Материал: Экология. курс лекций. Лозовая В.Ю., Рохас Риоха И.Е

Лекция 15. Воздействие сельского хозяйства на окружающую среду

Как правило, использование больших площадей под сельскохозяйственные нужды вызывает коренную перестройку всех компонентов природных комплексов. При этом совсем не обязательно происходит разрушение природы, довольно часто именно сельскохозяйственные ландшафты относят к категории «культурных».

Весь спектр сельскохозяйственных воздействий можно разделить на две группы: влияние земледелия и животноводства.

• Земледелие. Воздействие земледелия на природный комплекс начинается с уничтожения на больших площадях сообщества естественной растительности и замены её культурными видами. Следующий компонент, испытывающий существенные изменения, – почва. В естественных условиях почвенное плодородие постоянно поддерживается тем, что взятые растениями вещества снова возвращаются в неё с растительным опадом. В земледельческих же комплексах основная часть элементов почвы изымается вместе с урожаем, что особенно типично для однолетних культур. Подобная ситуация повторяется ежегодно, поэтому существует вероятность того, что через несколько десятков лет запас основных элементов почвы будет исчерпан.

Для восполнения изъятых веществ в почвы вносят в основном минеральные удобрения: азотные, фосфорные, калийные. Это имеет как положительные последствия – пополнение запасов питательных веществ в почве, так и отрицательные – загрязнение почвы, воды и воздуха. При внесении удобрений в почву попадают так называемые балластные элементы, которые не нужны ни растениям, ни почвенным микроорганизмам. Например, при использовании калийных удобрений наряду с необходимым калием вносится бесполезный, а в некоторых случаях вредный хлор; с суперфосфатом попадает много серы и т. д. Токсичного уровня может достигать и количество того элемента, ради которого минеральное удобрение вносят в почву. Прежде всего это относится к нитратной форме азота. Избыточные нитраты накапливаются в растениях, загрязняют подземные и поверхностные воды (вследствие хорошей растворимости нитраты легко вымываются из почвы).

Одним из наиболее опасных загрязнителей биосферы являются пестициды – химические средства защиты растений и животных от различных вредителей и болезней. В зависимости от цели использования их подразделяют на следующие группы: гербициды – для борьбы с сорными растениями; альгициды – для уничтожения водорослей и другой водной растительности; арборициды – для уничтожения нежелательной древесной и кустарниковой растительности; фунгициды – для борьбы с грибковыми болезнями растений; бактерициды – для борьбы с бактериями и бактериальными болезнями; инсектициды – для борьбы с вредными насекомыми; акарициды – для борьбы с клещами; зооциды – для борьбы с грызунами; лимациды – для борьбы с моллюсками; нематоциды – для борьбы с круглыми червями; афициды – для борьбы с тлями. Разновидностью пестицидов являются дефолианты, служащие для удаления листьев растений, десиканты, вызывающие иссушение растений, дефлоранты, удаляющие цветы и завязи, ретарданты, регулирующие рост растений, репелленты, отпугивающие насекомых, и некоторые другие. Самую обширную группу пестицидов как по масштабам практического применения (40 – 50 %), так и по ассортименту выпускаемых препаратов (около 40 %) составляют гербициды, то есть средства борьбы с сорняками.

Пестициды используют в виде суспензий, эмульсий, порошков и гранул, концентрированных и коллоидных растворов и распыляют с помощью распылителей разного объёма и мощности, вплоть до распыления при помощи сельскохозяйственной авиации. Естественно, что с воздушными массами они могут переноситься на большие расстояния и вызывать загрязнение окружающей среды там, где пестициды вообще не применялись или использовались в неизмеримо меньших количествах. Пестициды способны накапливаться в биомассе растений и передаваться дальше по пищевой цепи, причём концентрация их на каждом последующем трофическом уровне увеличивается. Среди пестицидов наибольший вред экосистемам наносят стойкие хлорорганические соединения, которые могут сохраняться в почвах в течение многих лет, способны постепенно аккумулироваться в живых организмах до опасных концентраций, оказывающих мутагенное и канцерогенное действие.

Глубокое и длительное, а часто необратимое воздействие на почву, изменяющее её исходные свойства, оказывают орошение и осушение земель. В XX в. площади земледелия существенно расширились: с 40 млн га до 270 млн га, из которых орошаемые земли заняли 13 % пашни, а их продукция превышает 50% всей сельскохозяйственной продукции. Орошаемые ландшафты – наиболее преобразованные из всех типов сельскохозяйственных антропогенных ландшафтов. Изменяются влагооборот, характер распределения температуры и влажности в приземном слое воздуха и верхних слоях почвы, создаётся специфический микрорельеф. Изменения водного и солевого режимов почвы часто вызывают заболачивание и вторичное засоление почвы. Для орошения из природных комплексов изымаются огромные массы воды. Во многих странах и районах мира орошение является основной статьей расхода воды и в маловодные годы приводит к дефициту водных ресурсов. Расход воды на сельское хозяйство занимает среди всех видов водопользования первое место и составляет свыше 2000 км³ в год, или 70 % мирового водопотребления, из них более 1500 км³ – безвозвратное водопотребление, из которого около 80 % уходит на орошение.

Огромные площади в мире занимают заболоченные земли, использование которых становится возможным только после проведения осушительных мероприятий. Осушение оказывает очень серьезное влияние на ландшафт. Особенно сильно изменяется тепловой баланс территорий – резко сокращаются затраты тепла на испарение, уменьшается относительная влажность воздуха, увеличиваются суточные амплитуды температур. Меняется воздушный режим почв, увеличивается их проницаемость, соответственно, меняется ход процессов почвообразования (активнее разлагается органический опад, происходит обогащение почвы питательными веществами). Осушение вызывает и увеличение глубины залегания грунтовых вод, а это, в свою очередь, может вызвать пересыхание многочисленных ручьёв и даже небольших рек.

Таковы глобальные последствия воздействия земледелия на природные комплексы. Среди них следует отметить и нагрузки, которые испытывали природные комплексы от распространённой в прошлом преимущественно в тропических широтах подсечно-огневой системы земледелия, ведущей не только к уничтожению лесов, но и к достаточно быстрому истощению почвы, а также выбросам в атмосферный воздух большого количества аэрозольной золы и сажи. Пагубно для экосистем выращивание монокультур, вызывающих быстрое истощение почвы и заражение её фитопатогенными микроорганизмами. Культура сельского хозяйства необходима, так как неразумная распашка почвы значительно изменяет её структуру, а при определённых условиях может способствовать таким процессам, как водная и ветровая эрозия.

• Животноводство. Воздействие животноводства на природный ландшафт характеризуется рядом специфических особенностей. Первая заключается в том, что животноводческие ландшафты состоят из разнородных, но тесно связанных между собой частей, таких как пастбища, выгоны, фермы, зоны утилизации отходов и т. д. Каждая часть вносит особый вклад в общий поток воздействия на природные комплексы. Вторая особенность – меньшее территориальное распространение по сравнению с земледелием.

Выпас животных в первую очередь влияет на растительный покров пастбищ: уменьшается биомасса растений и происходят изменения в видовом составе растительного сообщества. При особо длительном или чрезмерном (в расчёте на животное) выпасе почва уплотняется, поверхность пастбищ оголяется, что усиливает испарение и приводит в континентальных секторах умеренного пояса к засолению почв, а во влажных районах способствует заболачиванию. Использование земель под пастбища сопряжено также с выносом питательных веществ из почв в составе подножных кормов и сена.

Животноводческая отрасль является значительным потребителем воды, на долю которого из общего сельскохозяйственного водозабора приходится около 70 км³ в год.

Наиболее негативная сторона воздействия животноводства на ландшафт – загрязнение природных вод стоками животноводческих ферм. Многократное повышение концентрации органических веществ в пресноводных водоёмах, а затем в прибрежной зоне морской акватории существенно уменьшает содержание кислорода в воде, приводит к изменению сообщества водных микроорганизмов, нарушению пищевых цепей, может вызвать гибель рыбы и другие последствия.

Лекция 16. Влияние на экологическую ситуацию металлургии, металлообработки и машиностроения

Современное машиностроение развивается на базе крупных производственных объединений, включающих заготовительные и кузнечнопрессовые цехи, цехи химической и механической обработки металлов, цехи покрытий и крупное литейное производство. В состав предприятий входят также испытательные станции, ТЭЦ и вспомогательные подразделения. В процессе производства машин и оборудования широко используют сварочные работы, механическую обработку металлов, переработку неметаллических материалов, лакокрасочные операции и т. п.

Литейные цехи

Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются: вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов; участки выбивки и очистки литья.

При плавке металла в открытых чугуно-литейных вагранках выделяется значительный объём колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы и азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. При разбавлении колошникового газа воздухом, подсасываемым через завалочное окно вагранки, количество отходящих газов увеличивается в 1,5 – 3,5 раза. Химический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки и может колебаться в следующих пределах (мас. доли, %): SiO₂ – от 20 до 50; CaO – от 2 до 12; Al₂O₃ – от 0,5 до 6; MgO – от 0,5 до 4; (FeO+Fe₂O₃) – от 10 до 36; MnO – от 0,5 до 2,5; C – от 30 до 45. Состав ваграночной пыли приведён в табл. 6.

Таблица 6

Состав ваграночной пыли

Медианный размер пыли при горячем дутье 20 мкм, а при холодном дутье 70 мкм.

Таблица 7

Выбросы загрязняющих веществ

при выплавке стали

электродуговыми печами

В закрытых чугун-литейных вагранках производительностью 5 – 10 т/ч концентрация пыли в отходящих газах составляет 5 – 20 г/м³, медианный размер пыли 35 мкм.

Выбросы загрязняющих веществ электродуговыми печами при выплавке стали содержат значительные количества оксида углерода, оксидов азота, пыли.

При плавке стали в индукционных печах, по сравнению с электродуговыми выделяется незначительное количество газов и в 5 – 6 раз меньше пыли, по размеру более крупной.

При литье под действием теплоты жидкого металла из формовочных смесей выделяются бензол, фенол, формальдегид, метанол и другие токсичные вещества, количество которых зависит от состава формовочных смесей, массы и способа получения отливки и ряда других факторов. Газовыделения при заливке металлом форм и их охлаждении можно определить по данным, приведённым в табл. 8.

Таблица 8

Газовыделения при заливке металлом форм и их охлаждении

Значительными выделениями пыли сопровождаются процессы очистки и обрубки литья. Работа пескоструйных и дробеструйных камер, очистных барабанов и столов сопровождается интенсивным выделением пыли с медианным размером 20 – 60 мкм. Концентрация пыли в воздухе, отводимом от камер и барабанов, составляет 2 – 15 мг/м³.

Кузнечно-прессовые и прокатные цехи

В процессах нагрева и обработки металла в кузнечно-прессовых и прокатных цехах выделяются пыль, кислотный и масляный аэрозоль (туман), оксид углерода, диоксид серы и др.

При прокатке пыль образуется главным образом в результате измельчения окалины валками, при этом 20 % пыли имеет размер частиц менее10 мкм. Выброс пыли из цеха составляет в среднем 200 г на 1 т товарного проката. Если в процессе проката применяется огневая зачистка поверхности заготовки, то выход пыли возрастает до 500 – 2000 г/т. При этом в процессе сгорания поверхностного слоя металла образуется большое количество мелкодисперсной пыли, состоящей на 75 – 90 % из оксидов железа:

Размер частиц, мкм <0,5 0,5 – 1 >1

Фракционный состав, % 20 – 25 60 – 65 10–20

При использовании в кузнечно-прессовых цехах для нагрева металла пламенных печей в атмосферу выбрасываются оксиды углерода, серы, азота и другие продукты сгорания. Общеобменной вентиляцией кузнечно-прессового цеха в атмосферу выбрасываются оксиды углерода и азота, диоксид серы. От пролётов с молотами выбросы оксида углерода на 1 т топлива составляют 7 кг/т (газ или мазут), диоксида серы – 5,2 кг/т (мазут); от пролётов с прессами и ковочными машинами – соответственно 3 и 2,2 кг/т.

Термические цехи

Вентиляционный воздух, выбрасываемый из термических цехов, обычно загрязнён парами и продуктами горения масла, аммиаком, цианистым водородом и другими веществами, поступающими в систему местной вытяжной вентиляции от ванн и агрегатов для термической обработки. Источниками загрязнений в термических цехах являются также нагревательные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, а также дробеструйные и дробемётные камеры. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из дробеструйных и дробемётных камер, где металл очищается после термической обработки, достигает 2 – 7 г/м³. При закалке и отпуске деталей в масляных ваннах в отводимом от ванн воздухе содержится до 1% паров масла от массы металла. При цианировании выделяется до 6 г/ч цианистого водорода на один агрегат цианирования.

Гальванические цехи

В воздухе, удаляемом из гальванических цехов, вредные вещества находятся в виде пыли, тонкодисперсного тумана, паров и газов. Наиболее интенсивно вредные вещества выделяются в процессах кислотного и щелочного травления. При нанесении гальванических покрытий (воронение, фосфатирование, анодирование и т. п.) образуются различные вредные вещества.

Так, при фосфатировании изделий выделяется фтористый водород, концентрация которого в отводимом воздухе достигает 1,2 – 15 г/м³. Концентрации HCl, H₂SО₄, HCN, Cr₂O₃, NO₂, NaOH и др. в удаляемом от гальванических ванн воздухе колеблются в значительных пределах, что требует специальной очистки воздуха перед выбросом в атмосферу. При проведении подготовительных операций в гальванических цехах (механическая очистка и обезжиривание поверхностей) выделяются пыль, пары бензина, керосина, трихлорэтилена, туманы щелочей. Анализ дисперсного состава туманов показал, что размер частиц находится в пределах 5 – 6 мкм при травлении, 8 – 10 мкм при хромировании и 5 – 6мкм при цианистом цинковании.

Цехи механической обработки

Механическая обработка металлов на станках сопровождается выделением пыли, стружки, туманов масел и эмульсий, которые через вентиляционную систему выбрасываются из помещений.

В табл. 9 приведено количество паров воды, туманов масел и эмульсий, выделяющихся за 1 час при работе станков в расчёте на 1 кВт мощности устанавливаемых на станках электродвигателей.

Таблица 9

Количество паров воды, туманов масел и эмульсий,

выделяющихся при работе станков