Виды и формы нарушений и загрязнений природной среды

Виды загрязнений окружающей среды

Механическое загрязнение - это пыль и мусор. Физическое загрязнение связано с изменением физических параметров: тепловых, световых, электромагнитных, звуковых, радиационных. Тепловое загрязнение связано с промышленными выбросами теплой воды и газов. Любые звуки, генерируемые неприродными источниками, могут рассматриваться как шумовые, поскольку отсутствовали в период эволюции человека. Шумовое загрязнение сокращает продолжительность жизни на 8-12 лет. Примерами химического загрязнения являются пестициды, тяжелые металлы, разливы нефти. Биологическое загрязнение - это проникание в экосистемы чуждых им животных, растений и микроорганизмов.

Распределение нефти по поверхности водоема нарушает процессы газообмена, испарения и теплообмена воды с атмосферой. Процессы массопереноса играют важнейшую роль в распространении загрязнений: за счет испарения воды загрязняется атмосфера, переход загрязненной воды в почву или биоту вызывает их загрязнение.

В зависимости от агрегатного состояния различают твердые, жидкие и газообразные загрязнения. Например, промышленная пыль, образующаяся в результате деятельности человека, бывает бесполезной (продукты бурения, сгорания, износа, истирания) и полезной (цемент, гипс, сажа). Жидкие загрязнения - туманы, капли, разливы, конденсат. Газообразные выбросы - продукты горения, испарения, выпаривания.

В зависимости от масштабов распределения загрязнений выделяют глобальные (биосферные), региональные и локальные загрязнения. Примерами глобальных загрязнений служат загрязнение космического пространства космическим мусором, загрязнение атмосферы озоноразрушающими веществами, радиоактивное загрязнение, загрязнение Мирового океана нефтепродуктами. В современном нефтедобывающем комплексе применяется более двух тысяч разновидностей химических соединений, которые по генезису чужды естественным потокам веществ.

Влияние или воздействие предприятия на ОС происходит в результате обмена веществом и энергией с природными компонентами, когда в ОС происходят количественные и качественные изменения. При этом изменения (нарушения или загрязнения) могут превышать или не превышать предельно допустимые нормативы (ПДВ, ПДС, ПДУ). Показатели воздействия определяют их необходимую регламентацию и количественно выражаются в виде интенсивности воздействия и опасности воздействия.

Интенсивность воздействия на ОС характеризует величину нарушения или загрязнения $$I_3$$ в единицу времени: г/с, т/год, га/год. Опасность воздействия на ОС - это соотношение между реальной интенсивностью воздействия и нормативной. Если это соотношение больше единицы, то опасность техногенного воздействия существует:

Нарушения в результате воздействия производства происходят в некоторых границах (в виде контура или ареала) природно-технической системы. Их типы:

При оценках воздействия нефтегазопромысловых предприятий, регламентации их деятельности, организации системы мониторинга, планировании реабилитации природных комплексов принципиальное значение имеют типы загрязнений.

Литосферное загрязнение может быть вызвано проливом нефтепродуктов, пылью, органическими растворами и растворами металлов, изменением геотермического режима, проведением взрывов.

Водотоки и водоемы загрязняются растворенными химическими веществами, изменением минерализации, мутности и температуры воды.

Атмосферные газообразные загрязнители представлены оксидом углерода, окислами серы, фенолами, органическими соединениями; жидкие загрязнители - масляным туманом, тонкими брызгами; твердые загрязнители - пылью, сажей, смолистыми веществами. К физическим загрязнениям атмосферы относят тепловые выбросы, акустические и электромагнитные колебания.

Для фитоценозов свойственны загрязнения в форме самозарастания; для зоо- и микробиоценозов загрязнением является увеличение численности определенного вида животных или микроорганизмов.

Под устойчивостью природных систем понимается их способность противостоять техногенным воздействиям или способность возвращаться к исходным структуре и функциям после снятия техногенных нагрузок. Так. для ландшафтов криолитозоны системы считаются устойчивыми, если самовосстановление компонентов происходит за 1-2 года. Крайне неустойчивые системы не способны к реабилитации, не выдерживают даже малых нагрузок.

Особенно большой ущерб ОС наносят аварии, приводящие к залповым выбросам и сбросам поллютантов в природные среды, а также пожары. Аварийные сбросы загрязняют большие пространства за короткие периоды, меньшие, чем период самовосстановления экосистем. Пожары сопровождаются горением нефтепродуктов в условиях высоких температур, наносят "стрессовые удары" по воздуху, воде, почве и растительности.

Длительное по времени превышение нормативов нагрузок обусловливает хроническое загрязнение ОС. Подобное загрязнение приводит к превышению пределов самоочищения природных компонентов, вследствие чего наступает деградация экосистем. При проведении регламентации деятельности предприятий устанавливают допустимые границы его воздействия на ОС.

Углеводороды как загрязнители окружающей среды

В нефти установлено более 500 индивидуальных соединений, из которых основными являются углеводороды. В целом химический состав нефти определяется районом добычи и характеризуется следующими данными: углерод около 85; водород около 14; кислород до 0,3; азот до 1,5; сера до 5,5%. В состав всех типов нефти входят алканы (15-55%), нафтены (30-55%), арены (5-55%), асфальтены и смолы (2-15%). Смолы и асфальтены содержат основную часть микроэлементов нефти, в том числе почти все металлы.

Нефтяное загрязнение природной среды является опасным, что связано с высокой токсичностью и миграционной способностью отдельных компонентов нефти. На земной поверхности нефть оказывается в качественно новых условиях: анаэробная обстановка с медленными темпами геохимических процессов сменяется аэрированной средой. Разрушение нефти и нефтепродуктов происходит за счет химического окисления и биогенного разложения. В зависимости от условий скорости этих процессов могут быть различными. Например, арены хорошо растворимы в воде, но более инертны к химическому окислению, чем алканы.

Легкая фракция нефти - наиболее подвижная ее часть. Метановые углеводороды легкой фракции, присутствующие в загрязненных почвах, водной и воздушной сферах, растворимы в воде и оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Эта фракция легко мигрирует в почвах и водоносных горизонтах. На поверхности углеводороды легкой фракции в первую очередь подвергаются процессам разложения и наиболее быстро перерабатываются микроорганизмами. Скорость биодеградации углеводородов уменьшается в ряду алканы $$\rightarrow$$ ароматические углеводороды $$\rightarrow$$ циклопарафины.

Сорбция компонентов нефти горными породами (грунтами) и почвами происходит в жидкой фазе, в основном сорбируются смолы, асгральтены и нафтеновые кислоты. Нефтъ при разливе ухудшает состав корневого питания растений, что резко снижает урожайность. Покрывая пленкой водную поверхность, 1 т нефти образует на поверхности водоема сплошную пленку площадью 2,6 $$км^2$$. При этом нарушается кислородный, утлекислотный и другие виды газового обмена. При концентрации нефтепродуктов в воде около 1 $$г/м^3$$ подавляется жизнедеятельность фитопланктона.

При большом содержании метана в воздухе отмечается резкое падение парциального давления и содержание кислорода. В результате длительного контакта с углеводородами у рабочих развиваются вегетативные нарушения: появляется бессонница, головная боль, покраснение кожи, снижается обоняние, повышается утомляемость. Концентрация паров нефти от 100 $$мг/дм^3$$ опасна для жизни даже при вдыхании в течение 5 мин.

Прочие химические вещества-загрязнители

Оксид углерода образуется при сжигании попутных нефтяных газов (ПНГ), а также в результате дегазации нефти и пластовых вод. Опасные концентрации наступают при содержании СО в воздухе в количестве от 300 $$мг/м^3$$ и выше. Это токсичный бесцветный газ без вкуса и запаха с плотностью по воздуху 0,967. При вдыхании воздуха, содержащего небольшое количество СО, происходит глубокое отравление организма вследствие образования стойкого соединения СО с гемоглобином крови. Высокие концентрации СО в воздухе вызывают обильное слезотечение, удушье, головокружение, боли в желудке. Смерть наступает через несколько часов после отравления от отека гортани или легких. При концентрации 0,5% СО в воздухе смерть наступает через 2-3 вдоха.

Диоксид углерода поступает в атмосферу за счет сжигания топлива, дегазации нефти и пластовых вод. Оказывает раздражающее действие при концентрации в воздухе 4-5%; при содержании $$CO_2$$ в воздухе 10% происходит сильное отравление.

Сернистые соединения выделяются из сернистой нефти, природного газа, конденсата и являются токсичными веществами. При термическом воздействии на нефть сера, дегидрируя углеводороды, образует сероводород $$H_2S$$. Остаточная сера объединяет те соединения, которые при температурной обработке не вступают в реакции. Чем больше таких соединений, тем меньше вероятность образования $$H_2S$$.

Меркаптаны - высокотоксичные органические серосодержащие газы и легколетучие бесцветные жидкости с плотностью меньше единицы. Образуются при термическом воздействии на нефть. Обнаруживаются в воздухе нефхгепромыслов в концентрациях $$2\cdot 10^{-9} мг/л$$. Хорошо проникают через кожу, вызывают тошноту и головную боль вследствие отвратительного запаха, обладают наркотическим эффектом.

Сероводород - бесцветный ядовитый газ с плотностью по воздуху 1,19 с неприятным запахом, который ощутим даже при незначительных концентрациях 1,5-2,0 $$мг/м^3$$. При больших концентрациях ощущение запаха ослабевает вследствие паралича нервных окончаний. Легко растворяется в воде и переходит в свободное состояние. ПДК сероводорода в воздухе рабочей зоны 3 $$мг/м^3$$, в атмосферном воздухе населенных мест - 0,008 $$мг/м^3$$. При концентрации 1000 $$мг/м^3$$ смерть наступает мгновенно.

Сернистый ангидрид - токсичный бесцветный газ с острым запахом. Длительное воздействие вызывает хроническое отравление: возможны поражение печени, системы крови и развитие пневмосклероза. Концентрация в воздухе свыше 300 $$мг/м^3$$ приводит к потере сознания в течение 1 мин. Некроз деревьев начинается при содержании $$SO_2$$ в воздухе 2-5 $$мг/м^3$$. Это газ разрушает хлорофилл листьев и замедляет процесс фотосинтеза.

Двуокись азота - бурый газ с удушливым запахом, при температуре $$140^{\circ}С$$ начинает распадаться на $$NO$$ и $$O_2$$. Оказывает сильное влияние на легкие человека с развитием бронхита, эмфиземы легких, астмы.

Сажа - продукт неполного сгорания или термического разложения углеродистых веществ. Это тонкий черный порошок, состоящий на 89-99% из углерода, способен вопламеняться в присутствии открытого огня. При содержании сажи в воздухе более 8% ее рассматривают как взрывоопасное вещество. Истинная плотность сажи 1750-2000 $$кг/м^3$$. Контакты с сажей вызывают конъюнктивит.

Бензапирен и другие полициклические ароматические углеводороды содержатся в нефти и природных битумах. Это типичный химический канцероген класса опасности 1. Кристаллический бензапирен хорошо сохраняется, в растворах быстро окисляется, обладает заметной летучестью при температурах ниже точки плавления. Присутствует во всех компонентах ОПС. Может поступать через кожу и органы дыхания. $$ПДК_{рз}$$ составляет 0,15 $$мкг/м^3$$.

Синтетические ПАВ являются распространенным и токсичным химическим загрязнителем водоемов при бурении скважин, сборе и транспортировке нефти. ПАВ образуют стойкие пены, снижают эффективность биохимических методов очистки сточных вод, прекращают рост водорослей. Токсическое действие ПАВ проявляется при концентрациях в воде около 2,0 $$г/м^3$$.

Сульфатное и хлоридное загрязнение - наиболее часто встречаемый вид химического загрязнения гидросферы нефтепромыслов. При утечках нефгти и пластовой воды выводятся из хозяйственного использования поверхностные, подземные воды и почвенный покров.

Практика геоэкологических исследований относит к наиболее опасным для биоты химическим элементам $$Hg, Be, Pb, As, Cd, Сг, Ni, Со, Se, Cu$$. Растения избирательно накапливают химические элементы, а затем по трофическим цепям они попадают в организм человека.

Тепловое загрязнение

В определенных условиях воздействие физических полей может оказать на здоровье людей не меньший отрицательный эффект чем химическое загрязнение ОПС. Общепризнано, что причины неустойчивости ОС кроются в масштабном использовании человеком энергии ископаемого топлива. В 70-х и 90-х гг. XX столетия мировое потребление энергии составляло, соответственно, 5 и 8 млрд т нефтяного эквивалента. В настоящее время эта цифра возросла до 13 млрд т. Суммарное техногенное поступление тепловой энергии приближается к значению 10 ТВт. Основными способами снижения теплового загрязнения ОС являются уменьшение энергопотребления, улучшение конструкции преобразователей энергии и увеличение эффективности использования солнечной энергии.

При производстве 1 $$кВт\cdot ч$$ электроэнергии наТЭС в атмосферу и воду поступает, соответственно, 400 и 135 ккал тепла, на АЭС - 130 и 1900 ккал. Для рассеивания тепла станции мощностью 3000 МВт требуется 1800 га водной поверхности.

Основные последствия теплового загрязнения водного объекта:

Для экосистемы естественного водоема критической считается температура $$28^{\circ}C$$. К единственному нормативу, ограничивающему тепловое загрязнение водных объектов, можно отнести требование не увеличивать среднюю температуру воды более чем на $$3^{\circ}C$$.

Шумовое загрязнение

Шумовое загрязнение относится к категории основных видов вредных воздействий на ОПС и на самого человека. Единицы измерения шума - децибелы (дБ). Один децибел - это уровень звукового давления $$p$$. для которого выполняется соотношение $$20\lg(p/p_o) = 1$$. где $$p_o$$ - пороговое звуковое давление, принимаемое равным $$2\codt 10^{-5} Па$$. Территория, на которой уровень шума составляет менее 55 дБ, считается по данному показателю комфортной. Шум интенсивностью более 130 дБ может вызвать акустические травмы и негативно сказаться на здоровье.

Характеристики основных источников шумового загрязнения следующие (дБ):

Человек воспринимает звук в широком интервале частот - от 16 Гц до 20 кГц. Шум одного уровня, но с различными частотами человек воспринимает по-разному: высокие звуки кажутся более громкими, чем низкие. Поэтому предельно допустимые уровни (ПДУ) постоянного шума устанавливаются в зависимости от частоты по девяти градациям.

Актуальность проблемы для России подтверждается тем. что около 10 млн населения подвержено постоянному шумовому воздействию высокой интенсивности. В целом 33% шумового загрязнения в городах приходится на автотранспорт и 27% - на промышленность. Шумовое воздействие приводит к неточностям при выполнении технологических операций. Производительность труда при работе в тишине на 9% выше.

ПДУ шумового воздействия для выполнения физической работы, связанной с точностью равен 80 дБ. умственная операторская работа требует 65 дБ, творческая работа и преподавание - 40 дБ.

Электромагнитное загрязнение

Электромагнитное поле (ЭМП) - это особая форма материи, которая характеризуется вектором напряженности электрического поля и магнитной индукцией. Мы все находимся в естественном ЭМП Земли (геомагнитное поле), интенсивность которого определяется солнечной активностью. В период солнечной активности воздействие ЭМП проявляется в увеличении количества сердечно-сосудистых заболеваний и в ухудшении самочувствия гипертоников.

Уровень электромагнитного загрязнения ОС выходит на уровень, характерный для нынешнего загрязнения ее вредными химическими веществами. Сформировался новый существенный фактор ОС - электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного происхождения.

В РФ разработаны ПДУ воздействия для двух типов ЭМП:

Их физиологическое воздействие обусловлено индуцированными токами в тканях организма. Неблагоприятный диапазон частот для человека оценивается от 20 Гц до 60 кГц. Под воздействием ЭМП в организме человека измерены потенциалы до 15 мВ. Отмечены поведенческие эффекты воздействия переменного поля на людей и животных. Есть данные о канцерогенном воздействии ЭМП. Допускается пребывание в ЭП напряженностью до 5 кВ/м в течение рабочего дня, при напряженности 20 кВ/м - не более 10 мин.

В диапазоне ЭМП радиочастот 60 кГц - 300 МГц нормируется как напряженность электрического поля $$Е$$. так и напряженность магнитного поля $$H$$. которая не нормируется для ЭМП промышленной частоты.

Для жилой зоны ПДУ электрической напряженности $$E$$ для радиочастот следующие:

Длинные волны (30-300 кГц) ... 20 В/м;

Средние волны (0,3-3 МГц) .... 10 В/м;

Короткие волны (3-30 МГц) .... 4 В/м;

УКВ (30-300 МГц) ............. 2 В/м;

Микроволны (300 МГц-300 ГГц) . 5 мкВ/м.

В последние годы активно осуществляется нормирование систем сотовой радиосвязи.

Радиационное загрязнение

Радиоактивность в биосфере Земли вызвана естественными радиоактивными элементами, космическими факторами, а также техногенными источниками излучения. При распаде радиоактивных элементов испускается излучение трех типов: $$\alpha$$-частицы. $$\beta$$-частицы (электроны и позитроны), $$\gamma$$-излучение. К сильно проникающим излучениям относятся $$\gamma$$-кванты.

Одному ядерному превращению в секунду соответствует единица радиоактивности Беккерель (Бк). Внесистемной единицей активности является Кюри (Ки), соответствующая $$3,7\cdot 10^{10} Бк$$. Активность радионуклидов в почве, воде, в осадках измеряется в Бк/кг или Бк/л.

Для оценки опасности ядерных излучений необходимо знать количество энергии, поглощенной тканями облучаемого организма, или величину поглощенной дозы $$D$$ Гр (Грей). 1 Гр соответствует поглощению энергии 1 Дж на кг вещества.

Виды излучений неравноценны по радиобиологической эффективности. При одинаковой поглощенной дозе излучение $$\alpha$$-частиц вызывает больший эффект, чем $$\beta$$-, $$\gamma$$- и рентгеновское излучение. Для учета этого фактора введено понятие эквивалентная поглощенная доза $$H$$, измеряемая в единицах Зиверт (Зв) или внесистемных единицах Бэр (1 Бэр = 0,013 Зв).

Эквивалентная доза (Зв) равна поглощенной дозе (Гр), умноженной на коэффициент качества излучения. Для $$\beta$$- и $$\gamma$$-излучения этот коэффициент равен единице, для нейтронов от 2 до 12, для $$\alpha$$-частиц - 20.

На уровне моря мощность дозы за счет космических лучей составляет $$1,15\cdot 10^{-11} Гр/с$$.

Основной вклад во внешнее облучение вносят изотопы $$^{40}K, ^{14}C, ^3H$$. которые активно вовлекаются в геохимический круговорот элементов и поступают во все объекты биосферы. Радиоактивность воды зависит от содержания растворимых соединений урана, тория и радия, поступающих с почвенными растворами, а также газообразных продуктов их радиоактивных превращений, например, радона. Минеральные воды обычно обогащены радиоактивными элементами.

Загрязнение экосистем радионуклидами возникает в районах добычи и переработки ядерного сырья, использования ядерного топлива. При аварии Чернобыльской АЭС было выброшено в биосферу примерно 50 МКи активности. Медленно выводятся из биосферы продукты испытаний ядерного оружия - особенно плутоний-239.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) 70 мЗв. Доза выше 200 мЗв в течение года должна рассматриваться как потенциально опасная.

Классы опасности вредных веществ

Основным нормированным показателем количества вредных веществ, допустимых при обеспечении безопасности человека, является предельно допустимая концентрация (ПДК). На системе предельных концентраций построены все интегральные оценки состояния компонентов ОС, расчеты основных показателей антропогенных нагрузок (ПДС и ПДВ). На ПДК основана вся современная система платежей за загрязнение природной среды.

Известно несколько видов ПДК загрязняющих веществ в разных компонентах ОПС: в атмосферном воздухе, воде и почве. Гигиенические значения ПДК вредных веществ устанавливаются для пищевых продуктов.

При разработке ПДК используются единые принципы:

По характеру действия на организм человека вредные химические вещества могут вызвать следующие эффекты: токсические, раздражающие, аллергические, канцерогенные, мутагенные, влияющие на репродуктивную функцию.

Проникновение химических веществ в организм человека осуществляется:

Вредное воздействие веществ на живые организмы и экосистемы изучает экологическая токсикология. При назначении ПДК используют принцип пороговости действия и принцип приемлемости риска. Определение пороговости действия - минимальной концентрации вредного вещества, вызывающей интоксикацию организма, является основой гигиенического нормирования. На этом построена система оценки результатов биологических исследований.

Принцип приемлемого риска используется для оценки мутагенного и канцерогенного действия с отдаленными последствиями, когда невозможно установить количественную связь между силой действия и эффектом. В этом случае определение основано на вероятностном подходе. Этот же принцип используется для оценки угрозы в аварийных ситуациях.

Одно и то же вещество может быть ядом, лекарством и необходимым средством для жизни. Еще в XIV в. естествоиспытатель Парацельс писал: "Все есть яд и ничего не лишено ядовитости". Все зависит от концентраций и условий взаимодействия с живыми организмами.

Вредные вещества в зависимости от степени их негативного влияния относятся к тому или иному классу опасности. Одно и то же вещество или химический элемент может иметь разные классы в зависимости от вмещающей среды (почва, вода, воздух, продукты питания). В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 "Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности" по степени воздействия на организм выделяют четыре класса опасности вредных веществ:

1-й класс - вещества чрезвычайно опасные;

2-й класс - вещества высоко опасные;

3-й класс - вещества умеренно опасные;

4-й класс - вещества малоопасные.

Ежегодно в мире синтезируется до 25 тысяч новых соединений. Многообразие химических веществ предопределяет возможность комбинированного действия поллютантов на организм человека или животного. Химические вещества, внедряемые в хозяйственную деятельность, подлежат обязательной токсикологической оценке и гигиеническому регламентированию. Объем необходимых для этого сведений зависит от степени токсичности вещества, числа контактирующих с ним людей, актуальности для экономики страны и др. Основным методом разработки ПДК является эксперимент на животных.

Изменения, происходящие в ОС под влиянием человека, воздействуют на живые организмы и приводят к различным отклонениям в их развитии. Сбросы и выбросы загрязняющих веществ, изменение светового, водного и температурного режимов территорий, шумовое и радиационное загрязнения накладываются друг на друга, и их суммарное воздействие можно оценить только по реакциям животных. Биоиндикаторы дают точную характеристику качества среды обитания и ее пригодности или непригодности для живого. Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, водоросли, моллюски, рыбы, отдельные органы и клетки. Биотест ставится на определение общей токсичности, на мутагенность и канцерогенность.

Для контроля токсичности сточных вод часто используют тест-объект - рачок Daphnia magna. Широкую апробацию получили тесты на реакцию ухода рыбы из опасной зоны. Однако, реакция простейших организмов на изменения в водной среде несопоставима с реакцией многоклеточных. Так смертельные концентрации некоторых поллютантов для названного рачка на несколько порядков ниже пороговых концентраций для рыб.