Литосфера

Понятие о литосфере. Составляющие литосферы. Почва: ее экологическое и народнохозяйственное значение. Роль микроорганизмов в почвообразовании. Самоочищение почв. Недра. Экологические последствия горнодобывающих производств. Леса и растительный мир – их экологическая роль.

Основные источники загрязнения литосферы.

Охрана земель почвы: повышение плодородия почв, их рациональная эксплуатация, борьба с ветровой и водяной эрозией. Сбор и складирование бытовых и промышленных отходов. Устройство и функционирование полигонов твердых бытовых и промышленных отходов. Создание малоотходных и безотходных технологий, их цели и задачи. Отходы как вторичное сырье. Отходы производства и потребления.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли. Мощность литосферы 50-200 км, в том числе земной коры до 50-75 км на континентах и 5-10 км на дне океана. Верхние слои литосферы высотой до 2-3 км называются литобиосферой. Суша занимает около 30 % поверхности земного шара и включает земли различной категории.

Рассматривая землю как природный ресурс, подразумевают обычно ее верхний слой, толщиной от 0,5 до 2,0 м. Площадь этого слоя около 149 млн. км². Сельскохозяйственные земли (пашни, сенокосы, пастбища) составляют около 51 млн. км².

Назначение земли как природного ресурса состоит в поддержании растительного мира. В зависимости от плодородия почвы делятся на: пустыни, тундры, ледники, горы, зоны рискованного земледелия, плодородные земли. Экологическое значение почвы состоит в том, что она осуществляет связь живой и неживой природы, атмосферного воздуха, воды и недр. Народнохозяйственное значение почвы заключается в том, что она является основным средством производства в сельском и лесном хозяйствах.

При неправильной эксплуатации земли безвозвратно уничтожаются, что связано с эрозией, засолением, горнопромышленными разработками или загрязнением промышленными отходами. Нарушение почвенного покрова происходит при добыче полезных ископаемых и их обогащении; при захоронении отходов производства и бытового мусора; при проведении военных учений и испытаний, авариях и катастрофах. Почвенный покров существенно загрязняется также за счет осадков в зонах рассеивания различных выбросов в атмосфере.

В результате хозяйственной деятельности человека в почве накапливаются: загрязнения, оседающие из атмосферы; загрязнения, сбрасываемые вместе со сточными водами при выпуске на грунт, а также твердые отходы.

Охрана земель почвы состоит в предотвращении ее загрязнения и истощения. Это достигается принятием мер по повышению плодородия, организацией борьбы с водяной и ветровой эрозией, недопущению загрязнения почв отходами промышленности и сельского хозяйства, химическими веществами и нефтепродуктами.

Источники загрязнения литосферы.

1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, строительный мусор, мусор общественных учреждений: больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др.

2. Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют различные токсичные вещества. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит в ОС цианиды, соединения мышьяка, бериллия, шестивалентный хром и т.д. При производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы бензола, фенола и т.д.

3. Теплоэнергетика. Образование массы шлаков при сжигании каменного угля; выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, соединений ванадия, радионуклиды, оксиды серы, кислоты и др. токсичные вещества.

4. Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые в сельском и лесном хозяйствах для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания выделяются около 280 различных веществ, в том числе оксиды азота, свинец, углеводороды, сажа и другие вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями. Источниками загрязнения на автодорогах являются также пары бензина, масел и др. жидкостей на АЗС и станциях технического обслуживания; пыль от истирания автопокрышек и покрытий дорог, асбестовая пыль от тормозных колодок и муфт сцепления.

Самоочищение почв практически не происходит или происходит очень медленно. Токсичные вещества накапливаются, что способствует постепенному изменению химического состава почв и живых организмов. Из почвы токсичные вещества могут попасть в организмы животных, людей и вызвать нежелательные последствия.

Для защиты почв, лесных угодий, поверхностных и грунтовых вод от твердых и жидких отходов в настоящее время широко используют сбор и складирование промышленных и бытовых отходов. Свалки и полигоны для переработки и захоронения отходов - спутники всех промышленных центров и городов. На одного жителя в городе в среднем приходится в год примерно по 1 т твердых отходов, причем эта цифра постоянно увеличивается.

В городах под складирование бытовых отходов отводятся большие территории. Удалять отходы следует в короткие сроки, чтобы не допускать размножения насекомых, грызунов, предотвращать загрязнение воздуха. Во многих городах действуют заводы по переработке бытового мусора. В результате утилизации отходов город не только становится чище, но и получает дополнительные территории и сырье. Правильно организованная технологическая свалка – это такое складирование твердых бытовых отходов, которое предусматривает постоянную, хотя и очень долговременную, переработку отходов при участии кислорода воздуха и микроорганизмов. Для решения проблемы утилизации бытовых отходов важно организовать в городах их специализированный (раздельный) сбор.

Переработку промышленных отходов производят на специальных полигонах, предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленных предприятий, НИИ и учреждений. Жидкие токсичные отходы перед вывозом на полигон должны быть обезврежены на предприятиях.

Приему на полигон не подлежат: отходы, для которых разработаны эффективные методы извлечения металлов и других веществ; нефтепродукты, подлежащие регенерации; радиоактивные отходы.

Переработка отходов на полигонах предусматривает использование физико-химических методов, термическое обезвреживание с утилизацией теплоты, демеркуризацию ламп с утилизацией ртути, затаривание отходов в герметичные контейнеры и их захоронение. Полигоны должны иметь санитарно-защитные зоны от 300 до 1000 м. Размер санитарно-защитной зоны устанавливается в зависимости от мощности предприятия и класса опасности его отходов.

Нормирование химического загрязнения почв устанавливается по предельно-допустимым концентрациям в почве (ПДК_п).

Радикальное решение проблем защиты литосферы от промышленных отходов возможно при широком применении безотходных и малоотходных технологий и производств. Безотходная технология (согласно решению ЕЭК ООН и Декларации о МОТ и БОТ и использовании отходов) – это практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы в рамках потребностей человека обеспечить наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии и защитить окружающую среду.

Под безотходной технологией понимают не просто технологию или производство того или иного продукта, а принцип организации и функционирования производства, региональных промышленно-производственных объединений, территориально-производственных комплексов народного хозяйства в целом. При этом рационально используются все компоненты сырья и энергии в замкнутом цикле, т.е. не нарушается сложившееся экологическое равновесие в биосфере. Понятие безотходной технологии является в известной степени условным. Под ним понимается теоретический предел или предельная модель производства, которая в большинстве случаев может быть реализована не в полной мере, а лишь частично. Отсюда - малоотходная технология, которая является промежуточной ступенью при создании безотходного производства.

Малоотходная и безотходная технология должны обеспечить:

· комплексную переработку сырья с использованием всех его компонентов на базе создания новых безотходных процессов;

· создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного его использования;

· переработку отходов производства и потребления с получением товарной продукции или любое полезное их использование без нарушения экологического равновесия;

· использование замкнутых систем промышленного водоснабжения;

· создание безотходных ТПК и экономических регионов.

В определении БОТ подразумевается не только производственный процесс. Это понятие затрагивает и конечную продукцию, которая должна характеризоваться долгим сроком службы изделий, возможностью многократного использования, простотой ремонта, легкостью возвращения в производственный цикл или перевода в экологически безвредную формы после выхода из строя.

Отходы как вторичное сырье.

Отходами производства следует считать остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, образовавшихся при изготовлении продукции и полностью или частично утратившие свои потребительские свойства, а также продукты физико-химической или механической переработки сырья, получение которых не являлось целью производственного процесса и которые могут быть использованы в народном хозяйстве как готовая продукция после соответствующей обработки или в качестве сырья для переработки.

Отходы потребления - это различного рода изделия, комплектующие детали и материалы, которые по тем или иным причинам не пригодны для дальнейшего использования. Эти отходы можно разделить на отходы промышленного и бытового потребления. К первым можно отнести металлолом, вышедшее из строя оборудование, изделия технического назначения из резины, пластмассы, стекла и пр. Бытовые отходы - пищевые отходы, изношенная одежда, обувь и т.д., различного рода использованные изделия - упаковка, стеклянная и металлическая тара и т.п.

Отходы производства и потребления делятся на используемые и неиспользуемые. К используемым относятся отходы, которые применяются в народном хозяйстве в качестве сырья (полуфабрикатов) или добавок к нему для выработки продукции как на самом предприятии, где образуются эти отходы, а также за его пределами, а также используемые в качестве топлива, кормов и удобрений. К неиспользуемым отходам относятся те, которые по каким-либо причинам не используются (отсутствие капитальных вложений на их переработку, потребителей продукции, технической документации, необходимого оборудования и т.д.), или те отходы, которые на современном уровне развития науки и техники не могут быть использованы, либо их использование экономически нецелесообразно.

Все виды отходов производства и потребления по возможности их переработки на товарную продукцию или использование в народном хозяйстве можно разделить на вторичные материальные ресурсы (ВМР) и на отходы, переработка которых на данном этапе развития экономически невозможна, нецелесообразна, невыгодна.

Для характеристики и учета ВМР, хранения, использования их группируют по определенным признакам, например: подотрасль промышленности, в которой получаются или могут потребляться отходы; процессы, при которых образуются ВМР; физико-химические свойства отходов; объем образующихся отходов на единицу выпускаемой продукции; основные ценные компоненты и их содержание; показатели стоимости; возможности использования (переработка: наличие надежных способов и соответствующего оборудования) или применение в других отраслях хозяйства; транспортабельность.

 

Основная литература по теме: 1,2

Дополнительная литература по теме: 3, 4, 9.

План практических занятий

Тема: Защита биосферы от загрязнений

Практические занятия по данной теме включают решение задач с целью закрепления теоретических знаний, ознакомления с некоторыми расчетами, применяемыми в настоящее время специалистами по охране окружающей среды. По теме Атмосфера предлагается задача на определение высоты источника выбросов; по теме Гидросфера – задача на определение кратности разбавления сточных вод; по теме Литосфера – задача на определение класса опасности промышленных отходов. В качестве примера приведена задача на определение минимальной высоты источников выбросов.

 

При определении минимальной высоты источников выброса и установлении предельно допустимых выбросов концентрация каждого вредного вещества С в приземном слое атмосферы не должна превышать максимально разовой ПДК в атмосферном воздухе

С ≤ ПДК

При наличии фонового загрязнения атмосферы вместо С следует принимать С + Сф, где Сф – фоновая концентрация вредного вещества

С ≤ ПДК - С_ф

Минимальная высота трубы для холодных выбросов (∆ Т =0):

 

А · M · F · Д · η ^3/4

Н = ----------------------- (1)

8· V₁·(ПДК-С_ф)

 

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы. Значение этого коэффициента, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:

– 250 – для районов Средней Азии южнее 40º с.ш., Бурятской автономной республики и Читинской области;

– 200 – для Европейской территории России; для районов РФ южнее 50° с.ш.; для остальных районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии, для Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии;

– 180 – для Европейской территории РФ и Урала от 50 до 52° с.ш.

– 160 – для Европейской территории РФ и Урала севернее 52° с.ш. (за исключением центра ETC);

– 140 – для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей;

М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе. Значение F принимается

– для газообразных вредных веществ и мелко дисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю) – 1;

– для мелкодисперсных аэрозолей при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90 % – 2; от 75 до 90 % – 2,5; менее 75 %при отсутствии очистки – 3;

H – высота источника выброса над уровнем земли, м;

∆Т – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в, ºС;

V₁ – расход газовоздушной смеси, м³/с, V₁ = π · Д² · w₀/4,

где w₀ – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

Д – диаметр устья источника выброса, м;

η– безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности на значение максимальной приземной концентрации С_м от одиночного точечного источника. Значение этой величины устанавливается на основе анализа картографического материала, освещающего рельеф местности в радиусе до50 высот наиболее высокого из размещаемых на промплощадке источника, но не менее чем до 2 км η=1, если нет гряды, ложбины, уступа, гребня и т.д.

Для теплых выбросов значение Н сначала рассчитывается по формуле (1). Если при этом найденное значение Н ≤ w₀·√10·Д/∆Т, то оно является окончательным. Если найденное значение Н > w₀·√10·Д/∆Т, то предварительное значение минимальной высоты выбросов (трубы) определяется по формуле (2).

 

(2)

 

По найденному таким образом значению Н=Н₁ определяются на основании формул (5)-(10) и устанавливаются в первом приближении коэффициенты m=m₁, n=n₁. Значение коэффициентов n₀ и m₀ принимается равным 1. Если m₁ и n₁≠ 1, то по m₁ и n₁ определяется второе приближение Н=Н₂ по формуле (3):

Если Н₂-Н₁>1 м, то рассчитываем Н₃, предварительно определив коэффициенты n₂ и m₂ по формулам (2)-(10), приняв Н=Н₂.

Расчеты Н проводят до тех пор, пока два последовательных значения Н не будут отличаться друг от друга на 1 м, т.е. пока Н_n-H_n-1≤1 м.

В общем случае (i+1)-е приближение H_i+1 определяется по формуле (4):

 

где m_i, n_i соответствуют Н_i; a m_i-1, n_i-1 соответствуют Н_i-1.

Здесь m, n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса. Значение коэффициентов m, n определяются в зависимости от параметров: f, V_m.

Коэффициент m определяется по формуле (5)

 

m = 1/(0,67 + 0,1 ·√f+0,34·³√f), (5)

 

где

w₀² · Д

f = 1000 ------------, (6)

Н² · ∆Т

 

Коэффициент n определяется в зависимости от V_m по формулам:

 

n = 1 при V_m ≥ 2 (7)

n = 0,532· V_m ² – 2,13· V_m при 0,5≤V_m<2 (8)

n = 4,4 · V_m при V_m<0,5 (9),

где V_m = 0,65 · ³√ V₁ · ∆Т/H (10)

 

Если из источника выбрасывается несколько различных вредных веществ, то за высоту выброса должно приниматься наибольшее из значений Н, которые определены для каждого вещества в отдельности, т.е., если F₁M₁>F₂M₂, то Н определяется по выбросу М₁.

 

Варианты для самостоятельной работы