Химия и экология

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Реферат по химии

Химия и экология

ученика 11 А класса

школы №1

Пельц Дмитрия

Кировград 2001 г.

Введение

химия загрязнитель почва

Если на пикник с друзьями

Летом ты идешь к реке

И жестянок -- банок гору

Еле тащишь в рюкзаке,

Не трудись пустые банки

Глубже в землю закопать,

Ведь быстрее и удобней

Все их в речку побросать!

А река-то глубока,

Спрячет их наверняка!

Оловянная рыбешка

Будет бить в реке хвостом,

Может быть, ее поймают,

Но ведь это же потом!

Современная экология и ее проблемы

Появление в литературе термина «экология», ставшего названием одной из дисциплин биологической науки, связывают с имением немецкого естествоиспытателя Э.Геккеля. В своем труде «Всеобщая морфология организмов», изданном в 1866 г., он определил экологию (от греч. oikos -- жилище) как науку о домашнем быте живых организмов. «Под экологией, -- писал Э.Геккель, -- мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все «условия существования».

Рассмотрение истории развития экологии позволяет отметить, что как бы широко ни трактовался предмет исследования данной науки, она никогда не претендовала на то, чтобы включить в него проблемы, касающиеся отношений человека и человеческого общества с окружающей природной средой. Экологические проблемы человечества образовали самостоятельную сферу экологического познания -- глобальную экологию. Уже в 70-е годы сложилась практика определять комплекс глобальных проблем человека и природы как глобальную экологическую проблему, а комплекс наук, исследующих эту проблему, -- как глобальную экологию или экологию человека.

Становлению глобальной экологии предшествовало стремительно развернувшееся в течение двух лет (с 1968 по 1970 гг.) движение, которое, по словам известного эколога Ю.Одума, проявилось как «всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды». Рост общественного интереса к проблемам загрязнения природной среды, дефицита пищи и энергии, народонаселения был не случаен. Он явился естественной реакцией людей на обострение взаимоотношений общества с природной средой.

Первой страной, ощутившей отрицательное влияние химического загрязнения природной среды, стала Япония. В этой стране свыше 80 % территории испытывает на себе непосредственное влияние промышленного производства. Японцы первыми заговорили о проблеме «когай», означающей опасность вреда от загрязнений окружающей среды. Вскоре с этой проблемой столкнулись и в других странах.

Стратегия природопользования, опиравшаяся на идею могущества человека и его растущей власти над природой в эпоху НТР, долгое время казавшаяся незыблемой, на поверку оказалась всего лишь стратегией «яблоневой плодожорки», пожирающей среду своего обитания. Осознание данной ситуации способствовало постановке серьезнейших задач как в практической области, так и в сфере фундаментальных научных исследований. Экологическими проблемами стали заниматься представители самых разных наук, причем не только естественных, но и гуманитарных. Обусловлено это тем, что наряду с необходимостью разработки новой стратегии природопользования и создания принципиально новых промышленных технологий встала задача экологической перестройки сознания людей, широкой пропаганды экологических знаний.

Современная «большая» экология развивается в трех основных направлениях, акцентирующих внимание, во-первых, на проблемах выживания человечества в условиях обостряющихся противоречий его с окружающей средой, во-вторых, на необходимости сохранения устойчивости биосферы Земли, испытывающей на себе антропогенное давление и, наконец, в-третьих, на проблемах сохранения здоровья человека, оказавшегося в условиях стремительно изменяющейся среды его обитания. Каковы эти проблемы при более детальном рассмотрении, а также пути их решения и стали объектом моей работы “Химия и Экология”.

1. Проблемы и их решения

1.1Фреоны и озонный щит планеты

В своей хозяйственной деятельности человечество использует насыщенные газообразные или жидкие фторуглероды или полифторуглеводороды, часто содержащие атомы хлора и брома, -- так называемые фреоны или хладоны. Наиболее распространенные фреоны:

CFCL -- фреон 11,

CF2C12 -- фреон 12,

CHC1F2 -- фреон 22,

CF2ClCFCl2 -- фреон ИЗ,

CF2ClBr -- фреон 12В1,

CF3Br -- фреон 13В1.

Все эти вещества в природе естественным путем не образуются, исключение составляет фреон 11, небольшие количества которого обнаружены в газовых выбросах вулканов на Курильских островах) и, следовательно, появление их в атмосфере обусловлено антропогенным вкладом. Фреоны характеризуются уникальным набором свойств, которые обеспечили им широкое использование в промышленности. Эти вещества имеют низкие температуры кипения, не ядовиты, негорючи, взрывобезопасны, химически инертны. Они не действуют на распространенные конструкционные материалы, а в малых дозах безвредны для людей. При высоких концентрациях некоторые фреоны обладают наркотическим (фреон 12), а иногда удушающим действием (фреон 142, фреон 22).

Интенсивное применение фреонов началось в 50-е годы. Их получают реакцией хлорированных углеводородов с SbF5, HF или KF:

ССl4 + 2HF SbF5 CCl2F2 + 2HCl

Фреоны являются распространенными хладагентами в холодильниках и кондиционерах, используются как носители активных химикатов (пропелленты) в аэрозольных баллончиках, получивших широкое распространение в быту. В такой удобной для дозировки упаковке выпускают множество продуктов -- лекарства, краски, косметические средства, моющие препараты, инсектициды и др. При получении пенопластов фреоны применяют для формирования полостей и пузырьков. Ряд фреонов используют как компоненты огнетушащих составов в системах автоматического пожаротушения, например фреон 13В 1. Некоторые фреоны являются незаменимыми растворителями C2Cl3F3. К 1975 г. мировое производство фреонов достигло 800 тыс. т в год.

Трудно было предположить, что эти, казалось бы безвредные, соединения могут представлять серьезную угрозу для биосферы в целом. Однако, оказалось, что фреоны, будучи химически инертными соединениями, при попадании в тропосферу не разрушаются в ней. Ученые установили, что время удаления фреонов из океана, обусловленное гидролизом или микробиологическим разрушением после перехода поверхности газ-жидкость, составляет для ферона 11 -- 70 лет, фреона 12 -- 200 лет. Действие почвенных микроорганизмов также незначительно, так как время удаления фреонов из почвы под их воздействием превышает 10 тыс. лет. Это означает, что попавшие в тропосферу фреоны медленно диффундируют в стратосферу. Сами по себе фреоны не представляют опасности для озонового экрана, так как эти вещества инертны по отношению к озону. Однако специальные наблюдения с помощью воздушных шаров показали, что свободно мигрирующие в тропосфере без больших потерь фреоны в стратосфере на уровне более 20 км подвергаются фотохимическому распаду, выделяя

CF2Cl2 hv CF2Cl* + Cl*

CFCl3 hv CFCl2* + Cl*

длина волны = 185-225 нм

Атомы хлора действуют как сильные катализаторы распада озона.

В разрушении фреонов, кроме УФ-излучения солнца, участвует также атомарный кислород в возбужденном состоянии, образующийся при фотодиссоциации озона. По механизму действия на озоносферу к фреонам близки и некоторые органические растворители, например ССl4 или CH3CCl3.

Галогензамещенные углеводороды, содержащие атомы водорода (CH3CCl3, CHClF2 и др.), окисляются и гидроксильным радикалом НО и поэтому имеют более короткое время жизни в атмосфере. Это время определяется как отношение содержания данного вещества в определенном объеме к интенсивности его уменьшения в этом объеме. Среднее время жизни, по данным ученых, составляет для фреона 11 и 12 около 80 лет, СС14 -- 50 лет, СН,СС13 -- около 10 лет. Очевидно, что даже при гипотетическом полном прекращении всех выбросов фреонов в атмосферу их содержание будет достаточно высоким еще и в XXI в. При сохранении же современной скорости уменьшения выброса галогенсодержащих углеводородов (на 10 % в год) к середине XXI в. содержание активных соединений хлора в атмосфере увеличится в 10 раз и более по сравнению с уровнем 50-х гг. до начала промышленного производства фреонов.

Осознание этой опасности побудило ряд государств значительно сократить или вовсе прекратить производство и применение фреонов. Так, в качестве пропеллентов для аэрозолей начали использовать пропан, который хотя и горюч, но дешевле фреонов и не опасен по своим отдаленным последствиям. Для холодильников предложены менее летучие фторхлорпроизводные углеводороды, например фреон 113 (tКИП = 47,7 °С) вместо фреона 12 (tКИП = 29,8 °С). Таким образом, человечество уже делает первые конкретные шаги для сохранения озонного щита планеты.

1.2 Хлорароматические соединения как глобальные загрязнители

Химическая устойчивость ароматических углеводородов и их высокая токсичность обусловливают повышенную опасность этих веществ при попадании их в окружающую среду. В природе имеются микроорганизмы, способные разрушать ароматические ядра до соединений, которые, включаясь в природный круговорот, в конечном итоге превращаются в СО2 и Н2О. Однако микробиологическому разрушению подвергаются кольца, содержащие по крайней мере 2 гидроксильных заместителя в орто- или параположениях. Если же ароматические углеводороды устойчивы к окислению, то опасность их при попадании в природную среду резко возрастает из-за их способности накапливаться в живых организмах. К таким веществам относятся бензол, третбутилбензол, конденсированные ароматические углеводороды и т.д. Так, известно, что первый представитель ароматических углеводородов -- бензол представляет опасность для человека. Продолжительное вдыхание даже небольших количеств паров бензола вызывает хроническое отравление, утомляемость, головные боли, сонливость, нарушение кровообращения и нормального состава крови. Функциональные производные бензола также опасны для живых организмов. Например, фенол является нервным ядом, обладает прижигающим и раздражающим действием. Фенол легко всасывается через кожу, при длительном воздействии на кожу опасны даже 2--3 %-е растворы фенолов и особенно его пары. Однако приоритетными загрязнителями окружающей среды в настоящее время являются хлорароматические соединения. Это обусловлено широким использованием в сельском хозяйстве таких средств защиты растений от вредителей и болезней, как ДДТ, линдан, гербициды на основе хлорфеноксикарбоновых кислот.

Источником хлорзамещенных ароматических углеводородов являются также антисептики на основе пентахлорфенола, полихлорированные бифенилы и полихлорнафталины, применяемые в качестве негорючих изоляционных жидкостей в трансформаторах, пластификаторов, пластмасс, лаков и лакокрасочных материалов. Эти соединения используются также в качестве материалов-носителей, растворителей пестицидов.

Хлорароматические соединения обладают рядом общих свойств, которые выделяют их среди других органических загрязнителей, острым токсическим действием на человека и животных, устойчивостью к разложению при попадании в почву, воду, воздух и способностью мигрирования в них, способностью накапливаться самих хлорорганических соединений или их еще более токсичных метаболитов в органах и тканях живых организмов.

При использовании дихлордифенилтрихлорметил-метана -- ДДТ возникла настоящая экологическая проблема. Это вещество впервые было синтезировано и предложено в качестве средства борьбы с вредителями сельского хозяйства в 1940 г. швейцарским химиком Паулем Мюллером, удостоенным за эту работу Нобелевской премии. Казалось, что применение этого вещества позволит человечеству справиться со многими проблемами -- благодаря применению ДДТ резко уменьшился ущерб, наносимый саранчой и другими насекомыми-вредителями, миллионы людей были спасены от малярии, разносимой комарами.

Однако вскоре изумление перед мощью ДДТ изменило радужную окраску на трагическую. Оказалось, что ДДТ вредно действует на все организмы, включая водоросли. Уже при содержании его несколько час-тей на миллиард падает скорость фотосинтеза, процесса, который является основным поставщиком кислорода в атмосферу. Далее выяснилось, что ДДТ, как и многие другие пестициды, обладает кумулятивным эффектом, вызывает тяжелые последствия -- от токсических до мутагенных. Благодаря устойчивости ДДТ, он накапливается и передается по пищевым цепям -- от растений к травоядным животным, от них к хищникам, при этом в каждом последующем звене пищевой цепи содержание ДДТ увеличивается в 10

раз. В результате накопления препарата его концентрация в организме, который никогда не соприкасался с ядом, может достигнуть смертельных доз. Когда в США обнаружили, что в молоке кормящих матерей концентрация ДДТ превышает в 4 раза предельно допустимую дозу, применение его было запрещено. В 1970 г. применение ДДТ запретили и в СССР. Однако в результате прежнего неограниченного применения ДДТ сегодня на Земле в биологическом круговороте находится около миллиона тонн этого препарата в силу чрезвычайно малой скорости его разложения (10 лет). Кроме того, в природной среде ДДТ способен превращаться в-еще более опасное соединение ДДЭ, поскольку последнее вещество еще медленнее, чем ДДТ метаболизируется и разрушается.

К сожалению, токсическое и мутагенное действие на организм человека свойственно не только ДДТ и ДДЭ, но и многим другим пестицидам.

Еще более опасны по своим отдаленным последствиям по сравнению с хлорированными ароматическими углеводородами полихлорированные полициклические соединения типа полихлордибензо-п-диоксинов и полихлордибензофуранов

Известно, несколько десятков изомерных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов, содержащих от 1 до 8 атомов хлора в различных положениях и отличающихся друг от друга своими свойствами и токсичностью. Наиболее токсичными являются 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин и 2,3,7,8-тетрахлордибен-зофуран. Эти вещества обладают чрезвычайно высокой биологической активностью и высокой химической стабильностью в природе и живых организмах, свободно переносятся по цепям питания. Даже в ничтожных концентрациях эти соединения подавляют иммунную систему организмов, повышают тем самым чувствительность к инфекционным заболеваниям, особенно вирусным, снижают умственную и физическую работоспособность. При содержании несколько частей на триллион эти примеси оказывают мутагенное и канцерогенное воздействие, поражают нервную систему, нарушают детородные функции.

Накопление полихлорполициклических соединений началось в период развертывания производств гексахлорана и ДДТ, особенно после пуска производств полихлорфенолов и хлорированных дифенилов. Наибольшую известность проблема диоксинов получила в результате массовых поражений населения, животных и растений в Южном Вьетнаме, где с 1961 по 1971 гг. армией США было применено около 100 тыс. т гербицидов и дефолиантов, половину из которых составлял 2,4,5-Т, содержащий в своем составе до 100 ч на 1 млн 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина. Позже было установлено, что хлорированные диоксины образуются также на целлюлозных заводах при отбеливании пульпы хлором, в воде при ее хлорировании с целью обеззараживания. Диоксины выделяются также при неконтролируемом сжигании отходов, содержащих поливинилхлорид или не содержащих хлор органических веществ в присутствии веществ -- доноров хлора. Так, обычная мусоросжигалка можетстать поставщиком этих ядовитых соединений в природную среду.

Таким образом, несмотря на прекращение производства и запрещение применения хлорароматических соединений, опасность загрязнения ими окружающей среды продолжает существовать и в последнее время приобретает новые аспекты.

2.Твёрдые промышленные отходы источники возникновения

В Свердловской области, где наибольшее развитие получили отрасли тяжелого, энергетического и химического машиностроения, горнорудной и металлургической промышленности, в результате интенсивной хозяйственной деятельности образуется значительное количество отходов производства и потребления.

Ведущее место в промышленности области занимают черная и цветная металлургия. Большая часть предприятий области являются крупнейшими в стране. Среди горнодобывающих и металлургических предприятий выделяются: Качканарский горнообогатительный комбинат и Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), Первоуральский новотрубный завод, Северский трубный завод (г. Полевской) и Синарский трубный завод (г. Каменск-Уральский), Богословский алюминиевый завод (г. Краснотурьинск) и Уральский алюминиевый завод (г. Каменск-Уральский), Среднеуральс-кий медеплавильный завод (г.Ревда) и Кировградский медеплавильный комбинат, «Святогор» (г. Красноуральск), «Уралэлектромедь» (г. Верхняя Пышма), «Севуралбокситруда», Серовский завод ферросплавов и Ключевской ферросплавный завод, Кировградский завод твердых сплавов.

Другой основной отраслью области является машиностроение, которое ориентировано на выпуск химического, нефтепромыслового, металлургического, электротехнического оборудования, экскаваторов, паровых и газовых турбин, вагонов, сельскохозяйственных машин, мотоциклов, радиоэлектронной аппаратуры, продукции оборонного назначения. Среди предприятий машиностроительного комплекса крупнейшими являются предприятия: «Уралмаш», «Уралэлектротяжмаш», «Уралхиммаш», Турбомоторный завод, расположенные в г. Екатеринбурге, «Уралвагонзавод» (г. Нижний Тагил), «Уралгидромаш» (г. Сысерть).

Крупнейшим предприятием по производству строительных материалов является «Ураласбест»

Основными видами продукции химико-лесного комплекса являются -- пластмассы, синтетические смолы, шины, резинотехнические изделия, серная кислота, минеральные удобрения, деловая древесина, пиломатериалы, бумага, картон, фанера, древесноволокнистые и древесностружеч-ные плиты. Ведущими предприятиями области этой отрасли являются «Уралхимпласт» (г. Нижний Тагил), «Хромпик» (г. Первоуральск), Шинный завод, Завод резинотехнических изделий (г. Екатеринбург) и предприятия деревообрабатывающей промышленности.

Всего по области на начало 1996 года накоплено 34,57 млрд. тонн токсичных и нетоксичных отходов (в том числе 30 млн. м3 бытовых отходов), 3,9 млн. штук ртутных ламп и 35 млн. м3 нетоксичных отходов. Эти данные не являются полными из-за незавершенной инвентаризации большинства хранилищ. За 1995 г. на предприятиях области образовалось 148,6 млн. т (в 1994 г. -- 234,7 млн. т) токсичных и нетоксичных отходов, 386 тыс. штук ртутных ламп и 3,7 млн. т (в 1994 г. -- 5,9) нетоксичных отходов (в т.ч. 1,8 млн. м3 бытовых отходов). Для сравнения, в Великобритании ежегодно производится 207 млн. т твердых отходов (см. рис. 18), что составляет в стране с населением около 60 миллионов человек более трех тонн на каждого мужчину, женщину и ребенка. Как видим, в нашей области на душу населения в 1995 году пришлось более 30 тонн отходов.

Большую часть отходов по области составляют вскрышные и вмещающие породы -- 129,1 млн. т (1995). И в целом по миру самое большое количество отходов поступает от добывающей промышленности (в основном добычи угля). Старые шахты, работающие на тонких пластах угля, могут производить больше отходов, чем угля. Современные шахты производят примерно половину угля и половину отходов. Отходы угледобычи и обогащения в нашей области в 1993 г. составили 16 млн. м3 вскрышных пород и 0,6 млн. м отходов обогащения.

По данным обследования, в 1995 году на 1505 промышленных предприятиях области образовалось 19,38 млн. т токсичных промышленных отходов. Значительный удельный вес в общем объеме отходов занимает черная металлургия -- 37,6% (7,2 млн. т), цветная металлургия -- 18,4% (3,6 млн. т) и электроэнергетика 26,9% (5,2 млн. т).

Из предприятий черной и цветной металлургии самое значительное количество отходов вырабатывают НТМК (2,5 млн.т) и «Уралэлектромедь» (2,46 млн.т). В химической промышленности основное количество токсичных отходов приходится на «Хромпик» (57,3 тыс.т), в стройиндустрии -- на «Невьянский цементник» (373,5 тыс.т отходов).

2.1Проблемы, связанные с твердыми промышленными отходами

Основная часть промышленных отходов области размещается в хранилищах, не соответствующих нормативным требованиям. Отсутствие свалок по захоронению высокотоксичных отходов усугубляет экологическую обстановку в области. Предприятия вынуждены либо временно хранить образовавшиеся токсичные отходы на своей территории, либо размещать их в хранилищах, не предназначенных для захоронения данных отходов. Эти хранилища занимают огромные территории и являются загрязнителями почв, поверхностных и подземных вод. Недопустимо большое количество высокотоксичных отходов находится на временном хранении на территории предприятий (нефтеотходы -- 92 тыс. т и фенолсодержащие отходы -- 3627 т).

Кроме того, значительные площади земель заняты шламонакопителями, осадками сточных вод и другими накопителями промышленных и бытовых отходов.

Особенно неблагоприятная обстановка сложилась с хранением отходов гальванических производств (образовалось 339 т за 1994 год) и отходами, содержащими полихлордифинилы (ПХД) (на предприятиях находится 439 трансформаторов и свыше 45 тыс. конденсаторов с суммарным содержанием совтола, совола и гексола 2153 т). Нет действующих установок по переработке этих высокотоксичных отходов, не соблюдаются условия их хранения.

Около 50% отходов поступает в места организованного складирования отходов. В организованных хранилищах накапливаются в основном крупнотоннажные отходы: шлаки металлургического передела, шламы и пылегазоочистных сооружений черной металлургии.

Токсичные промышленные отходы содержат вещества, оказывающие негативное воздействие на состояние окружающей среды и здоровье человека. Так, например, в молоке, производимом в хозяйствах, расположенных около крупных промышленных центров, выявлено накопление тяжелых металлов и мышьяка. Особенно неблагоприятная экологическая обстановка складывается в Красно-уфимском, Туринском, Нижне-Сергинском и Пригородном районах.

Отсутствие в области специализированных комплексов по переработке и обезвреживанию токсичных промышленных отходов привело к тому, что часть не утилизированных отходов вывозится в места неорганизованного складирования -- свалки, карьеры. В 1994 году на несанкционированные свалки отправлено 32,2 тыс. т отходов. На полигон ТБО «Северный» 311 промышленных предприятий Екатеринбурга и Верхней Пышмы вывозят отходы в количестве до 20 тыс. тонн в год.

2.2 Классификация промышленных отходов

химия загрязнитель почва отходы

Самыми перспективными и прогрессивными методами обезвреживания твердых промышленных отходов следует считать те, которые могут быть включены в наименее опасные для здоровья людей и окружающей среды, высокоэффективные, замкнутые, мало- или безотходные технологические процессы данного вида производства. Не менее прогрессивным методом обезвреживания промышленных отходов является их широкое использование в народном хозяйстве, с учетом определенных гигиенических требований, гарантирующих полную безопасность такого использования для здоровья людей, отдаленных последствий, а также для охраны окружающей среды.

Все промышленные отходы делят на утилизируемые и не утилизируемые. Утилизируемые промышленные отходы не подлежат уничтожению или захоронению, а должны быть использованы в народном хозяйстве как топливо, стройматериалы, удобрения, исходное сырье для повторной переработки или регенерации отходов с целью получения вторичного сырья. Захоронение не утилизируемых отходов определяется их потенциальной опасностью для здоровья населения. Отходы обычно относят к тому же классу токсичности, что и содержащееся в них химическое вещество. Однако в промышленных отходах может содержаться сразу несколько веществ с различным классом токсичности, и не меньшую опасность для окружающей среды и для организмов представляют такие свойства, как летучесть, растворимость этих химических веществ. Эти показатели учитываются в классификации промышленных отходов. В настоящее время не утилизируемые промышленные отходы в стране делятся на пять классов опасности с учетом их токсичности, влияния на окружающую среду и технологии обезвреживания промышленных отходов на полигонах.

К I классу относятся не утилизируемые нефте-маслоотходы, которые содержат до 80% воды и до 10% грунта и механических включений. Обезвреживаются эти отходы сжиганием. Их количество стабильно и составляет по области примерно 5000 т в год.

Ко II классу относятся жидкие отходы, содержащие органические загрязнения с ХПК около 25000 мг/л. Эти отходы частично выпариваются в процессе сжигания органических загрязнений.

К III классу относятся жидкие отходы с минеральными загрязнениями (кислоты, щелочи, соли, гидроокиси тяжелых металлов). Нейтрализуются в котлованах за счет взаимного смешения и добавления реагентов.

К IV классу относятся условно-твердые отходы, в том числе пастообразные, которые смешиваются с опилками. Сгущенные таким образом отходы помещают в котлован и изолируют сверху слоем грунта. На эту почву высевают травы, высаживают деревья и декоративные кустарники.

К V классу относятся особо токсичные сильнодействующие ядовитые соединения. Их прием и захоронение производят в металлических контейнерах. Предприятие-поставщик, кроме паспорта, характеризующего состав отходов, представляет акт о герметичности контейнера. Количество подобных отходов составляет примерно 0,5--1,0% от всей перерабатываемой на полигоне массы.

3.ТЕхногенное изменение ландшафта

Интенсивная хозяйственная деятельность в Свердловской области резко активизировала развитие природных геологических процессов. Вследствие этого состояние среды обитания человека на этой территории определяется в большей степени именно техногенной нагрузкой.

Из всех видов хозяйственного освоения территорий разработка месторождений полезных ископаемых вызывает наиболее значительные изменения геологической среды, приводя в конечном счете к ухудшению среды обитания человека. Для Свердловской области это особенно характерно, так как исторически городские поселения возникали и развивались вблизи разрабатываемых месторождений. В результате в пределах зоны городской застройки многих городов, таких как Нижний Тагил, Кушва, Асбест, Красноуральск, Карпинск, Краснотурьинск и др., расположены карьеры, шахты, отвалы пород, являющиеся наряду с вредными выбросами промышленных предприятий основными факторами, создающими неблагополучную экологическую обстановку. Огромные массы вынутого и перемещенного грунта приводят к существенным изменениям природного ландшафта.

О темпах изменения ландшафтной обстановки можно судить на примере Нижне-Тагильского горнодобывающего комплекса, где процессы трансформации ландшафта ежегодно захватывают территорию до 15 га. В пределах шахтных полей происходит оседание земной поверхности и образуются провалы. Радиус развития деформации сдвига на Высокогорском и Лебяжинском месторождениях, расположенных в городской черте г. Нижнего Тагила, составляет от 800 до 1200 м. Провальные воронки над бывшими горными выработками достигают глубины 60--70 м. Из территории застройки уже изъяты многие сотни гектаров площадей, рекультивация которых практически невозможна. Эти площади неуклонно продолжают расти. Скорость движения фронта зон обрушения составляет 3--7, иногда более 20 м/год. На площади нескольких сотен гектаров высокие незадернованные откосы отвалов и мощные зоны обрушений создают своеобразный «лунный» ландшафт.

В городе Краснотурьинске оседание земной поверхности над горными выработками отработанного Васильевского месторождения вызвало деформацию нескольких пятиэтажных жилых домов, что потребовало закачки цементного раствора через скважины по периметру зданий.

В результате размещения отходов горнодобывающего производства (отвалы, хвостохранилища) значительные земельные ресурсы выводятся из хозяйственного оборота. Так, площадь хвостохранилища Качканарского горнообогатительного комбината составляет 1132 га. Отвалы и хвостохранилища являются активными источниками загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. В основании различных отвалов наблюдаются прорывы подотвальных кислых вод, обогащенных тяжелыми металлами, и растекание этих токсичных вод по рельефу (гг. Кушва, Красноуральск, Кировград).

Снижение уровня подземных вод при углублении карьеров и шахт достигает больших глубин (до 400 м), захватывает значительные площади (Североуральский бокситовый рудник -- около 500 км2). Понижение уровня подземных вод в закарстованных породах сопровождается резкой активизацией карстово-суффозионных процессов (районы гг. Карпинска, Североуральска, п. Билимбай и др.).

При ликвидации отработанных месторождений и прекращении водоотлива происходит процесс подтопления освоенных территорий. Так, в г. Верхняя Пышма при прекращении водоотлива из Пышминско-Ключевского рудника уровень подземных вод восстановился до своих естественных отметок, что привело к подтоплению части городской территории. При замачивании грунтов их несущая способность ухудшилась, и отдельные здания испытали деформации.

Большое влияние отработка месторождений оказывает на гидросферу. На горнорудных объектах Свердловской области извлекается свыше 660 тыс. м3/сут. подземных вод, 85% которых сбрасывается, загрязняя как поверхностные, так и подземные воды. В результате отдельные малые реки области превратились в сточные канавы (pp. Дегтярка, Левиха и др.).

При ликвидации отработанных медно-колчеданных месторождений отмечены случаи загрязнения геологической среды на значительных площадях. Так, карьерная выемка Кабанского месторождения заполнена кислыми водами (рН = 2). В период снеготаяния и ливневых дождей происходит растекание кислых вод до 5 км от карьера, где полностью или частично уничтожена растительность.

Специфической формой открытой добычи полезного ископаемого являются дражные разработки россыпных месторождений, достаточно широко распространенные в северной части области. Их следствием являются переформирование речных отложений, существенное изменение гидрогеологических условий в пределах речных долин. Многие реки, такие как Тура, Ис, Волчанка и др., загрязнены взвешенным материалом. Возможно также попадание в речные воды металлической ртути, которую использовали ранее для извлечения мелкодисперсного золота. Дражные полигоны, остающиеся после разработки, многие годы не зарастают, уродуя природный ландшафт.

ОТРАВЛЕННАЯ ЗЕМЛЯ

Одна из основных проблем, с которой сталкиваются разработчики при строительстве жилых домов и массивов, та, что некоторые из заброшенных земель отравлены. Загрязняющие вещества, содержащие свинец и медь, можно часто найти на пустырях, где прежде были фабрики, мастерские.

В 1983 году в Екатеринбурге, на неорганизованной свалке Верх-Исетского металлургического завода, содержащей гальваношламы, пересыпанные бытовыми отходами и строительным мусором, объемом 40 тыс. м3, построили детскую многопрофильную больницу № 9. В результате измерений установлено повышенное содержание ртути (0,5 ПДК), количество сероводорода и аммиака в подвалах здания превышают ПДК для атмосферного воздуха. Для детского лечебного учреждения и восприимчивых организмов детей это очень много.

Наиболее высокий уровень загрязненности почв по санитарно-химическим показателям выявлен на территории гг. Кировграда (100%), В-Пышмы (96%), Ревды (90%), Екатеринбурга (69%), В-Салды, Режа, Полевского (50%).

3.1 Рекультивация почв и донных отложений

Во многих городах при сносе старых домов остаются небольшие участки заброшенной земли. Эти участки пустуют в течение многих лет, зарастают травой и часто используются местными жителями для свалки отбросов. Эти участки называют пустырями.

ПУСТЫРИ И СТОЧНЫЕ РЕКИ В ГОРОДАХ. Пустыри образуются не только в результате сноса старых жилых домов, но и при ликвидации какого-нибудь производства, хранилища, складов и пр. Они, как магнит, притягивают к себе отходы самого различного характера. Участки вскоре становятся безобразными и привлекают еще больше мусора. Зачастую бывает трудно восстановить, какого рода отходы попали в почву в прошлое время и, тем более, что сбрасывалось на уже образовавшийся пустырь. Для того чтобы использовать такой пустырь для строительства или озеленения, необходимо знать, какие загрязняющие вещества находятся в почве, устранить их и только после этого принимать решение о том, как лучше использовать это место. Аналогичная ситуация часто возникает и в связи с восстановлением загрязненных земель в сельской местности, в лесном массиве.

Существует и другая проблема больших городов -- водоемы. Как правило, водные резервуары и реки крупных городов совершенно непригодны не только для питья, но и для существования животной жизни. Вспомните, например, состояние реки Идеть в городе Екатеринбурге, Нижне-Исетского пруда и многих других водоемов. Аналогичная ситуация существует и в Нижнем Тагиле, да, пожалуй, и во всех промышленных городах Свердловской области. Даже прекращение сбросов стоков в эти водоемы не улучшит положение, потому что донные отложения этих водоемов и рек пропитаны загрязняющими веществами.

Всем нам хотелось бы, чтобы наши, города, поселки, села, реки и озера были чистыми и красивыми. В некоторых местах жители с помощью местных властей очищают такие участки, создают небольшие природные заповедники, игровые площадки или зеленые уголки. Так, например, заброшенная земля в Ливерпуле (см. рис. 67) превращена в прекрасное место отдыха, широко используемое местными жителями. Для этого необходимо восстановить загрязненные земли, реки и водоемы. Тогда появятся и красивые птицы (а не только вороны), рыбы и другая живность.

Однако процесс восстановления или рекультивации почвы и водоемов очень сложный и достаточно дорогостоящий. В последние годы в промышленно развитых странах появились новые технологии по переработке и очистке грунтовых и поверхностных вод, почв, осадочных отложений, отстоев и твердых отходов. В нашей же стране очистка производится простым снятием грунта и вывозом его на свалки. Так поступили в 1979 году в Екатеринбурге, где при ликвидации аварии в Чкаловском районе был снят слой почвы и вывезен на так называемую Сидельниковскую свалку. Свалка ничем не ограждена, и отсутствуют даже предупредительные знаки.

Вопрос использования земель, занятых под свалки в нашем городе решается просто: сравняли с землей -- и нет проблемы. На свалках строят жилые дома, больницы, гостиницы, детские площадки, и многое другое. Нередко свалки загоняют под асфальт.

3.2 Гигиеническое значение почвы и мероприятия по ее санитарной охране

Почва имеет большое гигиеническое значение. Она является посредником, обеспечивающим циркуляцию в системе «внешняя среда -- человек» химических и радиоактивных веществ, применяемых в народном хозяйстве, а также поступающих в почву с выбросами промышленных предприятий, всех видов транспорта, сточными водами и т.д.

Почва является главным элементом биосферы, где происходят миграция и обмен химических веществ нашей планеты. Из почвы через питьевую воду, пищевые продукты и атмосферный воздух химические вещества поступают в организм человека.

Почва является одним из источников химического и биологического загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, а также растений, используемых человеком для питания. Попадающие в почву химические вещества испаряются и сублимируются, попадают в атмосферный воздух, накапливаются в нем до концентраций, превышающих ПДК, и достигают уровней, опасных для здоровья людей; смываются дождевыми водами с ее поверхности в открытые водоемы, поступают в грунтовый поток, определяя качественный состав хозяйственно-питьевых вод.

Эпидемиологическое значение почвы состоит в том, что в ней возбудители инфекционных заболеваний могут длительно сохранятся жизнеспособными и вирулентными. Загрязненная почва может выполнять роль фактора передачи человеку кишечных инфекций. Передача возбудителей кишечных заболеваний через почву является очень сложной. Наиболее простой путь заражения -- через руки, загрязненные инфицированной почвой. Иногда возбудители кишечных инфекций могут передаваться по одному из таких путей:

организм больного -- почва -- пищевые продукты растительного происхождения -- восприимчивый организм;

организм больного -- почва -- подземные воды -- восприимчивый организм и т.д.

И наконец, почва -- это естественная, наиболее подходящая среда для обезвреживания жидких и твердых отходов. Почва является той системой жизнеобеспечения Земли, тем элементом биосферы, в котором происходит детоксикация (обезвреживание, разрушение, превращение в нетоксичные соединения) основной массы поступающих в нее экзогенных органических и неорганических веществ. Попавшие в почву органические вещества в виде белков, жиров, углеводов и продуктов их обмена подвергаются распаду вплоть до образования неорганических веществ (процесс минерализации). Параллельно в почве происходит процесс синтеза из органических отбросов нового сложного органического вещества почвы, получившего название гумуса. Процесс синтеза почвенного органического вещества называется гумуфикацией, а оба биохимических процесса (минерализация и гумуфикация), направленные на восстановление почвы, получили название процессов самоочищения почвы. Этим термином обозначается и процесс освобождения почвы от биологических загрязнений, хотя правильнее говорить о естественных процессах ее обеззараживания. Что касается процессов самоочищения почвы от химических экзогенных веществ, то их правильнее назвать процессами детоксикации почвы, а все вместе -- процессами обезвреживания почвы.

Под загрязнителями почвы, согласно определению, следует понимать химические вещества, биологические организмы (бактерии, вирусы, простейшие, гельминты) и продукты их жизнедеятельности, встречающиеся в ненадлежащем месте, ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Под загрязнением почвы следует подразумевать лишь то содержание химических и биологических загрязнителей в ней, которое становится опасным для здоровья при прямом контакте человека с загрязненной почвой или через контактирующие с почвой среды по экологическим цепям:

почва -- вода -- человек;

почва -- атмосферный воздух -- человек;

почва -- растение -- животное -- человек и т.п.

Все загрязнители можно разделить на химические (неорганические и органические) и биологические (вирусы, бактерии, простейшие, яйца гельминтов). Химические загрязнители делятся на две большие труппы. К первой группе относятся химические вещества, вносящиеся в почву планомерно, целенаправленно, организованно. Это -- пестициды, минеральные удобрения, структурообразователи почвы, стимуляторы роста растений и др. В случае внесения избытка этих препаратов они становятся загрязнителями почвы.

Загрязнение почвы пестицидами опасно при прямом контакте человека с загрязненной почвой или при миграции их в контактирующие среды (вода, воздух, растения) на уровне концентраций, небезопасных для человека.

Что касается минеральных удобрений, то убедительных научных данных об опасности для здоровья человека применения их избыточного количества в настоящее время нет. Однако азотные минеральные удобрения при избыточном их внесении в почву опасны для здоровья, так как могут вызвать отравления, получившие название нитратной метгемоглобинемии, служат основой для синтеза в почве нитрозаминов, обладающих канцерогенным эффектом и т.д.

Ко второй группе химических загрязнителей относятся химические вещества, попадающие в почву случайно, с техногенными жидкими, твердыми и газообразными отходами. Сюда входят вещества, поступающие в почву вместе с бытовыми и промышленными сточными водами, атмосферными выбросами промышленных предприятий, бытовыми и промышленными твердыми отходами, выхлопными газами автотранспорта и т.д. Опасность соединений как первой, так и второй групп химических веществ, поступающих в почву, определяется их токсичностью, аллергенным, мутагенным, эмбриотропным и другими эффектами, опасными для здоровья человека как в настоящее время, так и в последующих поколениях.

Почва до 1972 года была единственным элементом биосферы, в котором не нормировалось содержание химических загрязнений. Объяснялось это тем, что почва представляет собой мало динамичную, многофакторную систему, меняющуюся на небольших климато-ландшаф-тных территориях, что обусловливает наличие видов, типов и подтипов почв, стандартизировать которые не представлялось возможным. В настоящее время разработано более 50 ПДК экзогенных химических веществ в почве. Сама по себе величина ПДК не свидетельствует о степени загрязнения конкретного почвенно-климатического региона. Величинами, учитывающими конкретные региональные почвенно-климатические особенности являются ПДУВ -- предельно допустимый уровень экзогенных химических веществ в почве и их БОК -- безопасное остаточное количество. ПДУВ характеризует допустимое безопасное для здоровья людей количество химических веществ, вносимое в почву в начале ее обработки. БОК -- допустимые безопасные для здоровья людей остаточные количества экзогенных веществ перед обработкой полей, выхода рабочих на сельскохозяйственные поля после обработки почвы и в конце вегетационного периода.

Санитарная охрана почвы. Цель санитарной охраны почвы состоит в сохранении такого ее качества, при котором почва не являлась бы фактором передачи заразных для человека и животных заболеваний и не привела бы к прямому или косвенному, по экологическим цепочкам (почва -- растение -- животное -- человек; почва -- воздух -- человек; почва -- растение -- животное -- человек и др.), острому или хроническому отравлению экзогенными химическими веществами с возможными отдаленными последствиями.

Мероприятия по санитарной охране почвы подразделяются на следующие группы:

Санитарно-технические мероприятия по сбору, удалению, обезвреживанию и утилизации отходов, загрязняющих почву (санитарная очистка населенных мест).

Технологические мероприятия, направленные на создание безотходных и малоотходных технологических схем производств, уменьшающих или снижающих до минимума образование отходов.

Планировочные мероприятия, касающиеся научного обоснования и соблюдения величины санитарно-защит-ных зон между очистными сооружениями и жилыми зданиями, местами водозабора, выбора схем движения автотранспорта, выбора земельных участков под очистные сооружения.

Законодательные, организационные и административные мероприятия.

ПРОЦЕСС ПРОМЫВКИ ПОЧВЫ

Однако если почва уже заражена, ее необходимо очистить и восстановить. Наиболее часто при обеззараживании почвы применяется процесс промывки. Этот процесс преследует две цели.

Механическое воздействие и вода (иногда с добавками) физически удаляют загрязнения из почвенных частиц.

Перемешивание почвенных частиц позволяет отделить сильно загрязненные мелкие частицы от более крупных почвенных частиц, тем самым снижая объем материала, требующего дальнейшей обработки, и затраты на процесс обеззараживания.

Таким образом, этот процесс основан на использовании воды с последующим уменьшением объема, при котором опасные загрязняющие вещества извлекаются и концентрируются с помощью физических и химических методов в небольшой части осадка, соразмерной с первоначальным объемом загрязнений. Основная концепция процесеа состоит в переносе загрязняющих веществ из почвы в промывочную воду с последующим их извлечением. Очищенная почва может быть возвращена на участок или найти полезное применение. Оставшийся небольшой объем загрязненного осадочного концентрата может быть обработан другими разрушающими или связывающими процессами такими как сжигание, низкотемпературная термальная десорбция, химическая экстракция, дехлорирование, биологическое разложение, затвердевание/стабилизация и остек-ловывание.

К физическим методам обработки почвы относятся: дробление, грохочение, мокрая сортировка, притирочное размельчение, сепарация в плотной среде, флотация, гравитационное осаждение и механическое обезвоживание. Соответствующими химическими средствами являются детергенты, поверхностно-активные вещества, вещества, вызывающие образование хелатных соединений, коагулянты, флоккулянты и вещества, регулирующие рН.

Промывка является эффективным методом обработки как почв, так и донных отложений рек, озер и пр.

Процесс может быть эффективным и экономически оправданным, когда загрязненная почва или донные отложения содержат не более 40% ила, а частицы глины имеют размеры не более 63 микрон. Содержание твердых органических веществ не должно превышать 20% объема.

К типичным опасным загрязнениям, которые эффективно удаляются этим методом, относятся:

донные отложения, насыщенные нефтепродуктами;

радиоактивные загрязнения;

тяжелые металлы;

креозот;

пестициды,

цианиды.

Состав почвы и распределение загрязняющих веществ

Более полное понимание процессов очистки почвы и пользы этой промывки может быть достигнуто при рассмотрении почвенных образцов А--Г и типичного распределения в них загрязнений.

А. Поверхностное загрязнение обычно наименьшее, в основном -- физическая адгезия, выражающаяся в уплотнении. Удаляется и переносится в промывочную воду механическим разрыхлением.

Б. Минеральные илы и глины являются основными веществами, абсорбирующими опасные загрязнения, так как имеют очень развитую поверхность по отношению к объему и обладают повышенной способностью сцепления.

В. Твердые органические вещества, такие как корни и листья растений, гумус и т.д., обладающие, в виду их абсорбирующих свойств, способностью сбора загрязнений.

Г. Взвешенные загрязнения присутствуют в растворенном состоянии в виде частичек ила и глины.

Кроме этих твердых и жидких компонентов, вместилищем для летучих загрязнений может служить воздух (или газ), присутствующий в пустотах между частицами почвы.

Сложность почвенной промывки возрастает с ростом содержания ила, глины и твердых органических веществ.

3.3 Основные этапы процесса рекультивации почвы и донных отложений

Рекультивация осуществляется за счет выполнения технологических процессов (рис. 70), позволяющих выделить из загрязненной почвы:

обезвреженный, обезвоженный гранулированный почвенный продукт, который можно возвратить на участок или использовать для других целей;

обезвоженные загрязненные твердые - органические вещества для дальнейшей обработки или захоронения;

обезвоженные загрязненные глинистые/илистые почвенные фракции для дальнейшей обработки или захоронения;

загрязняющие вещества из промывочной воды с целью ее очистки и обезвреживания в соответствии с нормативами для сброса в водоемы.

1 этап: Подготовка почвы к очистке

Основная цель этого этапа -- приготовить суспензию, имеющую номинальные размеры частиц в пределах 6 мм. Для этого с помощью комплекта сит или первичного виброэкрана почву просеивают для удаления мусора, металла, дерева и пр. При необходимости доведения размеров крупных каменных включений до нужного размера допускается применение размельчения. Для контроля размеров частиц суспензии и отделения материала, не требующего очистки, используется мокрое вибрационное экранирование. При помощи распылителей омывающего раствора, встроенных в просеивающую машину, в питающий поток добавляется промывочная вода, создающая среду, в которую будут перенесены, а затем и удалены все загрязняющие вещества.

2 этап: смешивание, притирочное размельчение, поверхностное извлечение

Предварительно отсортированная суспензия направляется в машину, осуществляющую размельчение притиркой. Здесь загрязненный ил/глина отслаиваются от поверхностей гранулированных почвенных частиц и переносятся в промывочную воду. Это достигается путем комбинации:

воздействия механических и жидкостных касательных напряжений, вызываемых взаимным трением гранулированных частиц (Движение частиц обеспечивается роторными двигателями внутри притирочных ячеек или другими механическими средствами.);

воздействия добавляемых химических реагентов, ускоряющих растворимость и перенос загрязняющих веществ с поверхностей гранулированных частиц в промывочную воду.

3 этап: Отделение ила, глины и загрязняющих веществ, находящихся в промывочной воде, от размельченного гранулированного материала.

Эта операция обычно выполняется с помощью гидроциклонов или наклонных разделителей винтового типа. В результате образуются два продукта:

обезвоженный поток твердых частиц, состоящий в Основном из размельченного песка и твердого органического вещества, такого как уголь, лигнин, дерево и т.д.;

поток, состоящий из промывочной воды со взвешенными (загрязненными) частицами минерального (ила/глины) и твердого органического вещества. Промывочная вода может также содержать растворенные загрязняющие вещества, такие как ионы тяжелых металлов, которые будут удалены позже традиционной обработкой для промышленных сточных вод (например осаждением или ионообменом).

4 этап: Отделение загрязненного твердого органического вещества от размельченного гранулированного материала.

Загрязненные твердые органические вещества, такие как уголь, древесина, сгнившие остатки растительности, имеют очень высокую способность абсорбировать загрязняющие вещества, поэтому такие твердые вещества должны быть изолированы от гранулированных компонентов почвы. Этот материал эффективно удаляется с помощью уплотняющего сепаратора. Он отделяет органические вещества, имеющие меньшую силу тяжести от песка или других более тяжелых частиц. Изолированный осадочный органический продукт затем обезвоживается и, если необходимо, уничтожается, например, сжиганием. Промытый, очищенный песок, поступающий из сепаратора, вторично промывается или же сразу обезвоживается с помощью вибросита, винтового обезвоживателя или гидроциклона. Впоследствии его можно вернуть обратно на участок, с

которого была взята почва, продать производителям бетона, асфальта или использовать для других целей.

5 этап: Удаление загрязненного ила/глины из промывочной воды. Удаление растворенных загрязняющих веществ.

Загрязненные минеральные ил или глина, находящиеся в промывочной воде во взвешенном состоянии, коагулируются, флоккулируются и осаждаются в форме уплотненного минерального отстоя, который обезвоживается с помощью фильтрующего пресса или другого фильтрационного оборудования (см. рис. 71).

В случаях, когда в промывочной воде присутствуют растворенные соли тяжелых металлов, они осаждаются при повышении рН с образованием гидроксидов металлов, которые можно удалить флоккуляцией и осаждением или флотацией растворенным воздухом с последующим обезвоживанием загрязненного отстоя (или накипи) с помощью фильтрации.

6 этап: Менеджмент осадка

Существуют многочисленные применения для использования осадков после промывки почвы. Твердые органические вещества и органическая спрессовавшаяся корка с фильтров обычно разрушаются сжиганием. Осадки, загрязненные гидроксидами тяжелых металлов стабилизируются при затвердевании. В зависимости от экономических затрат насыщенные металлами неорганические осадки могут быть восстановлены, рециклированы или подготовлены к сбросу на специально предназначенные для них свалки.

...