Биосфера и человек

42

Биосфера и человек

Содержание

1. Биосфера и человек. Экосистема

1.1 Экологические факторы и их действие

1.2 Абиотические факторы и их влияние на организмы

1.3 Биотические факторы

1.4 Понятие о лимитирующем факторе

1.5 Нарушение естественных геологических круговоротов

2. Анализ загрязнений и перспективных методов очистки выбросов и сбросов литейного производства

Список используемой литературы

1. Биосфера и человек. Экосистема

1.1 Экологические факторы и их действие

Экологический фактор - это любой элемент среды, способный оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития. Под средой мы понимаем комплекс окружающих условий, влияющих на жизнедеятельность организмов.

Комплекс условий складывается из разнообразных элементов - факторов среды. Не все из них с одинаковой силой влияют на организмы. Они могут выступать и как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; и как ограничители, обусловливающие невозможность существования тех или иных организмов в данных условиях; и как модификаторы, определяющие морфологические и анатомические изменения организмов. Так, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто животных, но он не действует на более мелких, которые укрываются под снегом или в норах, либо живут в земле. Те факторы, которые оказывают какое-либо действие на организмы и вызывают у них приспособительные реакции, называются экологическими факторами.

Любой организм в окружающей среде подвергается воздействию огромного числа экологических факторов. Влияние экологических факторов сказывается на всех процессах жизнедеятельности организмов и, прежде всего, на их обмене вещества. Приспособления организмов к среде носят название адаптаций. Способность к адаптации - одно из основных свойств.

По своему характеру экологические факторы подразделены на группы: абиотические, биотические и антропогенные (рис.1).



Рисунок 1 - Экологические факторы

Действие экологических факторов может приводить:

ѕ к устранению видов с биотопов (смена биотопа, территории, сдвиг ареала популяции; пример: миграции птиц);

ѕ к изменению плодовитости (плотности популяций, репродукционные пики) и смертности (смерть при быстрых и резких изменениях условий окружающей среды);

ѕ к фенотипической изменчивости и адаптации: модификационная изменчивость - адаптивные модификации, зимняя и летняя спячка, фотопериодические реакции и т.п.

1.2 Абиотические факторы и их влияние на организмы

Итак, абиотические факторы Ї это комплекс условий окружающей среды, влияющих на живой организм (температура, давление, радиационный фон, освещённость, влажность, долгота дня, давление, ветер, состав атмосферы, почвы и др.).

Среди них различают физические, химические и эдафические.

Физические факторы - это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механические, волновые и др.) Например, температура, если она высокая - будет ожог, если очень низкая - обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде - течение, на суше - ветер и влажность, и т. п.

Химические факторы - это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды, если она высокая, жизнь в водоёме может вовсе отсутствовать (Мёртвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т. п.

Эдафические факторы, т. е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т. е. для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известны влияния химических компонентов, температуры, влажности, структуры почв на рост и развитие растений. Эти факторы могут влиять на организм прямо (непосредственно), как свет и тепло, либо косвенно, как, например, рельеф местности, который обуславливает действие прямых факторов (освещенности, увлажнения ветра и т.д.).

В разных условиях среды биологические процессы протекают с различной скоростью. Например, рост многих растений зависит от концентрации различных веществ (воды, углекислого газа, азота, ионов водорода). На примере температуры видно, что этот фактор переносится организмом лишь в определенных пределах. Организм погибает, если температура среды слишком низка или слишком высока. В среде, где температура близка к этим крайним значениям, живые обитатели встречаются редко. Однако их число увеличивается по мере того, как температура приближается к среднему значению, которое является наилучшим (оптимальным) для данного вида.

Универсальные группы: климатические, эдафические, факторы водной среды. В природе существует общее взаимодействие факторов. Принцип обратной связи: выброс токсических веществ уничтожил лес - изменение микроклимата - изменение экосистемы.

1) Климатические факторы. Зависят от главных факторов: широты и положения континентов. Климатическая зональность привела к формированию биогеографических зон и поясов (зона тундр, зона степей, зона тайги, зона широколиственных лесов, зона пустынь и саванн, зона субтропических лесов, зона тропических лесов). В океане выделяются арктическо-антарктическая, бореальная, субтропическая и тропическо-экваториальная зоны. Есть множество вторичных факторов. Например, зоны муссонного климата, формирующие уникальный животный и растительный мир. Широта наиболее сильно сказывается на температуре. Положение континентов - причина сухости или влажности климата. Внутренние области суше периферийных, что сильно влияет на дифференциацию животных и растений на материках. Ветровой режим (составная часть климатического фактора) играет чрезвычайно важную роль в формировании жизненных форм растений. Важнейшие климатические факторы: температура, влажность, свет.

Температура. Все живое - в температурном диапазоне - от 00 до 500 С. Это летальные температуры. Исключения. Космический холод. Эвритермные и стенотермные организмы. Холодолюбивые стенотермные и теплолюбивые стенотермные. Абиссальная среда (0?) - самая постоянная среда. Биогеографическая зональность (арктические, бореальные, субтропические и тропические). Пойкилотермные организмы - холодноводные с непостоянной температурой. Температура тела приближается к температуре среды. Гомойотермные - теплокровные организмы с относительно постоянной внутренней температурой. Эти организмы обладают большими преимуществами в использовании среды.

Влажность. Вода в почве и вода в воздухе - факторы, имеющие огромное значение в жизни органического мира. Гидробионты (водные) - обитают только в воде. Гидрофилы (гидрофиты) - очень влажные среды (лягушки, дождевые черви). Ксерофилы (ксерофиты) - обитатели засушливого климата.

Свет. Определяет существование автотрофных организмов (синтез хлорофилла), составляющих важнейший уровень в трофических цепях. Но есть растения и без хлорофилла (грибы, бактерии - сапрофиты, некоторые орхидеи).

2) Эдафические факторы. Все физические и химические свойства почв. Главным образом воздействуют на обитателей почв.

3) Факторы водной среды. Температура, давление, химический состав (кислород, соленость). По степени концентрации солей в водной среде организмы бывают: пресноводные, солоноводные, морские эвригалинные и стеногалинные (т.е. живущие в условиях широкого и узкого диапазона солености соответственно). По температурному фактору организмы подразделяются на холодноводных и тепловодных, а также группу космополитов. По образу жизни в водной среде (глубина, давление) организмы подразделены на планктонные, бентосные, глубоководные и мелководные.

1.3 Биотические факторы

Биотические факторы Ї это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие (конкуренция, хищничество, паразитизм и др.), т.е. это факторы, контролирующие взаимоотношения организмов в популяциях или сообществах, а также на неживую среду обитания. В последнем случае речь идёт о способности самих организмов в определённой степени влиять на условия обитания. Например, в лесу под влиянием растительного покрова создаётся особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создаётся свой температурно-влажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом - прохладнее и влажнее. Особая микросреда создаётся также в деревьев, в норах, в пещерах и т. п.

Особо следует отметить условия микросреды под снежным покровом, которая имеет уже чисто абиотическую природу. В результате отепляющего действия снега, которое наиболее эффективно при его толщине не менее 50-70 см, в его основании, примерно в 5-сантиметровом слое, живут зимой мелкие животные - грызуны, т. к. температурные условия для них здесь благоприятны (от 0 до -2°С). Благодаря этому же эффекту сохраняются под снегом всходы озимых злаков - ржи, пшеницы. В снегу от сильных морозов прячутся и крупные животные - олени, лоси, волки, лисицы, зайцы - ложась в снег для отдыха.

Биотические взаимоотношения имеют чрезвычайно сложный и своеобразный характер и также могут быть прямыми и косвенными.

Выделяют два основных типа таких отношений:

ѕ внутривидовые - популяционные и межпопуляционные (демографические, этологические);

ѕ межвидовые (хищник-жертва, паразитизм, симбиоз, комменсализм и др.).

Внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов и внутривидовой конкуренции. Групповой и массовый эффекты - термины, предложенные Грассе (1944), обозначают объединение животных вида в группы две или более особей, и эффект, вызванный перенаселением среды. В настоящее время чаще всего эти эффекты называются демографическими факторами. Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, в основе которого лежит внутривидовая конкуренция, которая в корне отличается от межвидовой. Она проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих гнездовий и известную площадь в округе. Таковы многие птицы и рыбы.

Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущие рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно.

Возможные типы комбинаций и отражают различные виды взаимоотношений:

ѕ нейтрализм - оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга;

ѕ конкуренция - каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие;

ѕ мутуализм - виды не могут существовать друг без друга;

ѕ протокооперация (содружество) - оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу;

ѕ комменсализм - один вид, комменсал, извлекает пользу из сожительства, а другой вид - хозяин не имеет никакой выгоды (взаимная терпимость);

ѕ аменсализм - один вид, аменсал, испытывает от другого угнетение роста и размножения;

ѕ паразитизм - паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель;

ѕ хищничество - хищный вид питается своей жертвой.

Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов).

1.4 Понятие о лимитирующем факторе

Реакция организма на воздействие фактора обусловлена дозировкой этого фактора. Очень часто фактор среды, особенно абиотический, переносится организмом лишь в определенных пределах. Наиболее эффективно действие фактора при некоторой оптимальной для данного организма величине. Диапазон действия экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точками минимума и максимума) данного фактора, при котором возможно существование организма. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью или толерантностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды (рис. 2).

Толерантность (от греческого толеранция Ї терпение) способность организмов выдерживать изменения условий жизни (колебания температуры, влажности, света). Например: одни гибнут при температуре 50°, а другие выдерживают кипячение. В разных условиях среды биологические процессы у организмов протекают с различной скоростью. Например, рост многих растений зависит от концентрации различных веществ (воды, углекислого газа, азота, ионов водорода). Возможно, что именно в толерантности будет состоять спасение природы от слишком неразумного воздействия человека. К тому же на Земле есть ещё места относительно мало подверженные влиянию человека. Поэтому к тому моменту, когда человек создаст невыносимые для себя условия, какая-то жизнь останется и продолжит эволюцию, если только человек не разнесёт планету в клочья в результате атомной катастрофы. Существуют также растения, которые вырабатывают вещества, приводящие к их собственной гибели.



Рисунок 2- Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности

Организмы с широким диапазоном толерантности обозначают приставкой «эври». Эврибионт Ї это организм, способный жить при различных условиях среды. Например: эвритермный Ї это организм, переносящий широкие колебания температуры. Организмы с узким диапазоном толерантности обозначают приставкой «стено».

Стенобионт Ї организм, требующий строго определённых условий среды. Например: форель Ї стенотермный вид, а окунь Ї эвритермный. Форель не выносит большие колебания температуры, если исчезнут все деревья по берегам горного потока, это приведёт к повышению температуры на несколько градусов, в результате чего форель погибнет, а окунь выживет.

При помещении организма в новые условия, он через некоторое время привыкает, адаптируется. Это приводит к сдвигу кривой толерантности и называется адаптацией или акклиматизацией. Для нормального развития организмов необходимо наличие разных факторов строго определённого качества, каждый из них должен быть и в определённом количестве. В соответствии с законом толерантности избыток какого-либо вещества может быть так же вреден, как и недостаток, то есть всё хорошо в меру. Например: урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.

Диапазон благоприятного воздействия фактора на организмы данного вида называется зоной оптимума (или зоной комфорта). Точки оптимума, минимума и максимума составляют три кардинальные точки, определяющие возможность реакции организма на данный фактор. Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм. Этот диапазон величины фактора называется зоной пессимума (или зоной угнетения). Рассмотренные закономерности воздействия фактора на организм известно, как правило оптимума.

Распределение плотности популяции подчиняется нормальному распределению. Плотность популяции тем выше, чем ближе значение фактора к среднему значению, которое называется экологическим оптимумом вида по данному параметру. Такой закон распределения плотности популяции, а следовательно, и жизненной активности получил название общего закона биологической стойкости.

Установлены и другие закономерности, характеризующие взаимодействия организма и среды. Одна из них была установлена немецким химиком Ю. Либихом в 1840 году и получила название закона минимума Либиха, согласно которому рост растений ограничивается нехваткой единственного биогенного элемента, концентрация которого лежит в минимуме. Если другие элементы будут содержаться в достаточном количестве, а концентрация этого единственного элемента опустится ниже нормы, растение погибнет. Такие элементы получили название лимитирующих факторов.

Положение о лимитирующих факторах существенно облегчает изучение сложных ситуаций. При всей сложности взаимоотношений организмов и среды их обитания не все факторы имеют одинаковое экологическое значение. Так, например, кислород является фактором физиологической необходимости для всех животных, но с экологической точки зрения он становится лимитирующим лишь в определенных местообитаниях. Если в реке гибнет рыба, то в первую очередь должна быть измерена концентрация кислорода в воде, так как она сильно изменчива, запасы кислорода легко истощаются, и его часто не хватает. Если в природе наблюдается гибель птиц, необходимо искать другую причину, так как содержание кислорода в воздухе относительно постоянно и достаточно с точки зрения требований наземных организмов.

Итак, существование и выносливость организма определяются самым слабым звеном в комплексе его экологических потребностей. Или относительное действие фактора на организм тем больше, чем больше этот фактор приближается к минимуму по сравнению с прочими. Величина урожая определяется наличием в почве того из элементов питания, потребность в котором удовлетворена меньше всего, т.е. данный элемент находится в минимальном количестве. По мере повышения его содержания урожай будет возрастать, пока в минимуме не окажется другой элемент. Позднее закон минимума стал трактоваться более широко, и в настоящее время говорят о лимитирующих экологических факторах.

Экологический фактор играет роль лимитирующего в том случае, когда он отсутствует или находится ниже критического уровня, или превосходит максимально выносимый предел. Иными словами, этот фактор обусловливает возможности организма в попытке вторгнуться в ту или иную среду. Одни и те же факторы могут быть или лимитирующими или нет. Пример со светом: для большинства растений это необходимый фактор как поставщик энергии для фотосинтеза, тогда как для грибов или глубоководных и почвенных животных этот фактор не обязателен. Фосфаты в морской воде - лимитирующий фактор развития планктона. Кислород в почве не лимитирующий фактор, а в воде - лимитирующий. Следствие из закона Либиха: недостаток или чрезмерное обилие какого-либо лимитирующего фактора, может компенсироваться другим фактором, изменяющим отношение организма к лимитирующему фактору.

Однако ограничивающее значение имеют не только те факторы, которые находятся в минимуме. Впервые представление о лимитирующем влиянии максимального значения фактора наравне с минимумом было высказано в 1913 году американским зоологом В. Шелфордом. Согласно сформулированному закону толерантности Шелфорда существование вида определяется как недостатком, так и избытком любого из факторов, имеющих уровень, близкий к пределу переносимости данным организмом. В связи с этим все факторы, уровень которых приближается к пределу выносливости организма, называются лимитирующими.

1.5 Нарушение естественных геологических круговоротов

Бесконечное взаимодействие абиотических факторов и живых организмов экосистемы и биосферы в целом сопровождается непрерывным круговоротом вещества. В биосфере во времени постоянно протекают два взаимосвязанных процесса преобразования веществ в природе: большой (геологический) и малый (биотический) круговороты, производящие все химические вещества.

В связи с действием солнечной энергии и внутренней энергии Земли в биосфере совершается постоянный процесс движения и перераспределения веществ. В ней осуществляется массовый перенос твердых, жидких и газообразных тел при различных температурах и давлениях. Главные химические элементы литосферы - О, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K участвуют в большом круговороте, который проходит различные стадии развития от глубинных частей верхней мантии до поверхности литосферы.

Большой круговорот длится сотни тысяч или миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу, и процесс начинается вновь. Часть осадочных горных пород погружается на большие глубины и в области повышенных температур и давлений подвергается метаморфизму и ультраметаморфизму - переплавлению. При переплавлении возникает магма, которая в благоприятных условиях может снова поступить в верхние горизонты земной коры. Таким образом, в течение веков происходит глобальный круговорот вещества: магматическая порода - осадочная порода - метаморфическая порода - переплавление и новое образование магмы (рис.3).

И, уже много лет как в распределение химических элементов вмешался человек. Последствия воздействия человека на круговорот веществ становятся всё значительнее. Они стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ, появляются новые химические соединения, которых не было прежде, меняется круговорот воды. Так, при добыче полезных ископаемых огромное количество веществ изымается из земной коры. Их промышленная переработка сопровождается выбросами химических элементов с отходами производства в атмосферу, воды, почвы. Это загрязняет среду обитания живых организмов. На земле появляются новые участки с высокой концентрацией химических элементов рукотворные геохимические аномалии. Они распространены вокруг рудников цветных металлов (меди, свинца). Эти участки иногда напоминают лунные пейзажи, потому что практически лишены жизни из-за высоких содержании вредных элементов в почвах и водах.



Рисунок 3 -Схема геологического круговорота

Чтобы понять особенности и масштабы антропогенного воздействия на динамику биосферных процессов, рассмотрим один из главных биогенных круговоротов - круговорот углерода. Углерод составляет основу всех жизненных процессов в организмах, он же в огромных количествах вовлекается в хозяйственную деятельность. Поэтому круговорот углерода позволяет проанализировать весь спектр проблем, порождаемых антропогенным влиянием на круговороты веществ в природе.

Основным источником углерода для наращивания биомассы организмами-продуцентами является углекислый газ, находящийся в атмосфере либо в растворенном состоянии в воде. Захватываемый растениями, он вследствие фотосинтеза превращается в глюкозу, а в последующих процессах биосинтеза в протеины, липиды и т. д. Благодаря этим веществам существуют многочисленные консументы, в организме которых синтезируются разнообразные органические соединения. Поскольку все живые организмы дышат, то часть углерода в виде С02 еще в процессе дыхания возвращается в атмосферу.

В дальнейшем, после смерти организмов, при минерализации органических веществ происходит полный возврат С02 в окружающую природную среду и цикл таким образом замыкается. В некоторых условиях круговорот углерода замедляется. Это имеет место, например, при накапливании мертвых растительных и животных остатков в виде гумуса в почве либо в виде торфа в торфяных болотах.

В масштабах геологического времени результатом такого замедления круговорота углерода выступает образование залежей каменного угля и нефти, а в водной среде - известняков и кораллов. Лишь поднимаясь на поверхность планеты благодаря тектонической активности, эти запасы углерода снова могут включаться в круговорот. Таковы общая схема естественного движения углерода и процессы его биогенного и геологического круговоротов.

Хозяйственная деятельность приводит, прежде всего, к повышению интенсивности возвращения в круговорот запасов углерода, находящегося в природных залежах, следовательно, временно выключенных из круговорота. Одним из основных путей извлечения углерода из таких его биологических тупиков является сжигание ископаемого топлива. Этот вид хозяйственной деятельности служит источником поступления в атмосферу колоссальной массы СО и СО2.

Все более значительные масштабы приобретает и «вклад», вносимый металлургией и химической промышленностью, производством строительных материалов (обжиг извести, получение цемента и т. д.).

Возрос объем поступления С02 в окружающую природную среду, обусловленный выпадением с атмосферными осадками на карбонатные почвы и известняковые скалы больших количеств разбавленных растворов серной, азотной, соляной кислот. Масса таких растворов, выпадающих в виде кислотных дождей, может достигать миллиарда тонн в год. Увеличению поступления СО2 в атмосферу способствуют также сельскохозяйственные мероприятия по известкованию кислых почв.

Суммарный «вклад» всех антропогенных источников поступления С02 в атмосферу оценить довольно сложно. Ученые предполагают, что ежегодное поступление диоксида углерода в результате человеческой деятельности в 100-150 раз превышает поступление его вследствие естественных геологических процессов и составляет до 10% ежегодного биогенного притока С02 в атмосферу. Это свидетельствует об уже имеющемся нарушении круговорота углерода в биосфере. Чтобы оценить масштабы такого нарушения, необходимо учесть и противоположный процесс, представляющий собой один из элементов того сложного механизма, благодаря которому биосфера охраняет свою устойчивость. Речь идет о связывании С02 и выведении его из биогенного круговорота.

В число факторов, способствующих понижению содержания С02 в атмосфере, можно включить рост массы живого вещества на планете, усиление процессов выветривания минералов, ведущих к образованию карбонатов кальция, магния, натрия, а также увеличение образования гумуса в почвах.

Особую функцию выполняет Мировой океан, который играет роль своего рода резервуара, обеспечивающего поглощение и хранение избыточной углекислоты. С повышением концентрации СО2 в атмосфере возрастает содержание углекислоты в морской воде, что приводит к образованию бикарбонатов кальция. Разложение бикарбонатов сопровождается выпадением в осадок карбонатов и выделением части диоксида углерода, который может возвращаться в атмосферу:

Са(НСОз)2>СаСОзv+Н20+С02

Если бы в атмосфере, наоборот, уменьшалась концентрация С02, то началась бы дегазация вод океана, сопровождающаяся выделением С02 в атмосферу и опять-таки выпадением эквивалентной части углекислого кальция. Таким образом, Мировой океан играет роль буфера, который смягчает процессы, ведущие к нарушению глобального круговорота углерода.

Несмотря на наличие столь отлаженной системы саморегуляции, круговорот углерода на Земле уже заметно деформирован влиянием хозяйственной деятельности. По данным исследователей, содержание С02 в атмосфере непрерывно увеличивается. За последние 100 лет прирост С02 составил 10-15%. Причем если в более отдаленном прошлом интенсивность прироста была равна примерно 0,2% в год, то в течение последних десятилетий темпы прироста повысились по меньшей мере в 2 раза. Какими последствиями это грозит биосфере?

Ученые все более убеждаются в том, что содержание С02 в атмосфере способно существенным образом повлиять на климат планеты. Оценки, основанные на изучении оптических свойств С02 и воды, анализе моделей атмосферы, показывают, что если нынешний уровень содержания С02 в атмосфере повысится вдвое, то средняя температура на поверхности Земли возрастет на 3o. Такого изменения температуры, а вероятно, и даже меньшего, может оказаться достаточно для наступления глобальных климатических изменений на нашей планете.

Если судить по темпам потребления ископаемого топлива, то приблизительно 70% запасов угля и почти вся нефть будут израсходованы к середине XXI в. Сжигание этого количества топлива как раз и должно привести к удвоению содержания С02 в атмосфере и повышению температуры на 3o. Поскольку климат определяется очень многими факторами, нельзя однозначно предсказать, к каким именно последствиям это приведет, то нет сомнений в том, что последствия будут иметь отрицательное влияние на развитие цивилизации.

Среди исследователей обсуждается, например, вопрос о связи между колебаниями содержания СО2 в атмосфере и чередованием ледниковых периодов и периодов с необычайно высокой температурой на Земле. Таким образом, продолжающееся сжигание огромного количества ископаемого топлива грозит в будущем не только энергетическим кризисом человечеству, но и опасностью глобальных климатических изменений. Эти изменения могут поставить на карту само существование биосферы в том ее виде, какой является единственно приемлемым для человеческого общества.

Рассмотренный пример влияния хозяйственной деятельности на круговорот углерода в природе свидетельствует об опасности неконтролируемого вмешательства человека в динамические процессы биосферы. Следует учитывать также, что хозяйственная деятельность затрагивает не один какой-либо природный круговорот, а все без исключения циклы круговорота веществ в природе.

Высказываются серьезные опасения по поводу возможности снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере. Причиной «кислородного голодания» может стать увеличение расхода кислорода при сжигании топлива и кислорода, идущего на окисление соединений серы, азота, углеводородов и других веществ антропогенного происхождения. По ориентировочным расчетам ежегодный дополнительный расход кислорода, вызванный хозяйственной деятельностью, составляет не менее 10% от его биогенного образования.

Хозяйственная деятельность приводит и к нарушению баланса в азотном цикле природного круговорота веществ в сторону увеличения содержания азота в атмосфере. Источниками поступления азота в форме аммиака, оксидов или молекулярного азота являются прежде всего процессы сжигания ископаемого топлива.

Всевозрастающий «вклад» вносит и сельское хозяйство. В то же время уничтожение лесов, замена бобовых культур злаками, сокращение площади свободной земной поверхности, не занятой городами, дорогами и т. п., вызывают уменьшение биогенной фиксации азота в общем круговороте. В результате всех этих процессов и происходит деформация природного круговорота азота.

Вовлечение в сферу хозяйственной деятельности в возрастающем количестве соединений фосфора приводит к фосфатизации суши на территориях индустриально развитых стран, и общему увеличению содержания соединений фосфора в окружающей среде. Известно, например, что в 1 л биологически чистых вод содержатся лишь сотые и тысячные доли миллиграмма фосфора, а если его свыше 10 мг/л, бурно развивается фитопланктон, происходит эвтрофикация водоемов. Массовое развитие водорослей вызывает "цветение" воды, водоемы превращаются в зловонные болота, что означает уничтожение биогеоценозов и является шагом к разрушению фундамента биосферы.

Остановить научно-технический прогресс невозможно, но человек должен помнить, что существует порог в загрязнении природной среды, переходить который нельзя, за которым неизбежны болезни людей и даже вымирание цивилизации.

2. Анализ загрязнений и перспективных методов очистки выбросов и сбросов литейного производства

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения и одним из наиболее экологически неблагоприятных. Для него характерны сложность и многообразие способов литья, технологических процессов, применяемых материалов.

В литейном производстве применяется более 100 технологических процессов, более 40 видов связующих, более 200 противопригарных покрытий, это привело к тому, что в воздухе рабочей зоны встречается до 50 вредных веществ, регламентированных санитарными нормами. Так, при производстве 1т чугунных отливок выделяется: 10..30 кг - пыли; 200..300 кг - оксида углерода; 1..2 кг - оксида азота и серы; 0,5..1.5 г - фенола, формальдегида, цианидов и др.; 3 м3 - загрязненных сточных вод может поступить в водный бассейн; 0,7..1,2 т - отработанных смесей в отвал.

Вредные вещества литейного производства, попадая в окружающую среду, представляют угрозу окружающей природе, что сказывается на урожайности сельхозкультур и продуктивности животных. Жидкие стоки представляют опасность для питьевого водоснабжения. Твердые отходы образуют ограниченную номенклатуру (3 категории).

Наличие и количество того или иного вещества в воздухе рабочих зон определяется применяемыми технологическими процессами, исходным материалом и другими факторами.

Выбросы в атмосферу. Пыль и твердые частицы возникают в той или иной степени на каждой стадии технологического процесса и состоят из минеральных оксидов, металлов (главным образом марганца и свинца) и оксидов металлов. Пыль выделяется при термических (например, плавильная печь) и физико-химических технологических процессах - например, формование и производство стержня, а также при механических действиях, таких, как погрузка/разгрузка сырья, в основном песка, а также процессы выбивки отливки и доводки.

Рекомендуемые меры по предотвращению и снижению неорганизованных выбросов пыли включают следующее:

ѕ использование пневматических конвейерных систем, в частности, для транспортировки и подачи присадок на производственный участок;

ѕ использование закрытых конвейеров с подавлением пыли в пунктах погрузки/разгрузки, особенно для подачи песка в формовочный цех;

ѕ очистку возвратной ленты в системе ленточных конвейеров для удаления сухой грязи;

ѕ использование складов для штабелей в помещениях или под крышей, а когда неизбежно открытое хранение, использование системы распыления воды, средств пылеподавления, ветрозащитных приспособлений и других методов штабельного хранения;

ѕ использование закрытых бункеров для хранения насыпных порошковых материалов;

ѕ проведение регулярного технического обслуживания установки и поддержание чистоты и порядка для сведения к минимуму небольших утечек и разливов.

В процессе плавления выбросы твердых частиц (ТЧ) в виде пыли, частиц металла и паров оксидов металла меняются в зависимости от типа печи, топлива, расплавляемого металла и характеристик плавки. Вагранки выбрасывают самые значительные количества твердых частиц (например, кокса, летучей золы, кремнезема, ржавчины и известняка). Электродуговые печи (ЭДП) также служат источником значительных количеств ТЧ при загрузке, в начале плавки, во время кислородного дутья и на стадии обезуглероживания. Другие типы плавильных печей обеспечивают более низкие выбросы, особенно индукционные электропечи. Выбросы при загрузке металла для плавки колеблются от незначительных величин для определенных цветных металлов до 10 кг/т и выше при плавке чугуна в вагранке.

Рекомендуются следующие методы, позволяющие предотвращать загрязнение:

ѕ Использование, по возможности, индукционных электропечей;

ѕ Применение мартеновских печей больше не считается надлежащим методом производства для плавки стали, и его следует избегать;

ѕ Необходимо избегать использования традиционной технологии вагранок. При использовании вагранок следует применять усовершенствованные технологии для повышения энергетической эффективности печи и уменьшения загрузки кокса, в том числе:

ѕ использование кислородного дутья или обогащение кислородом воздушного дутья;

ѕ перегрев воздуха дутья в вагранках на горячем дутье;

ѕ использование бескоксовых вагранок, в которых металлическая шихта нагревается с помощью сжигания природного газа;

ѕ использование в плавильных печах технологий, которые позволяют снизить потребление энергии (например, установка кислородо-топливных горелок, создание пенистости шлака в ЭДП или кислородное дутье, если это применимо);

ѕ установку вытяжных колпаков для отходящих газов вагранок, кожухов с вытяжными зонтами для электродуговых печей (ЭДП) и вытяжных крышек для электроиндукционных печей с целью снижения неорганизованных выбросов. Установка подходящих систем колпаков для печей обеспечивает улавливание до 98% пыли от печи;

ѕ использование технологий борьбы с пылью обычно включает установку рукавных фильтров и циклонов для снижения выбросов пыли в процессе плавки. Для улавливания водорастворимых веществ (таких как диоксид серы (SO2) и хлориды) можно использовать мокрые скрубберы. Использование циклонов для предварительной обработки и применение рукавных фильтров обычно позволяет снижать уровень выбросов до 10 мг/Нм3 и ниже.

Использование большого количества песка при литье в кокиль приводит к потерям и выбросам пыли на разных стадиях литья, способствуя образованию неметаллических твердых частиц, частиц оксидов металлов и металлического железа. Неметаллические твердые частицы выбрасываются при литье, выбивке и доводке.

Рекомендуются следующие методы предотвращения и контроля выброса твердых частиц при литье и отливке в кокиль:

ѕ использование сухой технологии пылеудаления (например, рукавные фильтры и циклоны) вместо мокрых скрубберов, особенно на предприятии приготовления сырой формовочной смеси. Сухие методики дают возможность легко удалять пыль, транспортировать ее и снова направлять в процесс приготовления формовочной смеси, что позволяет избежать стоков от мокрых скрубберов;

ѕ использование фильтров на выбросе вытяжки, особенно в литейных цехах и цехах доводки;

ѕ использование вакуумного пылеудаления в формовочном и литейном цехах;

ѕ установка агрегатов пылеудаления с замкнутым циклом на производственных участках.

Оксиды азота. Выброс оксидов азота (NOX) вызван высокой температурой печи и окислением азота.

Снижения выбросов можно добиться путем изменения основного технологического процесса и вторичной технологии очистки в месте выброса.

Методы предотвращения и контроля загрязнения включают в себя следующее:

ѕ минимизацию соотношения " воздух / топливо" в процессе сжигания;

ѕ использование обогащения кислородом в процессе сжигания;

ѕ использование, по возможности, горелок с низким выходом NOX в топливосжигающих печах;

ѕ введение вторичного контроля (в основном для вагранок, ЭДП и вращающихся печей), при необходимости, с помощью устройств для каталитического сжигания.

Оксиды серы. Присутствие оксидов серы (SOX) в отходящих газах из плавильных печей зависит от содержания серы в топливе и технологическом коксе. Выбросы диоксида серы (SO2) происходят в газах, отходящих от вагранок и вращающихся печей. К другим источникам выбросов относятся процессы закалки газовым пламенем при производстве форм истержней с химически связанным песком и при плавке магния (Mg).

Рекомендуемые методы предотвращения загрязнения и борьбы с ним для снижения выбросов SO2 включают следующее:

ѕ выбор сырья и металлолома с низким содержанием серы;

ѕ использование топлива с низким содержанием серы, например природного газа;

ѕ установку газовых мокрых скрубберов перед сухими скрубберами в рамках специализированной системы сбора пыли и пылеудаления.

Монооксид углерода. Наиболее значительным источником монооксида углерода (CO) служат отходящие газы от вагранок и ЭДП. Присутствие CO в отходящих газах из вагранок определяется самим ваграночным процессом. В ЭДП CO образуется в результате окисления графитовых электродов и углерода из металлической ванны на стадии плавки и рафинирования. Монооксид углерода также выбрасывается, когда песчаные формы и стержни входят в контакт с расплавом металла в процессе разливки металла.

Рекомендуемые методы предотвращения загрязнения и борьбы с ним для снижения выбросов CO включают следующее:

ѕ использование электроиндукционных печей;

ѕ повышение тепловой эффективности технологического процесса (например, введение кислородного дутья или кислородотопливных горелок в вагранках);

ѕ использование в ЭДП технологии вспененного шлака;

ѕ использование камер дожигания в установках пылеудаления из отходящих газов вагранок и ЭДП;

ѕ герметизацию линий разливки металла с установкой приданных вытяжных вентиляторов.

Хлориды и фториды присутствуют в малых количествах в отходящих газах из плавильных печей и образуются из флюса. Предотвращение и снижение выбросов хлоридов и фторидов следует проводить на стадии сухого пылеудаления или в процессе использования технологии мокрых скрубберов, устанавливаемых для борьбы с выбросами твердых частиц и оксида серы.

Летучие органические вещества (ЛОС) и другие опасные вещества, загрязняющие атмосферу. Выбросы ЛОС, состоящие в основном из растворителей (например, BTEX - бензол, толуол, этилбензол и ксилолы) и других органических веществ (например, фенолы и формальдегид) в первую очередь образуются при использовании смол, органических растворителей или покрытий на органической основе при изготовлении форм и стержней. Выбросы вредных органических веществ, загрязняющих воздух, могут также происходить при разливке, охлаждении и выбивке из сырых или самоотверждающихся литейных форм в результате термического разложения органических веществ (углеродсодержащих присадок, присутствующих в сырых литейных формах и различных связующих для стержней).

При изготовлении стержней в холодных ящиках с использованием органических растворителей выбросы ЛОС могут осуществляться в процессе производства и хранения стержней. Самую значительную часть выбросов составляют амины, которые могут представлять опасность в связи с их низким порогом обнаружения запаха и одновременно относительно низким пределом допустимого воздействия.

Выбросы потенциально вредных загрязнителей атмосферы происходят при использовании систем химических связующих в процессе затвердевания, нанесения покрытия и сушки. К таким веществам относятся формальдегид, метилендифенил диизоцианат (MDI), изопропиловый спирт, фенол, амины (например, триэтиламин), метанол, бензол, толуол, крезол и крезоловая кислота, нафталин и другие полициклические органические соединения, а также цианиды.

Рекомендуемые методы предотвращения и снижения загрязнения ЛОС и другими опасными загрязнителями атмосферы включают в себя следующее:

ѕ сведение к минимуму использования связующих и смол за счет оптимизации управления технологическим процессом и применения материалов в операциях смешивания и за счет регулирования температуры;

ѕ оптимизацию регулирования температуры при производстве стержней;

ѕ замену покрытий на основе спирта (например, изопропилового спирта) покрытиями на водной основе;

ѕ использование неароматических растворителей (например, метиловых эфиров растительных масел или силикатных эфиров) при производстве стержней в ящике;

ѕ сведение к минимуму использования отверждающих газов для получаемых в холодном ящике связующих;

ѕ герметизацию формовочных машин и машин для производства стержней, а также участков временного хранения стержней;

ѕ использование систем холодного ящика (например, поглощение на активированном угле, сжигание, химическая очистка в скруббере или биологическое фильтрование) для переработки отходящих аминов;

ѕ использование систем сбора (например, вытяжных зонтов) для удаления ЛОС, образующихся при приготовлении химически связанного песка, в дополнение к разливке, охлаждению и выбивке.

Использование, по мере необходимости, поглощения на активированном угле, каталитического окисления и обработки с помощью биологического фильтрования.

Диоксины и фураны. Выбросы полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов (диоксины и фураны, или ПХДД/ПХДФ) могут происходить в процессе плавки. При литье черных металлов диоксины могут образовываться в вагранках, ЭДП и вращающихся печах. ПХДД/ПХДФ могут возникать, когда в металлургическом процессе при определенном уровне температуры одновременно присутствуют хлоридные ионы, хлорированные соединения, органический углерод, катализаторы, кислород. Риск образования диоксинов при литье цветных металлов очень невелик.

Основные методы предотвращения выбросов диоксинов на стадии плавки сводятся к дожиганию отходящих печных газов при температуре около 1200°C и обеспечению максимального времени удерживания при этой температуре. Процесс заканчивается быстрым охлаждением, чтобы свести к минимуму время для вторичного образования диоксинов в соответствующем температурном диапазоне.

К другим рекомендуемым мерам относятся следующие:

ѕ использование для плавки чистого металлолома;

ѕ добавление порошковых присадок (например, активированного угля) в поток газа для поглощения диоксинов и удаление пыли с помощью фильтрования через тканевые фильтры;

ѕ установка тканевых фильтров с системой каталитического окисления.

Выбросы металлов следует держать под контролем в процессах плавки и литья. Выбросы металлов могут возникать в результате испарения и конденсации металла во время разливки расплава металла в формы. При литье черных металлов частицы могут содержать тяжелые металлы, такие как цинк (в основном при использовании оцинкованного стального лома), кадмий, свинец (например, из окрашенного металлолома), никель и хром (последние два металла выделяются при разливке легированных сталей) в зависимости от производимой марки стали и используемого металлолома.

При производстве цветных металлов твердые частицы могут содержать медь, алюминий, свинец, олово и цинк. Присутствие металлов в выбросах твердых частиц оказывается особенно существенным при получении сплавов и при введении присадок. Например, добавление магния к расплаву металла для получения ковкого чугуна может приводить к химической реакции с выделением оксида магния и паров металла.

Для борьбы с выбросами твердых частиц металла следует использовать высокоэффективные методы удаления пыли. С выбросами газообразных металлов следует бороться с помощью установки сухих и полусухих скрубберов в сочетании с методами удаления пыли.

Парниковые газы (ПГ). Процесс литья требует больших затрат энергии и приводит к существенным выбросам диоксида углерода (CO2), связанным в первую очередь со сжиганием топлива.

Основная доля энергии расходуется на процесс плавки (40-60% от общей расходуемой энергии). Подача энергии для литья колеблется в пределах от 500 до 1200 кВт·ч/т загрузки металла для черных металлов и от 400 до 1200 кВт·ч/т загрузки алюминия.

Рекомендуемые методы предотвращения выбросов диоксида углерода (CO2) и борьбы с ними включают следующее:

ѕ замена традиционных вагранок электроиндукционными, бескоксовыми вагранками или вагранками с кислородным дутьем. Использование среднечастотной мощности в электроиндукционных печах;

ограничение потребления энергии и увеличение энергетической эффективности с помощью первичных мер, включая приведенные ниже, но не ограничиваясь ими:

ѕ достаточной теплоизоляции поверхности для ограничения рассеяния тепла;

ѕ достижения надлежащего соотношения "воздух / топливо" со снижением избытка O2;

ѕ установки систем рекуперации тепла;

ѕ использования тепла отходящих газов с помощью подходящих теплообменников для производства горячей воды, горячего воздуха и/или пара;

ѕ использование наилучшей имеющейся технологии сжигания (например, обогащение кислородом воздушного дутья, предварительный подогрев загрузки и автоматическое регулирование параметров сжигания);

ѕ осуществление требуемого регламента эксплуатации и технического обслуживания оборудования и исключение частичной загрузки оборудования;

ѕ подогрев металлолома перед его использованием;

ѕ снижение расхода топлива на подогрев ковша и термическую обработку расплава металла с помощью введения рекуперации газа и/или регулирования сжигания;

ѕ выбор топлива с низким отношением содержания углерода к теплотворной способности (например, природного газа [CH4]). Выбросы CO2 при сжигании CH4 приблизительно на 60% меньше, чем выбросы из каменного угля или нефтяного кокса;

ѕ дополнительные данные о борьбе с парниковыми газами обсуждаются в Общем руководстве по ОСЗТ.

К твердым отходам относятся отработанный песок, шлак от сероочистки и плавки, пыль, собранная в системах снижения токсичности выбросов, отходы огнеупоров, а также жидкость и отстой из скрубберов.

Общие методы обращения с отходами, возникающими в литейном производстве, включают в себя выбор, проектирование и строительство участков хранения металла, пыли, получаемой при очистке фильтров, отходов огнеупоров, шлака и отработанного песка с должным учетом геологических и гидрогеологических условий, чтобы избежать возможного загрязнения за счет выноса тяжелых металлов. Места погрузки/разгрузки и участки хранения реактивов (например, смол и связующих) должны быть спроектированы так, чтобы сводить к минимуму риск их разлива.

Отработанный песок с литейного производства, в котором используют песчаные формы, составляет существенную часть совокупного объема отходов. Песок для форм и стержней составляет от 65 до 80% от общего количества отходов литейного производства черных металлов. Химически связанный песок для получения стержней или оболочковых форм трудно эффективно использовать вторично, и его обычно направляют в отходы после первого использования. Отходы песка при литье латуни и бронзы часто бывают опасными, и удалять их необходимо соответственным образом.

Рекомендуемые методы предотвращения загрязнения отходами песка и борьбы с ним включают следующее:

ѕ максимальное вторичное использование песка на предприятии;

ѕ следует рассмотреть возможность внешнего вторичного использования отработанного песка (например, в качестве материала для бетона и дорожного покрытия и для производства кирпича, бетонной отсыпки и строительной засыпки);

ѕ сырую формовочную смесь следует вторично использовать после отделения ее от металлической отливки и регенерации.

Метод регенерации песка состоит из первичной, например, с помощью вибрации, ротационного барабана и дробеструйной обработки и вторичной регенерации, например, переработка песка для удаления остаточного связующего, а также холодная механическая и термическая обработка либо обработка в мокром скруббере. Для восстановления химически связанного песка используют установки термической обработки.

Пыль из очистного оборудования (для борьбы с выбросами) может содержать цинк, свинец, никель, кадмий, медь, алюминий, олово, хром и другие металлы, и ее можно считать опасными отходами. Пыль из оборудования для борьбы с выбросами в литейном производстве цветных металлов часто содержит достаточно большие количества металлов, поэтому выделение этих металлов является экономически выгодным. Пыль из фильтров следует в максимально возможной степени направлять обратно в печь. Это позволяет с помощью вторичной переработки пыли выделять металлы и сводит к минимуму размещение пыли на полигонах.

Отходы шлака обычно имеют сложный химический состав и содержат разнообразные загрязняющие вещества из металлолома. Они могут составлять около 25% массы твердых отходов с литейного производства. К обычным составляющим шлака относятся оксиды металлов, расплавленные огнеупоры, песок и зола кокса (при использовании кокса). Для облегчения выемки шлака из печи могут добавляться флюсы. Шлак может быть опасным, если он содержит свинец, кадмий или хром из расплава стали или цветных металлов.

Рекомендуемые методы предотвращения загрязнения отходами шлака и борьбы с ним включают следующее: