Допустимые концентрации загрязняющих веществ в биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биосфера - глобальная экосистема Земли, определение и составные части

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера.»¹

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 1 Область распространения организмов в биосфере: 1 ? уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 ? граница снегов; 3 ? почва; 4 ? животные, обитающие в пещерах; 5 ? бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50-200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные -- кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3-4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни вглубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3°С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера ? водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150-200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А, следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон ? организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон ? активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос ? организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера ? газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 ? кислорода, 1 ? аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные ? насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3-5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера ? это глобальная экологическая система, состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно ? между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2 Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей ? одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот ? это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая ? постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная ? постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания ? в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная ? обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая ? химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.

2. Рассчитать допустимую концентрацию загрязняющих веществ в стоках предприятия при сбросе их в открытый водоем по данным варианта, указанным в табл. 1. Определить эффективность очистки по каждому загрязняющему веществу.

Таблица 1

№ вари-анта	Категория реки и средний расход воды Q, м3/с.	Коэффициент смешения г	Виды и концентрации загрязняющих веществ в сточных водах предприятия до очистных сооружений Сфакт і, мг/л	Расход сточных вод q, м3/с	Фоновые концентрации загрязняющих веществ Сф і, мг/л
36	Санитарно-бытовое водопользование 0,78	0,62	Формальдегид - 1,5 Трихлорбутен - 4,2 Амины - 10,4 Hg2+ - 0,1 Ампициллин - 8,3	0,025	Формальдегид - 0,00 Трихлорбутен - 0,00 Амины - 0,01 Hg2+ - 0,000 Ампициллин - 0,001



Решение

Распределяем загрязняющие вещества стоков по группам лимитирующего показателя вредности для водоема санитарно-бытовой категории, используя табличные данные:

1) общесанитарная - отсутствует;

2) санитарно-токсикологическая - формальдегид, ампициллин, трихлорбутен, Hg²⁺;

3) органолептическая - амины;

4) рыбохозяйственная - отсутствует.

Выписываем ПДК (мг/л): формальдегид (0,01); трихлорбутен (0,02); амины (0,1); Hg²⁺ (0,005); ампициллин (0,02).

Рассчитываем по формуле С_орі, мг/л, загрязняющих веществ в стоках без учета их совместного влияния в водоеме:

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л).

Учитывая, что в санитарно-токсикологическую группу веществ входят по несколько ингредиентов, рассчитываем ожидаемую концентрацию, мг/л, каждого из загрязняющих веществ в створе реки по формуле:



Санитарно-токсикологическая группа:

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л).

Органолептическая группа:

(мг/л).

Проводим проверку по каждой группе веществ на соответствие нормам по формуле:

.

Санитарно-токсикологическая группа:

;

.

Снижаем концентрацию каждого компонента в раза:

.

Определим по формуле допустимую концентрацию, мг/л, загрязненных веществ в стоках после очистки с учетом совместного влияния в каждой группе лимитирующего показателя вредности:

Санитарно-токсикологическая группа:

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л);

(мг/л).

Органолептическая группа:

(мг/л).

Определяем эффективность работы очистного оборудования, %, по каждому виду загрязнений по формуле:

%;

%;

%;

%;

%.

3. Рассчитать предотвращенный экономический ущерб в результате работы биоочистных сооружений предприятия в одном из регионов России, при условии, что биоочистные системы (поля орошения) работают при температуре окружающей среды ? +10⁰С. Исходные данные для расчетов и варианты заданий приведены в табл. 2 и 3

Таблица 2

Номер варианта	Номера загрязнителей стоков из табл 3.	Vстоков, м3/сутки	Регион
60	3, 4, 7, 12, 14	1000	Ленинградская обл.

Таблица 3

Номер загрязнителя	Вид загрязнителя стоков	Концентрация, мг/л	ПДК, мг/л
		до очистки	После очистки
3	Нитрит ион (NО2-)	5	0,1	0,08
4	Нитрат ион (NО3-)	150	42	40,0
7	Алкилсульфат (СПАВ)	24	0,5	0,1
12	Никель (Ni2+)	2,8	0,05	0,01
14	Железо (Fe3+)	12,4	0,1	0,05

Решение

Рассчитаем фактическую массу каждого загрязнителя, мг/л или г/м³ по формуле:

.

(г/м³);

(г/м³);

(г/м³);

(г/м³);

(г/м³).

Определим степень токсичности каждого загрязнителя в стоках по формуле:

загрязняющий допустимый биоочистной экологический

.

;

;

;

;

.

Определим приведенную массу годового сброса загрязнителей, г/м³:

(г/м³).

Рассчитаем Э_у при условии, что для Ленинградской области р = 0,47 по формуле:

,

где Э_у - предотвращенный экономический ущерб, р./год; - константа, равная 1440 р./усл.т; р - константа региона России; ? объем очищенных загрязнителей, г/м³.

Переведем объем из м³/сутки в м³/год, по пропорции:

1000 - 1 день

х - 365 дней, откуда =365000 м³/год.

р./год.



4. Рассчитать согласно данному варианту (табл. 4) ПДВ конкретных загрязняющих компонентов от нагретого источника, определить их фактический выброс, необходимость установки улавливающего оборудования, плату за выброс

Таблица 4

Горячий источник выброса	Вид топлива	Расход топлива, т/год	Время работы в год, ч/год	Температура, 0С	Н, м	D, м	Вид
				Газовоз-душной смеси	наружного воздуха			Наименование	Cmax, мг/м3	Cф, мг/м3
Котельная локомотивного депо	Мазут	25000	8000	210	-2	25	2,0	Углеводороды Сажа	54,0 175,0	0,02 0,01

Решение

Рассчитываем ПДВ углеводородов и сажи по формуле:

;

.

Объем газовоздушной смеси продуктов сгорания , м³/с, рассчитываем по формуле:

(м³/с).

Скорость выхода газовоздушной смеси W₀, м/с, рассчитаем по формуле:



.

; ; ; .

Коэффициенты f, m рассчитаем по формулам:

;

.

Величины и n определяем по формуле:

при :

г/с.

г/с.

Фактический выброс углеводородов и сажи рассчитаем по формуле:

г/с.

г/с.

Так как фактический выброс углеводородов и сажи больше предельно допустимого, необходимо установить улавливающее оборудование.

Плату за годовой выброс, р./год, рассчитаем по формулам:



;

; ; ;

.

; ;

р./год;

р./год;

р./год.

5. Согласно варианту (таблица 5) рассчитать:

1) максимальное значение приземной концентрации загрязняющего вещества при выбросе из одиночного горячего источника;

2) Х - расстояние от источника выброса, м, где при неблагоприятных метеорологических условиях достигается С_М этого вещества;

3) U_B - опасную скорость ветра, при которой достигается С_М на уровне 10 м от земли;

4) С_{i В-В} - значения приземных концентраций рассматриваемого вещества на различных расстояниях от источника выброса;

5) определить размер СЗЗ предприятия, допуская, что источник выброса единственный

Таблица 5

Вид вещества	Основные показатели, необходимые для расчета	Территория расположения объекта	Среднегодовое направление ветра	Расстояние от источника, м, для расчета Сі вещества
Сажа	Значения: , H, V, ДT, F, m, n, брать из расчетных данных варианта №86.	ДВ	СВ	10, 50, 100, 200, 300, 500, 1000



Решение

Рассчитаем максимальное значение приземной концентрации сажи

С_{М сажа}, по формуле:

Х_м - расстояние от источника выброса, м, где достигается C_м (сажи) - найдем по формуле:

;

где - безразмерный коэффициент, который находим по формуле, так как :

;

.

Опасную скорость ветра U_B находим по формуле:

.

Для расчета , мг/м³, по формуле: на расстоянии 10, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 м от оси факела при м/с найдем безразмерный коэффициент, по формулам:

при ;

при ;

при ;

при .

При расстоянии:

- 10 м - ;

- 50 м - ;

- 100 м - ;

- 200 м - ;

- 300 м - ;

- 500 м - ;

- 1000 м - .

;

;

;

;

;

;

.

мг/м³;

мг/м³;

мг/м³;

мг/м³;

мг/м³;

мг/м³;

мг/м³.

Для определения границ СЗЗ определим ПДК_{М.Р. сажи}= мг/м³. Из предыдущих расчетов видно, что на расстоянии 100 м от источника =0,204 мг/м³ > ПДК_М.Р., а на расстоянии 200 м = 0,0799 мг/м³ < ПДК_М.Р., следовательно, L₀=200 м. С учетом среднегодовой розы ветров по формуле находим L, м:

м.

Таким образом, минимальное расстояние от источника выброса (тепловозная секция) до жилой застройки должно составлять не менее 400 м, следовательно, данное предприятие по величине СЗЗ относится к III классу.

6. Согласно варианту (таблица 6) оценить экологический ущерб от загрязнения атмосферы выбросами конкретного источника, сравнить его величину с фактической платой за выброс, которую осуществляет предприятие

Таблица 6

Источник загрязнения	Виды загрязняющих веществ	тфакті, Н, ДТ, УП,	Скорость осаждения вещества в атмосфере, см/с	S зоны загрязне-ния, км2	К, %
Котельная локомотивного депо	Углеводороды Сажа (С)	Данные взять по результатам контрольных заданий № 4 и 5	Углеводороды < 1 Сажа > 20	40	Территория предприятия - 50 %, населенный пункт - 40 %, лес - 10 %.

Решение

Рассчитаем фактический выброс загрязняющих веществ в атмосферу,

;

т/год;

т/год.

Экологическую оценку ущерба, причиняемого выбросами углеводородов и сажи в атмосферу, определяем по формуле:

;

где - расчетный показатель, который определяем по формуле:

.

Коэффициент f, учитывающий характер рассеивания веществ в атмосфере, определяем по формулам:

- для газообразных примесей и мелкодисперсных частиц со скоростью оседания меньше 1 см/с:

;

- для частиц, оседающих со скоростью 1-20 см/с (частицы золы, сажи):

;



где - поправка на тепловой объем факела выброса в атмосферу, определяется по формуле:

.

;

.

М - приведенную массу годового выброса веществ в атмосферу - рассчитываем по формуле:

,

где - показатель относительной опасности примеси і-го вида:

.

ПДК _{СС углеводороды}=0 мг/м³;

ПДК _{СС сажа}= 0,05 мг/м³.

.

р/год;

р/год

р/год.

Если сравнить У_А с величиной платы за выброс УП = р/год, то очевидно, что экологический ущерб, причиняемый окружающей среде выше, чем плата предприятия за вредные выбросы в атмосферу.



7. Согласно варианту (таблица 7) оценить экологический ущерб У_В поверхностным водам от деятельности предприятия при условии, что сброс сточных вод после очистных сооружений осуществляется в открытый водоем

Таблица 7

Категория водоема	Расход сточных вод q, м3/с	Вид загрязняющих веществ и их концентрация в стоках после очистных сооружений, мг/л	Территория расположения предприятия
Санитарно-бытовой	0,48	Нефтепродукты (С нефт. = 10,13 > Сдоп) Свинец (СPb2+ = 1,03 > Сдоп) Кадмий (СCd2+ = 0,05 = Сдоп)	Бассейн реки Волги

Решение

Рассчитаем фактическую массу m_{факт і}, каждого из веществ сбрасываемых в водоем, т/год, по формуле:

;

(т/год);

(т/год);

(т/год).

Определим предельно допустимую концентрацию загрязняющих веществ в водоеме санитарно-бытовой категории: ПДК (нефтепродукты) = 0,3 мг/л; ПДК (Pb²⁺) = 0,1 мг/л; ПДК (Cd²⁺) = 0,01 мг/л.

Рассчитаем М_i (приведенная масса годового сброса каждого из загрязняющих веществ), усл.т/год, по формуле:

;



где К_i - коэффициент приведения i-го вредного вещества, учитывающий его относительную опасность:

.

(усл.т/год);

(усл.т/год);

(усл.т/год).

Рассчитаем У_в (экологический ущерб от загрязнения поверхностных вод) по формуле:

.

Определим У_уд^в от сброса каждого вещества:

р./усл. т (сверхнормативные сбросы);

р./усл. т (сверхнормативные сбросы);

р./усл. т (в пределах ПДС).

Определим коэффициент экологической ситуации в бассейне реки Волги: (примем 1,29).

.

Таким образом, экологический ущерб поверхностным водам при промышленной деятельности составляет ? 14890000 р. в год.



Список литературы

1. Краснодембский Е. Г. "Общая биология: Пособие для старшеклассников и поступающих в вузы".

2. Н. С. Курбатова, Е. А. Козлова "Конспект лекций по общей биологии".

3. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. Учебное пособие для педагогических институтов, М., Просвещение, 1998.

4. Шилов И.А. Экология. - М.: Высшая школа, 1997.

5. Киселев В.Н. “Основы экологии “. Минск ?1998.

6. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995.

7. Экология. Учебник. Е.А. Криксунов., Москва, 1995.

Размещено на Allbest.ru