ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Классификацию отходов можно проводить, опираясь на их свойства: химический состав, фазовое состояние, формы и режим поступления и т.д. Отходы поступают в окружающую среду в твердом, жидком состоянии, в форме аэрозольных выбросов. В соответствии с фазовым состоянием отходов происходит преимущественное загрязнение водной, воздушной, почвенной сред. Почвы загрязняются как непосредственно, так и через атмосферу и гидросферу. Загрязнение воздуха и вод неизбежно сопровождается загрязнением почв.
Поступление отходов происходит в неорганизованном и организованном режиме (постоянно или регулярно). Примером постоянных организованных выбросов являются шахтные сточные воды предприятий по добыче полезных ископаемых, выбросы газообразных продуктов сгорания трубами ТЭЦ, газовые факелы, отходы очистных сооружений, шлаконакопители, отвалы. Внесение ядохимикатов и загрязняющих веществ — примесей удобрений, — сброс жидких отходов промышленных предприятий может классифицироваться как регулярное или циклическое поступление полютантов.
Неорганизованное, или спонтанное (самопроизвольное), поступление загрязняющих веществ происходит при катастрофических разливах нефти, при авариях на предприятиях или при транспортировке промышленной продукции (например, нефтяной или химической).
Классификация источников загрязнения биосферы
Таблица 4.1
| Вид деятельности | Отходы |
|
|
|
А.
Сфера материального производства| 1. Промышленность: а) добыча твердых полезных ископаемых; б) добыча горючих полезных ископаемых; в) промышленное производство; г) металлургическая промышленность; д) химическая промышленность | твердые промышленные отходы, промышленные сточные воды, аэрозольные выбросы |
| 2. Производство энергии, тепловые и атомные электростанции | отходы сжигания твердого и жидкого топлива |
| 3. Нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия | нефть и нефтепродукты |
| 4. Атомная промышленность | радиоактивные вещества отходов атомной энергетики, ядерных взрывов |
| 5. Транспорт: а) автомобильный; б) водный | нефтепродукты, смазочные масла, выхлопные газы автотранспорта, потери химических веществ при транспортировке |
| 6. Сельскохозяйственная деятельность: а) земледелие; | средства химизации, отходы, используемые как удобрения, ядохимикаты, мелиоранты, |
| б) животноводство | оросительные воды, отходы сельскохозяйственного производства; отходы стойлового содержания скота, стоки и твердые отходы |
Б. Сфера потребления
| Коммунально-бытовая деятельность | дымовые газы, бытовые сточные воды, твердые бытовые отходы, экзогенные химические вещества, используемые в быту |
Распространение поллютантов может быть условно разделено на точечное, площадное, линейное. Отходы ТЭЦ, предприятий по добыче полезных ископаемых или других заводов неизбежно формируют точечные загрязненные зоны.
Но с этими же производствами крупного масштаба, с внесением удобрений на обширных площадях связано формирование площадного загрязнения. Мощные автомобильные потоки создают линейное загрязнение вдоль полотна автомагистралей.Локальные загрязнения происходят вследствие технологических катастроф, число которых велико. За последние два десятилетия несколько экологически опасных катастроф повлекли за собой загрязнение поверхностных и грунтовых вод, почв, например прорыв нефте- и трубопроводов в Республике Коми, Самарской, Саратовской, Челябинской, Тамбовской областях, разлив в районе Арзамаса серной кислоты, а в Иркутской области дизтоплива. К загрязнению вод привели аварийный сброс и разливы в Кемерово сточных вод, в Тольятти — серной кислоты, в Томской области — анилина, сброс в Куйбышевское водохранилище сульфатов. Велики размеры загрязнения на Кавказе вод и почв нефтью и нефтепродуктами, атмосферы — продуктами их сгорания.
По масштабам распространения загрязняющих веществ загрязнение классифицируют как локальное, региональное, глобальное.
Локальное (импактное) загрязнение создается в непосредственной близости от производства, источника загрязнения. Загрязнение в этой зоне может быть точечным, площадным, линейным. Загрязняющие вещества распространяются в радиусе от единиц до первых десятков километров, что зависит как от технологических, так и от природных факторов.
Региональное загрязнение формируется в крупных промышленных центрах с высокой численностью населения. Размеры таких территорий измеряются сотнями километров, воздействие на окружающую среду носит комплексный характер, так как в таких региональных, административных центрах, как правило, расположено множество предприятий различных профилей, производящих отходы разного состава.
Глобальное загрязнение — это загрязнение общепланетарное, площадное. Формируется оно за счет дальнего переноса аэрозолей загрязняющих веществ. Опасность настоящего времени в том, что загрязнение природных сред приняло глобальные размеры.
А это значит, что человек нигде не может избежать воздействия загрязняющих веществ. Именно поэтому загрязнение названо в качестве реальной угрозы жизни на планете.Глобальный характер антропогенных изменений впервые оценил В.И. Вернадский. Еще в 1934 г. он писал о растущих размерах геохимической работы человечества: «Человек воздействует на обмен атомов живого вещества с косной материей, он распространил свое влияние на все химические элементы, изменил геохимическую историю всех металлов». Равновесие в миграции элементов, которое устанавливалось в течение геологического времени, в настоящее время нарушается. Растет обратимость геохимических циклов всех элементов, все шире вводятся новые термодинамически неустойчивые в условиях земной коры соединения.
Для характеристики процесса изменения природы под воздействием производственной деятельности человека введен специальный термин «техногенез». Этот термин предложил А.Е. Ферсман. Техногенез — это воздействие хозяйственной деятельности человека на окружающую среду. В.И. Вернадский, и А.Е. Ферсман доказали, что в результате техногенеза происходит концентрирование химических веществ в определенных зонах биосферы. Но концентрирование веществ — это промежуточный, локальный процесс. Экологическая опасность его в том, что конечным итогом этого процесса является последующее безвозвратное распыление, рассеяние веществ. В настоящее время геохимическая миграция химических элементов, обусловленная технической деятельностью, превышает по скорости природные процессы. В результате техногенеза в земной коре протекают реакции, которые не соответствуют природным физико-химическим условиям планеты, что нарушает цикл химических элементов. Человечество создает новые соединения химических элементов, которые ранее в биосфере не существовали, например полимеры, пестициды, пластмассы. Все шире распространяются в окружающей среде радиоактивные изотопы. Расширяются способы миграции вещества, в том числе не свойственные природе, — экспорт, импорт.
Антропогенное рассеяние в биосфере химических веществ растет со скоростью научно-технического прогресса и с мощностью геологического процесса. О сопоставимости природных и техногенных потоков химических веществ говорят, в частности, данные табл. 4.2.
Таблица 4.2
Соотношение биогенных и техногенных потоков химических веществ
(Ковда, 1976)
| Источник химических веществ | Размеры потоков веществ |
| Живое вещество планеты | 10|4т/год |
| Биомасса | 1013 т/год |
| Годичный сток рек | 47 • 103 м3 |
| Потребление воды | 3- 103 км3 |
Окончание табл 4.2
| Источник химических веществ | Размеры потоков веществ |
| Твердый сток рек | 16—24 • 109 т/год |
| Химический сток рек | 3 1О9т/год |
| Производство удобрений | 3—5 • 109 т/год |
| Пыль индустриальная | 0,25 • 109 т/год |
| Мусор, отходы, выбросы | 20 • 109 т/год |
| Выемка рудных пород | 5 • 109 т/год |
| Индустриальные и городские Сбросные воды | 5500 • 109 м3Дод |
| Аэрозоли и газовые выбросы | п • 109 т/год |
Расчеты показывают, что количество сбросных вод соизмеримо с химическим стоком вод, а количество удобрений, индустриальной пыли, мусора соизмеримо с твердым стоком рек. Имеются и другие показатели масштабов использования химических веществ (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Глобальное техногенное поступление микроэлементов в почвы (тыс.
т/год)(Nnagu, Расу па, 1988)
| Источники поступления | As | Cd | Сг | Си | Hg | Ni | Pb | Zn |
| Сельскохозяйственные отбросы | 3,0 | 1,5 | 47,5 | 20,5 | 0,8 | 25,5 | 14,2 | 81,0 |
| Навоз | з,з | 0,7 | 25,0 | 47,0 | 0,1 | 19,5 | п,б | 235,0 |
| Лесозаготовки | 1,6 | 1,1 | 10,1 | 22,0 | 1,1 | 12,5 | 7,4 | 39,0 |
| Городские отбросы | 0,4 | 4,2 | 19,3 | 26,5 | 0,1 | 6,1 | 40,0 | 60,0 |
| Городские стоки | 1,1 | 0,3 | 6,2 | 12,4 | 0,5 | 13,5 | 5,8 | 38,0 |
| Органические отбросы, включая экскреции | 0,1 | 0,5 | 0,2 | 0,3 |
| 1,7 | 0,8 | 1,0 |
Окончание табл. 4.3
| Источники поступления | As | Cd | Сг | Си | Hg | Ni | Pb | Zn |
| Твердые отбросы, металлолом | 0,1 | 0,1 | 1,5 | 4,4 | 0,1 | 1,7 | 7,5 | 11,0 |
| Угольная пыль и шлаки | 21,8 | 7,2 | 305,0 | 372,0 | 2,6 | 167,5 | 143,5 | 298,0 |
| Удобрения | 0,1 | 0,1 | 20,5 | 0,3 |
| 0,4 | 1,4 | 0,7 |
| Торф (удобрение и топливо) | 0,3 | 0,6 | 0,1 | 1,1 | 0,1 | 17,6 | 1,5 | 2,0 |
| Коррозия металлов, химикаты | 38,5 | 1,2 | 457,0 | 559,0 | 0,7 | 19,2 | 2925,0 | 466,0 |
| Атмосферные выпадения | 13,2 | 5,3 | 21,6 | 25,0 | 2,5 | 24,0 | 432,0 | 92,0 |
Для количественной характеристики процессов вовлечения химических веществ в глобальные циклы на планете вводятся новые термины (Глазовская, 1997). Например, фактор мобилизации (EF), или фактор техногенного обогащения, который рассчитывается как отношение техногенного потока химического элемента к природному. Данные табл. 4.4 показывают, как велик этот индекс.
Максимальные уровни техногенного обогащения характерны для Hg (440), Pb (100), Ag (83), минимальные — для Сг, Со, Мп (lt; 2). Уровень этого показателя, как и показателя технофильности, является отражением, с одной стороны, уровня выбросов химического элемента в виде отходов, с другой стороны, — исходного содержания его в литосфере.
Химический состав культурных ландшафтов резко меняется в результате техногенеза. По М.А. Глазовской, в культурных ландшафтах по сравнению с природными идет накопление более тех- нофильных элементов: увеличивается доля соединений железа, расширяется соотношение между Си: Zn, Ni: Со, т.е. техногенез меняет не только уровень содержания, но и соотношение элементов в окружающей среде.
О размерах техногенной нагрузки свидетельствуют и другие показатели: средние модули техногенной нагрузки, время удвоения содержания элементов в верхних слоях почвы (табл. 4.5). Модуль техногенного давления показывает ежегодное поступление массы вещества на единицу площади земной поверхности. Средний модуль педотехно-
Таблица 4.4
Сопоставление техногенных и природных потоков химических элементов
(Lantzyand Maccenzie, 1979; Galloway, 1988)
| Элемент | Эмиссия, 108 т/год | EF (отношение потоков) | |
| природная | техногенная | ||
| Ag | 0,6 | 50 | 83 |
| As | 28 | 780 | 28 |
| Cd | 2,9 | 55 | 19 |
| Сг | 580 | 940 | 1,6 |
| Си | 190 | 2600 | 13 |
| Hg | 0,4 | ПО | 440 |
| Mn | 6100 | 3200 | 0,5 |
| Со | 70 | 50 | 0,7 |
| Mo | 11 | 510 | 45 |
| Ni | 280 | 980 | 3,5 |
| Pb | 40 | 4000 | 100 |
| Sb | 9,8 | 380 | 39 |
| Sn | 52 | 430 | 8,3 |
| V | 650 | 2100 | 3,2 |
| Zn | 360 | 8400 | 23 |
генной концентрации вещества показывает отношение массы вещества, поступившего на поверхность почвы из техногенного источника, к исходному содержанию его в верхнем почвенном слое. Он показывает, какую долю от средних запасов в почвах составляет его ежегодное техногенное поступление. Модуль отражает не только повышение содержания техногенного элемента, но и изменение его соотношения по сравнению с природным уровнем содержания этого элемента.
Наибольший уровень техногенного концентрирования элементов характерен для ртути и селена, т.е. для элементов с самым низким фоновым содержанием. Эти показатели позволяют вычислить ориентировочно время удвоения содержания элементов в верхних слоях почвы. Предполагается, что в среднем на планете содержание
Таблица 4.5
Средние глобальные модули техногенного давления и педотехногенной концентрации элементов
(Глазовская, 1997)
| Элемент | Среднее глобальное поступление, тыс. т/год | Средние глобальные техногенные модули давления, (мг/м2)/год | Среднее содержание в почве, мг/кг | 1 Среднее содержание в слое 0—10 см (1^1,3), мг/м2 | Средние модули педотехногенной концентрации в поверхностном слое (10*4) | Время удвоения содержания в слое 0—10 см, годы |
| Cd | 23 | 0,15 | 0,5 | 650 | 2,3 | 4333 |
| Сг | 892 | 6,22 | 200 | 26 000 | 2,3 | 4180 |
| Си | 1091 | 6,33 | 20 | 2600 | 24,3 | 411 |
| Hg | 8 | 0,06 | 0,01 | 1.3 | 44,6 | 22 |
| Мп | 1692 | 11,6 | 850 | 110 500 | 1 | 9528 |
| Мо | 104 | 0,6 | 2 | 260 | 23 | 426 |
| Ni | 347 | 2,26 | 40 | 5200 | 4,3 | 2301 |
| Pb | 960 | 5,59 | 10 | 1300 | 43 | 233 |
| V | 55 | о,з | 100 | 13 000 | 2,3 | 43 333 |
| Zn | 1323 | 9,52 | 50 | 6500 | 14,6 | 683 |
| Se | 54 | 0,27 | 0,06 | 7,8 | 346 | 29 |
| As | 84 | 0,58 | 5 | 650 | 8,9 | 1638 |
ртути и свинца в верхних 10 см почвы удвоится за катастрофически малое время — 22—29 лет.
Распространение загрязняющих веществ и их трансформация в различных природных средах осуществляются в ходе процессов, среди которых имеют значение следующие: течение жидкости, диффузия, дисперсия, осаждение—растворение, ионный обмен, химическая трансформация, микробиологическая трансформация.
Течение жидкостей. Загрязняющие вещества растворяются в грунтовых водах до определенной степени и способны перемещаться с грунтовыми водами. Жидкости неводных фаз, плотность которых меньше плотности воды, ниже уровня грунтовых вод, как правило, не обнаруживаются. Жидкости неводных фаз с плотностью, большей, чем плотность воды, текут ниже уровня грунтовых вод. Поток текущей жидкости в соответствии с уравнением Дарси зависит от гидравлической проводимости материала (она, в свою очередь, зависит от пористости материала, вязкости жидкости), гидравлического напора. Жидкости перемещаются из зон высокого напора в зоны низкого напора.
Диффузия — перемещение веществ из зон высокой концентрации в зоны низкой концентрации. Скорости процесса малы.
Дисперсия — процесс перемешивания веществ в водах или в воздухе. Процесс расширяет зону загрязнения и снижает концентрацию загрязняющих веществ в воде или в воздухе.
Сорбция — процесс концентрирования химических веществ, растворенных в воде или в парах, на поверхности твердых частиц. Процесс замедляет миграцию загрязняющих веществ вплоть до полного ее прекращения.
Химические преобразования. К ним относятся процессы растворения или осаждения химических веществ. Растворение ведет к повышению концентрации в водах загрязняющих веществ, поступивших в твердофазном состоянии. При вступлении растворенных загрязняющих веществ в реакции с осадителем возможно их удаление из состава загрязненных вод.
Микробиологические преобразования. Процессы эти имеют значение для загрязняющих веществ органической природы. Они могут способствовать разложению (частичному или полному) органических поллютантов.
Основные факторы, которые обусловливают распространение загрязняющих веществ в природных средах, следующие: свойства вещества (влияют на формы их поступления в природную среду, механизмы трансформации, дальность переноса, масштаб воздействия на экосистему). Загрязняющие вещества по свойствам и соответственно по способности распространяться в природных средах разделены на группы: а) оксиды углерода, серы, азота; б) неорганические поллютанты — металлы и неметаллы;
в) органические поллютанты, в том числе нефть и нефтепродукты,
г) радиоактивные вещества; технологические факторы (химический состав отходов, физическое состояние отходов — сухие, мокрые аэрозоли, жидкие стоки, твердые); способ поступления отходов (аэрозоли, отстойники, шлаконакопители), расстояние от источника загрязнения; физико-географические условия (ландшафт, рельеф — перепады высот, обусловливающие гравитационный поток веществ), климат (температура, влажность, ветер, его сила и направление), растительность и др.; ландшафтно-геохимические и почвенно-химические условия: направление миграционных потоков веществ в ландшафте; свойства почв, обусловливающие взаимодействие поллютантов с компонентами почв.
Поступление загрязняющих веществ в природные среды полностью зависит от вида производства, от технологических процессов, от состава и свойств отходов, от свойств поллютантов и других техногенных факторов. Отражением влияния этих факторов может служить коэффициент концентрирования химических элементов в почвах Кк, равный отношению их содержания в почвах, загрязненных отходами важнейших источников загрязнения, к фоновому содержанию этих элементов (табл. 4.6).
Таблица 4.6
Накопление химических элементов в почвах в зоне влияния промышленных предприятий
(«Гигиеническая оценка населенных мест», 1999)
| Источники загрязнения | Тйп производства | Коэффициент концентрирования Кк | |
| 2-10 | gt;10 | ||
| Цветная металлургия | Производство цветных металлов из руд и концентратов | Pb, Zn, Си, Ag | Sn, Bi, As, Cd, Sb, Hg, Se |
| Вторичная переработка цветных металлов | Pb, Zn, Sn, Си | Hg | |
| Производство твердых и тугоплавких цветных металлов | W | Mo | |
| Производство титана | Ag, Zn, Pb, В, Си | Pb, Cd, Cr, Zn | |
| Черная металлургия | Производство легированной стали | Со, Mo, Bi, W, Zn | Pb, Cd, Cr, Zn |
| Железорудное производство | Pb, Ag, As | Zn, W, Co, W | |
| Машиностроительная и металле- обрабатывающая промышленность | Предприятия с термической обработкой металлов | Си, Zn | Ni, Cr, Hg, Sn, Си |
| Производство свинцовых аккумуляторов | Pb, Ni, Cd | Sb, Pb | |
| Производство приборов для электронной и электротехнической промышленности | — | Sb, Zn, Bi | |
Окончание табл. 4.6
| Источники загрязнения | Ът производства | Коэффициент концентрирования К | |
| 2-10 | gt;10 | ||
| Химическая промышленность | Производство суперфосфата | Sr, Zn, F | Cu, Cr, As редкие земли |
| Производство пластмасс | - | Ag | |
| Производство цемента | — | Hg, Sr, Zn | |
| Производство бетонных изделий | - | - | |
|
| Шрифтолитейные заводы, типографии | - | Pb, Zn, Sn |
| Твердые бытовые отходы городов |
| Pb, Cd, Sn, Cu, Ag, Sb, Zn | Hg |
| Осадки сточных вод |
| Pb, Cd, V, Ni, Sn, Cr, Cu, Zn | Hg, Ag |
Последующее перераспределение и трансформация загрязняющих веществ зависят от свойств поллютантов, от свойств тех природных сред, где эти трансформации происходят. Все природные среды связаны воедино потоками вещества, поступающими из природных и техногенных источников.
Исследование механизмов перераспределения и превращения веществ в каждой из сред проводится на основе анализа следующих факторов: источников поступления химических веществ в природные среды в естественных и техногенных условиях; формы поступления каждого из поллютантов, их вещественного состава; свойств природных сред и особенностей превращений в них загрязняющих веществ; взаимосвязи сопредельных природных сред; возможности самоочищения природных сред от загрязняющих веществ.