкой промышленности используют главным образом
двухступенчатые системы. Независимо от типа все электрофильтры основаны на одних и тех
же основных принципах: процесс имеет три основные стадии - зарядку взвешенных частиц,
осаждение
заряженных
частиц в электрическом поле и удаление
осажденного
материала во внешний приемник.
Наиболее эффективным средством зарядки, используемым при электростатическом
осаждении, является коронный разряд постоянного тока. Корона формируется между
активным высоковольтным электродом типа тонкой проволоки и заземленным пассивным
электродом, имеющим форму трубы или пластины. Зарядка происходит в газовом
173
пространстве между электродами, содержащем ионы в высокой концентрации, обычно
отрицательные. Переносимые газовым потоком пылевые частицы приобретают заряд в
результате бомбардировки газовыми ионами за сотые доли секунды или менее того. Уровень
зарядки зависит от размера частиц, однако в типичных случаях имеется примерно 300
элементарных зарядов на частице размером 1 мкм или 30000 при размере ее 10 мкм.
Осаждение частиц обусловлено или последующим воздействием на них поля
короны, или прохождением их в чисто электростатическом поле между гладкими
некоронирующими электродами. Электрофильтры первого типа известны под названием
одноступенчатых, или осадителей Коттреля, вторые называются двухступенчатыми,
поскольку в них зарядка и осаждение протекают в различных ступенях. Общая идея метода
использования коронного разряда для осаждения частиц в одноступенчатом осадителе
проиллюстрирована рис.3.23.
Частицы сильно заряжаются на первых 100 - 200 мм пути и смещаются к заземленным
осадительным электродам под воздействием интенсивного поля короны. Процесс в целом
протекает очень быстро, на полное осаждение частиц требуется всего несколько секунд.
Рис.3.23. Схема одноступенчатого электрофильтра [7]:
1 - высоковольтные проволоки для коренного разряда;
2 - осадительные пластины; 3- коронный разряд вдоль проволоки;
4 - заземление; 5 - пыль, собранная на пластинах
Слой осажденных частиц на заземленных электродах удаляется встряхиванием и
падает в бункер, откуда частицы направляют на хранение. Если частицы жидкие, например,
при улавливании серной кислоты или дегтя, то они сливаются и стекают по каплям в
сборные резервуары под электродами.
Области применения. Применение электрофильтров началось на металлургических и
цементных заводах. На первых порах расширение области применения этих аппаратов
происходило путем внедрения их в других отраслях промышленности, а позже было связано
174
с появлением новых видов технологии. Еще одним фактором, способствующим
распространению электорофильтроф, явилось ужесточение законодательства в области
контроля за загрязнением воздушного бассейна, то потребовало более высокого качества
улавливания.
Примерами передовых технологий, появление которых вызвало необходимость
использования электрофильтров, могут служить сжигание пылевидного угля на тепловых
электростанциях, катализ в псевдоожиженном слое с целью получения бензина при
нефтепереработке, внедрение кислородноо дутья в сталеплавильной промышленности.
Важную роль сыграла также необходимость улавливания ценных продуктов, в частности,
улавливания щелочной пыли в крафт-бумажном производстве.
Области применения электрофильтров в основных отраслях промышленности США
приведены в табл.3.1 [7].
Таблица 3.1
Применение электрофильтров
в отраслях промышленности США
Отрасль
Электростанции и промышленные котельные
Плавка цветных металлов: меди, свинца и
цинка
Производство первичного алюминия
Производство железа и стали
Производство цемента
Производство гипса
Бумажные фабрики
Химическая промышленность
Городские мусоросжигатели
Нефтепереработка
Синтетический и спутный газ
Лес и древесина
Производство стекла
Применение
Улавливание летучей золы из топок, в которых
используется угольная пыль
Улавливание частиц при плавках; очистка газов
при производстве серной кислоты
Очистка газов, поступающих в электролизную
ванну, и выбросов анодной печи
Печи с открытым горном; печи с кислородным
дутьем; фабрики спекания; кирковочные машины;
вагранки для серого чугуна
Вращающиеся печи для обжига; охлаждение
клинкера
Гипсовые чаны
Печи регенерации щелока; обжиг известнякового
шлама
Серная кислота; горячий фосфор; фосфорная
кислота; многие другие производства
Очистка отходящих газов
Улавливание ожиженного катализатора при
производстве высокооктанового бензина
Очистка газа от дегтя
Очистка газогенераторного газа, получаемого из
коры и щепы
Очистка выбросов из стекловаренных печей
Конструкции
электрофильтров. В 70 – х годах прошлого столетия были
существенные различия между европейскими и традиционными американскими
конструкциями электорофильтров. Эти различия обусловлены разницей в законодательствах,
устанавливающих нормы загрязнения воздуха.
Чтобы обеспечить выполнение требований, обусловленных свойствами пыли и газа,
внешними условиями, необходимой эффективностью, ограничениями по габаритам и
стоимости, приходится использовать электрофильтры самых разнообразных конструкций.
Электрофильтры делятся на одно- и двухступенчатые. Двухступенчатые используют
для очистки вентиляционного воздуха,
а также в некоторых отраслях легкой
175
промышленности. Они компактны, поддаются массовому производству и удовлетворяют
потребностям рынка сбыта.
Одноступенчатые электорфильтры в основном применяются в тяжелой
промышленности. Два основных типа этих электрофильтров - трубные и с каналами
прямоугольного
сечения. Наиболее широко
применяются электрофильтры с
прямоугольными каналами. Их используют для газовых потоков объемом 25 - 30 м3/с. На
рис.3.24 дан разрез типичной конструкции электрофильтра с прямоугольными каналами,
применяемого для улавливания летучей золы.
Рис.3.24. Электрофильтр канального типа [7]:
1- высоковольтные вибраторы и поддерживающие конструкции;
2- отряхиватели пластин; 3 - кожух; 4 - осадительные пластины;
5 - бункеры; 6 - грузила для натяжения коронирующих электродов
3.2.8 Улавливание пыли механическими осадителями
Термин "механические осадители" обычно используют для обозначения устройств, в
которых частицы осаждаются под действием либо сил тяжести или инерции, либо и тех и
других. В гравитационных осадителях частицы осаждаются из потока газа под действием
собственного веса. В инерционных осадителях поток частиц, взвешенных в газе, внезапно
подвергается изменению направления движения. Возникающие инерционные силы
стремятся выбросить частицы из потока. Циклоны-осадители, в которых используется
инерция центробежной силы, являются важным частным случаем инерционных осадителей.
Скорость удаления частиц пропорциональна осаждающей силе. Из-за очень малого
веса мелких частиц гравитационное осаждение оказывается слишком медленным и
малоэффективным процессом для частиц размером менее 100 мкм. При использовании
инерционного эффекта скорость улавливания резко повышается. Благодаря этому можно
176
уменьшить размер оборудования и расширить диапазон эффективного улавливания до
частиц размером около 20 мкм. Для некоторых циклонов предельный размер улавливаемых
частиц составляет 5 - 10 мкм.
Типы оборудования. Для осаждения под действием гравитации газ обычно просто
медленно пропускают через большую камеру, причем частицы имеют возможность осесть в
бункер на дне. Расстояние, требуемое для осаждения частиц, можно уменьшить путем
разделения пространства камеры несколькими горизонтальными параллельными поддонами.
Гравитационные камеры можно снабжать отражательными перегородками для
изменения направления движения газа и привлечения сил инерции для увеличения
осадительного действия. В других конструкциях для создания инерционного эффекта
используют люверсы, заслонки, отбойники.
В циклонных осадителях газу сообщают вращательное или вихревое движение, чтобы
подвергнуть частицы воздействию центробежной силы. Это достигается или
тангенциальным вводом потока в круглую камеру, или пропусканием газа мимо лопастей,
радиально ориентированных по отношению к оси потока.
Устройства всех этих типов характеризуются простотой конструкции и работы. Они
относительно дешевы по сравнению с другими типами осадителей. В общем они не имеют
движущихся частей, а для обеспечения рабочих условий можно использовать любой
материал. Затраты энергии на работу также относительно малы, что обусловлено малым
перепадом давления при течении газа через устройство.
Области применения. Осадители рассматриваемого типа используются для
первичного удаления грубых частиц газового потока. В большинстве случаев защиты
воздуха от загрязнения требуется улавливание гораздо более мелких частиц (размером около
1 мкм), поэтому обычно необходимо применять осадители других типов. Однако
механические осадители можно использовать как предварительные, располагая их
последовательно с устройствами других типов, чтобы уменьшить нагрузку на последние.
Это особенно необходимо при сильно запыленных газовых потоках. Механические
осадители могут работать долгое время без обслуживания с малыми энергетическими
затратами.
Осадительные камеры. Конструирование осадительных камер основано на подсчете
сил, действующих на частицу, и скорости вертикального движения вниз под действием
результирующей силы. В соответствии с законом Ньютона чистое ускорение вертикального
движения частиц определяется результирующим действием силы тяжести, плавучести и
сопротивления среды. В случае газов эффектом плавучести можно пренебречь.
Одиночная камера. Простая модель проектирования камеры получается на основе
предположения о фронтальном характере течения газа через камеру и равномерном
расположении частиц в газе. На рис.3.25 схематически показано сечение камеры.
Рис.3.25. Разрез седиментационной камеры [7]:
1 - очищенная зона; 2 - предельная траектория
177
Частица, входящая в камеру на уровне hs, должна следовать прямолинейной
траектории. Осядет или нет данная частица, определяется из условия us hs ≤ uоl. Осажденная
фракция частиц с одной и той же скоростью седиментации us определяется соотношением
hС/Н = u0l/ us.
Размеры камеры (H, l, B) определяются размером d*p наименьших частиц, которые должны
быть осаждены полностью. Рассчитываем и*s, принимаем hs/Н = 1, находим l = u*s / uo.
Значение uo должно быть меньше скорости, при которой начинается унос частиц, или
меньше 3,05 м/с, в зависимости от того, какие их этих значений меньше. Наконец, находим
произведение ВН =Q/ uo, что позволяет выбрать высоту и ширину.
Камеры с параллельными каналами. Эффективность улавливания частиц с помощью
гравитационного осаждения можно повысить, уменьшая требуемый путь их падения. Это
можно осуществить, помещая в камеру горизонтальные пластины, что превращает ее в
группу небольших параллельных камер. Значение H в вышеприведенных уравнениях
принимает смысл расстояния между пластинами и может быть около одной десятой общей
высоты камеры. Идея представляется разумной, однако существует практическая трудность,
связанная с необходимостью удаления осажденной пыли с пластин.
Камеры с экранами. Действие силы тяжести может быть увеличено инерционными
силами, если к потолку камеры прикрепить вертикальный экран.
При обтекании газовым потоком нижней кромки экрана частицы будут увлекаться
вниз инерционной силой, возникающей при искривлении линий тока газа. Способа расчета
этой дополнительной силы пока не предложено.
Циклонные осадители
Использование центробежной силы. Частица массой т, двигающаяся по круговой
траектории радиуса r с тангенциальной скоростью иТ, подвержена действию центробежной
силы mv2T/ r. Для типичных условий иТ = 15 м/с, r =0,6 м эта сила примерно в 39 раз
превышает силу тяжести. Поэтому указанная сила может резко увеличить осаждение в
камере. На практике система улавливания частиц создается путем придания запыленному
потоку закрученного или вращательного движения, ограниченного цилиндрическими
стенками. Частицы осаждаются при отбрасывании на стенки. Такое устройство называется
циклоном. Фракционная эффективность улавливания его может составлять >80 % даже для
частиц диаметром 10 мкм.
Типы циклонов. Существуют циклоны двух основных типов с тангенциальным
входом и с осевым входом. На рис.3.26 показана геометрия циклона обычного типа с
тангенциальным входом и противотоком. Такой циклон устанавливается вертикально.
Частицы, отброшенные на стенки, скапливаются, соскальзывая в бункер. В своем
вихреобразном движении газ изменяет направление вращения в нижней части конуса и после
очистки покидает циклон через канал Dе.
В циклонах с осевым входом газ поступает через центральный
штуцер вблизи
одного из оснований цилиндра. Он обтекает лопасти, которые сообщают потоку
вращательное движение. Уловленные частицы выносятся
периферическим потоком, а
чистый газ выходит в центре противоположного основания цилиндра. Имеется ряд авторских
разработок, представляющих собой вариации основной схемы.
Циклоны изготовляют из обычной углеродистой стали, однако если необходимо
обеспечить работу при высоких температурах, в агрессивной атмосфере или улавливать
абразивные
частицы, можно использовать любой другой металл или керамический
материал. Важно, чтобы внутренние поверхности были гладкими. Устройство не содержит
движущихся
частей,
поэтому
его
эксплуатация проста и относительно легка в
178
обслуживании.
Геометрия одиночных циклонов. Как видно из рис.3.26, геометрия циклона с
тангенциальным входом определяется восемью размерами. Семь относительных параметров
(Ка = a/D, Кb = b/В и т. д.) определяют конфигурацию и один параметр, в качестве которого
выбирают D, определяет размер.
Можно выбрать разные варианты геометрии, но при этом следует иметь в виду
следующие полезные указания:
1. Необходимо выбрать а ≤ S, чтобы предотвратить "короткое замыкание" входящего
потока на выходную трубу.
2. Во избежание избыточного перепада давления необходимо обеспечить условие
b<= (Dе)/2.
3. Для удержания кончика вихря в пределах конуса необходимо Н ≥ЗD.
4. Для успешного соскальзывания пыли угол конус должен составлять 7 - 8°.
5. Максимальная эффективность обеспечивается, когда Dе /D=0,4/0,5; H/Dе =8/10 и
S/Dе =1.
Рис.3.26. Размеры и геометрия циклона [7]
Многие задачи по очистки газов от пыли с успехом решаются цилиндрическими
(ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-2) и коническими (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М, СДК-ЦН-33)
циклонами НИИОГАЗа. Цилиндрические циклоны НИИОГАЗа предназначены для
улавливания сухой пыли аспирационных систем. Их рекомендуется использовать для
предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами.
Конические циклоны НИИОГАЗа серии СК, предназначены для очистки газа от сажи,
обладают повышенной эффективностью по ставнению с циклонами ЦН, что достигается за
счет большего гидравлического сопративления циклонов серии СК.
Для очистки больших масс газов применяются батарейные циклоны, состоящие из
большого числа параллельно установленных циклонных элементов.
Батарейные циклоны (мультициклоны). Два и более циклонов одних размеров и
179
одной геометрии можно использовать параллельно, причем поток разделяется между
ними. В этом случае диаметр каждого циклона D будет меньше, чем циклона, рассчитанного
на весь поток. Эффективность улавливания каждого из этих циклонов одинакова и выше той,
которую имел бы один большой циклон.
Комбинация большого числа маленьких
циклонов называется мультициклоном. Однако может быть сложно обеспечить
равномерное
распределение
газового потока между параллельными циклонами в
системе, особенно если пыль из них ссыпается в общий бункер.
Можно также располагать два-три циклона последовательно, подавая поток с выхода
первого на вход второго и т. д. В этом случае размер циклонов последовательно уменьшают
по потоку для повышения эффективности улавливания более мелких частиц, поступающих с
вышерасположенных циклонов. Уловленный на каждой ступени продукт имеет при этом
различное распределение частиц по размерам. Такая система может быть использована для
разделения поступающей на улавливание пыли на две-три фракции.
3.3 Снижение токсичности отработавших газов
3.3.1 Очистка газов дожиганием
С наступлением в промышленности ″века углеводородов″ проблема очистки газовых
выбросов и жидких органических стоков, содержащих углеводороды, стала весьма важной
во всем мире.
Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термического окисления
углеводородных компонентов до СО2 и Н2О. Это определение полностью может быть
отнесено и к жидким отходам. В ходе процесса другие компоненты газовой смеси, например,
галоген- и серусодержащие органические соединения, также претерпевают химические
изменения и в новой форме могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых
потоков. С точки зрения охраны окружающей среды очистка газов методом дожигания
обеспечивает требуемую чистоту выбросов в атмосферу с минимальным содержанием
непрореагировавших углеводородов, оксидов азота и серы, галогенов и других органических
соединений.
С экономической точки зрения очистка методом дожигания на месте не должна
рассматриваться как стадия, снижающая экономичность всего процесса, поскольку
вовлечение углеводородных компонентов в процесс горения позволяет получить
дополнительное тепло и делает технологию более эффективной. Современные устройства
должны обеспечивать эффективную переработку всех типов выбросов (газовые потоки,
жидкости), содержащих углеводороды и органические соединения, при условии
минимального потребления энергии и возможно большей экономической эффективности.
Термическое окисление. Система термического окисления, или дожигания, должна в
полной мере соответствовать условиям конкретного производства, в противном случае
проблемы взрывоопасности, сопряжения с основной технологией и технического
обслуживания лишь создают дополнительные трудности. При правильном проектировании и
подборе оптимального метода использования теплоты сгорания отходящих газов система
становится безопасной, надежной и экономически эффективной.
Процесс термического окисления. На стадии проектирования системы термического
окисления следует учитывать основные характеристики работы источника газового потока,
включая запуск и остановку, а также все возможные отклонения от нормального режима.
Для жидких и газообразных потоков используются следующие основные характеристики:
180
1) природа источника отходов;
2) скорость массопереноса потоком летучих органических
соединений;
3) скорость истечения жидких отходов;
4) объем;
5) температура;
6) давление;
7) состав;
8) теплота сгорания потоков, выраженная в процентах от величины нижнего предела
воспламенения (% НПВ) или в тепловых единицах на единицу массы или объема потока;
9) содержание кислорода (во входящем топочном газе);
10) содержание конденсирующихся продуктов или аэрозолей;
11) неорганические примеси;
12) характеристики аэрозолей (их размер и состав).
Процесс проектирования аппаратуры для термического окисления обычно
усложняется необходимостью учитывать реальные условия эксплуатации, нельзя ориентироваться на некоторый ″нормальный″ режим. В отдельных случаях, помимо перечисленной,
необходима дополнительная информация. Например, для топочных газов при обычном
режиме работы концентрация углеводородов значительно ниже НПВ, однако на той же печи
изменение режима может значительно повысить их концентрацию вплоть до превышения
нижнего предела воспламенения. Именно поэтому важно знать причины появления в газовом
потоке различных органических соединений.
Многие процессы сгорания проектируются без обеспечения системой контроля. За
основу расчета берут некую скорость подачи воздуха в топку, при которой в отходящем газе
уровень содержания углеводородных компонентов значительно ниже соответствующего
НПВ. Однако на практике такой режим реализуется редко. Главной задачей проектировщика
является создание процесса с исключением взрывоопасности при минимальной скорости
потока и максимально высоком (по отношению к НПВ) содержании органических примесей.
Существенно, чтобы технологически безопасный режим осуществлялся при
содержании углеводородов не ниже 25 % относительно НПВ. Дальнейшее повышение этого
показателя невозможно без постоянного контроля за их содержанием в потоке.
При проектировании конструкций топок и дымоходов особенно важно обеспечить
условия, при которых максимальное количество углеводородов в топочном газе без потерь
подается на стадию термического окисления. Неоднократно отмечено, что часто возникают
карманы и емкости, в которых концентрируются орга ческие компоненты газового потока.
В этих случаях взрыво-опасность резко возрастает, так как концентрация этих компонентов может превысить уровень, соответствующий нижнему пределу воспламенения
(НПВ). Аналогичная ситуация может возникать при наличии в потоке органических
жидкостей, плотность паров которых превышает плотность воздуха. Тогда их концентрация
сильно возрастает в нижней части печей и других емкостей.
Там, где это возможно, технологическое оборудование должно работать при слабом
разрежении по отношению к атмосфере во избежание утечки топочных дымов.
Характеристики газового потока, прежде всего его скорость и содержание углеводородов, во
многом обеспечивают экономичность последующей стадии термического окисления. Ниже
показана связь этих величин с дополнительным количеством топлива, необходимого для
проведения термического окисления топочного газа с исходной температурой 38 °С в камере
сгорания при 750 °С:
181
Содержание углеводородов, % к НВП
2,5 25
40
Скорость потока, м3/мин........
900 90
56
Дополнительная потребность в топливе, 1012 ккал .............. 3,75 0,20 0,075
Из приведенных данных видно, что значительное снижение затрат на строительство и
обслуживание установок термического окисления может достигаться при уменьшении
скорости потока топочных газов и при обеспечении максимального по отношению к НПВ
содержания углеводородов, допустимого из соображений взрывобезопасности.
В случае периодического изменения состава топочных газов или органических
жидких стоков для более эффективной и экономичной обработки целесообразно в
технологической цепи иметь несколько отдельных блоков термического окисления.
Наиболее характерным примером являются композиции, в состав которых входят галогены и
неорганические соединения. Использование повышенных температур обеспечивает сдвиг
равновесия реакции в сторону образования конечных продуктов - кислот, однако для
неорганических соединений нужны более низкие температуры, чтобы предотвратить их
плавление. Расплавы приводят к ускоренной порче облицовки и осаждаются на стенках
оборудования.
3.3.2 Химические методы очистки отходящих газов
В связи с повышением требований к экологической чистоте производств все больше
внимания уделяется развитию химических методов очистки отходящих газовых потоков. Эти
методы сами по себе или в совокупности с основанными на других принципах технологии
обеспечивают эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу газообразных продуктов,
надежность всего производства, снижение энергозатрат и себестоимости.
Рассматрим методы очистки газовых потоков от N0х и SOх из стационарных
сжигающих устройств представленные в [7].
Устранение нежелательных компонентов в газах с использованием химических
методов означает, что в основе процесса лежит химическая реакция и ее роль является
преобладающей по сравнению с процессами адсорбции, абсорбции, конденсации или сжигания. В большинстве случаев, однако, технология сочетает в себе несколько операций и
достаточно сложно классифицировать метод очистки в соответствии с перечисленными
выше физико-химическими методами. Например, метод очистки газа от SO2 с
использованием извести или известкового молока не приводится здесь в качестве
химического, поскольку определяющей операцией является абсорбция на стадии
скруббирования. Из этого примера видно, что определение, данное «химическому» методу
очистки, неоднозначно и вводится для удобства изложения и необходимости классификации.
Вследствие разнообразия топок, котельных и других аналогичных устройств сфера
приложения описываемых методов контроля чистоты выбросов очень широка.
Очитка газов от оксидов азота. Методы очистки газов от NОх являются наиболее
удачным примером применения химических методов для обеспечения экологической
чистоты промышленных выбросов. Особо отмечены два метода: некаталитическое
гомогенное восстановление N0 добавками аммиака и селективный гетерогеннокаталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NH3.
Введение аммиака (некаталитический) процесс. Метод основан на восстановлении
NО до N2 и Н2О в присутствии кислорода и вводимого восстановителя - аммиака (NH3) и
182
предназначен для очистки отходящих газов систем сжигания от оксидов азота. Процесс
описывается следующими уравнениями:
NO + NH3 + 1/4 О2 → N2+ 3/2 Н2О ,
NH3 +5/4 О2 → NO + 3/2 Н2О ,
(1)
(2)
Первая реакция преобладает при температуре газового потока в интервале 880 - 1000
°С. Начиная с 1100°С вклад реакции становится существенным и наблюдается
нежелательное образование NO. Таким образом, процесс восстановления очень чувствителен
к температуре и наиболее эффективен в достаточно узком температурном интервале 970 ± 50
°С. Добавка водорода снижает нижний температурный предел, и таким образом значительно
расширяется допустимый температурный интервал. При мольном отношении Н2 : NН3 = 2 :1
восстановление оксидов азота происходит достаточно быстро при температуре около 700 °С.
Очистку газов от оксидов азота описываемым способом можно применять в широком
масштабе в различных стационарных сжигающих устройствах, например в городских и
промышленных котельных и при очистке газов металлургических производств (доменные
печи, вагранки). Метод прошел успешную проверку на ряде котельных и промышленных
топок в Японии и при очистке газов парогенераторов в США, предназначенных
для повышения нефтеотдачи пластов. А также апробируется на топках котлов ТЭЦ в России.
До настоящего времени данный метод, однако, не опробован для очистки дымов топок,
работающих на угле [7].
Степень восстановления оксидов азота определяется следующими факторами:
1. Тип топки, характеристики топлива.
2. Время пребывания газовой смеси в области оптимальной температуры в процессе
движения потока.
3. Распределение температуры в топке.
4. Отношение NH3/NOх и концентрация NOх.
5. Перемешивание в потоке.
С практической точки зрения наиболее важно установить место ввода аммиака в
газовый поток, чтобы обеспечить максимально быстрое смешивание аммиака (и в случае
необходимости Н2) в оптимальном температурном интервале, совпадающем со
стационарным режимом топки. Для этого необходимо иметь профиль распределения
температуры по потоку при различных мощностях загрузки топлива. Обычно при
правильном выборе температурной области для протекания реакции достаточно 0,2 - 0,3; при
содержании оксидов азота в количестве не выше 200 млн-1 используется отношение
NH3 : NOх = 1,5. При дальнейшем увеличении количества NOх это отношение уменьшается
до 1,0. Эффективность восстановления возрастает с уменьшением количества кислорода в
газовом потоке, однако лишь до определенного уровня в соответствии с уравнением бруттореакции (1). Следует отметить, что это согласуется с практикой, когда для уменьшения
образования оксидов поддерживают небольшой избыток воздуха.
Поскольку данный метод очистки топочных газов находится в стадии развития,
необходимо отметить ряд недостатков, нерешенных вопросов и факторов, позволяющих в
будущем его усовершенствовать.
1. Необходимо очень точно устанавливать место ввода аммиака в топочный газ,
поскольку процесс восстановления NО аммиаком эффективно протекает в узком
температурном интервале.
2. Строгие требования к процессу восстановления и зависимость температуры потока
183
от загрузки топлива и его калорийности могут ограничивать мощность сжигающего
устройства.
3. Выброс в атмосферу аммиака (обычно не выше 50 млн-1) и других побочных
продуктов.
4. При сжигании высокосернистых нефтей или углей теплообменник котла может
забиваться бисульфатом аммония.
5. Стоимость очистки может превысить затраты на усовершенствование сжигающего
устройства.
Большинство указанных недостатков, как было показано экспериментально, может
быть устранено путем многофорсуночного ввода аммиака при повышении загрузки топки
топливом, путем промывки дымоходов водой и отдува сажи воздухом для предотвращения
закупорки газовых магистралей. Главное достоинство метода - возможность снижать
концентрацию оксидов азота в топочном дыме на 40 - 60 % и совместимость с техническими
решениями по улучшению режимов сгорания с целью снижения в топочном газе содержания
NOх. Для более глубокой очистки дыма следует устанавливать дополнительное оборудование.
Метод селективного каталитического восстановления (СКВ). В мировой практике
проблеме очистки топочных газов уделяется большое внимание и разрабатывается несколько
направлений. Однако наиболее перспективен «сухой» (без стадии промывки) способ, так как
он прост и отличается более низкой стоимостью. Введение стадии абсорбции оксидов
растворами резко усложняет технологию вследствие необходимости очистки сточных вод.
Селективное каталитическое восстановление основано на реакции восстановления
оксидов азота аммиаком на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии
кислорода. Термин «селективный» в данном случае отражает предпочтительное протекание
каталитической реакции аммиака с оксидами азота по сравнению с кислородом. В то же
время кислород является реагентом в каталитической реакции. Метод СКВ применим в первую очередь к топочным газам в условиях полного сгорания - содержание кислорода в них
более 1 % и отходящий газ подвергается химической реакции в окислительных условиях.
Ранее описанный процесс некаталитического восстановления (НКВ) применим к топочным
газам с высоким процентным содержанием исходного топлива, т. е. когда обеспечиваются
восстанавливающие свойства газового потока. Процесс СКВ может быть представлен
следующими брутто-уравнениями:
2NH3 + 2NO + ½О2 → 2N2 + ЗН2О ,
2NH3 + NО2 + ½ О2 → 3/2 N+ ЗН2О ,
(3)
(4)
Реакция (3) является основной, так как оксид азота NО составляет обычно около 95 %
в сумме оксидов азота. В соответствии с этими уравнениями с теоретической точки зрения
достаточно стехиометрического количества аммиака относительно оксидов азота для
перевода их в чистые продукты - молекулярный азот (N2) и Н2О.
При мольном отношении NH3 : NOх = 1:1 восстанавливается 80 - 90 % оксидов азота,
и в отходящем газе содержание аммиака не превышает 20 млн-1. Метод СКВ используется в
широком масштабе за рубежом для очистки газов городских и промышленных котельных,
работающих на газе и нефти. В США и Канаде разновидность метода селективного каталитического восстановления широко используется для очистки хвостовых газов заводов по
производству азотной кислоты и других химических производств. В США разрабатывается
ряд процессов, призванных наглядно продемонстрировать эффективность метода СКВ для
184
очистки топочных газов при использовании всех типов топлива - газ, уголь, нефть [7].
Эффективность метода СКВ определяется параметрами:
1) система сжигания - вид топлива;
2) состав катализатора;
3) активность катализатора, его селективность и время действия;
4) форма катализатора, конфигурация каталитического реактора;
5) отношение NH3 : NОх и концентрация NOх
6) температура каталитического реактора;
7) скорость газового потока.
Метод СКВ предусматривает наличие катализатора, каталитического реактора,
емкости для хранения аммиака и систему его подачи в газовый поток. Большое
сопротивление каталитического реактора приводит к падению давления потока; для его
компенсации предусматривается система вентиляторов.
Наиболее эффективно каталитическое восстановление происходит в области 300 - 450
°С. Для обеспечения именно такой температуры газового потока каталитический реактор
располагают между экономайзером котла и теплообменником для подогрева входящего
воздуха. Общепринятая схема приведена на рис.3.27.
От конструкции реактора и типа катализатора зависит качество всего процесса
восстановления, что требует детального обсуждения.
Большинство катализаторов формируется на основе диоксида титана (TiO2) и
пентоксида ванадия (V2O5). Диоксид титана - удобный носитель и не отравляется SO3.
Пентоксид ванадия промотирует реакцию взаимодействия аммиака и оксидов азота и мало
чувствителен к действию NОх.
Рис. 3.27. Схема процесса селективного каталитического восстановления [7]:
1 - топка котла; 2 - экономайзер; 3 - реактор; 4 - теплообменник для нагрева воздуха;
5 -электрофильтр; 6 - блок обессеривания топочного газа; 7 - дымовая труба;
8 - испаритель аммиака; 9 - емкость для хранения аммиака; 10 - выгрузка аммиака с железной дороги или
автотранспорта; 11 – компрессор
Тип реактора и структура катализатора могут изменяться в широких пределах, однако
основным фактором при конструировании является содержание мелкодисперсных частиц в
топочном газе. Для котельных на газе катализатор используют в виде сферических шариков,
колец или цилиндров, расположенных слоем на сетчатом поддоне. Для котельных,
185
использующих в качестве топлива нефть или уголь, характерно большое содержание золы в
потоке топочного газа.
В этом случае предпочтительны системы с параллельным газовым потоком в
каталитической зоне. В этих устройствах топочный дым проходит по открытым каналам,
стенки которых параллельны поверхности катализатора. Мелкие частицы остаются в
турбулентном потоке, в то время как оксиды азота вступают в каталитическую реакцию с
поверхностью катализатора в результате турбулентности и диффузии Разновидностью
данного типа являются устройства, в которых катализатор удерживается в стенках каналов с
помощью специальных сеток или экранов.
Типы каталитических ячеек для реакторов с параллельными каналами приведены на
рис.3.28.
Катализатор может быть порошкообразным материалом различной дисперсности или
закрепляться на поверхности металлических или керамических носителей. Для удобства
изготавливают блоки объемом 1 м3 (рис.3.29), которые послойно соединяют в реакторе.
Основной недостаток метода СКВ - образование и осаждение на стенках
технологического оборудования твердого сульфата аммония и расплава бисульфата аммония
при выходе из каталитического реактора. Эти соединения - (NH4)2HSО4 и NH4HSО4
образуются по реакции вводимого аммиака с SO3, который получается при сгорании
высокосернистых топлив.
Другими проблемами являются: выбросы в атмосферу аммиака и его соединений, а
также иных нежелательных продуктов, например SO3, необходимость использования
дополнительных устройств для очистки потока с точки зрения охраны окружающей среды.
Рис.3.28. Типы каталитических ячеек реактора
с параллельными каналами для процесса СКВ [7]:
а - металлические сотовые ячейки; б - трубчатые; е - параллельные каналы;
г - параллельные пластины; д - керамические сотовые ячейки
Несмотря на это, метод СКВ успешно используют за рубежом для очистки газов
котельных, работающих на нефти и газе; в стадии проектирования находится ряд сжигающих
устройств на угле. При необходимости восстановить 80 % или более оксидов азота в
топочном газе метод СКВ является единственно возможным. Кроме того, метод
предполагает совершенствование; его можно успешно сочетать с методами
совершенствования системы сжигания для снижения количества оксидов азота.
186
Рис.3.29. Конструкция сменных блоков реактора СКВ [7]:
1- трубчатая конфигурация;
2 - сотовая, с использованием офрированных металлических пластин
Неселективное каталитическое восстановление (НСК В). В данном методе
восстанавливающий агент - аммиак - заменяется другими восстановителями (Н2, СО,
углеводороды). Эти восстановители действуют неселективно, поскольку взаимодействуют с
кислородом и SOх газового потока; это взаимодействие идет параллельно с целевой реакцией
восстановления оксидов азота, что требует значительного избытка восстановителей [7].
Чтобы обеспечить неселективное каталитическое восстановление, целесообразно проводить
сжигание таким образом, чтобы образующийся топочный газ обладал восстанавливающими
свойствами. Практически это означает подачу в камеру сжигания топлива и кислорода в
количествах, близких к стехиометрическому отношению (так называемая обедненная
горючим смесь). В этих условиях СО и непрореагировавшие углеводороды вступают в реакцию каталитического восстановления NОх и отпадает необходимость в дополнительном
введении восстановителя в газовый поток. Такому процессу сжигания аналогичен процесс
регулирования степени сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.
Перенос технических решений автомобильной промышленности на стационарные
сжигающие устройства находятся в стадии начальной разработки.
Облучение потоком электронов. Другой перспективный метод очистки отходящих
газов от оксидов азота - стимулирование химических реакций с помощью электронного
пучка. Метод обеспечивает восстановление NОх и SOх в реакции с аммиаком в отсутствие
катализатора под действием стимулирующего излучения. Возможность использования
указанного способа очистки применительно к крупной тепловой станции показана на рис. 8.
Первоначально поток топочных газов очищается от золы, затем подается аммиак и газовая
смесь облучается в реакторе. В результате аммиак и оксиды превращаются в сухой порошок
неорганических солей: (NH4)2SO4 и (NH4)2SO4⋅2NH4NO3. В настоящее время нет точного
описания химического механизма. После отделения солей горячий топочный газ
выбрасывается через дымоход. Пилотная установка, работающая на этом принципе,
обеспечивает восстановление 85 % оксидов азота и 95 % оксидов серы в сильно
загрязненных топочных газах котельных, использующих нефть в качестве топлива. Метод
находится в стадии развития, однако имеет перспективы благодаря высокой эффективности
одновременного удаления оксидов азота и серы, а также возможности получения в сухом
виде ценного полупродукта для производства удобрений. Экономическую сторону такого
способа очистки следует оценить в условиях длительной эксплуатации.
Очистка газов от SOх. В настоящее время существует несколько методов очистки
топочных дымов от оксидов серы с использованием химических превращений. Все методы
предполагают предварительную стадию адсобрции SO2, тем не менее обсуждаются в данном
разделе, поскольку их основу составляет химическое превращение оксидов серы в новое
187
химическое соединение, выделяемое из газового потока.
Процесс с использованием СиО/СаSО4 . Метод обеспечивает одновременную очистку
газов от NOх и SОх в присутствии катализатора - оксида меди (СиО), нанесенного на оксид
алюминия. Топочный газ подается в реактор с параллельным расположением каналов для
прохождения газового потока, заполненных катализатором. Процесс с учетом
последовательности операций может быть представлен брутто-уравнениями.
Поглощение оксидов:
СиО + ½ O2 + SO2 → CuSO4 ,
2NO + 2NH4 + ½ O2
CuSO4
→ 2N2 + 3H2О ,
(5)
(6)
Регенерация:
CuS04 + 2H2 → Си + SO2 + 2H2O ,
(7)
Си + ½ О2 → СиО ,
(8)
Топочный газ при 390 °С подается в один из реакторов, где оксид серы
взаимодействует с СиО с образованием сульфата меди (CuSO4). Сульфат меди и в меньшей
степени оксид меди служат катализаторами процесса восстановления оксидов азота
аммиаком. После насыщения реактора CuSO4 топочный газ переключается на новый реактор,
в то время как отработанный подвергается регенерации. В соответствии с уравнением (7)
молекулярный водород (Н2) восстанавливает сульфат меди до меди, при этом выходящий из
реактора поток содержит достаточное количество SO2 для получения серной или сернистой
кислоты. После окисления меди в оксид меди (СиО) реактор снова готов к поглощению
оксидов из потока. В промежутке между стадиями поглощения и регенерации реактор
продувается паром до полной отдувки топочного газа или водорода во избежание взрыва.
Установка может использоваться также только для выделения оксидов азота (при этом
опускается стадия регенерации) или предназначаться для выделения SОх (при этом в газовый
поток не вводится аммиак).
Угольное топливо с добавками извести. В связи с переводом топочных устройств на
угольное топливо возникла необходимость в разработке новых методов сжигания,
обеспечивающих чистоту выбросов в атмосферу в соответствии с экологическими
требованиями. Для уменьшения содержания SO2 разработаны два способа с применением
извести: приготовление гранул из угольной крошки с добавкой извести для использования в
колосниковых топках и добовление порошкообразной извести к угольной пыли для
использования в топках с форсуночным распылением топлива. Проблема уменьшения
количества оксидов серы в топочных газах должна решеться параллельно со снижением в
них содержания NOх. Исследования показывают, что меры по снижению концентрации
оксидов азота в отводящем газе (повышенное время пребывания реагентов в зоне горения и
снижение максимальной температуры пламени) также приводят к снижению концентрации
SO2 при введении извести. Реакция связывания SO2 описывается брутто-уравнением:
CaCO3 + ½ O2 + SO2 → CaSO4 + CO2 , (9)
188
Использование гранул с добавкой извести при отношении Ca : S = 5 : 1 уменьшает
концентрацию оксидов серы на 70 % в лабораторных опытах и на 50 % при сжигании в
колосниковых топках небольшой мощности. Эти показатели несколько ниже, чем для
традиционной очистки газов от SO2 методом промывки, однако если учесть простоту и
широкое распространение угльных топок в мире , а также тенденцию исспользования угля в
России в качестве основного энергоносителя, то этот метод имеет перспективы на будущее.
Дальнейшее развитие метода предпологает усовершенствование процесса приготовления
гранул, повышение их механической прочности, а также детальное изучение процесса их
сгорания.
Хорошие результаты получены при добавках извести к угольной пыли в топках
форсуночного типа. Данные, полученные на пилотной установке, показали снижение на
80 % содержания оксидов серы в топочном дыме при отношении Ca : S = 3 : 1. Высокий
эффект обусловлен повышенной подачей топлива по отношению к воздуху и снижением
максимальной температуры пламени, что одновременно обеспечило хороший показатель по
содержанию оксидов азота в отходящем потоке.
Для дух приведенных методов введение в топку извести требует получения более
полной информации в следующих областях: эффективность связывания оксидов серы в
зависимости от типа угля, типа известковой добавки и ее количества; конструкция топки и
условия эксплуатации; вопросы шлакообразования; засорение топки и забивки дымоходов,
сбор твердых отходов и их утилизация. Перспективность этого метода во многом
определяется его еффективностью при большей простоте и меньших капиталовложениях по
сравнению с традиционной промывкой топочного газа в скрубберах.
Введение сухого сорбента. Сухой сорбент вводят методом, аналогичным
изложенному выше, при этом концентрацию SO2 в топочном газе можно снизить на 50 %.
Сухой щелочной агент вдувается под давлением в магистраль отходящего топочного газа и
затем прореагировавшие твердые продукты отделяются от потока. Для отделения
используют тканевые фильтры. Подбором сорбента установлено, что натриевые соли гораздо
эффективнее кальциевых соединений. Реакция с оксидами серы описывается уравнениями:
2NaHCO3 + SO2 → Na2SO3 + 2CO2 + H2O ,
Na2CO3 + SO2 → Na2SO3 + CO2 ,
(10)
(11)
В качестве сорбента удобно использовать нахколит – природный минерал Na2CO3 ⋅
NaHCO3 ⋅ H2O, который доступен, недорог и отличается хорошей реакционной
способностью. Реакция происходит с достаточной скоростью при температурах 110 – 150 °С;
повышение температуры приводит к увеличению степени использования сорбента и снижает
содержание SO2 в газовом потоке.
Потенциально метод можно использовать во многих сжигающих устройствах, но в
данное время опыт накоплен применительно к котельным небольшой мощности.
Преимущества метода:
- возможность практического использования;
- низкие капиталовложения по сравнению с устройствами для обессеривания
отходящих газов путем промывки;
- более высокая производительность;
- простота удаления отходов.
189
Основные недостатки:
- более низкая степень удаления SO2 из газового потока по сравнению с методом
промывки в скрубберах;
- нет данных об эффективности при использовании в топках большой мощности;
- твердые отходы вместе с золой растворимы в воде и при хранении представляют
потенциальную опасность с точки зрения загрязнения грунтовых вод.
Еще один метод удаления SO2 основан на реакции SO2 с известью/карбонотом натрия, однако
здесь этот метод мы рассматривать не будем, поскольку, как и при промывании раствором
извести или известняка, основным процессом является абсорбция, а не химическая реакция.
3.3.3 Снижение токсичности выхлопных газов
двигателей внутреннего сгорания
Как и в любой отрасли человеческой деятельности, в области совершенствования
экологических характеристик двигателей и транспортных средств приняты некоторые
обобщенные определения [8 ].
Под токсичностью двигателей внутреннего сгорания понимается негативное
воздействие, оказываемое на окружающую среду растения, животных, людей и
архитектурные постройки вредными веществами, содержащимися в отработавших газах
ДВС.
Эти вещества образуются вследствие горения топлива в камере сгорания (КС)
двигателя, а влияние на окружающую среду обуславливается химическим воздействием
веществ на клетки растений и живых существ, а также на строительные элементы.
Атмосфера загрязняется также картерными газами, представляющими собой те же
продукты сгорания, но проникшие из КС в картер ДВС, и топливными испарениями от
транспортных средств, работающих на бензине (указанные испарения могут составлять от 4
до 12% от выбросов углеводородов с ОГ).
В связи с постоянным ростом парка транспортных средств абсолютное количество
вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с отработавшими газами ДВС, будет
увеличиваться, если не предпринимать специальных мер, то негативное воздействие на
окружающую среду будет все возрастать, приводя к росту заболеваний, в том числе
передаваемых по наследству, и сокращению продолжительности жизни людей.
Под специальными мерами, направленными на предотвращение вредного
воздействия на окружающую среду, следует понимать не только работы по оптимизации
конструктивно-регулировочных параметров двигателей внутреннего сгорания и
транспортных средств, разработке средств и способов нейтрализации вредных веществ, содержащихся в ОГ, а также изменению физико-химического состава топлив, но и работы по
поддержанию нормального технического состояния ДВС и транспортных средств,
оптимизации структуры их парка на предприятиях и регулированию транспортных потоков в
населенных пунктах.
Под экологическими характеристиками ДВС и транспортных средств понимается
уровень содержания нормируемых вредных веществ и отработавших газах и дымности
отработавших газов.
Введение нормативов на содержание в ОГ вредных веществ играет не только роль
мотивации улучшения экологических показателей ДВС и транспорта, но и является
средством защиты рынка от некачественной продукции.
190
Экологическая безопасность автотранспортных средств (АТС) и двигателей
внутреннего сгорания - это система мер, направленных на снижение вредного воздействия
АТС и ДВС на окружающую среду.
Суммарные экологические затраты в стоимости единицы продукции в странах
Западной Европы, США и Японии достигают 25%, а в России - менее 1,0% (сюда входят,
конечно, затраты, связанные не только с обеспечением экологического уровня
непосредственно создаваемой продукции, но и экологической чистоты всего предприятия),
Состав отработавших газов ДВС, так же как и любых других типов энергетических
установок большой мере обуславливается типом используемого топлива. При этом под
токсичностью топлива (по аналогии с понятием токсичности нефтепродукта согласно
ГОСТ 26098-84) следует понимать его эксплуатационное свойство, характеризующее
воздействие самого топлива и (или) продуктов его сгорания и разложения на человека и
окружающую среду.
В двигателях внутреннего сгорания применяются топлива в двух агрегатных
состояниях: жидком и газообразном. Жидкое топливо - это в основном дизельное топливо,
керосин и бензин, а также находящие ограниченное применение различные мазуты, этанол,
метанол и топлива растительного происхождения, получаемые путем переработки различных
растений: рапса, сои, арахиса, подсолнечника, апельсина, эвкалипта, хлопка и т.д..
Газообразное топливо - это в основном природный газ и нефтяной газ, а также находящие
ограниченное применение промышленные газы, получаемые в результате функционирования
преимущественно заводов по переработке нефти (газы прямой перегонки, термического
крекинга, каталитического крекинга, коксования мазута и гудрона, пиролиза бензина,
каталитического риформинга), и биогазы, получаемые при переработке продуктов
растительного и животного происхождения, при обработке сточных и канализационных вод,
при термогазогенерации древесной щепы и твердой биомассы.
Таблица 3.2
Распределение потребления топлива и
вредных выбросов по видам транспорта
Вид транспорта
Автомобильный
транспорт
Железнодорожный
транспорт
Речной флот
Строительно-дорожные
машины
Сельскохозяйственные
и лесопромышленные
машины
Авиация
ИТОГО:
Общая
мощность
%
50
Потребляемое
топливо
%
млн.т
56,5
65,0
Выбросы в
атмосферу
%
млн.т
71,3
21,7
16
11
12,6
6,3
1,9
8
4
5,9
1,9
6,8
2,2
2,6
1,3
0,8
0,4
20
23,5
27,0
17,8
5,4
1,2
100
1,4
115,0
0,7
100
0,2
30,4
2
100
При разработке государственных программ по снижению вредного воздействия ДВС
и транспортных средств на окружающую среду качеству топлива придается очень большое
значение. Существует программа "Автомобиль и топливо". Основным потребителем топлива
191
среди транспортных средств является автомобильный транспорт. Он же вносит и основную
долю в загрязнение окружающей среды (табл. 3.2 [8]).
В России, согласно ГОСТ Р 51105-97, с 1 января 1999 г. начат выпуск только четырех
сортов неэтилироных бенэинов (Нормаль-80, Регуляр-91, Премиум-95 и Супер-98) с
содержанием свинца не более 0,01 г/л. этилированным и неэтилированным будет
выпускаться только бензин Нормаль-80.
В 1997 г. в России из всех бензинов доля этилированных составила 40%; в то же
время многие страны приняли законодательства о запрещении использования подобного
топлива.
В отношении дизельных топлив большое внимание уделяется снижению содержания
серы. В настоящий момент в ряде городов Европы разрешается использовать только
"городское топливо". Это дизельное топливо с содержанием серы не более 0,05% в отличие
от обычного, где серы может быть в десять раз больше - до 0,5%.
Состав отработавших газов ДВС зависит не только от типа используемого вида
топлива, но и от типа организации и совершенства рабочего процесса двигателя. Поэтому,
характеризуя состав ОГ различных типов двигателей, указывают обычно достаточно
широкие пределы содержания компонентов (табл.3.3 [8] )
Здесь необходимо отметить, средний уровень содержания вредных веществ в ОГ
дизелей меньше, чем в отработавших газах бензиновых двигателей. Это касается оксидов
азота, оксидов углерода и суммарных углеводородов. При этом в ОГ дизелей нет оксидов
свинца, но зато больше выброс оксидов серы. Правда,токсичность оксидов серы значительно
ниже токсичности оксидов свинца.
Относительно содержания частиц одназначного ответа дать нельзя, так как
бензиновые двигатели по этому параметру в настоящее время не проверяются, но уже
рассматриваются проекты нормирования и этих двигателей по выбросам частиц.
Таблица 3.3
Содержание компонентов в отработавших газах
двигателей внутреннего сгорания, % по объему
Компонент
Азот
Кислород
Водяной пар
Углекислый газ (диоксид
углерода)
Оксид углерода (угарный
газ)
Оксиды азота
Углеводороды
Альдегиды
Сажа, г/м3
Бенз(а)пирен, мкг/м3
Оксиды серы
Оксиды свинца
Бензиновый двигатель (БД), %
74 - 77
0,3 - 10
3,0 – 5,5
5 -12
Дизель (ДД),%
74 -78
2 - 18
0,5 – 9,0
1 - 12
0,5 - 12
0,005 – 0,4
0,01 – 0,8
0,2 – 3,0
До 0,2
До 0,004
До 25
До 0,008
До 0,02
0,004 – 0,5
0,009 – 0,3
0,001- 0,009
0,01 – 1,1
До 10
0,002 - 0,02
Отсутствуют
В последнее время ввиду ухудшения экологической обстановки в крупных горадах и
промышленных регионах особенно возрасли требования к токсичности ОГ ДВС, и эти
требования с каждым годом становятся более жесткими (табл.3.4 и 3.5 [9]). Помимо
192
указанных в таблицах четырех вредных компонентов, предусмотрено в ближайшей
перспективе нормирование выброса двигателями с ОГ двуокиси углерода, полициклических
ароматических унлеводородов и кислородосодержащих углеволородов (например
альдегидов).
Нормирование отдельных компонентов ОГ двигателей определяется в основном
объемом их выбросов и вредным воздействием на окружающую среду и устанавливается
официально принятыми предельно допустимыми концентрациями (ПДК) этих веществ.
Таблица 3.4
ПДВ вредных веществ для
двигателей легковых автомобилей
Предельно допустимые выбросы вредных веществ для
двигателей легковых автомобилей, г/км
Неметановые
Формаль - Твердые
СО СН
NOx
углеводороды
дегиды
частицы
Нормы
ОСТ37.001.054 – 86:
С нейтрализатором
Без нейтролизатора
6,17
15,0
1,6*
5,06*
1,6*
5,06*
-
-
-
Правила 83 – 01:
Евро – 1, 1993 г.
Евро – 2, 1996 г.
Евро – 3, 1999 г.
США (1994 г.)
США (1997 г.)
США (2000 г.)
2,72
2,2
1,0
2,1
2,1
1,1
0,97*
0,5*
0,1
0,15
0,09
0,05
0,97*
0,5*
0,1
0,25
0,125
0,125
0,078
0,047
0,025
0,009
0,009
0,005
0,14**
0,10**
0,03**
0,05
0,05
0,025
Примечание: * Углеводороды и оксиды азота суммарно.
** Для дизелей
Таблица 3.5
ПДВ вредных веществ для
двигателей грузовых автомобилей
Нормы
Правила 49 – 02:
Евро – 1, 1993 г.
Евро – 2, 1996 г.
Евро – 3, 1999 г.
ОСТ 37.001.234 - 81
Предельно допустимые выбросы вредных веществ
для двигателей грузовых автомобилей, г/кВтч
СО
СН
NOx
Частицы
4,5
4,0
2,0
9,5
1,1
1,1
0,5
3,4
8,0
7,0
4,5
18,35
0,36
0,15
0,10
-
Обеспечение снижения концентрации вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС
автотранспорта должно решаться комплексно за счет следующих мероприятий:
1) разработка и создание новых конструкций ДВС и АТС, обеспечивающих
выполнение перспективных требований к экологическим показателям объектов испытаний;
2) поддержание требуемого технического состояния ДВС и АТС в течение всего
периода эксплуатации;
193
3) применение топлив и масел, рекомендуемых для соответствующих марок ДВС и
АТС, при этом сами топлива и масла, применяемые в эксплуатации, должны соответствовать
техническим требованиям на них;
4) регулирование интенсивности движения транспортных потоков с целью снижения
нагрузки на окружающуб среду в период суток, дней недели,сезонов;
5) кооперирование различных видов транспортных средств между собой с целью
обеспечения наиболее экономически целесообразной загрузки каждого из них по типу
перевозимого груза и расстояний; в том числе для населенных пунктов перспективным
можно считать применение электрического транспорта: троллейбусов – для перевозки
пассажиров, а электромобилей – для перевозки грузов и пассажиров;
6) Обеспечение озеленения и создания искусственных водоемов на территориях,
прилегающих к транспортным магистралям.
Таким образом, только комплексный подход к вопросам совершенствования
экологических характеристик двигателей и транспортных средств позволит решить
проблемы экологической безопасности атмосферы, земли и человека [8].
Загрязнение окружающей среды выбросами двигателей внутреннего сгорания
привлекает все более пристальное внимание в последние годы из-за возросшей угрозы
здоровью человека и окружающей среде. В общем балансе транспортные средства представляют собой наиболее существенный источник, хотя основную долю этих загрязнений
составляют относительно неядовитые оксиды углерода.
В этом разделе обсуждаются некоторые конструкции аппаратов, которые оказывают
влияние на выбросы в выхлопных газах и могут быть использованы для подавления
выбросов двигателей. Данные варианты
конструкций аппаратов предназначены для
″внутреннего подавления выбросов двигателя″, которые следует отличать от методов
″внешнего подавления выбросов двигателя″, поскольку первые воздействуют только на
процесс сжигания в самом цилиндре.
Выбросы двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими источниками
загрязнения на автострадах исходящие от транспортных средств, существенную долю
составляют оксида углерода и оксидов азота.
Углеводороды - это широкий класс совершенно
произвольных смесей
углеводородных соединений. Они происходят из бензина, дизельного топлива и продуктов
их сгорания. В состав этих топлив входят сотни углеводородных соединений. Чтобы
упростить вопрос, обычно из углеводородов выделяют какое-то определенное соединение и
оперируют в дальнейшем с ним, предполагая, что остальные эквивалентны ему. В качестве
такого соединения выбирают обычно метан (СН4), пропан (С3Н8) или гексан (С6Н14).
В инженерной терминологии для неизвестной смеси оксидов азота принято
обозначение NOx. Как правило, в выбросах NOx доминирует оксид азота (N0) с небольшой
примесью (< 10%) диоксида азота (NO2). В атмосферных условиях N0 превращается в N02. В
нормативах ограничения, относящиеся к массовым выбросам NOx, касаются обычно NO2.
В таблице 3.6 [7], приведены выбросы выхлопных газов в зависимости от нагрузки,
исходящие от типичных карбюраторных двигателей (КД) и дизельных двигателей (ДД). Эти
величины не отражают дальнейших превращений выхлопных газов.
Заметим, что выбросы оксида углерода и углеводородов у КД существенно выше, чем
у ДД. Также надо отметить, что нормативы для мощных двигателей выражены в граммах на
киловатт-час. Разнообразие грузовых машин и их двигателей помешало увязать нормативы
для мощных двигателей с транспортными средствами вообще. Чтобы достигнуть высокого
уровня контроля для автомобилей, необходим по крайней мере сократить на 96 % НС и СО,
194
на 75 % NOx и до 90 % выброс аэрозолей по сравнению с выбросами транспортных средств в
отсутствие подавления. Такой высокий уровень подавления требует существенной
модификации двигателей внутреннего сгорания, и для этого часто необходим компромисс с
точки зрения экономичности топлива, режима эксплуатации и изменения режима вождения.
Таблица 3.6
Типичный состав выхлопных газов
Вещество
СН1,85
СО
NO
Концентрац
ия частиц
дыма г/м3
Тип
двигателя
Холостой
ход, млн-1
КД
ДД
КД
ДД
КД
ДД
4 000
200
10 000
150
100
50
ДД
0,05
Промежуточные
нагрузки
млн-1
г/(кВтч)
2 400
7,5
50
0,5
10 000
73
700
3,8
2 500
17
1 700
14
0,6
-
Предельные
нагрузки
млн-1
г/(кВтч)
6 000
12
100
0,3
60 000
240
500
5
500
2,2
1 400
14
1,2
-
Методы внешнего подавления выбросов. Методы внешнего подавления выбросов
двигателя могут быть классифицированы по типу устройств, используемых для уменьшения
выбросов из камеры сгорания. Эти устройства различны для бензиновых и дизельных
двигателей, и поэтому они будут рассматриваться отдельно.
Бензиновый двигатель. Характеристики режима работы и конструкции, которые
оказывают влияние на выбросы в карбюраторных двигателях, включают следующие
параметры:
- коэффициент избытка воздуха;
- нагрузка или уровень мощности;
- скорость;
- управление моментом;
- образование нагара в камере сгорания;
- температура поверхности;
- противодавление выхлопа;
- перекрытие клапанов;
- давление во впускном трубопроводе;
- соотношение между поверхностью и объемом;
- рабочий объем цилиндра;
- степень сжатия;
- рециркуляция выхлопного газа;
- конструкция камеры сгорания;
- соотношение между ходом поршня и диаметром цилиндра.
Для подавления выбросов из бензинового двигателя, как правило, используются
внешние устройства.
Термические реакторы. Цель использования термических реакторов состоит в том,
чтобы доокислить углеводороды и оксид углерода посредством некаталитических
гомогенных газовых реакций. Эти устройства предназначены для окисления, поэтому они не
приводят к удалению NOx. Такие реакторы поддерживают повышенную температуру
195
выхлопных газов (до 900 °С) в течение периода времени доокисления (в среднем до 100 мс),
так что окислительные реакции продолжаются в выхлопных газах и после того, как они
покинут цилиндр. Часто термический реактор представляет собой большой хорошо
теплоизолированный резервуар с перегородками, который устанавливается вместо обычной
выхлопной трубы. Полный объем термического реактора может в 1,5 - 2 раза превышать
рабочий объем двигателя. На двигателях с V - образным блоком цилиндров обычно
используются два небольших реактора. Эксплуатационные температуры должны быть в
пределах 800 - 900 °С, чтобы СО полностью окислился; таким образом, реакторы
должны
быть установлены ближе к двигателю. При более низких температурах
углеводороды могут частично окислиться до СО и до альдегидов; таким образом, выброс
этих веществ увеличится. Возникает необходимость использования жаростойких
материалов, обычно легированной стали; при этом необходимо учитывать тепловое
расширение элементов конструкции. При неправильном срабатывании двигателя могут
развиться более высокие температуры, что приведет к разрушению реактора.
Термические реакторы часто имеют перегородки внутри. Обычно используется
большой объем перемешивания (реактор с последующим перемешиванием), чтобы
обеспечить накопление и перемешивание выхлопных газов из каждого выпускного клапана.
За этим объемом следует один или более проходов, где течение газа носит фронтальный
характер. Объем перемешивания существен, если в выходное отверстие впускается воздух.
Реакторы с тщательным перегораживанием обеспечивают минимальный ″проскок″ и
могут дать 100 %-ную конверсию НС и СО при высокотемпературной работе. Однако
сложность внутренней структуры замедляет скорость подогрева. При работе двигателя на
богатой смеси существенное количество НС и СО может быть окислено и в обыкновенных
традиционных выхлопных трубах, если подавать свежий воздух в область входа в
выхлопную трубу. Таким образом, выхлопная труба сама по себе может рассматриваться как
небольшой реактор. В самодвижущихся системах, там, где важна скорость подогрева,
приходится искать компромисс между массой реактора и его стационарной эффективностью.
Есть два типа термических реакторов для обогащенной или обедненной воздушнотопливной смеси, на которой работает двигатель. Чтобы обеспечить достаточное количество
воздуха, необходимого для дожигания смеси в реакторе для богатой смеси, требуется
вторичная система впуска воздуха. Как правило, считается, что уровень кислорода в
пределах 1 - 2 % - это оптимальная его концентрация, а это требует дополнительного потока
воздуха от 20 до 30 % для двигателя. Создание такого большого потока требует
дополнительного насоса и дополнительной затраты энергии. Основное различие реакторов
для богатой и бедной смесей состоит в том, что входные концентрации водорода и СО
составляют обычно несколько процентов для реакторов для богатой смеси и лишь
небольшую долю процента для реакторов для бедной смеси. Сжигание одного процента
водорода или СО дает повышение температуры выхлопных газов на 80 °С. Таким образом,
реактор может ″очиститься″ и при этом работать при относительно высоких температурах.
Эксплуатационная температура реактора для бедной смеси определяется в основном
температурой выхлопных газов. Как правило, реакторы для бедной смеси работают при
более низких температурах. Это в результате приводит к понижению эффективности
преобразования по сравнению с реактором
для
богатой
смеси.
Пониженные
температуры работы реакторов для бедных смесей дают определенные преимущества им, а
именно - повышают износостойкость реактора и устраняют лишние заботы, связанные с
охлаждением. У реакторов для бедных смесей ниже стоимость; они проще, чём реакторы для
богатых смесей, так как им не требуется система вторичного обогащения свежим воздухом.
196
Двигатели с реактором для богатых смесей обладают
повышенным
потреблением
топлива; следовательно, эти реакторы малопривлекательны, за исключением того,
что они обеспечивают быстрое ″очищение″ во время старта машины и ее разогрева.
Благодаря этому свойству они могут найти
применение
как
очищающиеся
каталитические реакторы.
К параметрам которые могут увеличить эксплуатационные температуры реактора для
бедной смеси относятся - изоляция, увеличение скорости двигателя, задержка синхронизации
зажигания, обогащение смеси, опережение открытия выхлопного клапана, использование
вкладыша в выхлопном отверстии.
Разработка эффективных каталитических реакторов понизила интерес к термическим
реакторам вследствие того, что катализаторы работают при более низких температурах; это,
в свою очередь, позволяет свести к минимуму снижение эффективности двигателя. Однако
термические реакторы относительно устойчивы к воздействию антидетонационных добавок,
что дает им некоторые преимущест