Химическое загрязнение

Химическое загрязнение связано с увеличением количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ в концентрациях, превышающих норму или несвойственных ей. Наиболее опасны для природных экосистем и че­ловека именно химические загрязнения, поставляющие в окружаю­щую среду различные токсиканты — аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, поверхностно-активные вещества (детергенты). Химические загрязнения в настоящее время являются лимитирующими факторами развития цивилизации.

Аэрозольные загрязнения. Аэрозоли — аэродисперсные (коллоидные) системы, в которых долгое время во взвешенном состоянии могут на­ходиться твердые частицы (пыль), капельки жидкости, образующиеся при конденсации паров, взаимодействии газовых сред или попадаю­щие в воздушную среду без изменения фазового состава.

В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана. По своему происхождению аэрозоли подразделяются на естественные и искусственные. Первые поступают в тропосферу, реже в стратосферу при извержении вулканов, сгорании метеори­тов, возникновении пылевых бурь, поднимающих с земных поверх­ностей частицы почвы и горных пород, а также лесных и степных пожарах.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургиче­ские, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные ча­стицы от этих источников отличаются большим разнообразием хими­ческого состава. Чаще всего в них обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший уголь, сажа, смола); реже — оксиды металлов, а также асбест.

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих и других подобных предприятиях.

Для сравнительной характеристики участия естественных и искусственных источников загрязнения воздуха твердыми частицами в табл. 5.1 приведены данные о поступлении в атмосферу первичных загрязнителей. Там же представлены сведения о вторичных загрязни­телях, связанных с новообразованиями в атмосфере.

Независимо от происхождения и условий образования аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм, называется дымом, а содержащий мельчайшие частицы жидкости — туманом.

Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) име­ют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10—20 суток, что до­статочно для их распространения на большие расстояния от источни­ков образования.

 

Таблица 5.1 Твердые частицы, поступающие в атмосферу

Загрязнители	Масса, млн. т/год
Естественные источники Первичные загрязнители Частицы почвы и горных пород (ветровая эрозия) Зола от лесных пожаров и сжигания сельскохозяйственных отходов Морская пыль Вулканическая пыль Вторичные загрязнители Сульфаты Соли аммиака Нитраты Углеродные соединения растительного происхождения	100-500 3-150 300 20-150 130-200 80-270 60-430 75-200
ИТОГО по естественным источникам	768-1900
Искусственные источники Первичные загрязнители Частицы в составе промышленных выбросов Вторичные загрязнители Сульфаты Нитраты Углеводородные соединения	10-90 130-200 30-35 15-90
ИТОГО по искусственным источникам	185-415
ВСЕГО по естественным и искусственным источникам	953-2315

 

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным из­менениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах.

Пыль и аэрозоли играют негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на по­верхностях отложений.

Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают замет­ное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны. Сниже­ние потока солнечного излучения уменьшает образование под действием УФ-лучей витамина D₃. В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний (силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких).

Мельчайшие частицы металлов, или ионы металлов, вызывают об­разование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями.

Гигроскопические пыли могут обезвоживать поверхности листьев растений, образуя на них корку, что нарушает естественные процессы обмена. Наоборот, пыли, типичные для городов, поглощают инфра­красное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и, в конеч­ном счете, снижает активность ферментов фотосинтеза.

Химические соединения. Вследствие деятельности человека в атмос­феру поступают углекислый газ С0₂, угарный газ СО, диоксид серы S0₂, метан СН₄, оксиды азота N0₂, NO и N₂0, хлорфторуглероды (при использовании аэрозолей в быту), углеводороды, бензапирен и др. (в результате работы транспорта).

Наиболее массовые загрязнители, выбрасываемые всеми техноген­ными источниками в атмосферу, представлены в табл. 5.2.

 

Таблица 5.2 Загрязнители, выбрасываемые всеми техногенными источниками в атмосферу Земли (90-е гг. XX столетия)

Загрязнитель	Масса,
	млн. т/год
Твердые частицы дыма и промышленная пыль
Оксиды углерода
Летучие углеводороды и другая органика	320 -
Оксиды серы
Оксиды азота
Соединения фосфора
Сероводород
Аммиак
Хлор
Фтористый водород

 

Кислотные осадки (дожди) формируются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Такие осадки, выпадая на поверхность Земли, имеют показатель кислотности рН < 5,6. Основным источником таких выбросов являются продукты сгорания топлива (уголь, мазут, бензин и т.д.) в энергетических установках предприятий, наземного и воздуш­ного транспорта, выбросы химических и металлургических пред­приятий.

Время пребывания S0₂ в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности S0₂ в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них — окисление и образо­вание H₂S0₄. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км) до мест выпадения их с осадками.

Кислотные соединения азота (NO, N0₂) от антропогенных источ­ников — энергетики (57,0%), транспорта (38,5%), промышленности (4,5%) — служат источниками образования атмосферной азотной кислоты.

Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изме­нили рН окружающей среды. Около 150 тыс. лет назад при образова­нии ледяного покрова Гренландии рН осадков составляла 6,0—7,6 (по результатам анализов полярных льдов и горных глетчеров). Во вто­рой трети XX в. рН атмосферных осадков составляла: 4,0—4,5 в Герма­нии и странах Бенилюкса, 2,4—2,7 в Шотландии и Норвегии, 4,0— 4,5 в США и Японии. По оценкам специалистов, заметных изменений во вкладе в кислотные осадки со стороны природных процессов в по­следние сотни лет не происходило.

Показатель кислотности среды чрезвычайно важен для жизнедея­тельности практически всех организмов. Негативные последствия проявляются при значениях рН < 5,5. Все нормальные формы жизни прекращаются при значениях рН < 5. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. При взаимодействии с почвен­ным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При рН < 4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ, почвы становятся непло­дородными. Под действием кислотных осадков существенно ускоря­ется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных по­крытий, стекол, разрушаются здания, памятники архитектуры.

Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в пер­вую очередь бензапирен и другие ароматические углеводороды, посту­пающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Быстрыми темпами нарастает в атмосфере содержание двухатом­ных газов с несимметричной молекулой (СО, НС1 и др.), трехатомных газов (Н₂0, С0₂, S0₂) и газов с числом атомов больше трех (NH₃, CH₄ и др.). Эти газы обусловливают парниковый эффект. Солнечная радиация, падающая на Землю, частично поглощается поверхностью суши и океана, 30% ее отражается в космическое пространство. Поглощен­ная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучает­ся в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая атмосфера прозрачна для ИК-излучения, а атмосфера, содержащая пары парниковых газов, поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит ее разогрев. Поэтому парниковые газы можно уподобить стеклянному покрытию в обычных садовых парниках.

Начиная с XVIII в. природное равновесие содержания парниковых газов в атмосфере, претерпело серьезные нарушения. За 250 лет содер­жание метана в атмосфере увеличилось в 3 раза вследствие антропо­генного влияния.

Рост концентрации С0₂ сначала происходил из-за массовой вы­рубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы расте­ний. С начала XIX в. определяющую роль приобретают выбросы С0₂ с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и по­путных газов.

Из антропогенных источников поступления С0₂ в атмосферу наи­большую долю составляют предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания.

Рост населения планеты и интенсивное разведение домашних жи­вотных привели к тому, что биологический вклад (аэробное дыхание, разложение органических остатков) в увеличение концентрации С0₂ в атмосфере стал соизмеримым с промышленными выбросами.

Увеличение содержания С0₂ в атмосфере на 60% по сравнению с современным уровнем приведет к повышению температуры земной поверхности на 1,2—2 °С; это значит, что если до 2050 г. потребление ископаемого топлива не сократится, то концентрация С0₂ в атмосфе­ре возрастет вдвое, а температура поверхности Земли увеличится на 3 °С.

К сожалению, возрастает дополнительный вклад в парниковый эффект таких газов, как N0₂, S0₂, NH₃, CH₄, фреонов и других орга­нических веществ. Опережающими темпами растет содержание в ат­мосфере СН₄ и NH₃. Установлено, что если темпы роста концентра­ции в атмосфере газов, дающих дополнительный вклад в парниковый эффект, сохранятся на сегодняшнем уровне, то к 2020 г. их действие будет эквивалентно удвоению концентрации С0₂ в атмосфере.

Потепление на Земле, по мнению климатологов, за счет роста тем­пературы на 0,1 °С считается значительным, а увеличение температу­ры на 3,5 °С — критическим.

Развитие процессов в биосфере во многом зависит от состояния озонового экрана. Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они являются защитным барье­ром на пути излучений и частиц высоких энергий из космоса. Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое из­лучение Солнца в диапазоне длин волн X < 310 нм.

Известно, что более 99% ультрафиолетового излучения Солнца по­глощается слоем озона (Оз) на высоте 25 км (в среднем) от поверхно­сти Земли.

Основные источники NO_x антропогенного происхождения — дви­гатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, в которых сжигается топливо, ракеты и сверхзвуковые самолеты.

Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разру­шения фреонов (фторхлорметанов): CF₂C1₂ и CFCI3. Эти вещества чисто антропогенного происхождения летучи и устойчивы в тропо­сфере. Их источником являются холодильные установки и аэро­зольные баллоны. С момента промышленного применения в 50-е гг. XX в. содержание фреонов в атмосфере увеличивалось на 5—10% в год.

В настоящее время учеными обнаружены зоны стратосферы с су­щественно сниженным содержанием озона. Такая озоновая «дыра» за­фиксирована над Антарктидой в весенние месяцы года.

Уменьшение озонового слоя, средняя толщина которого составля­ет 2,5—3,5 мм, может привести к изменениям облачного покрова Зем­ли, нарушению теплового баланса атмосферы. Рост мощности ультра­фиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, может оказать существенное влияние на биологические и геохимические процессы.

Среди химических загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы, нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы, пе­стициды. Загрязнение Мирового океана связано главным образом с поступлением огромного количества вредных антропогенных ве­ществ на его акватории.

В настоящее время в водные объекты ежегодно поступает более 30 тыс. различных химических соединений в количестве до 1,2 млрд. т, а всего на поверхность океанов, морей и рек в результате аварий и сбросов поступают нефть и нефтепродукты в количестве, превыша­ющем 12 млн. т в год. Каждая тонна нефти образует на воде пленку площадью до 12 км².

Гидросфера (водная оболочка Земли) включает ресурсы океанов, морей, рек, озер, прудов, болот и подземных вод. Общее количество воды на Земле достигает 1386 млн. км³, а площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. Из общего количества воды на Земле доля пресных вод немногим более 2,5%, т.е. на каждого жителя Земли приходится около 5,8 млн. м³. Однако для человека доступно менее 30% этих вод, так как основная их часть сосредоточена в ледниковых покровах (около 27 млн. км³), скрыта в подземных образованиях (объ­ем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверх­ностных вод в озерах, реках, болотах).

Деятельность человека охватывает практически всю акваторию Мирового океана: поверхность служит для мореплавания и рыболов­ства; прибрежная зона — для извлечения биологических, минераль­ных, энергетических ресурсов, интенсивного промышленного и жи­лищного строительства; дно — для добычи полезных ископаемых и захоронения отходов.

В водные объекты поступают загрязненные сточные воды бытово­го, промышленного происхождения, ядохимикаты и удобрения, смы­ваемые с полей при паводках, загрязненные атмосферные осадки. В результате речных течений и циркуляционных процессов такие за­грязнения распределяются на большие пространства и переносятся на сотни и даже тысячи километров.

Человек в своей деятельности расходует воду не только для удо­влетворения естественных физиологических потребностей. Вода ис­пользуется промышленностью и сельским хозяйством в больших масштабах. При этом значительная ее часть связывается в технологи­ческих процессах и безвозвратно теряется. По оценкам ученых такие потери составляют около 150 км³ в год, т.е. более 1% устойчивого сто­ка пресных вод.

В промышленности вода используется для приготовления раство­ров, проведения различных реакций нагрева и охлаждения, транспор­та сырья, промывки изделий и многих других целей. Так, на производ­ство 1 т чугуна или стали расходуется 15—20 м³ воды, кальцинированной соды — 10, серной кислоты — 25—80, вискозного шелка — 300—400, меди — 500, пластических масс — 100—500, синтетического каучука — 2000-3000 м³ воды.

Тепловая электростанция мощностью 300 МВт потребляет 300 тыс. м³ воды в год, химический комбинат средней мощности име­ет суточный водооборот до 2 млн. м³ воды. В больших масштабах потребляется вода в крупных городах. Так, средний расход воды для города с населением 3 млн. человек составляет 2 млн. м³ в сутки. Часть потребляемой воды химически и физически связывается, а часть воз­вращается в водные объекты в загрязненном агрессивными химиче­скими примесями состоянии.

Продуктами жизнедеятельности человека и отходами ряда произ­водств являются органические соединения, которые поступают в во­дные объекты со сточными водами или в результате фильтрации через грунты. Их разложение осуществляется в результате деятельности аэ­робных микроорганизмов. В процессах брожения при интенсивном потреблении кислорода, растворенного в воде, образуются С0₂, Н₂0, а также нитраты, фосфаты, сульфаты и кислородсодержащие соеди­нения других элементов. Это, с одной стороны, приводит к интенсив­ному разложению водорослей и растений, что стимулирует рост зоо­планктона и внешней фауны, потребляющей кислород для дыхания. С другой стороны, возникающий дефицит кислорода вызывает массо­вую гибель аэробных организмов и размножение анаэробных микро­организмов, разрушающих биомассу путем брожения.

Другими органическими загрязнителями являются фенолы, их галогенсодержащие соединения, которые попадают в водные объекты со стоками предприятий по производству клеев, пластмасс, кокса. Весьма опасны органические растворители, широко применяемые в различных химических технологиях (например, хлорированные углеводороды).

Нефть и нефтепродукты попадают в водные объекты при бурении скважин, потерях при транспортировке, авариях танкеров, в результа­те сливов при промывании емкостей. На воде нефть образует тонкие пленки, создающие со временем эмульсионный слой нефть—вода, покрывающий до 20—30% поверхности Мирового океана. Этот слой препятствует газообмену между водой и воздухом, что приводит к по­вышению в клетках водных организмов содержания С0₂ и их гибели. Микробиологический распад нефти идет неделями и даже месяцами. Нефтепродукты отрицательно воздействуют на гидробиоценозы, так как аккумулируются в морской биоте, передаваясь по трофическим цепям. Потребление таких морепродуктов создает угрозу здоровью людей. В морскую среду ориентировочно поступает около 12 млн. т нефти и нефтепродуктов, которые распространяются по акватории весьма неравномерно (табл. 5.3).

 

Концентрация нефтепродуктов в районах Мирового океана

Акватория	Концентра­ция, мкг/л
Тихий океан, северо-западная часть	0-200
Атлантический океан, северо-восточная часть	0-160
Северное море	0-350
Средиземное море	0-950
Балтийское море	800-8 000

Тяжелые металлы. Особое значение приобрело загрязнение био­сферы группой загрязнителей (поллютантов), получивших общее на­звание «тяжелые металлы». К ним относится более 40 химических эле­ментов периодической системы Д.И. Менделеева (хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, вис­мут и т.д.).

Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техноген­ного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важней­шим является их выброс при высокотемпературных процессах в чер­ной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимиче­ским стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в во­дах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения.

Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свин­цом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Шири­на придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Растения могут поглощать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности ли­стьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи «поч­ва — растение — животное — человек».

Пестициды. Пестициды (pestis — «зараза», caedo — «убивать») — средства защиты растений от вредителей и болезней. В настоящее вре­мя используется около 700 химических веществ, из которых создается несколько тысяч препаратов пестицидов. Пестициды — единствен­ный загрязнитель, который сознательно вносится человеком в окру­жающую среду.

Хлорорганические инсектициды (гексахлоран, ДДТ) обычно слаборастворимы в воде, очень устойчивы ко всем видам разложения и мо­гут сохраняться в почве десятилетиями, аккумулируясь при система­тическом применении.

Фосфорорганические инсектициды (карбофос, фосфамид, амифос) в почве и других природных средах распадаются довольно быстро. При этом они отличаются эффективностью действия и их применение перспективно. Широко используются карбамидные инсектициды. Отличаясь высокой токсичностью для определенных видов насекомых, эти препараты почти полностью безвредны для человека.

Почва является основным приемником и аккумулятором пести­цидов, которые накапливаются в ней в результате адсорбции их моле­кул почвенными коллоидами. Очень важно создавать и применять только препараты с небольшой продолжительностью жизни, измеря­емой неделями или месяцами. В этом деле уже достигнуты опреде­ленные успехи, испытываются и внедряются в практику новые бы­строрастворимые препараты с большой скоростью метаболической деструкции.

Сельскохозяйственные удобрения — вещества, компенсирующие по­тери элементов почвы, связанные с ростом растений. Для сохранения почвенной экосистемы на поля следует вносить эквивалентное ко­личество соответствующих элементов. Отсюда успехи сельского хо­зяйства связаны с минеральными удобрениями и ежегодно увеличивают их количество, вносимое в почву. При этом не все удобрения достигают растений, много их теряется, в частности при вымывании из почвы.

Например, 5-кратное увеличение количества применяемых азот­ных удобрений позволило повысить урожайность зерновых культур только на 20%, а содержание нитратов в почве и растениях резко воз­росло. Сельскохозяйственная продукция, содержащая повышенное количество нитратов, имеет пониженную питательную ценность, те­ряет устойчивость к длительному хранению.

Другой вид удобрений — фосфорные. Их избыток в почве обога­щает фтором и мышьяком растения, что весьма вредно для питаю­щихся ими животных. Значительная доля фосфорных удобрений не усваивается растениями, не вовлекается в биохимический круговорот, а около 5% выносится в водные объекты.

Калийные удобрения (KN0₃, K₂S0₄, КО) в силу высокой раство­римости в воде в значительной степени вымываются в сопредельные водоемы в периоды, когда заканчивается начальная стадия развития растений, т.е. потребность их в калии уменьшается.

Наряду с минеральными удобрениями в сельском хозяйстве широ­ко используют органические удобрения (навоз, торф, компост). При большом количестве в почвах таких удобрений, содержащих много патогенных микроорганизмов, и при обогащении водной среды ими создаются условия для возникновения очагов болезнетворных организмов.

Поверхностно-активные вещества. Широкое применение синтети­ческих поверхностно-активных веществ (СПАВ), или детергентов, особенно в составе моющих средств, обусловливают поступление их со сточными водами во многие водоемы, в том числе и в источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. В настоящее время эти ве­щества — одни из самых распространенных химических загрязните­лей водоемов.

СПАВ поступают в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками (в сельском хозяйстве поверхностно-активные вещества используют для эмульгирования пестицидов).

Поверхностно-активные вещества относятся к экологически жест­ким веществам. Они очень трудно ассимилируются природной средой и крайне отрицательно влияют на состояние водоемов. Дело в том, что на их окисление расходуется слишком много растворенного кислоро­да, который таким образом отвлекается от процессов биологического окисления.

Детергенты очень вредны для гидробионтов. У рыб они вызывают жаберные кровотечения и удушье. У теплокровных животных наруша­ют функции биомембран, усиливая этим токсическое и канцероген­ное влияние других токсикантов водной среды.