Загрязнение литосферы
advertisement
Лекция № 6,7 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЛИТОСФЕРЫ И ЕЕ ЗАЩИТА. ЗАХОРОНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ План 1. Загрязнение литосферы и ее защита: включение загрязнений в цепи питания; основные источники загрязнения почв. ПДКпрод,, ВДК и ДОК. Основные методы защиты почв от загрязнений. 2. Захоронение и переработка отходов: классификация отходов, их кодирование, селективный сбор, транспортировка и переработка отходов, захоронение радиоактивных и уничтожение и переработка токсичных отходов. 1. Загрязнение литосферы и ее защита Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию. Человек практически воздействует только на верхние горизонты земной коры в результате добычи полезных ископаемых, ядерных испытаний и захоронении высокотоксичных отходов. Наибольшей трансформации подвергается самый верхний слой литосферы, называемый почвой. Почва образуется и развивается в результате взаимодействия живого и неживого, поэтому она рассматривается в настоящее время как биокосное образование. Почва является гигантской экологической системой, оказывающей, наряду с Мировым океаном, решающее значение на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы Земли. Сохранение плодородных почв под земледельческими угодьями, пастбищами и лесами – основное условие устойчивого развития человечества. Тем не менее, ежегодно более 300 кв. км. становятся бесплодными из-за разнообразных проявлений недальновидного хозяйствования. Человек сокращает территории, занимаемые естественными экосистемами. Подсчитано, что 9 - 12% поверхности суши распахано еще 22 - 25% составляют полностью или частично окультуренные пастбища. 458 экваторов - такова протяженность дорог на планете. В одних лишь промышленно развитых странах, по данным ООН, под бетоном автострад, населенных пунктов, аэропортов ежегодно исчезает более 3000 км2 ландшафта. Общие проблемы использования литосферы Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и размножение растений. С этой точки зрения, рассмотрим важнейшие свойства почвы как среды обитания. Ионообменная емкость почвы. Для питания растений необходимы такие минеральные питательные компоненты (биогены), как нитраты, фосфаты, калий, кальций, и др. Кроме азота, все минеральные биогены изначально входят в состав горных пород наряду с другими элементами. Однако, эти биогены недоступны растениям, пока они закреплены в структуре пород. Высвобождение ионов биогенов происходит в процессе выветривания. Становясь доступными растениям, биогены также могут вымываться водой, просачивающейся сквозь почву, или, другими словами, выщелачиваться. Выщелачивание не только снижает плодородие почв, но и способствует загрязнению природной среды. Следовательно, способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов, столь же важна, как и их исходный запас. Эту способность называют ионообменной емкостью почвы. Выветривание – слишком медленный процесс, чтобы обеспечивать нормальное развитие растений. В естественных экосистемах основной источник биогенов – разлагающийся детрит и метаболические отходы животных. Если ионообменная емкость почвы утрачена, биогены выщелачиваются и плодородие почвы падает. Водоудерживающая способность почвы. Чтобы компенсировать потери водяных паров листьями, называемые транспирацией, необходимо, по крайней мере, 99% всей поглощаемой растением воды. На фотосинтез расходуется менее 1% воды. Следовательно, для поддержания активного роста, большинство растений требует значительного количества влаги. Очевидно, что если дождевая вода стекает по поверхности грунта, а не впитывается, пользы от нее не будет. Поэтому весьма важна инфильтрация. В период между дождями растения зависят от запаса воды, удерживаемого поверхностным слоем почвы, как губкой. Величина этого запаса называется водоудерживающей способностью почвы. Наконец, запас воды в почве сокращается не только в результате его использования растениями, но и за счет испарения с поверхности почвы. Чтобы снизить его применяют мульчирование или создают растительный покров. Газопроницаемость почвы. Чтобы расти и поглощать биогенные элементы, корням необходима энергия, генерируемая при окислении глюкозы в процессе клеточного дыхания. При этом потребляется кислород и выделяется CO2. У корней должна быть возможность поглощать кислород из окружающей среды и выделять в нее СО2, т.к. растения, за исключением болотных, не способны транспортировать эти газы по стеблям. Следовательно, почва должна обладать хорошей газопроницаемостью или аэрацией. Обычно аэрацию затрудняют два обстоятельства, приводящие к замедлению роста или гибели растений – уплотнение почвы и насыщение ее водой. Относительная кислотность (pH) почвы. В большинстве естественных экосистем поддерживается pH 6…7, но в результате выпадения кислотных дождей это условие не соблюдается. Это приводит к образованию токсичных соединений и интенсивному выщелачиванию биогенов. Кроме того, повышенная кислотность, наряду с газопроницаемостью, играют решающую роль в процессе трансформации загрязнителей в почве. Эти процессы будут обсуждены более подробно в соответствующем разделе. Соленость почвы. Для нормальной жизнедеятельности все клетки живого организма должны содержать определенное количество воды. Однако сами они не способны активно закачивать или выкачивать воду. Их водный баланс регулируется отношением концентраций солей с внешней и внутренней сторон от клеточной мембраны. Молекулы воды притягиваются ионами соли. Клеточная мембрана препятствует прохождению ионов, а вода быстро движется сквозь нее в направлении большей их концентрации. Это явление называется осмосом. Если концентрация соли вне клетки слишком высока, вода поглощаться не может. Более того, под действием осмоса, она оттягивается из клетки, что приводит к обезвоживанию и гибели растения. Экосистема почвы основана на динамическом взаимодействии между минеральными частицами, детритом, детритофагами и редуцентами (рис 1). Минеральные частицы – это песок (2-0,05 мм), пыль (0,05-0,002 мм) и глина (<0,002 мм). Соотношение этих компонент образует механический состав почвы. Существует зависимость между механическим составом почвы и ее различными свойствами (табл. 1). Таблица 8.1 Механический состав почвы и ее свойства. Тип почвы Песок Пыль Глина Супесь Инфильтрация Хорошая Средняя Слабая Средняя Водоудерживающая способность Слабая Средняя Хорошая Средняя Ионообменная емкость Слабая Средняя Хорошая Средняя Аэрация Хорошая Средняя. Слабая Средняя. Обрабатываемость Хорошая Средняя Слабая Средняя Какая же почва самая плодородная? Здесь следует вспомнить закон лимитирующих факторов. Любое свойство за пределами оптимума лимитирует возможности среды в целом. Принимая это во внимание, становится ясно, что любая из перечисленных типов почв имеет либо средние либо плохие качества с точки зрения плодородия. Улучшение всех свойств почвы происходит при сочетании с ее минеральной частью гумуса. Гумус – это остаток органического вещества после переработки детрита редуцентами. Естественный процесс проникновения гумуса в почву связан с жизнедеятельностью почвенных организмов. Например, дождевые черви перерабатывают до 37 тонн почвы в год на одном гектаре. При этом образуется почвенная структура (рыхлая комковатость). Гумус обладает феноменальной, в сотни раз большей, чем у глины, способностью удерживать воду и биогены, а почвенная структура улучшает инфильтрацию, аэрацию и обрабатываемость. Экспериментально доказано, что удаление верхнего слоя почвы (так называемого пахотного слоя) приводит к снижению урожая на 85%. Однако гумус не вечен. Будучи органическим веществом, он постепенно разлагается со скоростью 20 – 50% своего объема в год. Следовательно, без периодического поступления детрита, гумус постепенно разрушается. При этом будут утрачены почвенная структура и все свойства, которые она обуславливает. Такой процесс называется минерализацией. Биота Климат Материнская порода ПОЧВА Грунтовые воды Время Рельеф Антропогенная деятельность Рис. 8. 1. Факторы почвообразования Деградация почвы Как и все экологические связи, взаимоотношения между почвой и растительностью представляют собой динамическое равновесие. Деградация почвы – это своего рода цепная реакция, которую со временем все труднее остановить. Если по каким-то причинам в экосистеме образуется меньше детрита, то это означает, что уменьшается количество гумуса. Из-за этого ухудшаются все свойства почвы – происходит ее деградация. Ухудшение свойств почвы приводит к снижению плодородия, т.е. произрастает меньшее количество растений. Это, в свою очередь, означает, что будет меньше детрита и данная цепочка событий повторяется до тех пор, пока изначально высокопродуктивная экосистема сменяется пустыней (рис. 2). Общие причины деградации почв перечислены на рис. 3. Меньше детрита Меньше гумуса Ухудшение роста растений Ухудшение всех свойств почвы Рис. 8.2. «Цепная реакция» деградации почвы Открытая разработка полезных ископаемых Вторичное засоление Деградация почвы Перевыпас скота Орошение и осушение Неправильная агротехника Урбанизация Кислотные дожди Эрозия почвы Загрязнение почвы Рис. 8.3. Факторы деградации и снижения плодородия почв Значительные потери почвы происходят вследствие перевыпаса домашних животных. При этом уменьшается поступление детрита в почву и, следовательно, «запускается» цепной механизм деградации почвы. Большой вред почвенной экосистеме наносит вспахивание. При этом почва оголяется и наиболее сильно подвергается эрозии. Кроме этого, первый же прошедший дождь уплотняет поверхностный слой, ухудшая воздухопроницаемость и инфильтрацию. И, наконец, со вспаханной поверхности земли испаряется наибольшее количество влаги. Весьма недальновидна политика сведения лесов под сельскохозяйственные угодья, для получения строительной древесины и топлива. Как правило, это приводит к быстрой деградации почвы и образованию пустынь. Растения, которые выращиваются в виде монокультур, изменяют минеральный состав почвы, так как потребляют одни и те же биогены. Например, сахарная свекла уносит из почвы необычайно большие количества азота (300 кг/га), калия (400 кг/га) и магния (45 кг/га). Все чаще выращиваемая из-за высокой урожайности кукуруза потребляет из почвы большие количества фосфатов (70 кг/га в пересчете на фосфор). В таких случаях необходимо пополнять эти питательные биогены с помощью удобрений. В результате этого происходит загрязнение грунтовых и поверхностных вод, так как минеральные удобрения вымываются из почвы раньше, чем успевают усваиваться растениями. Иной тип воздействия на почву проявляется при выращивании посадок хвойных деревьев. Слой подстилки под этими деревьями распадается не полностью, так как продукты первичного разложения пагубно действуют на гумифицирующие микроорганизмы или тормозят их деятельность. Избыток кислых компонентов и способность связывать ионы металлов приводит к тому, что при отложениях такого гумуса почва с течением времени отбеливается – образуется подзолистая почва. Таким образом, хвойные монокультуры, которые выращиваются с целью более быстрого получения строительной древесины, превращают некогда плодородные почвы в земли пониженного качества. Одной из важнейших проблем современного сельского хозяйства является засоление орошаемых земель. В настоящее время около 30% всех орошаемых территорий засолены настолько, что стали непригодными для земледелия. Дело в том, что в воде, искусственно подаваемой на орошение, всегда содержится какое-то количество солей (в чистой дождевой воде их нет). Не имея стока, поливная вода испаряется, а соли постепенно накапливаются в почве. Крайне велико влияние автомобильных дорог на литосферу. Само существование дорожной сети выводит из сельскохозяйственного использования огромные территории. Известно, что влияние дороги на уровне фоновых концентраций загрязнителей распространяются на 0.3 - 3 км в каждую сторону от дороги в зависимости от ее категории. Причем следует отметить, что максимальная плотность автомобильных дорог наблюдается именно там, где расположены наиболее ценные земли. Кроме этого, прокладка дорог нарушает естественное движение подземных и поверхностных вод, что может приводить к заболачиванию или, наоборот, осушению локальных территорий. Твердое покрытие дорог, особенно в городах, приводит к изменению характера поверхностного стока дождевых вод. Дорожное покрытие способствует образованию потоков дождевой или талой воды, что приводит к интенсивной эрозии и нарушению гидрологического режима почвы, способствует переносу загрязнителей в водоемы. Эксплуатация дорог в зимнее время, связанная с использованием специальных химических веществ для очистки полотна ото льда, также негативно сказывается на состоянии прилегающей к дороге и местам складирования этих химикатов территории. В городах ежегодно приходится восстанавливать зеленые насаждения вдоль дорог, погибшие в результате засоления почвы. Загрязнение придорожной полосы маслопродуктами, тяжелыми металлами, хлоридами и другими загрязнителями усугубляется уплотнением почвы. В результате уменьшается влагоемкость и аэрация почвы. В уплотненной почве происходят процессы восстановления, особенно если остатки кислорода вытесняются при увлажнении или под действием других газов почвы. Восстановление ионов металлов приводит к образованию подвижных токсичных соединений, которые легко усваиваются растениями. С другой стороны, подвижность этих соединений приводит к их интенсивному выщелачиванию, снижающему запас биогенов в почве. Автомобильные дороги расчленяют сложившийся ландшафт, тем самым, нарушая не только его культурную и эстетическую ценность, но и сложившийся процесс миграции животных. Это приводит к тому, что существующий ареал некоторых видов животных резко сокращается, ранее единая популяция разбивается на несколько изолированных частей. Численность этих раздробленных популяций может оказаться ниже критической, и тогда они обречены на вымирание. Причем пересечение путей миграции опасно не только для животных, ведь их внезапный выход на дорогу может привести к серьезным авариям с человеческими жертвами. При прокладке дорог в засушливых районах, движение по ним транспорта приводит к сильному пылеобразованию. Широколиственные культуры, произрастающие в этих районах, например, хлопчатник, подвержены действию вредителей (паутинных клещей), размножающихся на растениях в условиях сильной запыленности. Для снижения этого эффекта применяют специальные дорожные покрытия, исключающие пылеобразование. Загрязнение литосферы В то время как загрязнение воздуха и воды можно заметить или обнаружить, загрязнения почвы могут оставаться скрытыми в течение длительного времени. Как правило, люди не входят с почвой в такой тесный контакт, как с воздухом или водой. Почва непрозрачна, в большинстве случаев обладает значительным буферным действием, что позволяет загрязнениям оставаться незамеченными в течение длительного времени. Но по исчерпании адсорбционной емкости наступает проскок – внешне неожиданное загрязнение грунтовых вод даже без поступления новых количеств загрязнителей. Следует также отметить, что почвы обладают способностью к регенерации. Многие обитатели почвы служат источником ферментов, в присутствии которых вредные вещества расщепляются быстрее, чем в воде или на воздухе. Для оценки степени загрязнения почвы используют предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДКп). ПДКп - это концентрация химического вещества в пахотном слое почвы, которая не должна вызывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и здоровье человека, а также на самоочищающуюся способность почвы. Существует 4 показателя ПДКп в зависимости от пути миграции химического вещества из почвы в сопредельные среды: ТВ - транслокационный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы через корневую систему в зеленую массу и плоды растений; МА - миграционный воздушный показатель; МВ - миграционный водный показатель; ОС - общесанитарный показатель, характеризующий влияние химического вещества на самоочищающуюся способность почвы и микробиоценоз. Антропогенное загрязнение литосферы Основными источниками загрязнения являются: свалки и хранилища ядовитых отходов; протекающие подземные хранилища и трубопроводы; пестициды и удобрения; противогололедные химикаты, используемые в дорожном хозяйстве; обычно выражается в мг на кг почвы. мазут и отработавшее масло, применяемые как средство связывания пыли на обочинах дорог; бытовые и промышленные сточные воды; аварии транспортных средств; осаждение токсичных веществ (например, кислотных дождей и соединений тяжелых металлов) из загрязненной атмосферы. Загрязнения бытовыми и промышленными отходами Общий термин для всех многочисленных материалов, которые мы выбрасываем из домов и учреждений и обычно называем мусором, - твердые бытовые отходы (ТБО). Вообще наличие отходов свидетельствует о том, что наше общество нарушает один из основных экологических законов – круговорот веществ в природе. Положение с отходами в настоящее время характеризуется как кризисное: отходов становится все больше, а мест для их захоронения – все меньше. Самая серьезная проблема, связанная со свалками, это загрязнение прилегающих почв и грунтовых вод. Когда дождевая вода проходит через необработанные отходы, образуется особенно ядовитый фильтрат, в котором наряду с остатками разлагающейся органики, присутствуют железо, ртуть, свинец, цинк и другие металлы из ржавеющих банок, разряженных батареек и других электроприборов, причем все это густо приправлено красителями, пестицидами, моющими средствами и другими химикатами. Вторая проблема – это образование метана. У захороненного мусора нет доступа к кислороду. Поэтому, его разложение идет анаэробно, а один из продуктов этого процесса – биогаз, на 2/3 состоящий из метана. Образуясь в толще захороненных отходов, он может распространяться горизонтально, проникать в подвалы зданий, накапливаться там и взрываться при зажигании. Кроме того, метан может распространяться вверх, отравляя корни и губя растительность на месте захоронения. В ряде городов эта проблема решается путем устройства на месте свалок «газовых скважин», перехватывающих метан, который можно впоследствии использовать как топливо. Наряду со свалками, серьезную опасность для окружающей среды представляют захоронения промышленных отходов. Из них, несмотря на принимаемые меры предосторожности, возможны утечки загрязнителей, обладающих особой токсичностью. В России, как отмечается некоторыми исследователями, эта проблема осложняется отсутствием надлежащего контроля над движением и захоронением промышленных отходов. Загрязнение пестицидами Благополучие людей во многом зависит от борьбы с вредителями. Если бы не она, мы жили бы в крайне неустойчивых условиях – наше здоровье и запасы продовольствия были бы отданы на милость другим организмам. Сегодня существует множество способов борьбы с вредителями, но в ее отношении преобладают два диаметрально противоположных мнения. Одно из них основано на чисто технологическом подходе. Оно заключается в поиске «чудо-оружия», чаще всего в виде изобретенного человеком химиката, губительного для организма вредителя. Второе мнение, которое теперь называют экологической борьбой с вредителями, учитывает необходимость поддерживать общее экологическое равновесие. Оно делает упор на защите человека, культурных растений и животных от ущерба, наносимого вредителями, а не на уничтожении последних. Традиционно люди выбирали чисто технологический подход. Для уничтожения вредителей изобретены тысячи химикатов. Их называют пестицидами (от лат. Pestis – зараза и caedo – убиваю). Пестициды классифицируют в зависимости от групп организмов, на которые они действуют. Так, существуют инсектициды (убивают насекомых), родентициды (убивают грызунов), фунгициды (уничтожают грибы) и т.д. Однако ни один из этих химикатов не обладает абсолютной избирательностью в отношении организмов, против которых он разработан, и представляет угрозу также для других организмов, в том числе для людей. Поэтому все это – биоциды, т.е. вещества, угрожающие различным формам живого. Сначала для борьбы с вредителями использовали вещества, содержащие тяжелые металлы, такие как свинец, мышьяк и ртуть. Эти неорганические соединения часто называют пестицидами первого поколения. Такие соединения способны накапливаться в почве и подавлять рост растений. Многие почвы были настолько загрязнены тяжелыми металлами, что и спустя 50 лет на них ничего не растет. Кроме того, вредители быстро выработали устойчивость к данным веществам, а следовательно снизилась эффективность их применения. Поэтому требовались новые средства борьбы с вредителями. Ими стали пестициды второго поколения на основе синтетических органических соединений. Проблемы, связанные с синтетическими органическими соединениями, можно разделить на четыре категории: развитие устойчивости у вредителей; возрождение вредителей и вторичные вспышки численности; рост затрат; нежелательное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Развитие устойчивости у вредителей связано с изменчивостью популяций вредителей; они представляют динамичный генофонд, способный быстро эволюционировать. Обработки пестицидами создают давление отбора, приводящее к устойчивости популяции. За годы использования пестицидов постоянно увеличивалось число невосприимчивых к ним видов. Около 25 основных видов вредителей стали устойчивыми ко всем пестицидам. При этом отмечены случаи, когда устойчивость популяций вредителей к химикатам возрастала в 25 000 раз. Возрождение и вторичные вспышки численности вредителей происходят из-за существования в мире насекомых (как и среди высших животных) сложных пищевых сетей. Объем популяций растительноядных насекомых очень часто контролируется насекомыми, паразитирующими на них или ведущих себя как хищники. Обработка пестицидами часто влияет сильнее на этих естественных врагов вредителей, чем на них самих (например, в силу биоконцентрирования). Следовательно, с исчезновением естественных врагов популяции растительноядных вредителей не только возрождаются, но и могут взрывообразно увеличиваться. Рост затрат связан с необходимостью применения все большего количества все более дорогих пестицидов, что, тем не менее, дает все меньший эффект. Проблема нежелательных последствий применения пестицидов тревожит общественность больше всего. Передаваясь и накапливаясь в пищевых сетях, пестициды распространились по всему земному шару. Отмечены многочисленные негативные проявления воздействия этих веществ на живые организмы, включая человека. Несмотря на строгий контроль над использованием пестицидов, проблема будет существовать, пока существуют методы ведения сельского хозяйства, основанные на их применении. Загрязнение тяжелыми металлами Существенно влияют на экосистему почвы загрязнения тяжелыми металлами. У свинца четко выражена тенденция к накоплению в почве, так как его ионы малоподвижны даже при низких значениях рН. Для различных почв скорость вымывания свинца колебалась от 4 г до 30 г на гектар в год. Почва становится мертвой при содержании в ней 2...3 г свинца на 1 кг грунта. Вокруг некоторых промышленных предприятий содержание свинца в почве достигает концентрации 10...15 г/кг. По некоторым данным содержание свинца на поверхности почвы на краю полосы отвода автомобильных дорог обычно составляет до 1 г/кг, но в пыли городских улиц может быть в 5 раз больше [i]. Растения более устойчивы по отношению к свинцу, чем животные и люди, поэтому необходимо тщательно следить за содержанием свинца в продуктах питания растительного происхождения. В отличие от свинца, ионы кадмия весьма подвижны, особенно в кислых почвах, поэтому накопления этого металла в большинстве случаев не наблюдается. Кадмий заносится в почву из воздуха либо вместе с продуктами сгорания, либо с фосфорсодержащими удобрениями в виде примеси. Подвижность ионов меди еще выше, чем ионов кадмия. Это создает более благоприятные условия для усвоения меди растениями, а также выщелачивания этого вещества из гумусового слоя. Хотя медь в следовых концентрациях считается необходимой для жизнедеятельности, у растений токсические эффекты проявляются при содержании 20 мг на кг сухого вещества. Медь оказывает токсическое действие и на микроорганизмы, при этом достаточна концентрация около 0,1 мг/л. К сравнительно подвижным элементам в почве также относят цинк. Цинк принадлежит к числу распространенных в технике и быту металлов, поэтому ежегодное внесение его в почву очень велико. Особенно загрязнена почва вблизи цинкоперерабатывающих предприятий. Растворимость цинка в почве начинает увеличиваться при значениях рН менее 6, поэтому в кислых почвах цинк не накапливается. При значениях рН более 6 происходит накопление цинка в почве благодаря взаимодействию с глинами. Для растений токсический эффект создается при содержании около 200 мг цинка на кг сухого вещества. Организм человека достаточно устойчив по отношению к цинку и опасность отравления при использовании сельскохозяйственных продуктов, содержащих цинк, невелика. Защита литосферы Химические и биохимические изменения почв и их значение для растений, обитателей почвы, а также для человека не должны рассматриваться изолированно или на протяжении исторически коротких промежутков времени. Почва принимает участие в формировании местных климатических условий. Ликвидация почвенного покрова ведет за собой исчезновение растительности, что приводит к образованию сухих пустынь, как это произошло на севере Африки (пустыня Сахара). Человечеству необходимо осознать важность сохранения почвы как основы своего существования и перейти к новым методам хозяйствования, обеспечивающим устойчивое существование и развитие. Предупреждение эрозии почвы. Рассмотрим отдельно традиционные и новые методы защиты почвы от эрозии. Традиционные методы. Контурная вспашка (борозды направлены перпендикулярно склону). Узкополосный посев (чередование полос вспаханной и необрабатываемой земли). Полезащитные лесопосадки. Террасирование (оформление склонов в виде ступеней). Новые методы. Безпахотное земледелие. Цель вспашки и культивации почвы – борьба с сорняками. Альтернативой стали химические гербициды (яды для сорняков), впервые созданные в начале 60-х. Этот метод имеет как положительные, так и отрицательны стороны. К преимуществам можно отнести экономию времени и энергии – вместо трех проходов техники, достаточно одного. Кроме этого, поскольку гербициды распыляются с воздуха, появляется возможность раннего сева, а, следовательно, и снятия второго урожая за один сезон. Это – чисто экономические причины применения данного метода. Но он обладает и экологическими преимуществами: без вспашки сохраняется структура почвы, обеспечивается поступление детрита и, что самое главное, предупреждается эрозия, т.к. поверхность земли почти всегда покрыта растительностью. Однако имеются и весомые аргументы против данного метода. Во-первых, использование гербицидов может оказаться небезопасным для человека. Во-вторых, приходится периодически увеличивать дозы внесения химикатов или разрабатывать новые вещества, т.к. сорняки постепенно вырабатывают устойчивость к используемым гербицидам. В-третьих, отсутствие вспашки благоприятствует размножению сельскохозяйственных вредителей, живущих в почве, что, в свою очередь, вызывает необходимость обработки поля пестицидами. Вообще, количество всевозможных химикатов, применяемых при беспахотном методе земледелия, в 2-6 раза больше, чем при традиционном. Другой возможностью предупреждения эрозии почвы считается постепенный перевод сельского хозяйства с однолетних культур на многолетние. В этом случае потребность в ежегодной вспашке отпала бы совсем. Основная трудность здесь заключается в поиске и культивировании подходящих видов растений. Правильная организация сельского и лесного хозяйства играет огромную роль в защите почвы от эрозии. Здесь основными моментами являются ограничение выпаса, восстановление лесов и рекультивация почв. При применении орошения необходимо выбирать водосберегающие схемы орошения и предусматривать обязательный дренаж, необходимый для «промывки» почвы от избыточных солей (при этом, правда, возникает проблема дальнейшего использования промывочной воды). Контроль над отходами. Наилучший вариант борьбы с отходами – не производить их вовсе. Поэтому любое государство, заботящееся о своем будущем, должно разрабатывать стратегию, направленную на стимулирование сокращения объема производимых отходов, рециклизации отходов, создания безотходных технологий, использования биодеградирующих химикатов. Сокращение объема отходов На протяжении многих лет количество ТБО неуклонно возрастало: отчасти из-за роста населения, но в основном из-за изменения образа жизни людей, использующих все больше оберточных и упаковочных материалов, одноразовых товаров. Существенно сократить объем отходов можно за счет увеличения срока службы товаров. В книге Б. Небела [Error! Bookmark not defined.] описывается пример использования бутылок одноразового и многоразового использования. В нем показывается, что стимулирование использования бутылок многоразового использования, принятое в некоторых штатах США, не только уменьшает количество мусора, но и приводит к подъему местной промышленности и росту занятости населения. Сократить количество отходов можно также, понизив материалоемкость товаров, уменьшив их размер, увеличив срок службы. Утилизация отходов Промышленные отходы подразделяются на твердые (металлы, дерево, пластмассы и т.д.) и жидкие (осадки сточных вод, маслопродукты). Выбор метода переработки отходов зависит от вида и качества отходов. Однородные отходы легче подвергаются утилизации. Например, металлический лом и отходы после сортировки и пакетирования на прессах направляются на переплавку; отходы древесины используются для изготовления древесностружечных и древесноволокнистых плит; шлак - для изготовления строительных материалов; нефтепродукты подвергаются регенерации и т.д. Некоторые виды отходов, содержащие токсичные вещества или ценные материалы подвергаются спецобработке на полигонах. В настоящее время большую пользу приносят биржи отходов, где предприятия могут перекупать друг у друга отходы производства для использования их в качестве сырья. Неоднородные отходы в большинстве случаев перерабатывать экономически нецелесообразно и такие отходы считаются мусором, основным методом использования которого является сжигание. Большое количество отходов в настоящее время не перерабатываются из-за нерентабельности или отсутствия технологий переработки. Их либо захороняют, либо складируют. Наконец, многие фирмы, производящие одноразовые продукты, заинтересованы в сложившейся ситуации, так как она позволяет им получать доход неограниченно долго. Но, тем не менее, существует множество способов вторичной переработки различных типов отходов. Многие фирмы вкладывают деньги в рециклизацию, поскольку использование вторсырья дешевле, сокращает энергозатраты (например, переплавка алюминиевых банок позволяет уменьшить энергопотребление на 90% по сравнению с методом получения алюминия из бокситов), снижает потребность в очистном оборудовании и повышает срок службы оборудования. Все это говорит о том, что возможности извлечения прибыли из твердых бытовых отходов неисчерпаемы. 2. Захоронение и переработка отходов Твердые отходы промышленных предприятий весьма разнообразны как по своим свойствам, так и по воздействию на окружающую среду. Они состоят, как правило, из активных веществ, которые, накапливаясь в почве, подземных водах и атмосфере постепенно загрязняют их и вызывают нежелательные явления. Отходы – это не используемые непосредственно в местах их образования отходы производства, быта, транспорта и др., которые могут быть реально или потенциально использованы как продукты в других отраслях народного хозяйства или в ходе регенерации. Вредные отходы должны подвергаться нейтрализации, а неиспользуемые – считаются отбросами. Отходы могут быть (рис. 8.4): Рис.8.4. Основные виды отходов 1. Бытовые (коммунальные) твердые (в том числе твердая составляющая сточных вод – их осадок) отбросы, не утилизированные в быту, образующиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей вещества (включая бани, прачечные, столовые, больницы и др.). Проблема бытовых отходов в настоящее время весьма остро стоит во многих странах мира. Так, в городах США образуется ежегодно около 150 млн т отходов и ожидается к 2000 г. увеличение их объема еще на 20%. В Японии количество бытовых отходов превышает 72 млн т ежегодно. В бывшем СССР в 1985 г. было вывезено спецтранспортом из городов 217 млн м3 бытовых отходов, а в 1988 г. – уже 228 млн м3. Поэтому для уничтожения бытовых отходов за рубежом стали сооружать мощные мусоросжигательные установки (до 900 т и более отходов в сутки) для получения энергии. Доля сжигаемого мусора составляет: для США – 3%, Японии – 26%, ФРГ – 34%, Швеции – 51%, Швейцарии – 75% и т.д., причем лишь немногие из заводов производят при этом электроэнергию. Большая часть мусоросжигательных заводов вырабатывает пар, который по паропроводам подается на соседние промышленные предприятия или в жилые кварталы. В нашей стране в 1988 г. на заводы по переработке мусора в целом было вывезено 1416 тыс. т бытовых отходов (то есть ~ 0,5 %). 2. Отходы производства (промышленные) – остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они могут быть безвозвратными (технологические потери: улетучивание, угар, усушка) и возвратными. Пока в России отходы производства значительны: в машиностроении и металлообработке удельный вес металлоотходов в общем потреблении черных металлов составил 21%, а удельный вес стружки в образовании металлоотходов достиг 42%. Ежегодно в странах ЕЭС также образуется значительное количество отходов: перерабатывающей промышленности – 400 млн т, промышленных предприятий – 160 млн т и др. Из общего количества отходов (~ 2,2 млрд т) половину составляют отходы сельскохозяйственного производства. Однако если в странах ЕЭС 60% бытовых отходов подвергаются захоронению, 33% - сжигается и 7% компостируется, то свыше 60% промышленных отходов и 95% отходов сельскохозяйственного производства подвергаются интенсивной переработке (по зарубежным источникам). 3. Отходы производственного потребления – непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты и пр. Они могут быть сельскохозяйственными, строительными, производственными, радиоактивными, последние весьма опасны и нуждаются в тщательном захоронении или дезактивации. В последние годы увеличилось количество опасных (токсичных) отходов – способных вызывать отравления или иное поражение живых существ. Это, прежде всего, неиспользованные различные ядохимикаты в сельском хозяйстве, отходы промышленных производств, содержащих канцерогенные и мутагенные вещества и др. В США 41%) твердых бытовых отходов (ТБО) классифицируют как «особо опасные», в Венгрии – 33,5%, в то время как во Франции – 6%, Великобритании – 3%, а в Италии и Японии – только 0,3%. В России к опасным отходам относят 10% от всей массы ТБО. Во многих странах мира количество опасных отходов неуклонно возрастает (табл.8.2). Таблица 8.2 Страны США ФРГ (без ГДР) Италия Великобритания Франция Россия Мир (в целом) Производство опасных отходов в различных странах Опасные отходы, тыс. т начало 80-х годов конец 80-х годов 264000 275000 4892 6000 3800 1500 4500 2000 3000 20000 338000 На территории России имеются так называемые химические «ловушки», то есть. давно забытые захоронения опасных отходов, на которых со временем построили жилые дома и другие объекты. Они со временем дают о себе знать появлением странных заболеваний среди местного населения, но их учет до сих пор не проведен. Учет таких захоронений в США показал, что имеется не менее 32 тыс. потенциально опасных; в ФРГ – выявлено около 50 тыс. подобных участков, в Нидерландах – 4000, а в небольшой Дании – 3200. Такими же ловушками могут быть примерно 85 мест атомных взрывов в мирных целях, проведенных на территории России. В Прикаспии с 60-х годов было произведено 47 подземных ядерных взрывов в технических целях (глубинное сейсмическое зондирование, для увеличения нефтеотдачи, для создания подземных емкостей в соляных куполах и др.). Отходы радиоактивные – это побочные биологически или технически вредные вещества, которые содержат образовавшиеся в результате деятельности человека радионуклиды. Радиоактивные отходы (РАО) опасны прежде всего тем, что содержащиеся в них радионуклиды могут рассеиваться в биосфере и вызывать различные генетические изменения в клетках живых организмов, в том числе и человека. Они классифицируются по различным признакам: агрегатному состоянию, по периоду полураспада, по удельной активности, по составу излучения и т.д. . Среди РАО по агрегатному состоянию наиболее распространенными считаются жидкие, которые возникают на АЭС, на радиохимических заводах, в исследовательских центрах. Значительны также количества твердых РАО, в частности в реакторах АЭС общей электрической мощностью 1 ГВт за год образуется 300-500 м3 твердых отходов, а от переработки облученного топлива еще 10 м3 высоко-активных, 40 м3 среднеактивных и 130 м3 низкоактивных отходов. В настоящее время полигоны для захоронения ТБО должны проектироваться и обустраиваться в соответствии со следующими правилами: новые полигоны должны создаваться на повышенных местах с глубоким залеганием грунтовых вод; нередко с вершины холма снимают грунт, используемый впоследствии для засыпки отходов; по периметру полигона должны быть вкопаны керамические трубы для сбора воды и фильтрата, а его дно следует покрыть водонепроницаемым слоем глины или пластика толщиной, по меньшей мере, 20 см; поверх него укладывают слой крупного гравия и слой пористого грунта; все это предназначено для того, чтобы фильтрат, достигнув водонепроницаемого слоя, стекал сквозь гравий в систему коллекторов, а затем подвергался соответствующей переработке (рис. 4); слой гравия, окружающий свалку, служит и для отведения образующегося метана; послойная укладка отходов продолжается до тех пор, пока захоронение не станет похоже на пирамиду; при такой форме сводятся к минимуму инфильтрация, а следовательно, и вымывание веществ из мусора; наконец, по периметру свалки устанавливаются мониторинговые колодцы для периодического контроля за качеством грунтовых вод. Более дорогой способ избавления от ТБО – их сжигание для получения электроэнергии. При этом следует применять современное газоочистное оборудование для предотвращения загрязнения воздуха. Особенную озабоченность вызывает то обстоятельство, что при сжигании ТБО образуются диоксины – чрезвычайно опасные и стойкие вещества, способные к биоаккумуляции и биоконцентрированию. Следует Слои мусора Фильтрующий слой стекловолокна Слой крупного щебня Проницаемый слой Пластмасса Система дренажа фильтрата Непроницаемая плотная глина >6м Грунтовые воды Рис. 8.5. Система защиты грунтовых вод на современных свалках отметить, что данный подход не решает проблему захоронения полностью, т.к. зола, остающаяся после сжигания составляет около 10-20% от исходного объема мусора. На муниципальные свалки не допускается размещать опасные химические вещества. При невозможности или нецелесообразности их переработки, прибегают к захоронению. Наиболее распространены три метода захоронения опасных отходов. Первый из них предусматривает закачку жидких отходов в глубокую скважину, пробуренную ниже уровня водонепроницаемых горных пород. В этом случае, после герметизации скважины, создаются условия для длительного хранения загрязнителей. Второй метод – хранение жидких (нелетучих) отходов в специальных прудахотстойниках, предотвращающих утечку загрязнителей. Стоимость такого оборудования иногда достигает половины всех затрат на строительство комбината. Третий, наиболее дорогостоящий, метод применяется для захоронения очень токсичных и радиоактивных веществ. Он предусматривает строительство специальных могильников, включающих емкости для хранения отходов, защитные помещения, систему мониторинга, аварийной сигнализации и другие меры предосторожности. Однако ни один из этих методов не может гарантировать 100% изоляции и безопасности. Поэтому необходимо стремиться минимизировать количество образующихся отходов. Сейчас используются безнадежно устаревшие методы обращения с РАО: высокоактивные отходы концентрируются и изолируются, средне- и низкоактивные – разбавляются и распыляются, загрязняя окружающую среду. Наиболее приемлемый вариант решения проблемы отходов – это захоронение их на значительную глубину в земную кору. Так, высокоактивные отходы чаще всего хранят в наземных или подземных емкостях (шахты, штольни, преимущественно в каменной соли, скважины в скальных породах и пр.). Например, в США захоронение РАО производят в соляных шахтах и скальных породах, в Швеции – в подземных хранилищах в гранитах, где в больших ванных, наполненных дистиллированной водой, хранятся емкости с отходами и т.д. В нашей стране отработанные отходы концентрируются при АЭС или в отдельно расположенных хранилищах, где "топливо" выдерживается, значительно снижая свою радиоактивность. На территории России имеется 15 полигонов для захоронения РАО. В России есть крупные центры по утилизации жидких РАО и их захоронению (Челябинск-65э Красноярск-26 и др.). К сожалению, существующие методы обезвреживания (цементирование, остекловывание, битумирование и пр.), а также сжигание твердых РАО в керамических камерах (НПО "Радон") радиоактивных отходов представляют значительную опасность для окружающей среды. Так, на полигоне «Маяк» (под Челябинском) ежегодно образуется до. 100 млн кюри жидких РАО, часть из которых просто сбрасывается в водоемы: уже загрязнено более 3 млн га земель. Этот район стал зоной экологического бедствия, где в 2 раза возросли онкологические заболевания, на 66% - заболеваемость детскими лейкозами и т.д. Чтобы предотвратить заражение подземных вод и поверхностных водных источников, применяют накопители. В них используют противофильтрационные устройства, обеспечивающие надежную работу сооружений и исключающие утечку сточной жидкости. Вид накопителя определяется характером сточных вод или твердых отходов. Различают накопители жидких однофазных стоков: пруды-накопители, прудыиспарители, отстойники, поля фильтрации; накопители двухфазных стоков: хвосто- и шламохранилища, гидрозолоотвалы и накопители твердых отходов: золоотвалы, шламонакопители и др. Накопители жидких однофазных стоков. В эти накопители направляют интенсивно окрашенные промышленные сточные воды с сильным запахом, содержащие большое количество солей. При высоком содержании (более 100 г/л) однородной соли в сточной воде целесообразно ее упаривать с целью извлечения соли. В эти накопители направляют также промышленные сточные воды, содержащие большое количество органических веществ, не поддающихся извлечению и использованию, и отработанных кислот (серной, азотной, соляной) в различных соотношениях. В ряде случаев в накопители можно направлять сточные воды, содержащие только минеральные соли, извлечение которых, несмотря на высокую концентрацию их, нецелесообразно из-за невозможности применения. Во избежание переполнения нельзя направлять в накопители слабо загрязненные стоки, подлежащие беспрепятственному или после обработки на очистных сооружениях сбросу в водоем, а также. слишком концентрированные сточные воды, например 20 %ную серную кислоту. Схема пруда-накопителя-испарителя приведена на рис. 7.3. Основу его составляют дамба обвалования противофильтрационная завеса из водонепроницаемого материала, заглубляемая до слоя глины. Конструкция пруда в большой степени зависит от рельефа местности, геологического строения и гидрологических условий района. В зависимости от рельефа пруды могут быть овражными, равнинными, пойменными, косогорными и котлованными. Рис. 8.6. Пруд-накопитель-испаритель: 1 – дамба обвалования; 2 – максимальный расчетный уровень стоков; 3 – горизонт воды (ГВ) в озере-солончаке до устройства пруда; 4 – противофильтрационная завеса из бентонитовых глин; 5 – глины; 6 – пески; 7 – суглинки; 8 – почва Овражные пруды размещают в балках и оврагах с перегораживающей плотиной в низовой их части и со специальными водосбросовыми сооружениями, предназначенными для пропуска естественного стока дождевых и талых вод. Водосбросовые устройства выполняют в виде донной трубы или туннеля. Равнинные накопители устраивают на равнинных участках, обваловывая их по всему пери метру дамбой, или в искусственно создаваемых выемках-емкостях. Пойменные пруды сооружают в поймах рек обваловыванием участка стрех сторон. Таким же образом создают накопители на косогорных участках. Котлованные накопители устраивают в выработках старых карьеров или резервов. Грунты имеют различную пропускную способность, характеризуемую коэффициентом фильтрации Кф. Коэффициентом фильтрации называется скорость фильтрации через единицу поперечного сечения грунта при гидравлическом градиенте, равном единице. Коэффициент фильтрации является основной характеристикой водопроницаемости грунтов. В табл. 8.3 приведены значения Кф для различных грунтов. Таблица 8.3 Физическая характеристика грунтов, используемых для сооружения накопителей Грунт Объемная Плотность, Кф, м/сут Водопроницаемость масса, г/см3 г/см3 Песок 1,45-1,70 2,66 1 Водопроницаемый Супесь 1,45-2,10 2,70 1-0,001 Полупроницаемый Суглинок 1,35-1,65 2,71 0,1-0,001 « Глина 1,60-2,90 1,74 0,001 Водонепроницаемый Наиболее радикальными средствами, применяемыми для защиты подземных вод и водоемов от загрязнения являются перехват профильтровавшихся стоков дренажем и устройство противофильтрационных завес и экранов. Противофильтрационные устройства предназначены для снижения фильтрации через плотину или дамбу и повышения ее устойчивости, исключения опасных фильтрационных деформаций грунта и полной задержки стачных вод. Для их сооружения применяют покрытия слабопроницаемыми грунтами (глиной, суглинками), битумом, бетоном, полимерными пленками и др. Накопители двухфазных стоков. Двухфазные стоки представляют собой водные суспензии минеральных и органических веществ различного состава. Концентрация твердой фазы в них колеблется от 20 да 100 г/л. Это, как правило, отходы процессов очистки и подготовки стачных и природных вод, основных технологических процессов. Их направляют в хвостохранилище либо в шламохранилище. В этих накопителях отделяют осадок и получают осветленную воду. Хвостохранилище представляет собой отгороженный плотиной или дамбой (рис. 8.7) участок местности. Плотину или дамбу строят насыпным или намывным способом. Рис. 8.7. Плотина хвостохранилища: 1 – плотина первой очереди; 2 – вторичные дамбы; 3 – плотина второй очереди По мере заполнения отгороженного участка строят вторичные дамбы. Эти дамбы возводят насыпным способом из привозных материалов. При высоких напорах на плотины и наличии в основании плотин сильно фильтрующих гр.унтов устраивают разгрузочные дренажи. По мере подачи в хвостохранилище пульпы уровень воды в их прудах осветления все время повышается, изменяются в пределах хранилищ местоположение пруда и его размеры. Хвостохранилища занимают обширные площади, измеряемые сотнями гектар; глубина их достигает сотен метров, а глубина слоя воды в зависимости от условий подачи пульпы и забора осветленной воды составляет 0,5-1,5 м. Шламохранилище – крупные земляные наземные сооружения объемом до десятков миллионов кубических метров и глубиной до 50 м, срок службы их превышает 10 лет. Их создают в системе водоснабжения и канализации химических и нефтехимических предприятий. Размещают на равнинных плоских участках местности (в поймах, на террасах) и обваловывают со всех сторон. или частично на участках местного понижения рельефа. Шламохранилища размещают также в пологих оврагах и балках. Дамбы обвалования и перегораживающие Плотины возводят насыпным способом из суглинистых материалов. Можно использовать и намываемые в шламохранилища шламы. Шламовую пульпу подают в шламохранилища по таким же схемам, что и хвостовую пульпу в хвостохранилища. По условиям складирования отходов шламохранилища делят на намывные и наливные. Для наливных шламохранилищ предварительно сооружают земляные плотины на полную высоту проектируемой емкости или же на часть этой высоты. Чаще всего возводят насыпные плотины и реже предусматривают намывные плотины. По гребню плотины прокладывают дорогу и пульпопроводы. Гребень плотины должен иметь защитное покрытие и систему кюветов для организованного сбора и отвода поверхностных вод. Шламохранилища могут занимать различную площадь и рабочий объем. В среднем площадь шламонакопителя составляет 10-20 га, количество сбрасываемого осадка 30 - 40 тыс. т в год. Накопители твердых отходов предназначены для сбора шлама от общезаводских очистных сооружений, очистки рассолов, шлаковых материалов, золы и др. Эти земляные сооружения подобны хвостохранилищам и шламохранилищам. На рис. 8.8 показана схема шламонакопителя. Площадь земельного участка, занимаемого им, составляет около 5 га, глубина 10 м. Во избежание попадания в шламонакопитель ливневых и талых вод с площади водосбора в местах возможного направления поверхностных вод устраивают ограждающую насыпь шириной по гребню 4 м. Чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод избыточной влагой шламов, предусматривают противофильтрационный экран. Такой же экран устраивают на выровненной поверхности шлама. Рис. 8.8. Шламонакопитель твердых отходов: 1 – чаша; 2 – эстакада; 3 – откосы накопителя; 4 – лесопосадка; 5 – водоотводная канава Экраны состоят из двух слоев: нижнего (два слоя полимерной пленки толщиной по 0,2 мм) и верхнего (грунтополимерный слой толщиной 0,6 мм). Грунтополимерный слой получают разбрызгиванием разогретого до 80°С раствора синтетических жирных кислот по подготовленному слою грунта. В экологических целях для контроля работы противофильтрационного экрана и качества грунтовых вод в районе шламоотвала бурят скважины для отбора проб воды на химический анализ. Чтобы предотвратить пыление верхнего подсохшего слоя шлама и создать естественное ограждение вокруг района шламонакопителя, предусматривают лесополосу из деревьев и кустарника. Во избежание попадания на территорию шламонакопителя домашних животных ее ограждают колючей проволокой на железобетонных столбиках. Шлам вывозят в шламонакопитель после обработки на станции механического обезвоживания общезаводских очистных сооружений самосвалами с последующим сбросом в шламонакопитель с эстакад и гребня ограждающей насыпи. После заполнения шламонакопителя и устройства верхнего экрана сверху насыпают слой местного песчаного грунта толщиной 0,6 м и по нему слой местного почвенно-растительного грунта толщиной 0,5 м. После выполнения указанных работ площадку шламонакопителя возвращают в сельскохозяйственный оборот.
