Химическое загрязнение окружающей среды
ИСТОЧНИКИ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Энергетические объекты - источники самых больших объемов химического загрязнения
Транспорт как источник химического загрязнения
Химическая ромышленность как источник загрязнения
ВОЗДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Воздействия на отдельные особи и популяции
Влияние на экосистему
МЕРЫ, КОТОРЫЕ ПРОВОДЯТСЯ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ РИСКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
Технические мероприятия, используемые для предотвращения опасности промышленных выбросов
6. Борьба с потерями при транспортировке (предотвращение аварий газо- и нефтепроводов).
Борьба с загрязнением воды
Утилизация отходов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение
Развитие современной промышленности и сферы услуг, а также расширяющееся использование биосферы и ее ресурсов, приводит к возрастающему вмешательству человека в материальные процессы, протекающие на планете. Связанные с этим планируемые и осознанные изменения материального состава (качества) окружающей среды направлены на улучшение условий жизни человека в техническом и социально-экономическом аспектах. В последние десятилетия в процессе развития технологии была оставлена без внимания опасность непреднамеренных побочных воздействий на человека, живую и неживую природу. Это можно, пожалуй, объяснить тем, что ранее считали, что природа обладает неограниченной способностью компенсировать воздействие человека, хотя уже столетия известны необратимые изменения окружающей среды, например, вырубки лесов с последующей эрозией почвы. Сегодня нельзя исключать непредвиденные воздействия на легко ранимые области экосферы в результате активной деятельности человека.
Человек создал для себя среду обитания, заполненную синтетическими веществами. Их воздействие на человека, другие организмы и окружающую среду зачастую неизвестно и выявляется часто, когда уже нанесен ощутимый ущерб или при чрезвычайных обстоятельствах, например, вдруг выясняется, что при горении вполне нейтральное вещество или материал образует ядовитые соединения.
Новые напитки, косметические средства, пищевые продукты, лекарства, предметы обихода, ежедневно предлагаемые рекламой, обязательно включают в себя химические компоненты, синтезируемые человеком. О степени незнания токсичности всех этих веществ можно судить по данным табл. 1.
В книге “Экологические проблемы” ((2( стр. 36) приводятся следующие факты:
“ В массовых масштабах сейчас производится около 5 тыс. Веществ, а в масштабах более 500 т / год - около 13 тыс. веществ. Число веществ, предлагаемых на рынке в заметных масштабах, с 50 тыс. наименований в 1980 г. Возросло до 100 тысяч наименований в настоящее время. Из 1338 веществ, производимых в больших масштабах в странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), только для 147 имеются некоторые данные об их опасности или безопасности (Лосев, 1989; The Word…, 1992). По данным (Медоуз…, 1994), из 65 тысяч химических веществ, находящихся в коммерческом обороте, менее 1 % имеют токсикологические характеристики.”
Хотя для исследования воздействия химических веществ необходимы огромные затраты: для получения характеристики одного вещества требуется 64 месяца и 575 тыс. долларов, а изучение хронической токсичности и канцерогенности требует дополнительно 1,3 млн. долларов ((2( стр. 36); работа в этой области ведется не малая.
В настоящее время по целому ряду причин остаются нерешенными проблемы по оценке токсичности химических продуктов для человека, и в большей степени по отношению к окружающей среде. Исчерпывающее исследование
воздействий веществ может быть реализовано только после того, как будет получена полная информация об экспозиции (действующей дозе) каждого химического вещества.
Источники химического загрязнения
В процессе своей хозяйственной деятельности человек производит различные вещества. Все производимые вещества с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа:
* исходные вещества (сырье);
* промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства);
* конечный продукт;
* побочный продукт (отход).
Отходы возникают на всех стадиях получения конечного продукта, а любой конечный продукт после потребления или использования становится отходам, поэтому конечный продукт можно назвать отложенным отходом. Все отходы попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимический круговорот веществ в биосфере. Многие химические продукты включаются человеком в биогеохимический круговорот в масштабах на много превышающих естественный круговорот. Некоторые вещества, направляемые человеком в окружающую среду, раньше отсутствовали в биосфере (например, хлорфторуглероды, плутоний, пластмассы и др.), поэтому естественные процессы достаточно долго не справляются с этими веществами. Следствием является огромный вред наносимый организмам.
числе парниковых газов (табл. 4, см. ?2?, стр. 40). Из этой таблицы видно, что в накопления изменяется концентрация малых газовых составляющих атмосферы, в атмосфере появились газы, которые раньше в ней практически отсутствовали -хлорфторуглероды. Последствия накопления глобальных загрязнителей в атмосфере это:
* парниковый эффект;
* разрушение озонового слоя;
* кислотные осадки.
Транспорт как источник химического загрязнения
Второе место по загрязнению окружающей среды занимает транспорт, особенно автомобильный. В 1992 г. Автомобильный парк мира составлял 600 миллионов единиц и при сохранении тенденции роста к 2015 г. Может достигнуть 1,5 млрд. единиц (?2? стр. 41). Сжигание автотранспортом ископаемого топлива повышает концентрации CO? NOx? CO2? углеводородов, тяжелых металлов и твердых частиц в атмосфере, он же дает твердые отходы (покрышки и сам автомобиль после выхода из строя) и жидкие (отработанные масла, мойка и т. д.). На долю автомобилей приходится 25 % сжигаемого топлива. За время эксплуатации, равное 6 годам, один усредненный автомобиль выбрасывает в атмосферу: 9 т CO2? 0,9 т CO? 0,25 т NOx и 80 кг углеводородов.
Химическая ромышленность как источник загрязнения
Конечно, по сравнению с энергетикой и транспортом глобальное загрязнение посредством химической промышленности невелико, но это тоже достаточно ощутимое локальное воздействие. Большинство органических полупродуктов и конечная продукция, применяемая или производимая в отраслях химической промышленности, изготавливается из ограниченного числа основных продуктов нефтехимии. При переработке сырой нефти или природного газа на различных стадиях процесса, например, перегонке, каталитическом крекинге, удалении серы и алкилировании, возникают как газообразные, так и растворенные в воде и сбрасываемые в канализацию отходы. К ним относятся остатки и отходы технологических процессов, не поддающиеся дальнейшей переработке.
Газообразные выбросы установок перегонки и крекинга при переработке нефти в основном содержат углеводороды, моноксид углерода, сероводород, аммиак и оксиды азота. Та часть этих веществ, которую удается собрать в газоуловителях перед выходом в атмосферу, сжигается в факелах, в результате чего появляются продукты сгорания углеводородов, моноксид углерода, оксиды азота и диоксид серы. При сжигании кислотных продуктов алкилирования образуется фтороводород, поступающий в атмосферу. Также имеют место неконтролируемые эмиссии, вызванные различными утечками, недостатками в обслуживании оборудования, нарушениями технологического процесса, авариями, а также испарением газообразных веществ из технологической системы водоснабжения и из сточных вод.
Из всех видов химических производств наибольшее загрязнение дают те, где изготавливаются или используются лаки и краски. Это связано с тем, что лаки и краски часто изготавливают на основе алкидных и иных полимерных материалов, а также нитролаков, обычно они содержат большой процент растворителя. Выбросы антропогенных органических веществ в производствах, связанных с применением лаков и красок составляет 350 тыс. т в год, остальные производства химической промышленности в целом выделяют 170 тыс. т год (?1?, стр. 147).
Воздействие химических веществ на окружающую среду
Рассмотрим более подробно воздействие химических веществ на окружающую среду. Исследованием влияния антропогенных химических веществ на биологические объекты окружающей среды занимается экотоксикология. Задачей экотоксикологии является изучение воздействия химических факторов на виды, живые сообщества, абиотические составляющие экосистем и на их функции.
Под вредным воздействием, наносимым соответствующей системе, в экотоксикологии понимают:
* явственные изменения обычных колебаний численности популяции;
* долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.
Воздействия на отдельные особи и популяции
Любое воздействие начинается с токсического порога, ниже которого не обнаруживается влияние вещества (NOEC - концентрация, ниже, которой не наблюдается воздействие). Ему отвечает понятие экспериментально определяемого порога концентрации (LOEC - минимальная концентрация, при которой наблюдается влияние вещества). Применяется также третий параметр: MATC - максимально допустимая концентрация вредного вещества (в России принят термин ПДК - “предельно допустимая концентрация”). ПДК находят расчетом, и ее значение должно находиться между NOEC и LOEC. Определение этой величины облегчает оценку риска воздействия соответствующих веществ на чувствительные к ним организмы (?1? стр. 188).
Химические вещества в зависимости от свойств и строения воздействуют на организмы по разному.
1. Молекулярно-биологические воздействия.
Многие химические вещества взаимодействуют с ферментами организма, изменяя их структуру. Так как ферменты катализируют тысячи химических реакций, становится понятным, почему любое изменение их структуры глубоко влияет на их специфичность и регуляторные свойства.
Пример: цианиды блокируют фермент дыхания - цитохром-с-оксидазу; катионы Са2+ тормозят активность рибофлавинкитазы, которая является переносчиком фосфата на рибофлавин в клетках животных.
2. Нарушения обмена веществ и регуляторных процессов в клетке.
Метаболизм клеток может быть нарушен под действием химических веществ. Реагируя с гормонами и другими регуляторными системами, химические вещества вызывают неконтролируемые превращения, изменяют генетический код.
Пример: нарушение реакций окислительного расщепления углеводов, вызываемое токсичными металлами, особенно соединениями меди и мышьяка; пентахлорфенол (ПХФ), триэтилсвинец, триэтилцинк и 2,4-динитрофенол разрывают цепь химических процессов дыхания на стадии реакции окислительного фосфорилирования; лидан, соединения кобальта и селена нарушают процесс расщепления жирных кислот; Хлорорганические пестициды и полихлорированные бифенилы (ПХБФ) вызывают нарушения работы щитовидной железы.
Мутагенное и канцерогенное воздействие.
Такие вещества как ДДТ, ПХБФ и полиароматические углеводороды (ПАУ) потенциально обладают мутагенным и канцерогенным воздействием. Их опасное воздействие на человека и животных проявляется в результате длительного контакта с этими веществами, содержащимися в воздухе и пищевых продуктах. По данным, полученным на основе экспериментов с животными, канцерогенное действие осуществляется в результате двухступенчатого механизма:
4.Воздействие на поведение организмов.
Изменение индивидуального жизненного цикла
(эмбриональное развитие, скорость роста, репродукция, способность к регенерации)
?
месяцы - годы
Популяционные изменения
(снижение числа особей, изменения возрастной структуры, изменение генетического материала)
?
месяцы - десятилетия
Экологические последствия
(динамические изменения биоценозов / экосистем, их структуры и функции)
Рис. 1. Воздействия на биологические системы по мере их усложнения (?1? стр. 201).
* “генотоксической инициации”,
* “эпигенетического промотирования”.
Инициаторы в процессе взаимодействия с ДНК вызывают необратимые соматические мутации, причем достаточно очень малой дозы инициатора, предполагают, что для этого воздействия не существует пороговых значений концентрации, ниже которых оно не проявляется.
Направленное уничтожение отдельных видов растений и животных.
Пример: альдегидные, фунгицидные, акарицидные, гербицидные, инсектицидные мероприятия, в особенности в урбанизированных экосистемах
?
Широко распространившееся уменьшение видового разнообразия организмов.
Пример: использование пестицидов и удобрений в аграрных экосистемах.
?
Массированные загрязнения.
Пример: загрязнение побережья и экстуарриев рек нефтью при авариях танкеров.
?
Постоянное загрязнение биотопов
Пример: эвторификация рек и озер в результате попадания в них значительных количеств растворенных и связанных соединений азота и фосфора.
?
Глубокие изменения биотопа
Пример: засоление пресноводных биотопов; “современное ухудшение состояния лесов.
?
Полное разрушение экосистемы в результате выпадения целостной интактной структуры (биотопа) и ее функций (биоценоза).
Пример: уничтожение мангровых лесов в результате применения гербицидов в качестве химического оружия во Вьетнамской войне.
Рис.2. Схема возможных последствий воздействия химических продуктов на экосистемы.
Промоторы усиливают действие инициатора, а их собственное воздействие на
организм в течение некоторого времени является обратимым.
Аддитивное воздействие - суммирование (сложение) отдельных воздействий.
В табл.5 приведены некоторые инициаторы и промоторы и их свойства.
Нарушение поведения организмов является следствием суммарного воздействия на биологические и физиологические процессы.
Пример: Было установлено, что для явного изменения поведения, обусловленного воздействием химических препаратов, достаточно значительно меньших концентраций, чем ЛД50 (летальная доза при смертности 50 %).
Разные организмы обладают различной чувствительностью к химическим веществам, поэтому время проявления тех или иных действий химических веществ для различных биосистем различно (см. Рис. 1).
Влияние на экосистему
Под действием химических веществ изменяются следующие параметры экосистемы:
* плотность популяции;
* доминантная структура;
* видовое разнообразие;
* изобилие биомассы;
* пространственное распределение организмов;
* репродуктивные функции.
Возможные последствия и формы вредного воздействия химических веществ на экосистему можно классифицировать в соответствии с рис. 2 (?1? стр. 184).
Меры, которые проводятся для минимизации риска использования химических продуктов
Для минимизации риска использования химических продуктов в соответствии с уровнем наших знаний этой проблемы в странах ЕС в 1982 г. Был введен в действие так называемый “Закон о химических продуктах”. В процессе проверки его исполнения в течение нескольких лет проводились мероприятия по оптимизации технологий, биологических и физико-химических испытаний, а также по уточнению терминологии, стандартных веществ и методов отбора проб. Химический закон устанавливает правила допуска на рынок всех новых химических продуктов.
Технические мероприятия, используемые для предотвращения опасности промышленных выбросов
Для сокращения и уменьшения выбросов химических веществ на промышленных предприятиях необходимо проводить следующие меры:
1. Необходимо проектировать любое производство так, чтобы выбросы были заведомо минимальны.
2. Необходимо строго соблюдать технологические режимы производства.
3. Необходима обязательная герметизация оборудования на производствах, где присутствуют и получаются химические соединения (это касается не только химической промышленности).
4. Необходимо внедрение непрерывных технологических процессов и замкнутого круга производства, оборотного водопотребления.
5. Необходимо проводить меры по предотвращению аварий (например, планово-профилактический ремонт оборудования).
6. Борьба с потерями при транспортировке (предотвращение аварий газо- и нефтепроводов).
7. Борьба с эмиссией (выделением) промышленных газов в атмосферу.
8. Необходимо применение систем очистки сточных вод и борьбы с загрязнением.
9. Обязательная переработка и утилизация отходов, вторичное использование отходов.
Рассмотрим более подробно два последних пункта.
Борьба с загрязнением воды
Понимание необходимости регулируемого водоснабжения и обезвреживания сточных вод возникло очень давно. Еще в Древнем Риме строили акведуки для снабжения свежей водой и “Cloaca maxima” - канализационную сеть. бассейна отстойника и тем самым предотвращение засорения канализации и образования продуктов гниения (“дортмундские колодцы” и “ эмские колодцы”).
Другим методом обезвреживания сточных вод была их очистка с помощью полей орошения, т. е. спуск сточных вод на специально подготовленные поля. При Однако лишь в середине прошлого столетия начались разработка методов очистки сточных вод и систематическое строительство канализационных сетей в городах.
Сначала были созданы установки механической очистки. Сущность этой очистки заключалась в осаждении находящихся в сточных водах твердых частиц на дно просачивании через песчаный грунт сточные воды отфильтровывались и осветлялись. И только после открытия в 1914 г. Биологического (живого) ила
появилась возможность разработки современных технологий очистки сточных вод, включающих в себя возврат (рецикл) биологического ила в новую порцию сточных вод и одновременную аэрацию суспензии. Все методы очистки сточных вод, разработанные в последующие годы и до настоящего времени, не содержат никаких существенно новых решений, а лишь оптимизируют разработанный ранее метод, ограничиваясь различными комбинациями известных стадий технологического процесса. Исключение составляют физико-химические методы очистки, в которых используются физические методы и химические реакции, специально подобранные для удаления веществ, содержащихся в сточных водах (табл. 6).
Сточные воды предприятий (например, нефтеперерабатывающих) вначале подвергаются физико-химической очистке, а затем биологической. Содержание вредных веществ в сточных водах, поступающих на биологическую очистку не должно превышать определенных значений (табл. 7).
Утилизация отходов.
При разработке совместимой с окружающей средой системы переработки отходов ставятся следующие (по порядку важности) главные задачи:
1. Снижение количества отходов уже в процессе производства продукции.
2. Уменьшение отходов за счет их сортировки при сборе.
3. Широкое вторичное использование материалов, полученных из отходов.
4. Удаление остающихся после переработки отходов с минимально возможным риском для окружающей среды и здоровья человека.
Виды утилизации отходов:
* складирование;
* сжигание;
* компостирование (неприменим для отходов, содержащих токсичные вещества);
* пиролиз.
Таблица 11. Различия между термолизом и пиролизом органических отходов (?1? стр.171).
Сжигание отходов
Пиролиз отходов
Обязательна высокая температура
Достаточно относительно небольшая температура (450 оС)
Необходим избыток воздуха (соотв. кислорода)
Отсутствие кислорода (соотв. воздуха)
Поступление тепла непосредственно за счет выделяющейся теплоты реакции
Поступление тепла большей частью через теплообменники
Окислительные условия, окисляются металлы
Восстановительные условия, металлы не окисляются
Основные продукты реакции: CO2, H2O, зола, шлаки
Основные продукты реакции: Н2, СnНm, СО, твердые углеродные остатки
Газообразные вредные вещества: SO2, SO3 , NOx, HCl, HF, тяжелые металлы, пыль
Газообразные вредные вещества: H2S, HCN, NH3, HCl, HF, фенолы, смолы, Hg, пыль
Большие объемы газа (доля воздуха)
Малые объемы газов
Зола спекается в шлак, уход влаги
Отсутствие процессов сплавления и спекания, уход влаги
Предварительное измельчение и равномерность дробления не являются необходимыми, но благоприятны
Предварительное измельчение и равномерность дробления необходимы
Жидкие и пастообразные отходы, как правило, не подлежат обработке
Жидкие и пастообразные отходы в принципе обрабатываются
Экономичность производства достигается при числе жителей около 1 млн
Экономичность производства, вероятно, обеспечивается при числе жителей около миллиона
Наиболее распространено сейчас складирование отходов. Примерно 2 / 3 всех отходов бытового и производственного происхождения и 90 % инертных отходов складируют в хранилищах - свалках. Такие хранилища занимают большие площади, являются источниками шума, пыли и газов, образующихся в результате химических и анаэробных биологических реакций в толще, а также источниками загрязнения грунтовых вод в результате образования на открытых свалка просачивающихся вод (табл. 8).
Отсюда следует, что складирование отходов не может являться удовлетворительным методом их утилизации, и необходимо использовать другие методы.
В настоящее время сжигается до 50 % всех отходах в развитых странах. Преимущества метода сжигания состоят в существенном уменьшении объема отходов и действенном разрушении горючих материалов, включая органических соединений. Остатки от сжигания - шлаки и зола - составляют лишь 10 % первоначального объема и 30 % от массы сжигаемых материалов. Но при неполном сгорании в окружающую среду могут попадать многочисленные вредные вещества (табл. 9 и 10). Для снижения эмиссии органических веществ необходимо использовать устройства для очистки дымов.
Пиролизом называют разложение химических соединений при высоких температурах в отсутствие кислорода, вследствие чего становится невозможным их горение. В табл. 11 показаны различия в процессах сжигания (термолиза) и пиролиза отходов на основе сравнения этих двух методов. Хотя пиролиз имеет много достоинств, он обладает и существенными недостатками: сточные воды, поступающие из установок для пиролиза, сильно загрязнены органическими веществами) фенолы, хлорированные углеводороды и др.), а из отвалов твердых остатков пиролиза (пиролизного кокса) под действием дождей происходит вымывание вредных веществ; в твердых продуктах пиролиза, кроме того, найдены высокие концентрации поликонденсированных и хлорированных углеводородов. В связи с этим пиролиз нельзя считать экологически безопасным методом переработки отходов.
Человек в процессе своей деятельности производит огромное количество химических веществ, которые негативно воздействуют на окружающую среду. Но в данный момент он не имеет такой технологии, которая бы делала бы деятельность человека абсолютно безотходной.
Заключение
Итак, мною были рассмотрены некоторые аспекты химического загрязнения окружающей среды. Это далеко не все аспекты этой огромной проблемы и только малая часть возможностей решения ее. Чтобы полностью не разрушить место своего обитания и обитания всех остальных форм жизни, человеку необходимо очень бережно относится к окружающей среде. А это значит необходим строгий контроль прямого и косвенного производства химических веществ, всестороннее изучение этой проблемы, объективная оценка влияния химических продуктов на окружающую среду, изыскание и применение методов минимизации вредного воздействия химических веществ на окружающую среду.
Список используемой литературы
1. Экологическая химия: Пер. с нем. / Под ред. Ф. Корте. — М.: Мир, 1996. — 396 с., ил.
2. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать(: Учебное пособие / Под ред. Проф. В. И. Данилова - Даниляна. ( М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. ( 332 с.
3. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2-х т. Т. 1,2. Пер. с англ.- М.: Мир, 1993. - с., ил.
4. Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 2. Загрязнения воды и воздуха: Пер с англ. - М.: Мир, 1995. - с., ил.