Основи екології

Інші катастрофічні події - землетруси, тайфуни, повені, виверження вулканів і т.п. мають локальний екологічний вплив. Вони завдають значної матеріальної шкоди навколишньому природному середовищу, призводять до загибелі багатьох представників рослинного й тваринного світу та до людських жертв, але не впливають на еволюцію біосфери.

Антропогенне забруднення біосфери

Надзвичайно інтенсивне зростання чисельності населення на Землі в ХХ столітті призвело до зростання ще більшими темпами потреб людей. Так за 80 років (1900 - 1980) споживання нафти зросло більше ніж в 10000 разів, чавуну - більше ніж в 10 разів, пшениці - в 6,5 рази. Енергетичні потреби тільки США за останні 100 років збільшилися в 70 разів. Упродовж 80 років ХХ століття з надр Землі видобуто корисних копалин більше, ніж за всю попередню історію людства. В результаті господарської діяльності людей в атмосферу щороку викидається понад 22 млрд тон оксиду карбону, понад 150 млн тон сірчистого газу, в ріки скидається понад 160 куб.км забруднених стічних вод, вноситься в грунти 500 млн тон мінеральних добрив і 4 млн тон пестицидів.

Щороку утворюється і нагромаджується значна кількість відходів господарської діяльності людей. З добутих природних мінеральних ресурсів використовується тільки 10%, а решта потрапляє у відходи.

Основними джерелами антропогенного забруднення навколишнього середовища є промисловість, сільське та комунальне господарство.

Серед забруднювальних промислових об'єктів найбільший внесок роблять підприємства енергетичної галузі (ТЕС, ГРЕС, АЕС, котельні), промислові об'єкти металургійної, хімічної, нафтопереробної промисловості. Великими забрудниками довкілля є військово-промисловий комплекс, гірничо-збагачувальна промисловість та автомобільний, повітряний водний та залізничний транспорт.

Енергетика, металургійна промисловість та автотранспорт створюють до 85% усього обсягу забруднень. Металургійна промисловість України зумовлює близько 35% усіх забруднень атмосфери і природних вод.

Близько 85% забрудників повітря викидають над промисловими районами.

За кількістю промислових забруднень на душу населення Україна посідає одне з перших місць у Європі. . Щорічний обсяг шкідливих речовин, які потрапляють на 1 кв.км площі України в 3,2 рази вищий, ніж у країнах Європі і у 6,5 рази, ніж у США. У нас функціонує 1700 шкідливих виробництв, у тому числі 5 АЕС. Близько 1000 хімічних підприємств є особливо небезпечними.

Значну кількість забруднювальних речовин викидає транспорт, особливо автомобільний. До значних забрудників довкілля належить житлово-комунальне господарство.

Антропогенні забруднення за типом походження поділяються на механічні, хімічні, фізичні і біологічні.

До механічних забруднень відносять різні предмети у воді, грунті, а також тверді часточки різного розміру. Найбільшими постачальниками відходів є гірничодобувний і гірничо-збагачувальний комплекси. Відвали в Україні займають площу близько 55 тис га, в яких знаходиться більше 20 млрд. тон промислових відходів, Щорічний обсяг побутового сміття в Україні становить близько 40 млн куб.м. Щороку на кожного жителя припадає побутових відходів у США - понад 700 кг, в Канаді - 380 , у Франції - 360, у Голландії - 190 .

Хімічні забруднення - це різноманітні сторонні штучні хімічні речовини (тверді, рідкі та газоподібні), які утворилися в хімічній, металургійній чи інших галузях господарства.

В світі зареєстровано більше 9 млн видів штучно отриманих хімічних речовин, Близько 300 тисяч хімічних речовин надходять у продаж. Різко зріс синтез органічних речовин (у1950 році вироблялося 7,0 млн тон, у 1985 - близько 250 млн тон). Асортимент штучних органічних речовин перевищує 2 млн назв. Багато з них токсичні для живих організмів, але ГДК розроблені тільки для 4,5 тисяч. Для більшості забруднюючих речовин відсутні методи реєстрації їхньої наявності в природному середовищу.

Найпоширеніші забруднювальні речовини.

Оксид карбону - чадний газ - утворюється при неповному згоранні палива, за концентрації в повітрі понад 4% - спричиняє смерть людини. Токсичність його полягає в тому, що він з'єднується з гемоглобіном крові і еритроцити втрачають здатність транспортувати кисень.

Оксиди нітрогену утворюються внаслідок недосконалої технології спалювання палива та в процесі виплавки металів. Оксиди нітрогену з'єднуються з вологою повітря і створюють азотну кислоту, яка шкідлива для зелених рослин. будівельних матеріалів. При великій кількості у повітрі можуть випадати «кислотні дощі».

Сірчаний та сірчистий ангідрид виділяються під час згорання палива з домішками сірки, переробки сірчаних руд, виплавляння кольорових металів.

Сполуки хлору поширюються в повітрі навколо хімічних заводів, що виробляють хлоридну кислоту, пестициди, суперфосфат, хлорне вапно, соду.

Великої шкоди природному середовищу завдають важкі метали: мідь, нікель, свинець, кадмій, ртуть та інші.

Фізичні забруднення біосфери - це забруднення біосфери різними видами енергії. До них відносяться шумове, вібраційне, теплове, світлове, інфразвукове, електромагнітне та іонізуюче.

Під шумом розуміють усі неприємні та небажані звуки або їх сукупність, які заважають нормально працювати, відпочивати і призводять до різних порушень екосистем. Рівень шумового тиску вимірюється децибелами ( умовні одиниці, які показують наскільки звук вищий за поріг слухового сприйняття) Звичайна розмова ведеться в межах 30 - 60 децибел. Допустима межа сили звуку - 85 децибел, больовий поріг - 140 децибел. Постійний шум силою 70 децибел викликає розлад нервової системи, 90 децибел - порушує слух. Рівень шуму природного навколишнього середовища складає 30 - 60 децибел.

Теплове забруднення є наслідком теплових викидів переважної більшості промислових підприємств, устаткування і машин, що використовують процеси горіння, нагрівання, вибуху, тощо. Значна кількість електроенергії у вигляді теплових втрат розсіюється в навколишньому просторі. Багато теплоти надходить у довкілля від теплотрас, систем охолодження.

Верхня межа витривалості організмів стосовно температурного фактора не перевищує 40 - 45^оС. Оптимум становить 15 - 30^о. Підвищення температури води в ставках-охолодниках теплових електростанцій до 36^о істотно зменшує біопродуктивність і може завдати значної шкоди існуючому біоценозу.

Вібрації - це тремтіння або струс усього тіла чи окремих частин. Тривалі вібрації призводять до втоми і значних порушень багатьох функцій організму. Необхідно розрізняти локальну та загальну вібрацію.

Електромагнітні поля створюють деякі види техніки. Вони можуть перевищувати середній природний фон у сотні разів і більше. Головним джерелом електромагнітного випромінювання є радіотелевізійні та радіолокаційні станції, засоби радіозв'язку, високовольтні лінії електропередачі, а також лінії електротранспорту. Рівень електромагнітних випромінювань може бути досить високий. Мірою забруднення електромагнітними полями є напруженість поля, одиницею якої є вольт на метр (в/м). Ці поля негативно впливають на нервову систему (неврози, безсоння, імпотенція та інше).

Іонізуюче випромінювання за силою та глибиною впливу на організм вважається найсильнішим. Різні організми мають різну чутливість до дії радіоактивного опромінення, навіть різні клітини одного організму мають різну чутливість.

Розрізняють природну та штучну радіацію. Природними є випромінювання сонця, космічне випромінювання, а також випромінювання внаслідок радіоактивного розпаду природних радіонуклідів в надрах землі.. Всі види флори та фауни Землі протягом мільйонів років виникали та розвивалися під постійним впливом природного радіоактивного фону й пристосувалися до нього.

Нині головними джерелами радіоактивних забруднень біосфери є радіоактивні аерозолі, які потрапляють в атмосферу під час випробувань ядерної зброї, аварій на АЕС та радіоактивних виробництвах, а також радіонукліди, що виділяються з радіоактивних відходів, захоронених на суші і в морі.

Важко переоцінити трагічні наслідки аварії на Чорнобильській АЕС, що стало фатальним фактором загрози генетичному здоров'ю нації. Із загального радіоактивного викиду в Україну потрапило 25%, Білорусь - 70%, Росію та інші країни - 5%.. В Україні від наслідків аварії постраждало 2,5 млн людей.

Біологічний ефект радіації зумовлений взаємодією енергії з живою речовиною, наслідком чого може бути канцерогенез. В процесі радіоактивного розпаду утворюються також вільні радикали, які можуть змінювати структуру клітин і тканин організму настільки, що відновлення їх стає неможливим. Зміну генетичного коду клітин організму називають мутацією, що приводить до різного роду порушень розвитку, в тому числі і до раку.

Серед хімічних забрудників окреме місце займають пестициди. Пестициди (гербіциди, інсектициди, фунгіциди) - хімічні речовини, що використовуються для знищення бур'янів, грибків, бактерій, різноманітних комах та тварин. Більшість їх - це синтетичні препарати, що мають токсичні властивості, Головна їхня властивість знищення різних форм життя, тому всі пестициди - небезпечні.

В процесі виробництва, транспортування, зберігання, застосування та утилізації пестицидів має місце забруднення довкілля. Призначені для застосування на сільськогосподарських угіддях, вони попадають у всі геосфери Землі, забруднюючи повітря, воду і грунт. Вище допустимої норми забруднено 65% сільськогосподарських угідь Західної Європи.

В Україні на сьогодні накопичилося близько 11 тис.тон застарілих невикористаних пестицидів, проблема утилізації яких не вирішена. Близько 25 млн сільськогосподарських робітників щороку отруюються пестицидами.

Деякі пестициди в грунті під дією сонячних променів трансформуються, утворюючи нові більш токсичні хімічні речовини.

Безпосередній вплив пестицидів на людину полягає в ураженні та зміні функцій печінки, захворюваннях центральної нервової та серцево-судинної систем, Вони негативно впливають на репродуктивну функцію людини. Значна стійкість пестицидів у природному середовищі призводить до значного накопичення їх як в екотопі так і в живих організмах.

Біологічне забруднення - це забруднення живими організмами, коли в природних та антропогенних екосистемах з'являються не властиві їм організми, або значно збільшується чисельність якогось із існуючих видів чи популяцій живих організмів. Це можуть бути тварини або мікроорганізми. Особливим випадком такого забруднення є мікробіологічне, пов'язане з розвитком у навколишньому середовищі паразитичної мікрофлори. Треба мати на увазі можливість використання мікроорганізмів як біологічної зброї.

Нормування і методи визначення забруднень

Попередження негативного впливу на природне середовище та забезпечення екологічної безпеки біосфери можливо лише при застосуванні в господарській діяльності людини безвідходних технологій. Рівень розвитку техніки на сучасному етапі не дає можливості розробити такі технології тому залишається один шлях - нормування кількості забруднень, що можуть потрапити в природне середовище, не спричинивши йому шкоди.

В основі нормування лежить установлення гранично допустимих концентрацій (ГДК) шкідливих речовин (полютантів) в атмосферному повітрі, воді, грунті, харчових продуктах. Для фізичних забруднень встановлюють гранично допустимі рівні (ГДР) того чи іншого забрудника.

ГДК чи ГДР полютанта - це такий його максимальний вміст в об'єєкті навколишнього середовища, який не знижує працездатності та самопочуття людини і в разі постійного контакту не може визвати захворювання чи відхилення в стану здоров'я, а також не викличе небажаних наслідків у нащадків.

ГДК визначаються окремо для кожного середовища. Для атмосферного повітря визначається ГДК_мр - максимальна разова ( при вдиханні такого повітря впродовж 20 хвилин не повинно бути негативних наслідків); ГДК_сд - середньодобова ( не повинна впливати негативно в разі дії впродовж всього життя), для повітря робочої зони - ГДК_рз - не повинна впливати при дії впродовж усіх років праці на виробництві. Для водного середовища ГДК_в - для водойм господарсько-питного призначення, ГДК_ВР - для водойм рибогосподарських. Для грунту - ГДК_гр.- не повинна впливати не тільки на людину, а й на самоочисну здатність грунту. Для продуктів харчування - ГДК_пр, або допустима залишкова кількість (ДЗК).

У разі наявності в якомусь середовищу декількох шкідливих речовин враховують їх сумарну шкідливість. Сума відношень концентрацій шкідливих речовин до їх ГДК не повинна перевищувати одиницю.

На сьогоднішній день встановлені ГДК для повітря робочої зони більш ніж на 1500 хімічних речовин, для атмосферного повітря - більше 500, для води водойм - більше 1000 , для грунту - 50, для продуктів харчування - більше 100 хімічних речовин.

Теорія нормування різних чинників середовища ґрунтується на декількох принципах, основні із них:

1. Принцип першочерговості медичних показань: беруть до уваги тільки особливості впливу на організм. Жодні докази про відсутність ефективних засобів зниження діючих концентрацій не враховуються.

2. Принцип пороговості - основа методології гігієнічного нормування. В кожному разі експериментально виявляється найменша концентрація, яка ще визиває якісь зміни в організмі - визначається порог дії. Ця концентрація і береться за основу для встановлення ГДК.

3. Принцип лімітуючого показника. При встановленні ГДК вивчають дію забруднила по декількох показниках і за основу для встановлення ГДК береться той показник, який виявився найбільш чутливим до дії забруднила.

4. Принцип лабораторного експерименту. Він дозволяє проводити нормування у стандартизованих порівняльних умовах, що веде до уніфікації досліджень у всіх лабораторіях і дає можливість порівнювати результати.

Для нормування різних викидів в атмосферу і викидів у водойми запропоновано норматив гранично допустимий викид в атмосферу (ГДВ), або гранично допустимий скид у водойму (ГДС). Гранично допустимий викид (скид) - це максимальна кількість шкідливих речовин, яка не повинна перевищуватися під час викиду в повітря (скиду у водойму) за одиницю часу, щоб концентрація полютантів на межі санітарної зони не перевищувала їх ГДК. Встановлюють ГДК та ГДС на основі розрахунку розсіювання чи розведення.

Екологічне навантаження

Для оцінки рівня забруднення навколишнього середовища використовують такий показник як гранично допустиме екологічне навантаження (ГДЕН) та техногенне навантаження на природне середовище. Техногенне навантаження характеризується модулем техногенного навантаження, під яким розуміють обсяг промислових і побутових стічних вод і твердих відходів, рознесених по адміністративних одиницях, які вимірюються в тисячах тон на квадратний кілометр за рік. В різних областях України модуль техногенного навантаження від 10 тисяч до 1000 тисяч тон на квадратний км. Найбільший він у Донецькій, Дніпропетровській і Запорізькій областях - від 100 тисяч до 1000 тис.т/км^2..

За ступенем гостроти виділяють 5 видів екологічної ситуації: катастрофічні, критичні, напружені, задовільні, умовно сприятливі. Катастрофічні характеризуються глибокими і незворотними змінами природи. При цьому істотно погіршується стан здоров'я людей, втрачається генетичний фон біоти і унікальні природні об'єкти. У разі критичних - виникають значні зміни ландшафту, наростає загроза втрати ресурсів та унікальних природних об'єктів. У «Методичних вказівках з виділення зон екологічного лиха (1992) виділяють зони екологічного лиха, екологічної небезпеки та екологічної кризи.

Методи дослідження стану довкілля

Для можливості дослідження стану довкілля і ступеню забруднення його різними полютантами необхідно мати методи визначення цих полютантів. Під час дослідження стану довкілля використовують якісні і кількісні методи визначення забрудників. Спочатку використовують як менш трудомісткий якісний метод визначення. Якісні методи дослідження мають супроводжуватися візуальним ефектом, для чого використовують реакції, при яких відбувається:

- поява чи зникнення осаду;

- поява, зникнення чи зміна кольору розчину;

- виділення газів;

- утворення кристалів характерного кольору і форми;

- поява забарвлених перлів та інше.

Для кількісного визначення полютантів використовують хімічні методи, фізико-хімічні методи (рідинна та газова хроматографія, іонообмінна хроматографія, електрохімічні методи, фізичні методи (мас спектрометрія), метод ядерного магнітного резонансу та інші.

Необхідно відмітити, що якісні методи дослідження можуть проводитися у місці відбору проби, в той час коли кількісні дослідження проводяться в спеціальних лабораторіях з застосуванням спеціального обладнання.

Екологічний моніторинг і якість природного середовища

Для керування процесом охорони природи, раціонального природокористування та забезпечення екологічної безпеки навколишнього середовища потрібна організація обліку антропогенних змін та їх проявів як в окремих регіонах, так і в глобальних масштабах. Такий облік потрібно здійснювати з метою запобігання будь-яким негативним наслідкам, погіршенню якості довкілля, а також для прогнозування змін у ньому та їх наслідків. Ці завдання вирішують за допомогою екологічного моніторингу. Екологічний моніторинг - це комплексна науково-інформаційна система спостережень, оцінки й прогнозування змін стану навколишнього середовища та живих організмів під впливом антропогенних факторів.

Розрізняють моніторинг фоновий, біологічний (біосферний) та господарський. За фонового моніторингу здійснюють систематичні стаціонарні заміри, які проводять за єдиною програмою стану атмосфери, грунту, природних вод та особливостей земної поверхні.

За біологічного моніторингу здійснюють систематичну оцінку стану видів рослин і тварин. Господарський моніторинг здійснюють з метою оцінки діяльності окремих сільськогосподарських або промислових об'єктів.

Екологічну безпеку біосфери повинна забезпечити система глобального моніторингу, організована на базі космічної та обчислювальної техніки на основі міжнародного співробітництва. Система моніторингу допомагає уникнути переходу критичних рівнів якості довкілля в екологічні катастрофи.

Тема: Екологічна безпека атмосфери

Мета: Ознайомити студентів з основними забруднювачами і забрудненнями атмосферного повітря, негативним впливом забруднень на довкілля і живі організми. Дати уяву студентам про нормування забруднень атмосфери, а також про основні заходи щодо попередження атмосферних забруднень.

Контрольні питання теми

1. Класифікація забруднень атмосфери, основні джерела забруднень атмосфери і основні забруднювальні речовини.

2. Вплив забруднень атмосфери на довкілля і живі організми.

3. Трансформація забруднень в атмосфері.

4. Парниковий ефект, кислотні дощі.

5. Руйнування озонового шару, ядерна зима.

6. Нормування якості повітря, визначення концентрацій забрудників в атмосферному повітрі.

7. Основні напрями заходів щодо попередження забруднення атмосферного повітря..

8. Очищення газодимових викидів, методи і принципи дії очисних споруд.

Навколо Землі існує повітряна оболонка - атмосфера (грец. атмос - дихання). Вона окутує Землю до висоти 2-3 тисячі кілометрів і межує з космічним простором. Атмосферне повітря - це фізична суміш газів азоту, кисню вуглекислого газу, до десяти інертних газів та водяної пари. Склад повітря досить сталий і мало змінюється з висотою, Але з підняттям вгору воно розріжується і відповідно зменшується вміст кожного газу в одиниці об'єму - знижується парціальний тиск газів. Гази, що утворюють атмосферу легко переміщаються, але атмосфера все таки має чітко виражену пошарову будову: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Над поверхнею Землі знаходиться тропосфера ( тропос - поворот). Вона сягає висоти від 8-10 км в полярних областях до 16-18 км над екватором. У ній міститься основна маса повітря, до 80% усієї маси атмосфери, воно має тут найбільшу густину.

Шар атмосфери, товщиною до 480 км, служить надійним щитом, що захищає Землю від бомбардування метеоритами, що летять із космічного простору в напрямку Землі.

Забруднення атмосфери.

У результаті виробничої діяльності людського суспільства відбувається забруднення атмосфери, що призводить до зміни хімічного складу повітря. Під забрудненнями атмосфери розуміють рідкі і тверді часточки та газуваті речовини, що надходять в атмосферу в результаті побутової та виробничої діяльності людей.

Забруднення атмосфери відбувається також і природним шляхом: вулканічні гази, природний пил, спори грибів, мікроорганізми, тощо.

Щороку в атмосферу внаслідок спалювання палива та від інших джерел потрапляє понад 25 млрд. т вуглекислого газу, понад 200 млн. т оксиду карбону, близько 200 млн т оксиду сульфуру, понад 50 млрд. т різних вуглеводнів.

Основними джерелами забруднення атмосферного повітря є енергетика (теплові та електричні станції), промислові підприємства, транспорт (особливо автомобільний), комунальне та сільське господарство, військово-промисловий комплекс. При цьому частка різних джерел у різних країнах дуже різниться. Так, у США на транспорт припадає 42%, спалювання палива в стаціонарних установках - 21%, промисловість - 14%, , спалювання деревного палива - 8%, спалювання сміття - 8%,на інші джерела - 10%.

15% вуглеводнів, 60% - оксидів нітрогену, 80% - сірчистого ангідриду, 26% - пилу утворюються внаслідок спалювання палива Від автотранспорту утворюється 50% вуглеводнів, 15% - оксидів нітрогену, 21% - пилу і 1% - вуглекислого газу. У містах багато утворюється органічних речовин і бактерій з побутових відходів та сміття.

Вихлопні гази автомобілів містять до 4-5% оксиду карбону, а також ненасичені вуглеводні й альдегіди, сірковмісні сполуки та сполуки свицю. Легковий автомобіль під час руху викидає за годину до 3 м³ оксиду карбону, а вантажний - до 6 м³. Щороку понад 200 мільйонів автомобілів викидають в атмосферу до 200 млн. т оксиду карбону, 40 млн. т вуглеводнів, 20 млн. т оксидів нітрогену та значну кількість свинцю.

Значно забруднюють повітря літаки. Викиди чотиримоторного реактивного літака на злеті еквівалентні вихлопу біля 7000 автомобілів. В портових містах джерелом забруднення є суднові дизельні двигуни, які споживають до 2 т палива за годину.

Одним із головних забрудників атмосферного повітря є теплоенергетика. Під час спалювання 1 т вугілля в атмосферу викидається до 23 кг попелу, 15 кг оксиду сульфуру. Теплові електростанції світу щороку викидають 120 млн т попелу і до 60 млн т оксиду сульфуру.

Не всі промислові викиди можна ідентифікувати. Найпоширенішими забрудниками, що надходять з промисловими викидами, є попіл, сажа, оксид цинку, силікати, хлорид свинцю, сірчистий і сірчаний альдегіди, вуглеводні, смоли, альдегіди, аміак, оксид карбону, радіоактивні гази та аерозолі.

Підприємства чорної металургії забруднюють атмосферу пилом, оксидами карбону, сульфуру, нітрогену та металів. Агломераційні фабрики викидають гази з великою кількістю пилу та оксиду сульфуру. Підприємства кольорової металургії викидають запилені гази. З 1 т пилу, що викидається в атмосферу при виплавлянні мідних руд, можна отримати 100 кг міді і трохи менше свинцю та цинку.

Хімічні виробництва забруднюють атмосферу пилом, що містить органічні та неорганічні сполуки, а також різними газами.

Класифікація забруднень

За агрегатним станом забруднювальні речовини поділяють на газуваті, рідкі, тверді і змішані. Промислові викиди поділяються:

- за організацією відведення й контролю - на організовані і неорганізовані;

- за температурою газів - нагріті, температура яких вища від температури атмосферного повітря, та холодні;

- за локалізацією - в основному, допоміжному та підсобному виробництвах;

- за ознаками очищення - викиди без очищення (організовані і неорганізовані) та після очищення (організовані).

Організований промисловий викид - це викид, який надходить в атмосферу через спеціально споруджені газоходи. Неорганізований - викид, що надходить в атмосферу у вигляді не спрямованих потоків газу через порушення герметичності обладнання, відсутності або незадовільної роботи місцевої витяжної системи.

Промислові викиди поділяють на первинні і вторинні. Первинні - це викиди, що надходять в атмосферу безпосередньо від джерела, вторинні є продуктами первинних, але можуть бути більш шкідливими і небезпечнішими.

Усі забруднення атмосферного повітря промисловими викидами можна класифікувати за такими ознаками:

1. за призначенням: технологічні, що складаються з хвостових газів після вловлювання на установках, продування апаратів; вентиляційні викиди - місцеві відсмоктування від обладнання та загально обмінна витяжка;

2. за місцем розташування : високі, що знаходяться в зоні недеформованого вітрового потоку (високі труби та інші більші в 2,5 рази від висоти будівлі); наземні, розміщені близько до земної поверхні.

3. за режимом роботи: безперервні і періодичної дії, залпові.

Екологічний вплив атмосферних забруднень

Атмосферне повітря є одним з основних природних ресурсів, без якого людина може прожити лише кілька хвилин. В організмі людини немає органів, які б забезпечували запас кисню хоч на невеликий проміжок часу, тому організм повинен постійно вдихати повітря для забезпечення киснем процесів окислення. Зміна хімічного складу і фізичних властивостей повітря приводить до порушення гомеостазу в організмі, спричиняючи небажані відхилення.

Фізіологічне значення атмосфери полягає в забезпеченні організму киснем. Організм людини адаптувався до чистого повітря. Постійні забруднення атмосферного повітря, особливо в промислових містах негативно впливають на здоров'я населення, на санітарно-гігієнічні умови, в яких вони проживають. Різні інгредієнти по різному впливають і на здоров'я і на санітарно-побутові умови.

На перше місце слід поставити пил як найбільш поширений вид забруднення повітря. Ступінь дисперсності твердих часточок, що містяться в повітрі, впливає як на їхні властивості, так і на глибину проникнення їх в органи дихання та затримку в легенях. Часточки пилу розміром більше 10 мкм осідають з наростаючою швидкістю із збільшенням їх розміру. Часточки пилу розміром менше як 0,1мкм зовсім не осідають і перебувають в постійному броунівському русі. При надходженні до легенів часточки пилу затримуються на поверхні легеневої тканини, накопичуються, створюючи високу концентрацію. Особливо це небезпечно в разі накопичення радіоактивних, канцерогенних, токсичних речовин або важких металів. Налічується до 400 канцерогенних речовин, серед яких найбільш небезпечними є бензпірен, дибензантрацен, діоксини та інші.

Коли повітря забруднене пилом, дихання людини стає поверхневим, що призводить до недостатньої вентиляції легенів і сприяє виникненню різних легеневих захворювань. Пил визиває у людини пошкодження слизової оболонки дихальних шляхів, загострення бронхіальної астми. Пил може також травмувати очі і визивати запалення слизових оболонок.

Велику шкоду має сажа, яка завжди є в задимленому повітрі. Сажа утворюється при неповному згоранні вуглеводистих речовин (нафта, смоли, тощо) і має в своєму складі канцерогенні речовини. Багато вчених пов'язують зростання захворюваності людей на рак з задимленням міст.

Окисли сірки і інші з'єднання сірки є сильними подразниками, при значних концентраціях можуть проявляти і токсичну дію. Токсичними є і такі речовини як оксид вуглецю, фтористий водень, свинець, ртуть і інші.

Концентрації атмосферних забруднень, що мають місце в звичайних умовах в повітрі промислових міст не визивають гострих отруєнь, але роками діючи на організм, ці забруднення визивають ті або інші хронічні ушкодження і захворювання. При несприятливих метеорологічних умовах і сильному забрудненні атмосферного повітря можуть бути випадки важких отруєнь людей і тварин. Так у грудні 1930 р. в Бельгії в долині р. Массе, де розташовано багато промислових підприємств, на протязі 5 днів була безвітренна погода з високим тиском і густим туманом. При таких метеоумовах окисли сірки, що виділялись з промислових підприємств, копичились в долині, досягли токсичних концентрацій і визвали гострі отруєння людей і тварин. Захворіли сотні людей і тварин, із яких 60 чоловік померли з явищами різкого подразнення дихальних шляхів.

Наявність в атмосферному повітрі значної кількості забруднень погіршує мікроклімат і світловий клімат населеного пункту, санітарно-побутові умови проживання населення.

Шкідливий вплив атмосферних забруднень на рослинність залежить від інтенсивності забруднення і може розповсюджуватись на великі відстані - до 10-25км. Ядовиті гази діють на протоплазму рослинних клітин, пил та сажа закривають дихальні отвори і затрудняють проникнення сонячних променів до хлорофілу. Під впливом димових газів змінюється колір листя, передчасно сохнуть і опадають, верхівки дерев засихають і гинуть. В лісах, що попадають в зону задимлення промисловими підприємствами зникають звірі, птахи і комахи.

Трансформація забруднень в атмосфері

Атмосферне повітря завдяки нерівномірному нагріву у різних широтах інтенсивно циркулює. Це усереднює склад компонентів повітря та сприяє переміщенню водяної пари з океанів у континентальні райони і забруднень на великі відстані. Під дією йонізуючих випромінювань в атмосфері з забрудненнями відбуваються різноманітні фотохімічні реакції з утворенням інших хімічних речовин. При цьому можливе перетворення оксиду нітрогену (ІІ) в оксид нітрогену (ІV). При взаємодії вуглеводнів з озоном або атомарним киснем утворюються вільні перокисні високоактивні речовини, здатні утворювати складні комплексні сполуки - оксиданти. Атомарний оксиген і озон можуть взаємодіяти з органічними сполуками з утворенням вільних радикалів.

Наявність вільних радикалів в атмосферному повітрі призводить до утворення смогу. Основними продуктами фотохімічних реакцій є альдегіди, кетони, органічні нітрати та оксиданти.

Парниковий ефект

Клімат планети впродовж всього періоду її існування поступово змінювався. Останнім часом в результаті швидкого зростання населення планети і його потреб відбувається інтенсивний розвиток енергетики і промисловості. Це призвело до утворення й викиду в атмосферу великої кількості забруднень та теплоти. Внаслідок спалювання органічного палива в атмосферу викидається понад 3х10¹⁴ МДж теплоти. Потепління планети, як вважають більшість вчених, відбувається головним чином внаслідок забруднення атмосфери «тепличними газами» - переважно вуглекислим газом, менше метаном та оксидом нітрогену. В атмосфері діоксид карбону та інші тепличні гази діють подібно до скла в парнику: вони пропускають короткі сонячні промені, які нагрівають земну поверхню, але затримують більш довгі інфрачервоні промені нагрітої земної поверхні, що зумовлює розігрівання планети. Це явище отримало назву «Парниковий ефект».

Загальний вміст «парникових газів» в атмосфері складає: вуглекислий газ - 355 частин на мільйон, метану - 1,75, оксидів нітрогену - 0,31, фторхорвуглеводнів - 0,001. Щорічно концентрація цих газів в повітрі зростає: вуглекислого газу на 0,5%, оксидів нітрогену на1,0%, метану 0,7%. За останні 40 років кількість викидів вуглекислого газу зросла на 35%. Збільшення вмісту вуглекислого газу в повітрі спричинило також вирубування лісів.

За даними підрахунків ООН до 2100 р. температура зросте на 3⁰ С. Це може призвести до танення льодовиків, що зумовить підняття рівня вод Світового океану на 2-3 метри і затоплення багатьох районів.

Потепління спричинить істотну зміну клімату майже на всій планеті, що може мати негативні і навіть катастрофічні наслідки. Основні кліматичні зони змістяться на північ і на південь на 400 км.

З метою запобігання впливу «парникових газів» на всесвітній конференції ООН в Токіо у 1998 р. було прийняте рішення про квотування викидів парникових газів. В грудні 2009 р. в Копенгагені (Данія) також проводилася конференція ООН по клімату, на якій не було підписано жодного документу через розбіжність у думках делегацій найбільш розвинених країн.

Кислотні дощі

Оксиди сульфуру і нітрогену, потрапляючи в атмосферу, сполучаються з вологою повітря і утворюють туманоподібні краплини сірчаної та азотної кислоти. Переносячись вітрами на значні відстані, вони потім можуть випадати разом з дощем, який має кислу реакцію. Кислотними називають будь-які опади - дощ, сніг, туман, якщо значення їх рН становить менш ніж 7,0. Кислотні дощі частіше мають рН в межах 4,1-2,1, інколи навіть менше 2,1. Сто років тому дощова вода мала рН 7,0, тобто нейтральну реакцію. Поступово індустріалізація охоплювала все більшу кількість країн, а надходження оксидів нітрогену і сульфуру весь час збільшувалось. Вперше кислотні дощі зареєстровані в Англії в 1972 році. З кожним роком кислотність дощів зростає. Так в 1990 р. рН дощів Західної Європи знизилась в порівнянні з 1989 р. на 0,2. В Україні кислотні дощі частіше випадають у Сумській, Черкаській, Рівненській областях, де в повітря викидається значна кількість оксидів нітрогену і сульфуру.

Під впливом кислотних дощів відбувається закиснення водойм і грунтів, вимивання з грунту калію, магнію і кальцію та зменшення врожайності на 3-8%., відбувається деградація флори і фауни. У закиснених водоймах гине риба і численні види комах. Внаслідок випадання кислотних дощі гинуть ліси, загибель лісів зумовлює гірські зсуви та селі.

В Україні за останні 35-40 років площа кислих грунтів збільшилась на 33%.

Руйнування озонового шару

В атмосфері на висоті 20-35 км є озоновий шар - природний захисний бар'єр від проникнення на поверхню Землі жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця з довжиною хвилі 325-400нм. Цей шар має відносно невелику товщину, але він захищає усе живе на Землі від згубної дії не сумісних з життям випромінювань.

Останнім часом озоновий шар зазнає руйнування під дією деяких хімічних речовин. Особливо небезпечними є фреони, що широко застосовуються у техніці і побуті як холодоагенти, в аерозольних упаковках та інше. Під дією ультрафіолетового випромінювання фреони розкладаються з виділенням атомарного хлору, який розщеплює озон на кисень. Один атом хлору призводить до розкладання 100 тисяч молекул озону. Руйнування озонового шару спричиняють також космічна і ракетна техніка та сучасні надзвукові літаки.

Внаслідок руйнування озонового шару концентрація озону зменшується, а в деяких місцях, зокрема над Антарктидою, виникає «пульсівна дірка». Ця дірка чітко виявляється із серпня по жовтень, а нині вона не затягується і влітку і має площу рівну площі Антарктиди. Як показали супутникові спостереження за останні 15 років ультрафіолетове випромінювання на поверхні Землі зросло більш ніж на 10%, а в районах Антарктиди - більш ніж на 40%. Це призводить до зниження імунітету і збільшення частоти захворювань серед людей і тварин.

З метою запобігання подальшого руйнування озонового шару атмосфери в 1985 р. у Відні підписана багатьма країнами «Конвекція про охорону атмосферного озону і скорочення виробництва фреонів та інших речовин, що руйнують озон».

Ядерна зима

Розрахунки, виконані американськими і російськими вченими, показують, що в разі виникнення ядерного конфлікту з використанням ядерних зарядів потужністю 1000 Мт тротилу, незалежно від місця вибуху, виникнуть величезні пожежі, які спричинять потепління на 1⁰С. Це супроводжуватиметься буревіями і призведе до значних руйнувань. Внаслідок пожеж в атмосферу підніметься багато парникових газів, пилу і сажі. Це також призведе до підвищення температури на 4-5⁰С, танення льодовиків, підвищення рівня вод Світового океану. Пил, попіл і сажа чорною хмарою затягнуть усе небо над землею, прозорість атмосфери зменшиться в 200 разів. Настане ядерна ніч, що призведе до повної загибелі рослинного покриву біосфери. Локальні зниження температури сягатимуть -40 -50⁰С - настане ядерна зима, що триватиме кілька місяців.

Нормування якості повітря та визначення концентраційзабрудників в атмосфері

Для успішної боротьби з забрудненнями повітря необхідно мати і знати норми чистоти атмосферного повітря. Тільки на основі норм можна давати оцінку ступеню забруднення повітря, обґрунтовувати необхідність тих чи інших заходів щодо охорони атмосферного повітря, провіряти ефективність проведених заходів. В різних країнах існують різні підходи до нормування забруднень в атмосферному повітрі. В нашій країні і в більшості країн світу в основі нормування забруднень лежить встановлення гранично допустимих концентрацій (ГДК) забрудників. В нашій країні для атмосферного повітря встановлені ГДК середньодобові і ГДК максимально разові і визначаються в мг на 1 м³. ГДК середньодобова розрахована на те, що людина дихає повітрям з такою концентрацією забрудника на протязі всього свого життя (від дня народження до смерті). Встановлені також ГДК для повітря промислових підприємств. ГДК можна розглядати як один із шляхів запобігання надмірному забрудненню атмосфери.

З метою стабілізації стану повітряного середовища та поліпшення якості повітря в Україні передбачається розробити стандарти якості повітря, пов'язавши їх з міжнародною системою стандартів. Передбачається також створити нову систему екологічного нормування.

Важливим нормативом, який дає змогу кількісно оцінити викид забруднювальних речовин в атмосферу є гранично допустимий викид (ГДВ).

Оцінку якості атмосферного повітря визначають порівнянням існуючої концентрації забрудника з його ГДК. Для визначення концентрацій забрудників в атмосферному повітрі необхідно мати методи визначення їх. В нашій країні розроблені методи визначення більш ніж 1500 хімічних речовин в повітрі. Для їх визначення застосовуються, хімічні, газохроматографічні, фізичні та інші методи дослідження.

Заходи щодо попередження забруднення атмосферного повітря

Охорона чистоти атмосферного повітря в населених пунктах сьогодні є актуальною і дуже важливою задачею. Заходи щодо охорони атмосферного повітря можна розділити на три групи: планувальні, технологічні і санітарно-технічні.

Планувальні заходи передбачають розташування промислових підприємств відносно сельбищної зони міста з урахуванням рози вітрів, встановлення санітарно-захисних зон між підприємством і сельбищною зоною.

Технологічні заходи повинні бути направлені на удосконалення технологічних процесів виробництва з метою ліквідації або значного зменшення викидів в атмосферу.

Санітарно-технічні заходи направленні на попередження викидів в атмосферу вище встановлених норм (попередня очистка викидів).

Очищення газодимових викидів

Усі методи очищення газодимових викидів можна розподілити на три групи: механічні, фізико-хімічні й хімічні.

Вибір методу очищення залежить від кількості відхідних газів та їхнього складу. Механічні методи застосовують для очищення вентиляційних та інших газових викидів від грубо дисперсного пилу. В них пил відокремлюється під дією сили гравітації, інерції або відцентрової сили. Існує сухе і мокре пиловловлювання.

Механічне сухе пиловловлювання здійснюють в осаджувальних камерах, циклонних сепараторах, механічних та електричних фільтрах. В осаджувальних камерах очищають гази з грубодисперсними часточками пилу розміром від 50 мкм і більше. З них відхідні гази направляють в інші ефективніші апарати для подальшої очистки.

Значно поширеніші циклонні сепаратори, У них запилений газ, обертаючись по спіралі, відкидає часточки пилу на стінки апарата, звідки вони осипаються в осаджувальну камеру. Ці сепаратори ефективно очищають гази від часточок розміром більше 25 мкм. Середня ефективність знепилення у циклонах становить до 85% для пилу розміром 30-40мкм.

У фільтрах газовий потік проходить крізь пористий матеріал різної щільності й товщини. Для очищення від тонкодисперсного пилу використовують фільтрувальний матеріал типу паперу або тканин різної щільності. Останнім часом в якості фільтрувального матеріалу використовують синтетичні матеріали, скловолокно та інше, що можуть витримувати температуру 150-250⁰С. Головною перевагою рукавних фільтрів є висока ефективність очищення (до 99%). Для тонкого очищення використовують керамічні фільтри, фільтри з пластмас, ефективність яких досягає 99,99%.

Для тонкого очищення газів використовують також електрофільтри. Крім пилу вони очищають гази від аеро- та гідрозолів. Для очищення електродів електрофільтра використовують струшувальні пристрої. За допомогою електрофільтрів можна очищати значні об'єми газів від пилу з розміром часточок 0,01-100 мкм. Ефективність очищення - до 99,9%.

Для підвищення ефективності електрофільтрів електроди інколи змочують водою. Такі електрофільтри називають мокрими.

До фізико-хімічних методів очищення газових викидів належать абсорбція і адсорбція. Абсорбція - це процес хімічного осадження або зв'язування забруднювальних речовин під час пропускання через рідкий поглинач. Апарати для такого очищення називають абсорберами. В них очищуваний газ і абсорбувальна рідина рухаються назустріч одне одному. Абсорбцію застосовують для очищення відхідних газів від хімічних речовин.

Адсорбційний метод очищення газів - це сорбція газуватих речовин на поверхні або в об'ємі мікропор твердого тіла. Таку тверду речовину називають адсорбентом. Апарати, в яких здійснюють адсорбцію, називають адсорберами.

Хімічні методи очищення викидних газів засновані на хімічному зв'язуванні шкідливих забруднювальних речовин.

Спалювання використовують для очищення від горючих вуглеводнів, що не використовуються у виробництві.

У багатьох випадках для знешкодження відхідних газів застосовують каталітичне окислення, відновлення та розкладання.

Тема: Екологічна безпека гідросфери

Мета теми: Ознайомити студентів з основними забруднювачами і забрудненнями вод Світового океану, поведінкою забруднень у воді, впливом їх на живі організми і процеси самоочищення води. Ознайомити з вимогами до якості води, з принципами визначення необхідного ступеня очистки стічних вод.

Контрольні питання теми

1.Користувачі і споживачі води, їх роль в забрудненні води.

2. Основні забруднювачі і забруднювальні речовини, що забруднюють води Світового океану.

3. Класифікація забруднювальних речовин.

4. Поведінка забруднень у воді та вплив їх на організми гідросфери і людей. Самоочищення води.

5. Контроль і управління якістю води.

6. Нормативні вимоги до якості води відкритих водойм різних категорій.

7. Визначення необхідного ступеня очистки стічних вод і умови скидання їх у водойму.

8. Основні напрями шляхів попередження забруднення відкритих водойм та підземних вод.

9. Очищення стічних вод, методи.

Вода виконує важливі екологічні функції:

- вода - це основна складова частина всіх живих організмів ( тіло людини складається на 60-70% з води залежно від віку людини, медузи, огірок - на 98-99%);

- за участю води здійснюються численні процеси в екосистемах ( обмін речовин, тепла та інше);

- води Світового океану - основний кліматоутворюючий фактор, головний акумулятор сонячної енергії;

- вода - один з найважливіших видів мінеральної сировини, основний природний ресурс, що споживається людством (води використовується в тисячі разів більше, ніж нафти чи вугілля).

Велику роль відіграє гідросфера у формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, в перенесенні хімічних речовин. Для багатьох організмів вода - це середовище їхнього життя.

Споживачі та користувачі води

Основними споживачами води є комунальне і сільське господарство та промисловість. У сільському господарстві воду використовують для поливу рослин, напування тварин й приготування корму для них, у комунальному господарстві - для пиття та приготування їжі для людей, для задоволення їхніх санітарно-гігієнічних потреб, як теплоносій, тощо. У промисловості воду використовують як сировину, реагент та розчинник для проведення різних технологічних процесів, для промивання сировини, продукції, тощо.

Усі галузі господарства за відношенням до водних ресурсів поділяються на користувачів і споживачів. Користувачі використовують воду як середовище або джерело енергії і не забирають її з джерел (водний транспорт, рибальство, туризм, гідроелектростанції, тощо. Споживачі забирають воду з джерел і використовують її за призначенням (пиття, приготування їжі, вирощування сільськогосподарської продукції, різні технологічні процеси на виробництві, тощо).

Після використання вода частково або повністю повертається до джерела, але уже із зміненою якістю. До 70% прісної води споживає сільське господарство. Нині у світі зрошується близько 15% площ усіх сільськогосподарських угідь. За прогнозами зрошувальні площі мають зрости майже у два рази.

Обсяг води, що споживається у промисловості оцінюють водоємністю виробництва, під якою розуміють кількість води, що витрачається на виробництво однієї тонни готової продукції. Водоємність різних видів виробництва коливається в дуже великих межах (від 15-20 м³/т продукції при виробництві чавуну, сталі до 2000-3000 при виробництві синтетичного каучука). Середній хімічний комбінат щодоби витрачає 1-2 млн м³ води.

Споживання води населенням характеризують питомим водоспоживанням, під яким розуміють добовий об'єм води в літрах, необхідний для задоволення всіх потреб одного мешканця населеного пункта. Питоме водоспоживання в містах на багато більше, ніж у селах і залежить від ступеня благоустрою населеного пункту. Так питоме водоспоживання в л/добу на одного мешканця Нью-Йорка становить 600, Парижа - 500, Москви - 400, Києва - 300. Місто з населенням понад 3 млн чоловік за рік споживає близько 1 км³ води. Необхідно відмітити, що для водо забезпечення населених пунктів використовується вода високої якості, що потребує складної технології її обробки. Якість води визначається вимогами споживачів - це сукупність органолептичних, фізичних, хімічних та бактеріологічних показників, що задовольняють вимоги споживачів. Вимоги до якості питної води нормуються державними стандартами, технологічної - галузевими стандартами.

Забруднення вод Світового океану

Основними джерелами забруднення вод є стоки з сільськогосподарських полів, ферм, міські й промислові стічні води, водний транспорт. Усі водні ресурси поділяють на підземні, поверхневі та атмосферні. Підземні води поширюються в земній корі до глибини 13-14 км. Для них характерне пошарове розміщення водоносних горизонтів, що відокремлені водонепроникними шарами породи, слабкий зв'язок з атмосферою, бідність форм життя, незначний розвиток біологічних процесів. Вони характеризуються меншим забрудненням та стабільнішим хімічним складом. За глибиною залягання підземні води поділяють на три зони. Верхня зона глибиною в основному 2-6 м, а інколи до 20-60 м має активний водообмін, зазнає дії фільтрівних атмосферних опадів. Мінералізація води коливається в межах 100-1000 мг/л. Середня зона розміщена на глибинах 300-600 м, інколи до 2000 м. Ця вода використовується частіше для бальнеологічних цілей. Нижня зона залягає на глибині кількох кілометрів часто зі значним вмістом галоген сульфіду, брому та інших рідкісних елементів. Ці води використовують для добування йоду, брому та рідкісних елементів.

Для господарсько-питних цілей використовують переважно води верхньої зони. Якість води залежить від грунтів та порід розташованих вище. Грунти торф'яно-тундрової зони збагачують воду органічними речовинами рослинного походження (гумінові речовини). Чорноземи, каштанові та солончакові грунти сприяють появі в воді мінеральних речовин. Зі збільшенням глибини залягання води зменшується мікробне забруднення і на глибині більше 6 м мікроорганізми в воді практично відсутні.

Підземні води можуть забруднюватися в результаті господарської діяльності людей. Найбільший вплив на якість води мають інтенсивний розвиток промисловості, міст, хімізація сільського господарства. При цьому в атмосферу, грунти й поверхневі води потрапляють різні неорганічні та органічні речовини. Біологічне забруднення підземних вод може призвести до появи в воді різних хвороботворних мікроорганізмів, що можуть бути в стічних водах з полів фільтрації, вигрібних ям, тощо.

До поверхневих вод належать води океанів, морів, річок, боліт, штучних водосховищ, каналів. Ріки, озера, штучні водосховища, болота мають прісну воду, яку використовують для господарського та господарсько-питного водозабезпечення.

Характерною особливістю річкової води є її нестабільність і неоднорідність хімічного й бактеріологічного складу, незначна мінералізація за значного вмісту органічних речовин як рослинного так і тваринного походження. Ці води доступні для будь-яких забруднень.

Основними джерелами забруднення поверхневих вод є господарсько-побутові стічні води і зливові води. Останні змивають з грунтів значні кількості забруднень і переносять їх у поверхневі води.

Залежно від характеристики промислові стічні води поділяють на умовно чисті (оборотні) і брудні. Умовно чисті - це стічні води після охолодження технологічного обладнання, компресорів та іншого устаткування. Брудні стічні води характеризуються технологією виробництва.

Усі види забруднень водних ресурсів можна розподілити на хімічні, фізичні, біологічні й теплові. Залежно від виду виробництва промислові стічні води містять різні шкідливі сполуки неорганічної та органічної природи. Більшість з них токсичні для біоти водойм.. Ці сполуки поглинаються фітопланктоном і передаються ланцюгами живлення більш високоорганізованим організмам, де вони можуть накопичуватися до значних концентрацій і визивати патологічні процеси.

Особливо сильно забруднюють природні поверхневі води промислові стічні води хімічних, нафтопереробних, металургійних, шкіряних заводів, целюлозно-паперових фабрик, м'ясокомбінатів та інших підприємств. Значну кількість органічних сполук, не властивих природі, містять стоки хімічних підприємств органічого синтезу, виробництва пластмас і мийних засобів. Багато з цих речовин стійкі, біологічно активні і важко видаляються із стоків.

У сільському господарстві для підвищення врожайності і продуктивності земель застосовують мінеральні добрива і пестициди, які змиваються з полів у водойми. Тваринництво є джерелом великої кількості органічної речовини, що потрапляє у водойми. Наявність сполук нітрогену в поверхневих водах спричинена органічними речовинами тваринного та рослинного походження, що і визначає показники окислюваності води, яка може коливатись від 2 до 30мг/л. Наявність гумінових речовин визначає кольоровість води, яка може коливатись від 50 до 100⁰.