книги / Промышленный экологический анализ

Почвенный покров представляет собой важнейший компонент био­ сферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, про­ исходящие в биосфере. Почвы аккумулируют органическое вещество, различ­ ные химические элементы, а также энергию. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различ­ ных загрязнений. При разрушении этого звена сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится.

Почва стала постоянным объектом промышленной деятельности человека, что породило значительные изменения в состоянии земельных ресурсов. Дале­ ко не все изменения оказались положительными. Причины ухудшения качества земель или их гибели различны. Некоторые могут быть отнесены к стихийным силам природы, а большинство - к целенаправленной деятельности человека. Разрушение почв чаще всего происходит вследствие неправильного полива орошаемых земель, нарушения правил агротехники и севооборота, вырубки ох­ ранных лесов, распахивания склонов, чрезмерного выпаса скота, необоснован­ ного изъятия сельскохозяйственных земель и, наконец, загрязнения почв раз­ личными веществами. Поступление на земную поверхность продуктов техноге­ неза ведет к накоплению в почвах техногенных элементов, изменяет реакцию почв, разрушает поглощающий комплекс, ухудшает физические свойства почв.

Под химическим загрязнением почвы следует понимать изменение хими­ ческого состава почвы в результате антропогенной деятельности. По мнению некоторых исследователей, загрязнение почв связано, во-первых, с выбросами предприятий промышленности, энергетики и автотранспорта, во-вторых, с ис­ пользованием в сельском хозяйстве удобрений и химических средств защиты растений.

Существует еще один источник загрязнения почвы - это размещение твердых промышленных и бытовых отходов. Складирование и захоронение от­ ходов в шламохранилищах и полигонах характеризуется изъятием из пользова­ ния значительных в масштабах региона территорий, ведет к долговременному радиоактивному, химическому и биологическому загрязнению твердых сред, а в ряде случаев может служить источником вторичного загрязнения для под­ земных и поверхностных вод. Кроме этого, участки, занятые отходами, мало эстетичны и экологически не привлекательны.

На участках интенсивного воздействия промышленных предприятий на­ блюдается угнетение растительности вплоть до ее полного исчезновения, а также резко возрастает активность процессов почвенной эрозии. Загрязненная почва теряет структуру, уменьшается ее пористость. В свою очередь, разруше­ ние структуры приводит к снижению водопроницаемости, что резко ухудшает водно-воздушный режим. В местах сильного загрязнения почв атмосферными

выбросами верхний слой почвы может состоять из пылеватых частиц аэрозо­ лей, золы, шлака и т. п.

В энергетическом комплексе вследствие сжигания угля и нефти в почву ежесуточно поступает 1600 т ртути, 3600 т свинца, 2100 т меди, 7000 т цинка, 3700 т никеля и т. д.

С выхлопными газами автотранспорта на земную поверхность попадает 260 тыс. т свинца в год. Как показали исследования, каждый квадратный мё+р за год поглощает из атмосферы 6 кг вредных для почвы химических веществ.

Строительство и расширение городов и населенных пунктов, промыш­ ленных предприятий, дорог и линейных магистралей (трубопроводы нефти и газа, канализации и водоводы) неизбежно связаны с изъятием земель на не­ сельскохозяйственные нужды. Известно, что при сооружении магистрального трубопровода на каждые 100 км трассы разрушается в среднем 500 га земель­ ных угодий, при прокладке дорог - не менее 250 га, да ещё под карьеры отво­ дится 100 га.

Предприятия химической промышленности, в частности суперфосфатные заводы, загрязняют почву огарковой пылью, содержащей железо, медь, мышь­ як, свиней, фтор, а цементно-шиферные предприятия и алюминиевые заводы - фтором. Выбросы ртутных и мышьяковистых соединений обнаруживаются в почве на расстоянии 0,5-10 км от заводов химической промышленности в количествах, в десятки раз превосходящих фоновые.

Значительный вред почвам наносит загрязнение тяжелыми металлами, ко­ торые присутствуют в выбросах металлургических предприятии. Особую опас­ ность представляют ртуть, мышьяк, свинец, кадмий, никель, медь, цинк. По данным аэрокосмической съемки снежного покрова, зона действия предпри­ ятий черной металлургии прослеживается на расстоянии до 60 км от источника загрязнения.

Одним из самых опасных канцерогенов, попадающих в почву с отходами промышленного производства, является ртуть. Ртуть принадлежит к элементам, которые находятся в природе в очень малых количествах. Если принять, что выветривается около Ю10 т/год горных пород всех типов, то в окружающую среду ежегодно в результате выветривания поступает около 800 т ртути.

Изучение миграции соединений ртути показывает, что верхние слои нор­ мально развитых почв обладают очень высокой сорбционной способностью и вымывание ртути из них незначительно. Соединения ртути более подвижны в кислых почвах с легким механическим составом и невысоким содержанием гу­ муса. Органические соединения ртути способны быстро испаряться с поверхно­ сти таких почв. Установлено также, что испарение ртути из почвы уменьшается с увеличением влажности почвы.

Другим канцерогеном, губительно влияющим на все живые организмы (в том числе почвенные), является свинец. Мощность антропогенного поступле­ ния свинца составляет 2,0-104 т/год. К числу основных антропогенных источ­

ников поступления свинца в воздух, а из него в почву, относится сгорание эти­ лированного бензина и других видов топлива, внесение инсектицидов.

В настоящее время в мире ежегодно производится около 3,5*106 т/год свинца, из которого от 3,1 ■10Эдо 3,5-10э т/год сгорает с этилированным бензи­ ном. При выплавке каждой тонны свинца в атмосферу выбрасывается до 25 кг свинца. Менее мощным источником свинца является сжигание других видов топлива. Так, среднее содержание свинца в каменном угле составляет 26 мкг/кг Продукты сгорания нефти выделяют 5*102 т/год.

Продукты сгорания угля, отходы медицинской и металлургической про­ мышленности, предприятий по производству удобрении являются источниками поступления в почву одного из самых токсичных элементов - мышьяка. Наибо­ лее интенсивно мышьяк аккумулируется в почвах, содержащих активные фор­ мы железа, алюминия, кальция. Миграция мышьяка протекает более интен­ сивно, если элемент поступает на поверхность почвы в больших количествах.

Менее сильно, чем свинец и мышьяк, но все же достаточно прочно закреп­ ляется в верхних слоях (горизонтах) почв кадмий, который попадает в нее в ре­ зультате сгорания дизельного топлива, при плавке руд и внесении удобрении.

Максимальная адсорбция кадмия наблюдается в почвах с большой емкостью поглощения, значительным содержанием гумуса и высокими показателями pH. Миграция кадмия по профилю протекает тем интенсивнее, чем ниже в почвах содержание гумуса и легче механический состав.

Установлено, что цинк, попадающий в почву с отходами металлургиче­ ского производства, более мобилен, чем свинец и кадмий, а самая высокая ско­ рость его миграции наблюдается в эродированных почвах в условиях повы­ шенной влажности. Под воздействием органического вещества и кальция по­ вышается фиксирующая способность почв по отношению к этому элементу.

Для оценки отрицательного влияния тяжелых металлов на почвы необхо­ димо достоверное прогнозирование их содержания в почвах, важно также изу­ чение отдельных последствий воздействия тяжелых металлов на продуктив­ ность и плодородие почв.

Опасным источником загрязнения почвы являются разливы нефтепродук­ тов при аварийных сотуациях на предприятиях нефтедобывающей, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в случаях порывов ли­ нейных нефтепроводов.

В сельском хозяйстве в настоящее время осуществляется переход к про­ мышленным методам производства на основе его интенсификации путем хими­ зации. Химизация - это применение минеральных удобрений и химических средств защиты растений. По оценке специалистов, сельскохозяйственная про­ дукция в странах с развитым сельским хозяйством на 50 - 60 % увеличивается в результате применения минеральных удобрений. Они позволяют удовлетворить потребности растений в основных элементах питания, а также значительно по­ высить урожайность продовольственных и технических культур. Прибавки

урожая от химических средств защиты растений составляют 20 - 60 % при за­ тратах, равных лишь 1 - 5 % общих издержек производства. Химический метод защиты растений получил широкое развитие во всем мире. Сегодня в мире на 1 га вносится 300 кг химических средств. Из четырех сред (почва, вода, воздух, биота) больше всего при этом загрязняются почва и биота.

Последствия химизации сельскохозяйственного производства прослежи­ ваются в изменении состава и свойств почв, а также загрязнении пищевых про­ дуктов в результате поглощения и накопления растениями химических соеди­ нений (табл. 1.5). Интенсивность поглощения пестицидов растениями может определяться типом почвы, типом самой культуры, строением и свойствами пестицида, В районах их интенсивного применения с растительной продукцией выносится более 20% внесенного количества пестицида, что приводит к мигра­ ции и накоплению в биологических объектах, а также к удержанию пестицидов

срастительными остатками в почве.

Внастоящее время отмечается отрицательный баланс питательных ве­ ществ в пахотных почвах. Запасы почвенного кальция снизились наполовину.

* В сравнении с продукцией, получаемой на незагрязненных почвах.

Значительный ущерб почвам наносит засоление, которое влечет за собой полное исключение почв из активного сельскохозяйственного использования или снижение их производительности. Засоление почв может происходить раз­ личными способами. Одним из них является неумеренный, бессистемный по­ лив при отсутствии дренажа.

Опасное загрязнение почвы происходит в результате хранения минераль­ ных удобрений и пестицидов под открытым небом и в незащищенных от внеш­ них воздействий складах-амбарах. Загрязнение почвы сельскохозяйственных территорий также связано с эксплуатационными и технологическими разлива­ ми топливно-смазочных материалов и их хранении в необорудованных складах.

1.2. Общие закономерности распределения химических загрязняющих веществ в биосфере

Нарушение химического равновесия в биосфере происходит из-за превы­ шения норм воздействия на отдельные компоненты окружающей среды и био­ сферу в целом. Подвижное равновесие, характеризующее стабильность био­ сферы, изменяется вследствие потерь природных ресурсов и сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и распределе­ нии в окружающей среде загрязняющих веществ из стоков и выбросов.

Различают следующие типы загрязнения биосферы: локальное, региональ­ ное, глобальное.

Локальное загрязнение биосферы происходит неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия на природу расположены в регионах с раз­ витой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интен­ сивным сельскохозяйственным производством.

Химизм локального загрязнения определяется, с одной стороны, отрасле­ вой принадлежностью источника загрязнения, с другой - рельефом, климатиче­ скими особенностями и природными условиями места загрязнения. В районах с открытой добычей полезных ископаемых всегда наблюдается локальное за­ грязнение атмосферы и почвенного покрова пылью, а на территориях, приле­ гающих к нефтеперерабатывающим заводам, - нефтяными углеводородами. Почва вокруг рудников и комбинатов по выплавке цветных металлов содержит повышенное количество тяжелых металлов - меди, цинка, свинца, кадмия. Ло­ кальное загрязнение почвы свинцом характерно для автострад с напряженным движением.

В местах разрешенного сброса коммунально-бытовых и производственных сточных вод поверхностные воды характеризуются повышенным уровнем за­ грязнения.

Примером локального загрязнения атмосферы является смог - опасное об­ лако загрязнений различного типа, характерное для городов, где сочетание за­ грязнения воздуха транспортными и промышленными газами, атмосферные яв­ ления и солнечное излучение создают возможности для его образования. Раз­ личают смог влажный («лондонского типа»), представляющий собой сочетание пылевых частиц и капель тумана, и смог сухой, или фотохимический («лосанджелесского типа»), возникающий в результате воздействия ультрафиолето­ вой составляющей солнечного излучения на загрязняющие вещества, находя­ щиеся в атмосфере. Компонентами сухого смога являются озон Оз, оксид угле­ рода СО, оксиды азота NOx, различные радикалы и другие токсичные компо­ ненты.

Различают техпическое9ши эксплуатационное локальное загрязнение, вы­ зываемое нормальной работой промышленного оборудования или использова­ нием продуктов промышленного производства. Возможно и аварийное локапь-

ное загрязнение, вызванное резким и неожиданным нарушением работы пред­ приятия, связанным с выбросом в атмосферу, сбросом в водную среду, разли­ вом по почве большого количества вредных для биосферы и населения ве­ ществ. Техническое загрязнение, как правило, остается локальным, тогда как аварийное нередко переходит в региональное, а в исключительных (катастро­ фических) случаях - в глобальное.

Региоиачьное загрязнение биосферы - загрязнение, обнаруживаемое в пре­ делах значительных территорий, но не охватывающее всю планету. Причиной регионального загрязнения окружающей среды может стать эксплуатационное поступление загрязняющих веществ в биосферу, если оно достаточно длитель­ но, а выбросы поступают в подвижные компоненты биосферы - в атмосферу и природные воды.

Переход локальных загрязнений в региональные может быть связан с рас­ ширением территорий городов, которые постепенно превращаются в гигант­ ские мегаполисы с многомиллионным населением. Так, в США на Атлантиче­ ском побережье страны сформировался огромный урбанизированный район с площадью Около 150 тыс. км и населением более 40 млн. человек (слившиеся агломерации Бостона, Нью-Йорка, Филадельфии, Балтимора и Вашингтона). На Тихоокеанском побережье Японии сложился один из крупнейших мегаполисов за счет слияния Иокогамы, Киото, Нагои, Осаки и Кобе, в котором проживают порядка 60 млн. человек - практически половина населения страны. Много­ миллионные агломерации сформировались в ФРГ (Рурская область), Велико­ британии (Большой Лондон) и других экономически развитых странах.

Атмосферные выбрось! большого города (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологиче­ скую напряженность регионального масштаба, сбросы больших объемов сточ­ ных вод приводят к загрязнению речных бассейнов, массовое использование удобрений на прилегающих к мегаполису территориях - к загрязнению поч­ венного покрова и водной среды избытком биогенных элементов.

Региональные загрязнения вызываются также массовой добычей полезных ископаемых или массовым использованием веществ, опасных для природной среды. Так, высокий уровень загрязнения природных вод нефтью и нефтепро­ дуктами наблюдается на обширных акваториях Мексиканского и Персидского заливов, северного побережья Аляски и Канады, в Карибском и Аравийском морях и других частях Мирового океана, где естественные выходы нефти рас­ положены на побережье и континентальном шельфе. Здесь воды загрязняются отходами при нефтедобыче, за счет потерь при загрузке-выгрузке и при «залпо­ вых» выбросах, нередко случающихся на нефтепромыслах. Площади нефтяных пятен достигают нескольких тысяч квадратных километров.

В районах массового применения химических средств защиты растений имеет место региональное загрязнение ими почвенного покрова. Примером ре­ гионального загрязнения биосферы радионуклидами стала авария на Черно-

быльской АЭС. Степень радиоактивного загрязнения почвенного покрова, мак­ симальная вблизи эпицентра аварии, сильно изменялась в зависимости от атмо­ сферной циркуляции. Уровень локального загрязнения был настолько высок, что со всей окружающей территории было эвакуировано население, и она на десятки лет превратилась в запретную зону. Радиоактивные выпадения про­ изошли не только в обширном регионе нескольких областей Украины, Белорус­ сии, но и над странами практически всей Европы и вызвали интенсивное за­ грязнение почв.

Глобальные загрязнения биосферы - загрязнения, которые обнаруживают практически в любой точке планеты. Как правило, глобальные загрязнения пе­ реносятся атмосферными потоками, поскольку атмосфера является наиболее открытым компонентом природной среды, связанным процессами энерго- и массообмена с биосферой, гидросферой и космосом.

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды угле­ рода, серы и азота, углеводороды и взвешенные частицы. Накоплены статисти­ ческие данные, позволяющие оценить роль материков и отдельных групп стран в глобальное загрязнение атмосферы этими соединениями. Сводные данные о количестве наиболее распространенных выбросов свидетельствуют о том, что их подавляющая часть приходится на промышленно развитые страны Северной Америки и Европы и в меньшей степени Азии.

В качестве глобального загрязнения газовыми компонентами необходимо отметить запыление атмосферы. Выбросы взвешенных частиц с середины 50-х годов XX столетия возросли настолько, что вопреки теории «парникового эф­ фекта» средняя температура на нашей планете несколько понизилась, так как резкое увеличение запыленности атмосферы увеличило альбедо Земли и, как следствие, привело к уменьшению величины поглощения солнечной радиации. Количество пыли, выбрасываемой в атмосферу за счет сжигания топлива и раз­ личных технологических процессов, составляет до 10% (по другим данным - до 20%) от общего количества поступающих в атмосферу твердых частиц, причем большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80% из них - на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более 1 км и три­ дцатью днями в верхних слоях атмосферы.

Основная доля мирового выброса взвешенных частиц (около 94 %) прихо­ дится на северное полушарие; максимальное их количество выбрасывается в атмосферу промышленностью развитых стран. Основная опасность глобально­ го загрязнения атмосферы пылью заключается в том, что возрастает запы­ ленность приземного слоя, достигающая в урбанизированных районах 40 - 400 мкг/м.

К глобальным загрязнениям биосферы следует отнести и радиоактивные выпадения. Их отличительным свойством является характер распределения по географической широте: максимальные радиоактивные выпадения отмечены

около 40° с. ш. К северу и экватору оно постепенно снижается. Аналогичная за­ кономерность отмечается в распределении загрязнения почвенного покрова ра­ дионуклидами.

Список литературы

Корте Ф., Бахадир М., Клайн В. и др. Экологическая химия: Пер. с нем. / Под ред. Ф.Корте. - М.: Мир, 1997.

Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана био­ сферы при химическом загрязнении. - М.: Высшая школа, 1998.

Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий курс.Т 1,2. - М.: Высшая школа, 1996.

Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: Докл. Всерос. науч- но-практ. конф.: В 3 т. / Под ред. Н.И. Иванова; МЦЭНТ.-СПб., 1997, 1998, 1999.

Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. Кн.2: Загрязнение воды и воздуха. - М.: Мир, 1995.

Шеховцев А.А., Звонов В.И., Чигинов С.Г Влияние отраслей народного хозяйства на состояние окружающей среды. - М.: Минприрода РФ, 1995.

2. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Экологический анализ выполняется по общей схеме исследований, пред­ ставленной на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Обшая схема анализа

Приемы отбора проб из объектов окружающей среды, а также этапы пробоподготовки имеют особенности, связанные со спецификой конкретной среды (газообразной, водной, твердой). Это будет освещено в главах 3 - 6 при рас­ смотрении методов анализа атмосферного воздуха, водных сред, почвы

и осадков. В то же время для анализа любых, сред используется целый ряд ти­ повых инструментальных методов.

Методы анализа, применяемые в настоящее время, ориентированы на полу­ чение достоверных данных о содержании загрязнений. Для этого при проведении аналитического контроля за содержанием загрязняющих веществ в объектах ок­ ружающей среды необходимо обеспечить высокую чувствительность и избира­ тельность определения компонентов в смесях, а также высокую точность и объ­ ективную регистрацию результатов.

Примеры физических методов исследования, используемых для анализа со­

Как видно, наиболее высокой чувствительностью обладают хроматографи­ ческие методы. Немаловажным является принципиальная возможность обнару­ жения отдельных типов загрязнения в объектах окружающей среды. Информа­ ция о применимости некоторых методов для анализа конкретных объектов ок­ ружающей среды дана в табл. 2.1.