Лекции по "Экологии"

Рис. 1.10. Аэротенк-вытеснитель: 1 – подача сточной воды; 2 – активный ил; 3 – иловая смесь

 

    После  отстаивания иловой смеси очищенную  воду необходимо обеззаразить (обработка  хлором или его производными). Аэротенки используются для любых  расходов сточных вод.   

 В биофильтрах (рис. 1.11) сточная вода проходит через слой загрузочного материала, покрытого биопленкой. Отмирающая биопленка выносится из загрузки очищенной водой. В качестве загрузки могут быть использованы различные материалы (дробленые горные породы, пластмассы, синтетические ткани и др.).   

 Производительность биофильтров  – до 50 тыс. м³/сут.   

 Биофильтры и аэротенки  обеспечивают высокий эффект  очистки. Эффект очистки после  сооружений: БПК_п = 12 мг/л, взвешенные вещества – 15–20 мг/л, ХПК – 50–90 %, нитраты (NH₄) 50–60 %, фосфаты (Р₂О₅) – 35 %.

Рис. 11. Биофильтр: 1 – подача воды на очистку; 2 – отведение очищенной  воды; 3 – объемная загрузка

 

ЭКОЛОГИЯ и УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ

 

Лекция 5

 

Глобальное  загрязнение атмосферы. Основные источники  загрязнения атмосферы в нефтегазовом секторе. Экологические последствия загрязнения  атмосферы. 

 

Газовый состав атмосферы

Земля окружена атмосферой, состоящей из миллиона мельчайших частичек, которая разбивает на миллионы мелких лучей потоки света, идущие от Солнца к Земле. Атмосфера играет примерно такую же роль, как стекло в парнике. Она легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, и почти полностью задерживает тепло, идущее от Земли в мировое пространство.

Если бы не было окружающей Землю воздушной оболочки, то ослепительно яркое солнце стояло бы в совершенно безоблачном черном небе и обжигало растрескавшуюся, сухую землю. Ни капли дождя, ни малейшего дуновения ветра.

Атмосфера оказывает  влияние и на колебание температуры  на Земле. Зимой в Сибири температура опускается иногда до –60 С, а летом часто поднимается до +30 С тепла. Следовательно, в течении года она колеблется в пределах 90С. Но если бы не было воздушной оболочки Земли, то температура одних суток , а не года, менялось на 200 с лишним градусов – днем, под лучами Солнца, стояла бы сильнейшая жара, (выше +100 С), ночью жесточайший мороз (ниже –100 С). Иначе говоря не было бы никакой жизни на Земле.

Первичная атмосфера  Земли состояла из водорода, метана, аммиака, водяных паров и инертных газов – гелия, неона и др. К моменту появления жизни на Земле была вторичная атмосфера, состоящая из тех же газов с добавлением к ним сероводорода и углекислого газа, выделившихся из недр земли и растений.

Первичные микроорганизмы постепенно сокращали водород, метан, аммиак, сероводород. Так, серные бактерии окисляли сероводород вулканического происхождения , водородные бактерии – молекулярный атмосферный водород, пурпурные, зеленые  и сине-зеленые водоросли усваивали углекислый газ и выделяли в атмосферу кислород.

Изменение газового состава  атмосферы и постепенное ее наполнение кислородом положило начало разделению единого ствола жизни на две ветви  – растения и животные.

Нынешний газовый состав атмосферы является результатом  многолетней эволюции биосферы, организмы приспособились к нему, и любое изменение соотношения газов сказывается на условиях их жизни.

Естественный атмосферный  воздух имеет следующий газовый  состав (в процентах): азота – 78.08; кислорода – 20.95; аргона – 0.93; углекислого  газа – 0.03; неона, гелия, ксенона, радона и др. – 0.02. Кроме того в воздухе содержатся во взвешенном состоянии частицы пыли и водяные пары.

Пыль (естественная) нужна  для нормального развития природных  процессов, протекающих в атмосфере. Аэрозоли служат ядрами конденсации  водяных паров, поглощают солнечную радиацию, уменьшают земное излучение, этим защищают поверхность Земли от чрезмерного прогревания и препятствуют излишней теплоотдаче. Пыль, нагреваясь, поднимается вверх и способствует перемещению воздуха.

Человек не может обойтись без воздуха. Без пищи он может жить 5 недель, без воды 5 дней, а без воздуха не более 5 минут.

В среднем за сутки  человек через свои легкие пропускает около 25 кг или 10-11 тыс. литров воздуха. Воздух нужен животным и растениям. Овце за сутки нужно 20 тыс. литров, лошади – 86 тыс. л. воздуха.

Чистый воздух нужен  и промышленности, особенно для производства вакцин, антибиотиков, полупроводников, точных (прецизионных) приборов.

Приведенный выше газовый  состав имеют нижние слои атмосферы, а выше 1000 км атмосфера состоит из гелия и выше 2000 км – из водорода.

Самый нижний прилегающий  к земле слой атмосферы называется тропосферой, она содержит около 84% атмосферного  воздуха и в ней  происходят все метеорологические  процессы: образование облаков и  туманов, ветров и ураганов, выпадение дождя и снега.

Верхняя граница тропосферы проходит на полюсах на высоте  6-8 км, на экваторе –16-17 км.

Выше тропосферы до высоты примерно 55 км простирается стратосфера. В ней на высоте 25-35 км имеется  озоновый слой. Значению озонового слоя и  его защите  будет посвящена отдельная лекция.

На высоте 55-75 км находится  мезосфера, где преобладает вертикальное движение воздуха и температура  снова падает.

Выше 80 км находится ионосфера  примерно до высоты 1000-1200 км. Здесь воздух разряжен и не смотря на высокие скорости отдельных молекул, они не нагревают ни обычный термометр, ни человека.

Самое внешнее ажурное  покрывало Земли состоит из протонов и называется протоносферой, и она постепенно сходит на нет, как бы растворяясь в межпланетном пространстве. Высота протоносферы считается  от 1000-1200 до 1500 км.

Строго говоря, и протоносфера  не есть граница Земли. В околоземном пространстве к нашей планете непосредственно прилегает радиационный пояс (от 1500 до 60 000 км). Он состоит из протонов и электронов, выброшенных Солнцем и захваченных магнитным полем нашей планеты.

Материальным продолжением Земли может считаться ее гравитационное поле. Тяготение Земли приходится учитывать, по крайней мере, в нескольких десятках километрах от нее, когда космические аппараты отправляются в очередной полет.

Атмосферный воздух относиться к неисчерпаемым природным ресурсам и общая его масса определяется в 500 триллионов т., из них кислорода 105 триллионов тонн. Ежегодное потребление  кислорода составляет 10 млрд. т. – это всего 0.01% от общей массы. Однако ныне сложившийся газовый состав атмосферы должен быть сохранен, поскольку все живые организмы приспособились к нему, и создан на Земле наиболее благоприятный биологический режим.

 

Источники загрязнения атмосферного воздуха

Загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и антропогенным.

Естественное загрязнение  пылью, водяными парами и др. происходят в результате природных явлений, как-то: извержение вулканов, испарение  морской воды, выветривание горных пород, выдувание почвы, лесные и степные пожары и т.д. Так, например, устойчивые пассатные ветры от декабря до февраля поднимают в воздух пыль Сахары от 60 до 200 млн. тонн и переносят на тысячи километров.

В 1883 г. при извержении вулкана Кракатау выброшенные частицы держались в воздухе несколько лет и даже достигли берегов Англии.

19.12.1985 г. в 10 час. утра в г. Ашхабаде вдруг стало смеркаться, небо окрасилось в оранжевый цвет, а через полчаса в домах пришлось включить свет, потому что город окутала сплошная темнота. В 13 часов небо просветлело, но 15 час. снова все повторилось. Над гордом прошел ураган, который нес около 170 тыс т. пыли.

При испарении морской  воды в атмосферу попадают соли, при пожарах – много золы и  пыли. В воздухе находятся и пыли органического происхождения (бактерии, плесневые грибки и др. частицы растительного и животного мира).

К антропогенным источникам загрязнения относятся промышленные и транспортные предприятия, сельскохозяйственные и строительные организации, коммунально-бытовые объекты.

Ориентировочное распределение  количества пыли, образуемой в атмосфере  Земли в течении года, по источникам загрязнения следующее:

Источники пылеобразования,  количество, млн.т

Морские соли 550

Почвенная пыль 250

Вулканические выбросы 80

Пожарные выбросы 70

При сжигании топлива 30

Выбросы промышленности 15

Выбросы сельского хозяйства 5

 

Как видно из этих данных, доля антропогенных загрязнений  составляют всего 5%, однако их химический состав очень сложен и опасен для  человека и природы. В общем выбросе промышленности и транспорта удельный вес угарного газа (СО) составляет 31.9%, сернистого газа (SO2) –27, окислы азота (NO2) –1.1%, взвешенные твердые частицы –28.3%

Схема процессов выбросов веществ  в атмосферу и трансформации исходных веществ

в продукты с последующим выпадением в виде осадков.

 

Из промышленных отраслей основными загрязнителями являются тепловые электростанции, черная и  цветная металлургия, а также  нефтепереработка. Химический состав всех видов топлива включает в себя углерод, водород, серу, азот и кислород, которые в процессе горения образуют вредные для человека и среды вредные газы и пыли.

Металлургические предприятия  выделяют взвеси металлов и их соединения: меди, железа, свинца, цинка, олова, никеля, плавикового шпата, криолита, глинозема, Угля, сернистого ангидрида и др. Предприятия машиностроения – пыли и газы, содержащие двуокиси кремния, (литейные цеха), сажу (кузнечные цеха), свинец, окись углерода. Предприятия нефтепереработки выделяют сероводород. Предприятия химической промышленности выделяют окислы азота.

Автомобильный транспорт  в мировом балансе загрязнителей  занимает особое место. В мире насчитывается  несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Ежегодно автомашины выбрасывают в атмосферу около 280 млн. т окиси углерода, 56 млн.т углеводородов, 28 млн.т. окислов азота и 3 млн. т особенно опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина).

 

Основные загрязнители

Оксид углерода - СО. Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье. Представляет опасность при содержании  более 200-220 мг\куб.м.

Оксиды азота - NO,  NO2, N2O5, N2O4. В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота – NO2 – бесцветный, не имеющий запаха ядовитый газ (воздействует на органы дыхания). Особенно опасны в городах, где они, взаимодействуя с углеводами выхлопных газов, образуют фотохимический туман – смог. При контакте с  влажной поверхностью слизистой оболочки образуют кислоты HNO3 и HNO2,  которые приводят к отеку легких.

Диоксид серы – SO2. Бесцветный газ  с острым запахом, уже в малых  концентрациях (20-30мг\куб.м) создает  неприятный привкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути.

Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение и т.д.

Альдегиды. При длительном воздействии на человека вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.

Соединения свинца. В  организм через органы дыхания поступает 50% соединений свинца, под действием  которого нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. В крупных городах содержание свинца в атмосфере достигает 5-38 мкм\ куб.м, что превышает естественный фон в 10 (4) раз.

Атмосферная пыль. В атмосфере  постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполном сгорании топлива образуется сажа (на 90-95% состоит из углерода), обладающая большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пирену, что делает ее весьма опасной для здоровья человека.

 

Основной экологической  и санитарной проблемой остается проблема утилизации попутного газа при добыче нефти. В целом по республике ежегодно сжигается в факелах свыше 30%  попутного нефтяного газа. За годы освоения месторождений нефти и газа  сожжено в факелах  и выброшено в атмосферу миллионы тонн загрязняющих веществ.

Анализ динамики по ингредиентного состава валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу указывает на преобладание углеводородов, которые составляют около 50-60 % от общего объема выбросов (диоксида серы около 20-30% и окиси углерода 30-40 %). мощностей, что привело к заметному увеличению выбросов.

Основной вклад в выбросы  от стационарных источников вносят предприятия  нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей  отраслей - 89%. От общего среднегодового объёма выбросов в атмосферу на твердые вещества приходится 3,85%, на газообразные фракции - 94,15%.