Геохимический круговорот веществ

2. Какие опасные ущербообразующие геохимические процессы Вы знаете?

К ущербообразующим геохимическим процессам можно отнести следующие:

1. Изменение водного баланса между поверхностными, грунтовыми и глубокими подземными водами. Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод, вызываемое двумя однонаправленными процессами.

Первый процесс - замена естественного почвенного покрова застроенными и заасфальтированными территориями, что практически исключает из водного баланса испарение с поверхности почвы и протечки водопроводных и канализационных систем, круглогодично обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод (второй процесс). Оба эти обстоятельства, в сочетании с полной или частичной ликвидацией естественных дренажных систем, приводят к подъему зеркала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и сооружений, снижению несущей способности грунтов основания и, как следствие, деформация, а в критических ситуациях - разрушение зданий и сооружений.

2. В настоящее время из всех опасных процессов подтопление имеет максимальное распространение, его последствия могут быть угрожающими или катастрофическими. Из 1092 городов России подтоплено около 70%. Подтопление ведет к повышению сейсмичности застроенных территорий на 1-2 балла. К загрязнению грунтовых вод тяжелыми металлами, нефтепродуктами, хлоридами, соединениями серы, пестицидами, а в ряде случаев и радионуклидами в результате утечки сточных вод из канализационных сетей, инфильтрации атмосферных осадков в местах складирования промышленных и бытовых отходов. Техногенное подтопление особенно опасно, потому что носит скрытый характер, его развитие провоцирует возникновение оползней, карста и т. д.

Подтопление, активно развивающееся в любых климатических условиях, сопровождается масштабными экологическими последствиями и наносит ущерб здоровью населения. Острота проблемы наиболее высока на сильно урбанизированных территориях, где концентрация населения сочетается с наличием мощных источников вредного воздействия на окружающую среду. Так, подтопление от 80 до 100% площади урбанизированных территорий, характерное для Ярославской, Самарской, Саратовской, Краснодарской, Барнаульской и Новосибирской агломераций, приводит к существенному росту затрат на обеспечение комфортной среды проживания человека.

3. В случаях, когда производится промышленная эксплуатация глубоких горизонтов подземных вод и возникает адекватная депрессионная воронка, при условии постоянного восполнения грунтового водоносного горизонта, о чем сказано выше, усиливается инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается развитием процессов суффозии (выноса тонкоземистого материала) или карста (растворения и выщелачивания карбонатного материала известняков с образованием карстовых полостей).

4. Изменение геодинамической ситуации, вызванное дополнительной, и притом неравномерной пригрузкой поверхности за счет привнесенных масс материалов строительных конструкций, в пределах территории города. Этот фактор дополнительной пригрузки может сопровождаться также одновременной откачкой подземных вод, в случае их использовании для питьевых или технических целей. Как следствие на фоне общего опускания поверхности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города), активизируются местные, очаговые оползневые и солифлюкционные процессы, способные в условиях городской застройки привести к деформации зданий, и коммуникаций (оползни).

5. Внимания заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологической ситуации городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Зимой, когда поверхность земли начинает замерзать, подземные воды оказываются зажатыми между непроницаемыми слоями (слоем многолетней мерзлоты внизу и замерзшей поверхностью земли вверху). Вода находится под сильным напором, ища себе выхода наружу, она вспучивает почву, образуя ледяные бугры - гидролокалиты. Гидролокалиты и наледи (когда вода замерзает на поверхности) широко распространены в Восточной Сибири, Забайкалье, Дальнем Востоке, Канаде и в других районах распространения многолетней мерзлоты.

6. Нарушение геохимического баланса поверхности, грунтов основания и конструкций зданий и сооружений - еще один геоэкологический процесс, происходящий в экстремальных климатических условиях и оказывающий решающее влияние на длительную устойчивости надземных строительных конструкций. Его суть состоит в том, что в условиях когда испаряемость превышает количество осадков, при устойчивом подтоплении внутриквартальных территорий и отсутствии дренажа надмерзлотных вод, удаление какой то части излишней влаги с поверхности и из грунтов сезонно талого слоя происходит в результате ее испарения. Испарение, в свою очередь, приводит к последовательному и непрерывному возрастанию минерализации надмерзлотных вод. Однако известно, что чем выше минерализация воды, тем более низкие температуры потребны для ее замерзания. Следствие этого процесса - сохранение остаточных или формирование новых линз жидкой воды, имеющей отрицательную температуру, существующих круглогодично. Такие отрицательнотемпературные воды получили название криопэги от латинского криос - холод, и пэги - воды. При миграции линз криопэгов в случае, если линза переместится в основание здания может привести к деформации фундамента и самого здания.

3. Что общего можно найти между функциональной структурой экологической системы и организацией хозяйства, например, фермерского?

Экология (от греч. жилище, местопребывание и понятие, учение) -- наука, изучающая взаимоотношения организмов друг с другом и со средой их обитания. Впервые термин “экология” ввел в 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель. Экология -- это наука о выживании человечества в условиях экологического кризиса, т.е. в условиях напряженного состояния во взаимоотношениях общества с окружающей средой из-за несоответствия производственных сил и производственных отношений общества природоресурсному потенциалу биосферы.

Экологическая система - закрытая, функционально единая совокупность организмов (растений, животных и микроорганизмов), населяющих общую территорию и способных к длительному существованию при полностью замкнутом круговороте веществ (т. е. при отсутствии материального обмена через её границы). Принцип экологической системы используется в организации хозяйства, например фермерского. Основу такой искусственно создаваемой экологической системы составляют растения, которые за счёт энергии света в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, т. е. осуществляют регенерацию атмосферы. Биомасса растений используется в пищу человеком и животными, которые, в свою очередь, могут входить в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса растений, продукты жизнедеятельности человека и животных разлагаются микроорганизмами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь используются растениями. Таким образом, в фермерском хозяйстве возникает замкнутая система круговорота веществ, которая похожа на функциональную структуру экологической системы.

4. Назовите и опишите основные источники ядовитых химических отходов.

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустри-альное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опас-ностью для человечества. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей ядовитыми веществами химического происхождения.

Источники загрязнения атмосферы:

Сейчас существует три основных химических источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в загрязнении воздуха сильно различается. Наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; метал-лургические предприятия, особенно цветной металлургии, кото-рые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попа-дают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промыш-ленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и пе-реработки бытовых и промышленных отходов. Основным источником пирогенного загрязнения на пла-нете являются тепловые электростанции, металлургические и хи-мические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании угле-родистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не ме-нее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует по-вышению температуры на планете, и созданию парникового эффек-та.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серу содержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн.т.в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Вы-падение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влаж-ности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты.

г) Сероводород и сероуглерод. Основными ис-точниками выброса являются предприятия по изготовлению ис-кусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперераба-тывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодейс-твии с другими загрязнителями подвергаются медленному окисле-нию до серного ангидрида.

д) Оксилы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в ат-мосферу, составляет 20 млн.т. в год.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керами-ки, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества пос-тупают в атмосферу в виде газообразных соединений - фторово-дорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характе-ризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической про-мышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых метал-лов и ядовитых газов.

Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вы-зывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дым-ки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с во-дяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. пы-левидных частиц искусственного происхождения. Большое коли-чество пылевых частиц образуется также в ходе производствен-ной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках тех-ногенной пыли приведены ниже:

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ВЫБРОС ПЫЛИ,МЛН.Т./ГОД

1. Сжигание каменного угля 93,60

2. Выплавка чугуна 20,21

3. Выплавка меди (без очистки) 6,23

4. Выплавка цинка 0,18

5. Выплавка олова (без очистки) 0,004

6. Выплавка свинца 0,13

7. Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязне-ний воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цемент-ные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висму-та, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, мо-либдена, а также асбест. Пос-тоянными источниками аэрозольного загрязнения являются про-мышленные отвалы - искусственные насыпи, образуемые при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий пе-рерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядови-тых газов служат массовые взрывные работы. К атмосферным ядовитым химическим отходам относятся углеводо-роды. Они подвергаются различным превращениям, окисле-нию, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В ре-зультате этих реакций образуются перекисные соединения, сво-бодные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.

Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного про-исхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксиданта-ми. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высо-кой концентрации оксидов азота, углеводородов и других заг-рязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной инверсии.

Химическое загрязнение водоемов

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирова-ния поверхностного или подземного водного стока, разнообраз-ные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятель-ность человека. Последствием этих влияний является привнесе-ние в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загряз-нителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения. Химическое загрязне-ние представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных при-месей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и неф-тепродукты, органические остатки, поверхностно активные ве-щества, пестициды).

Неорганическое загрязнение

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные ядовитые химические сое-динения. Это соедине-ния мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Боль-шинство из них попадает в воду в результате человеческой дея-тельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а за-тем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным ор-ганизмам. Токсический эффект некоторых наиболее распростра-ненных загрязнителей гидросферы представлен в таблице:

ВЕЩЕСТВО ПЛАНКТОН РАКООБРАЗНЫЕ МОЛЛЮСКИ РЫБЫ

1. Медь +++ +++ +++ +++

2. Цинк + ++ ++ ++

3. Свинец - + + +++

4. Ртуть ++++ +++ +++ +++

5. Кадмий - ++ ++ ++++

6. Хлор - +++ ++ +++

7. Роданид - ++ + ++++

8. Цианид - +++ ++ ++++

9. Фтор - - + ++

10. Сульфид - ++ + +++

Степень токсичности (примечание):

Сре-ди основных источников загрязнения гидросферы ядовитыми химическими отходами следует упомянуть предпри-ятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежегодно вымывается около 6 млн.т. солей. К 2005 году возможно увеличение их массы до 12 млн.т./год. Отходы, содер-жащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за преде-лы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижа-ет первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов. Так, печаль-ную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнару-женную японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбра-сывали промышленные стоки с техногенной ртутью.

Органическое загрязнение.

Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют и органические остатки (300-380 млн.т./год). Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагуб-но влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедея-тельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе само-очищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как серово-дород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. На-личие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.

Нефть и нефтепродукты

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод - все это обусловливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. Большие массы неф-ти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн.т./год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн.т. нефти.

Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифотических и гидроароматических углеводородов. Основные компо-ненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

а) Парафины (алкены). - (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества. Легкие парафины обладают макси-мальной летучестью и растворимостью в воде.

б) Циклопарафины. - (30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения. Кроме циклопентана и циклогексана, в нефти встречаются бицик-лические и полициклические соединения этой группы. Эти соеди-нения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в) Ароматические углеводороды. - (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, со-держащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопара-фины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бицик-лические (нафталин), полуциклические (пирен).

г) Олефины (алкены). - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения.

Пестициды

Пестициды составляют группу искусственно созданных ве-ществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями рас-тений. Пестициды делятся на следующие группы: инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений, гербициды - против сорных растений. Установлено, что пестициды, уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подры-вают здоровье людей и животных. В сельском хозяйстве давно уже сто-ит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к би-ологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителя-ми. В настоящее время на мировой рынок поступает более 5 млн.т. пестицидов. Про-мышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгецидов и гербицидов. Синтезированные инсек-тициды делятся на три основных группы: хлороорганические, фосфороорганические и карбонаты. Хлороорганические инсектици-ды получают путем хлорирования ароматических и гетероцикли-ческих жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его произ-водные, в молекулах которых устойчивость алифатических и аро-матических групп в совместном присутствии возрастает, всевоз-можные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти ве-щества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встре-чаются полихлорбифенилы - производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду в ре-зультате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в ат-мосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во все районах Земного шара.

Синтетические поверхностно-активные вещества.

Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавоч-ных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизи-рующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербора-ты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. Присутствие СПАВ в сточных водах про-мышленнрсти связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химичес-ких технологий, получение полимеров, улучшение условий буре-ния нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудова-ния. В сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестици-дов.

Соединения с канцерогенными свойствами.

Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность

вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организ-мах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индиви-дуального развития и изменению генофонда организмов. К ве-ществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся хло-рированные алифатические углеводороды, винилхлорид, и особен-но, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде - это пиролиз органических веществ при сжи-гании различных материалов, древесины и топлива.

Тяжелые металлы.

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышь-як) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных про-мышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероп-риятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов на-иболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветрива-нии осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного про-ихождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концент-рация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную ме-тилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчи-тывалось 2800 жертв болезни Миномата, причиной которой послу-жили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацеталь-дегида, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Свиней - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых ор-ганизмах. Наконец, свиней активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосфе-ру.

Страницы: 1, 2