Методичка: Экология

Три активных блока составляют обменный фонд элементов. Два добавочных блока составляют резервный фонд элементов. Между активными блоками обмен происходит с высокой скоростью. Обмен между добавочными блоками и остальной частью биосферы замедлен. По В.И.Вернадскому биогенные элементы в биосфере совершают биогеохимические циклы, взаимосвязанные между собой и формирующие в совокупности устойчивую структуру биосферы.

Существуют два основных типа биогеохимических круговоротов: круговороты газообразных веществ и осадочные циклы. Круговороты газообразных веществ - это перемещение питательных элементов от атмосферы и гидросферы к живым организмам и обратно. Как правило, циклы этих круговоротов быстротечны и длятся всего несколько дней. Основными газообразными циклами являются круговороты углерода, кислорода, водорода и азота.

Осадочные циклы включают движение питательных элементов между земной корой (почвами и горными породами), гидросферой и живыми организмами. Скорость перемещения элементов в этих циклах намного медленнее, чем в газообразных круговоротах, составляющие элементы горных пород могут находиться в них в течение тысяч и миллионов лет. Существует более 36 питательных элементов, участвующих в осадочных циклах. Главными их них являются круговороты фосфора и серы.

Вмешательство человека в эти круговороты непрерывно возрастает в результате промышленной деятельности - наиболее важного элемента экономического развития. Систематизирующим стержнем всей промышленности является химическая и сопряженные с ней отрасли (черная и цветная металлургия, алюминиевая, нефтехимическая промышленность и т.д.), связанные с использованием химических процессов. К сожалению, промышленность вносит и основной вклад в истощение природных ресурсов, загрязнение и накопление вредных отходов и т.д. Например, в химической промышленности России ежегодно образуется около 20 млн. т твердых отходов, из которых утилизируется менее одной трети. Особо опасные хлорорганические отходы составляют более 80 тыс. т в год. В 1991 г. химическими предприятиями России выброшено в атмосферу 530 тыс. т вредных веществ и сброшено в открытые водоемы 1,4 млрд. м3 загрязненных сточных вод. Это ведет к деградации окружающей среды, заключающейся в превышении способности природы к растворению и разложению загрязнений и ведет, согласно первому закону экологии к непредсказуемым последствиям. Примером могут служить наводнения в Западной Европе вследствие изменения климатических условий, появление озоновых дыр, мутантов, сокращение средней продолжительности жизни и т.д.

Человечество осознало необходимость перехода к новой модели развития - модели устойчивого развития, которая бы должным образом учитывала баланс экономических и экологических интересов и была основана, в частности, на основополагающем законе экологии: любое производимое нами вещество не должно нарушать ни один природный биогеохимический цикл.

Техногенный (антропогенный или социальный) круговорот обусловлен хозяйственной деятельностью человека. В нем можно выделить две составляющие:

- биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма;

- техногенную, связанную с хозяйственной деятельностью человека.

Антропогенный характер присущ миграционным циклам металлов.

2.1 Круговорот углерода

Углерод является основным "строительным материалом" молекул углеводов, жиров, белков, нуклеиновых белков и других важных для жизни органических соединений. Большинство наземных растений получают необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы, концентрация которого там составляет 0,04%. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде. Зеленая масса планеты за год использует для фотосинтеза 69 млрд. т углерода их углекислого газа. В океане находится в растворенном виде 24 млрд. т углерода. За 350-400 лет весь углерод атмосферы и гидросферы совершает полный оборот.

Антропогенное вмешательство значительно не повышает содержания СО2 в атмосфере из-за его высокой растворимости в водах Мирового океана и последующего образования нерастворимых карбонатов:

СО2+ Н2О = Н2СО3 и Са2+ + СОз2- = СаСОз

Особенно опасным для климата Земли является оксид углерода СО2, который выделяют природные источники (вулканы, лесные пожары и т.д.), транспортные средства, топливно-энергетический комплекс и промышленность. Из 102 млн. т СО2, ежегодно выбрасываемого в атмосферу, 62,7% составляют выхлопы автомобилей, 2,5% авиации и 11,9% - промышленности. В результате концентрация СО за последние 100 лет увеличилась в 1,2 раза, что привело к повышению средней температуры планеты за счет увеличения "парникового эффекта».

Атмосфера в течение длительного времени способна компенсировать увеличение концентрации газов, влияющих на парниковый эффект, путем внутренних взаимодействий. Однако, если эта концентрация превышает некоторое пороговое значение, то такая компенсация становится невозможной и система выходит из состояния экологического равновесия. В результате наблюдаются быстрые колебания холодных и теплых годов. По имеющимся данным, за счет парниковых газов среднегодовая температура воздуха на Земле за последнее столетие повысилась на 0,3- 0,6 0С. В настоящее время увеличение концентрации СО2 идет со скоростью примерно 0,3 - 0,5% в год. Сходными темпами увеличивается и содержание других парниковых газов ( метана - на 1%, оксидов азота на 0,2% в год). Удвоение содержания парниковых газов может произойти во второй половине ХХI столетия, это обусловит повышение среднегодовой температуры нашей планеты на 1 - 3,5 0С

В соответствии с распоряжением Правительства Росийской Федерации от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления» (с изменениями от 1 июля 2005 г.) установлены нормативы платежей за выбросы (сбросы, размещение) загрязняющих веществ, порядок их применения и установлена для всех природопользователей плата за загрязнение окружающей среды. Плата рассчитывается по установленным нормативам платежей с учетом соответствующего коэффициента экологической ситуации (или экологической значимости состояния окружающей среды)..

Таблица 2.1 Коэффициенты экологической ситуации (экологической значимости состояния окружающей среды) на территории Краснодарского края

Расчет ущерба, нанесенного окружающей среде от выбросов загрязняющих веществ, производится по формуле:

У = к * m * С,

где У - величина платежей за нанесенный ущерб окружающей среде, р.;

к - коэффициент, учитывающий аварийные и залповые выбросы по вине природопользователей; устанавливается десятикратный тариф к нормативным платежам за допустимые загрязнения; при использовании для обезвреживания отработавших газов двигателя передвижных источников нейтрализаторов к нормативам платежей применяется коэффициент 0,75;

m - масса сгоревшего топлива, т;

С - платежи за выброс, образующийся при сжигании 1т топлива.

Штраф предприятия равен экологическому ущербу, умноженному на коэффициент экологической ситуации и экологической значимости состояния окружающей среды (табл. 2.1).

В связи с изменением уровня цен на природоохранное строительство и по другим направлениям природоохранной деятельности к нормативам платы за загрязнение окружающей среды применяются коэффициенты индексации платы.

К нормативам платы Федеральным законом от 23 декабря 2003 г. № 186-ФЗ установлен коэффициент индексации платы равный 1,1.

Таблица 2.2 Нормативы платежей за выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников

2.2 Круговорот кислорода

Кислород, самый распространенный элемент, без которого невозможна жизнь на Земле. Он составляет 47,2% от массы земной коры в виде оксидов металлов и неметаллов. Его содержание в воздухе составляет 20,95% по объему или 1,2•105 т. В воде морей и океанов растворено от 2,7 до 10,9 млн. м3 кислорода.

Единственный процесс, который приводит к продуцированию кислорода - это фотосинтез его растениями-продуцентами (? 3•1011 т/год). Однако расход О2 на техногенную деятельность человека очень велик: на сжигание топлива используют до 15 млрд. т, на окисление металлов - 135 млн. т. При увеличении сжигания топлива на 5% ежегодно через 150 - 200 лет содержание свободного кислорода может снизиться до критического для живых организмов предела.

Очень важное значение для всего живого на Земле имеет озон- аллотропное видоизменение кислорода (О3). Благодаря существованию на высоте 12-14 км озонового слоя к поверхности Земли не проникают губительные для жизни организмов ультрафиолетовые лучи. Они поглощаются озоновым слоем;

При промышленных выбросах в атмосферу оксидов азота и хлорфторуглеродов, которые катализируют реакцию разрушения озона

О- + О3 = 2О2

скорость ее резко возрастает и концентрация озона уменьшается, таким образом уменьшается защитный слой озона в стратосфере.

Информацию о толщине (концентрации) этого слоя можно получить, используя спектральные методы. При этом используют зависимость интенсивности почернений линий спектра от концентрации озона, которая выражается эмпирической формулой Ломакина-Шейбе:

I = а•Св,

где а и в - коэффициенты, не зависящие от концентрации С.

Это линейная зависимость в координатах ln I = f (lnС):

ln I = lnа + в•lnС.

В простейшем случае в = 1 и тогда I = а•С.

Для этого строим калибровочную кривую, используя искусственно приготовленные пробы с различной концентрацией озона (максимальная концентрация О3 в стратосфере составляет ~ 0,5 ррm - 0,5 объема О3 на миллион). Принимая максимальную степень почернения линий характеристического спектра за 100%, строим калибровочный график по данным спектрального анализа проб.

I,% ....0 20 40 60 80 100

С,ррm... 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Снимая спектр озона в стратосфере, можно судить о состоянии озонового слоя и о прохождении ультрафиолетовых лучей к поверхности Земли. Например: обработка фотоснимка показала, что интенсивность почернений линий спектра равна 50%. Это, согласно калибровочному графику, указывает на уменьшение концентрации озона в два раза и, соответственно, такой слой уже пропускает ультрафиолетовые лучи.

Большое значение, как лимитирующий фактор водной экосистемы, имеет концентрация растворенного в воде кислорода. При ее уменьшении останавливается развитие или прекращают свое существование популяции, живущие в этой экосистеме. Информацию о качестве воды дают такие общепринятые параметры:

БПКполн - биологическая потребность в кислороде;

ХПК - химическое потребление кислорода;

СА - суммарное содержание азота.

Это значит, что если в водную экосистему произошел сброс стоков с биологически или химически активными веществами, потребляющими кислород, то в ней уменьшится концентрация кислорода. В зависимости от состояния водной экосистемы существует допустимый сброс загрязняющих веществ, не приводящий к гибели водных популяций, на которые предприятия платят штраф на проведение мероприятий по его очистке. При превышении предельно допустимого сброса оплата (штраф) существенно увеличивается.

Например: сыроваренный завод сбрасывает сточные воды в количестве 400 м3/сутки с предельно допустимым БПКПолн = 40 мг/л. Норматив платежей за сброс 1 т загрязняющего вещества, не превышающий предельно допустимый сброс, составляет 146 р., за превышение предельно допустимого сброса - 774 р./т. Определить платежи предприятия за квартал, если в этот период из-за неработающей системы очистки БПКполн составлял 100 мг/л.

Расчет ущерба окружающей среде проводится по формуле:

У =m1•n•СПДС + m2•n•Сппс ,

где У - экологический ущерб (штраф предприятия), р.;

m1 - масса загрязняющего вещества при предельно допустимом сбросе (ПДС), т;

m2 - масса загрязняющего вещества при превышении предельно допустимого сброса (ППС), т;

n - количество дней работы завода;

Спдс - нормативные платежи за 1т загрязнений при ПДС;

Сппс - нормативные платежи за 1т загрязнений при ППС.

При попадании в водную экосистему нитратов и нитритов резко возрастает численность и рост сине-зеленых водорослей. При увеличении расхода кислорода на их аэробное дыхание уменьшается количество растворенного кислорода, необходимого для развития других популяций экосистемы. Плата за сброс таких сточных вод определяется так же, как и в предыдущем примере. Нормативы платежей представлены в табл. 2.3.