Промышленная, или инженерная, экология — система научно боснованных инженерно-технических мероприятий по сохранению окружающей среды и здоровья человека в условиях растущего промышленного производства, осуществляемых в тесном взаимодействии с правовыми, социально-экономическими и санитарными мерами.
АТМОСФЕРА
Атмосфера — газовая оболочка Земли. Состояние среды обитания человека определяется физико-химическими свойствами воздуха, его газовым составом, влажностью и электрическими свойствами.
Классификация загрязнения атмосферы
• По масштабу.
— Глобальный масштаб — выбросы веществ с большим периодом жизни в атмосфере с распространением в окружающей среде независимо от места их выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полураспада более одного месяца).
— Региональный масштаб — выброс веществ с ограниченным временем жизни в атмосфере, приводящий к загрязнению крупного региона (оксиды сера и азота, пестициды, тяжёлые металлы).
— Локальный масштаб — выброс веществ с малым периодом жизни в атмосфере на сравнительно небольшой территории (грубодисперсные аэрозоли, сероводород).
• По периодичности: постоянные и периодические (залповые).
• По физическим особенностям.
— Вещественные (ингредиентные): механические, химические, биологические.
— Энергетические (параметрические): тепловые, акустические, электромагнитные, ионизирующие излучения.
— Вещественно-энергетические: радионуклиды.
• По направленности воздействия.
— Прямое воздействие выбросов промышленности, теплоэнергетики, транспорта, сельского хозяйства.
— Косвенное воздействие в результате нарушения экологического равновесия в других компонентах биосферы (например, вырубка лесов на больших площадях, создание крупных водохранилищ, мелиоративные работы, добыча полезных ископаемых открытым способом).
Санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы
При проектировании производственных зданий и санитарнозащитных зон вокруг них, технологических процессов, оборудования и вентиляции для контроля качества производственной среды и профилактики неблагоприятного воздействия на здоровье работающих применяют систему нормативов и показателей.
Гигиенический норматив — установленное исследованиями допустимое максимальное или минимальное количественное либо качественное значение показателя, характеризующего тот или иной фактор среды обитания с позиций его безопасности и безвредности для человека.
• ПДК — предельно допустимые концентрации веществ, количественно характеризующие такое содержание вредных веществ в атмосферном воздухе, при котором на человека и окружающую среду не оказывается ни прямого, ни косвенного вредного воздействия.
• ПДКм.р.- предельно допустимые максимальные разовые концентрации за 20-минутный период для тех веществ, которые оказывают немедленное, но временное раздражающее действие.
• ПДКс.с.- предельно допустимые среднесуточные концентрации (за год) для веществ, оказывающих вредное влияние на организм человека при накоплении.
• Класс опасности веществ — лимитирующий признак вредности вещества в атмосферном воздухе. При строительстве предприятий рассчитывают размер санитарно-защитной зоны исходя из предполагаемых выбросов вредных веществ, их ПДКс.с. и класса опасности. Вредные вещества подразделяют на четыре класса опасности:
1-й класс — чрезвычайно опасные; 2-й класс — высокоопасные; 3-й класс — умеренно опасные; 4-й класс — малоопасные.
• ОБУВ — ориентировочные безопасные уровни воздействия вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Нормативы распространяются на рабочие места независимо от их расположения (в производственных помещениях, в горных выработках, на открытых площадках, транспортных средствах и т.п.) и, как правило, бывают временными, пока не установлены соответствующие ПДК.
• ПДКр.з.- предельно допустимая концентрация рабочей зоны — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных) работе в течение 8 ч или другой продолжительности рабочего дня, но не более 41 ч в неделю в течение всего рабочего стажа, не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых как в процессе работы, так и в отдалённые сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Гигиенические нормативы воздуха для населения и воздуха рабочей зоны различаются. Допустимые концентрации воздуха рабочей зоны, как правило, выше таковых для населения. Это связано с двумя факторами:
• на предприятиях работают взрослые здоровые люди (не дети, не беременные, не кормящие матери, не ослабленные возрастом или болезнью);
• на предприятии работники находятся ограниченное время, а не круглые сутки.
Суммация эффектов
Все виды ПДК применяют к отдельным веществам (загрязнителям или поллютантам). Однако в реальных условиях в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу попадают сотни различных веществ и соединений. Даже в отсутствие их химического или физического взаимодействия ответная реакция организма человека и животных может быть различной.
• Независимое действие: ответная реакция соответствует действию каждого отдельного вещества.
• Усиление эффекта (синергизм): ответная реакция на смесь превосходит аддитивный эффект отдельных загрязнителей.
• Ослабление эффекта (антагонизм): ответная реакция на смесь меньше эффекта отдельных загрязнителей.
Действие атмосферных поллютантов с одинаковым лимитирующим признаком можно характеризовать эффектом простого сум- мирования. Согласно действующим гигиеническим нормативам рассчитывают следующую величину (так называемый показатель Пинигина):
С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + . . . +СП/ПДКП,
где:
С1, С2, … Сп — фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе; ПДК1, ПДК2, … ПДКп — предельно допустимые концентрации тех же веществ. Сумма концентраций, нормированных на ПДК, не должна превышать единицы.
Рассеяние токсичных выбросов в атмосфере
Уменьшение токсического воздействия на человека со стороны промышленных предприятий осуществляют путём рассеивания выбросов в атмосферу. То есть промышленные загрязнители разбавляются более чистым атмосферным воздухом и функция их нейтрализации перекладывается на природные факторы. При этом, с одной стороны, предотвращается немедленная гибель природы от промышленных выбросов, а с другой стороны — возможна её деградация на больших пространствах.
Разработана математическая модель, позволяющая оценить концентрации выбросов в приземном слое атмосферы (2 м от поверхности земли) на различном расстоянии от источника загрязнения, а также на различной высоте в зависимости от физико-технических параметров источника и климатогеографической зоны. На основе данной модели рассчитывают предельно допустимые выбросы для каждого конкретного предприятия.
Характеристики отдельных химических загрязнителей атмосферы
• Оксид углерода (II), угарный газ, CO — один из наиболее опасных загрязнителей, газ без цвета и запаха. Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в условиях недостатка кислорода при относительно низкой температуре. Главный источник оксида углерода — автотранспорт — 60-90\%. Экстремальные нагрузки на атмосферу возникают в час «пик» при слабом ветре. Пути уменьшения загрязнения: дожиг газов и альтернативные источники топлива. Механизм токсического действия CO связан с его со способностью образовывать стойкое соединение с гемоглобином — карбоксигемоглобин (HbCO). Признаки отравления: головная боль, тошнота, раздражительность, одышка, боли в груди, обморочные состояния, окрашивание кожи и слизистых оболочек в алый цвет.
• Оксид углерода (IV), углекислый газ, CO2 — продукт дыхания и сгорания топлива, газ без цвета, с кисловатым запахом и вкусом. Наряду с водяным паром и метаном относится к парниковым газам. Суть парникового эффекта сводится к пропусканию солнечного излучения, достигающего поверхности земли и нагревающего её и не пропускающее отражённое, длинноволновое излучение. В результате температура земной поверхности постепенно нагревается. За последние 25-30 лет транспорт и промышленность потребили больше кислорода, чем использовало человечество за весь исторический период цивилизации. Меры против потепления: энергосберегающие технологии, переход на использование газового топлива (на 43\% меньше образование CO2, чем при сгорании угля), поиск альтернативных источников энергии.
• Диоксид серы, сернистый ангидрид, SO2 — продукт сгорания богатых серой видов горючего (уголь, мазут), газ без цвета с резким запахом. SO2 окисляется в SO3 под действием озона, перекиси водорода и др. Образовавшийся оксид серы (VI) реагирует с водой с образованием серной кислоты. Механизмы действия оксидов серы на живую и неживую природу:
— растения наиболее чувствительны к загрязнению оксидами серы, которые угнетают жизнедеятельность клеток листьев — в результате кислотных дождей листья покрываются бурыми пятнами и впоследствии засыхают;
— человек и животные — раздражение слизистой оболочки глаз, дыхательных путей, вплоть до отёка лёгких;
— неживая природа и продукты человеческой деятельности — закисление водоёмов; коррозия металлических элементов конструкций, разрушение строительных растворов и камня.
• Оксиды азота, NOx. NO2 — бело-красный газ с резким неприятным запахом. Источники: горение, производство азотных удобрений, азотной кислоты, нитратов, анилиновых красителей, целлулоида. Половину выбросов оксидов азота обуславливает транспорт, треть — энергетика, остальное — промышленные предприятия и бытовой сектор. Особенность оксидов азота превращаться друг в друга обуславливает широкий спектр их воздействия на живую и неживую природу. N2O5 и NO2 сильные окислители, раздражают дыхательные пути, в больших концентрациях вызывают отёк лёгких. Окисляют гемоглобин в
метгемоглобин (HbOH), содержащий трёхвалентное железо и не способный переносить кислород.
• Озон, O3 — газ с характерным запахом, очень сильный окислитель. В нижних слоях атмосферы образуется в результате фотохимических реакций диоксида азота и летучих органических соединений. Несмотря на то, что в приземном слое атмосферы озон — высокотоксичная примесь, нормируемая соответствующими ПДК, в верхних слоях атмосферы это необходимый для задержки коротковолнового (<280 нм) ультрафиолета компонент. Озоновые дыры — локальное пространство со значительно сниженным (до 50\%) содержанием озона. Разрушению озонового слоя способствуют: запуск тяжёлых ракетоносителей, хлор, оксиды азота, аэрозольные облака фреонов.
• Углеводороды — соединения, содержащиеся в несгоревшем бензине, ароматических растворителях, чистящих веществах. В зависимости от концентрации и продолжительности воздействия могут оказывать раздражающее, гепатотоксическое, канцерогенное действие и вызывать тяжёлые поражения ЦНС.
• Свинец, Pb — токсичен в любой форме. Основной источник загрязнения атмосферы — выхлопные газы. Примерно 75\% добавляемого в топливо тетраэтилсвинца для улучшения его антидетонационных характеристик попадает в атмосферу. Биологическое действие связано со способностью свинца блокировать сульфгидрильные группы ферментов.
Шум, вибрация, электромагнитные излучения
Хотя по формальным признакам данные факторы антропогенного воздействия можно отнести к параметрическим загрязнителям атмосферы, традиционно их рассматривают отдельно, как факторы производственной вредности.
ГИДРОСФЕРА
Гидросфера — водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, рек, прудов, озёр, болот, подземных вод, ледников и водяного пара атмосферы. Моря и океаны играют ведущую роль в сохранении среды обитания и поддержки климата на земле. Обитающий в океане планктон продуцирует половину кислорода атмосферы и является кормовой базой рыб и моллюсков. Естественные водоёмы способны к быстрому самоочищению за счёт разбавления, растворения, пере-
мешивания, оседания нерастворимых частиц, а также фильтрации планктоном.
Классификация загрязнения гидросферы
• По источнику загрязнения.
— Морские — военные корабли, суда, особенно танкеры, трубопроводы и т.п.
— Наземные — реки, озёра, куда загрязняющие вещества попадают с береговых объектов и с грунтовыми водами.
— Атмосферные — промышленность и транспорт — всё, что даёт выбросы в атмосферу.
• По технологическим особенностям сточных вод.
— Реакционные воды, загрязненные исходными веществами и продуктами реакций.
— Воды после промывки сырья, продуктов, тары.
— Водные экстрагенты и сорбенты.
— Бытовые воды.
• По химическому составу: нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, тяжёлые металлы, токсические вещества и т.д.
— Загрязнение нефтью — наиболее распространённое загрязнение мирового океана. В результате образования стойких плёнок и капель уменьшаются теплопроводность и теплоём- кость верхнего водного слоя, испарение, а также обмен кислород — углекислый газ.
— Тяжёлые металлы — группа, включающая более 30 элементов с плотностью более 4,5 г/см3. Наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Практически для каждого соединения тяжёлых металлов существует вид планктона, избирательно накапливающий его в своих клетках. Далее по пищевым цепям тяжёлый металл попадает в ткани других гидробионтов и, в частности, в рыбу.
Обеспечение качества водных объектов
Основное нормативное требование к качеству воды — соблюдение установленных предельно допустимых концентраций.
ПДК в воде — нормативные показатели, при которых исключается неблагоприятное влияние каких-либо веществ на организм человека и которые ограничивают хозяйственно-питьевое, культурно-бытовое и другие виды водоиспользования.
Лимитирующие показатели вредности для разных веществ могут быть различными:
• органолептический — изменяет запах, цвет или вкус воды, вызывает опалесценцию, образование пены или плёнки на поверхности;
• общесанитарный — влияет на скорость протекания процессов самоочищения;
• токсикологический — влияет на организм человека и животных (обитающих в воде).
Предельно допустимый сброс — масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в единицу времени. При расчёте допустимого сброса сточных вод ориентируются на наибольшие среднечасовые расходы воды и на гидрохимические и биохимические особенности водоёма.
ПОЧВА
Почва — органно-минеральное природное тело, возникшее в результате длительного взаимодействия биотических и абиотических факторов суши. Почва содержит твёрдые, жидкие и газообразные компоненты. Свыше половины минерального состава образовано кремнезёмом (SiO2), четверть — глинозёмом (AI2O3), десятая часть — оксидом железа (Fe2O3).
Гумус — наиболее плодородный слой почвы, содержит в большом количестве растительные и животные остатки, разложившиеся под действием микроорганизмов.
Почва способна к самоочищению, но данный процесс идёт медленно, поскольку ограничен интенсивностью жизнедеятельности почвенных бактерий, грибов и простейших. При накоплении токсических веществ происходит нарушение единства геохимической среды и живых организмов — возникает опустынивание (дезертификация). Под влиянием антропогенной нагрузки разрушение почв происходит в 100-1000 раз быстрее, чем в естественных условиях. За последнее столетие человечество утратило более четверти пахотных угодий.
Источники загрязнения почвы — те же, что и атмосферы и гидросферы, поскольку все выбрасываемые промышленностью, транспортом и энергетикой твёрдые и жидкие вещества в том или ином количестве попадают на землю.
Особенности загрязнения почвы в сельском хозяйстве
Для увеличения урожайности применяют различные классы химических веществ. Многие из таких соединений пагубно влияют на состояние почв; вызывают заболевания при работе с ними без надлежащих мер защиты и при потреблении в пищу продуктов с превышением допустимых остаточных количеств.
• Пестициды — ядохимикаты, химические соединения, используемые для защиты растений и сельскохозяйственных продуктов, для уничтожения эктопаразитов животных и для борьбы с переносчиками опасных заболеваний.
• Гербициды — подмножество пестицидов, химические вещества, уничтожающие растения или их части (листья — дефолианты, цветы — дефлоранты), сплошного или избирательного действия.
• Регуляторы роста и развития растений — синтетические аналоги растительных гормонов: ауксины, ретарданты, гибереллины.
• Минеральные удобрения, без которых немыслимо современное сельское хозяйство, содержат большое количество балластных веществ, что изменяет химический состав почв.
Нормированию и контролированию подлежат токсические вещества в пахотном слое сельскохозяйственных угодий, сельскохозяйственное сырье и пищевые продукты.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте классификацию загрязнения атмосферы.
2. Назовите санитарно-гигиенические показатели загрязнения атмосферы.
3. Как вещества подразделяют по классам опасности?
4. Какие виды ответных эффектов организма на действие поллютантов вы знаете?
5. Назовите характеристики отдельных химических загрязнителей атмосферы.
6. Дайте классификацию загрязнения гидросферы.
7. Назовите особенности загрязнения почвы в сельском хозяйстве.