Строение атмосферы, гидросферы и литосферы

составе эфирных масел.

Основным природным источником серы служат вулканы, с выбросами которых в атмосферу поступа­ют диоксид серы, сероводород и элементная сера общим количеством 4 - 16 млн.т (в пересчете на диоксид серы). Кроме того, сероводород является продуктом жизнеде­ятельности бактерий-хемосинтетиков, обитающих на суше и в океане. В виде сульфат-иона сера содержится в природных водах, средняя его концентрация состав­ляет 2,65 мг SO₄/1 г Н₂0. В составе многих минералов (уголь, нефть, железные, медные и другие руды) неор­ганическая сера встречается в земной коре.

В атмосфере соединения серы претерпевают целый ряд превращений (см рисунок ниже). Сероводород последо­вательно, в ряд ступеней, окисляется до диоксида серы, который, в свою очередь, тоже окисляется до серного ангидрида в результате фотохимического и радикального механизмов его взаимодействия с ком­понентами атмосферы, причем эти процессы существенно ускоряются в присутствии оксидов азота или углеводородов, а также оксидов железа, алюми­ния, хрома и других металлов. Атмосферная влага тоже способствует окислению диоксида в триоксид: в дождливую или туманную погоду время существова­ния атмосферного диоксида серы не превышает 50 - 60 мин.

Атмосферный цикл соединений серы.

Триоксид серы легко взаимодействует с частица­ми атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты. Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в атмосферной влаге, серная кисло­та частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция. Образование сульфатов происходит и в процессе окис­ления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. Образовавшиеся сульфаты сохраняются в ат­мосфере не более 5 дней.

Значительная часть соединений серы оседает на землю с атмосферными осадками. Таким образом, из атмосферы сера снова попадает в гидросферу и в почву. Дождевая вода всегда имеет более кислую реакцию, чем поверхностные воды, ее рН составляет 5,6. В естественном цикле подобным путем обеспечивается необходимое подкисление почвы и почвенных раство­ров, позволяющее трансформировать минеральные питательные вещества в доступную для растений рас­творимую форму. Однако уже к 1976 г. 65% всех поступлений серы в атмосферу имело антропогенное происхождение, из них 95% приходилось на диоксид серы. Таким обра­зом, поступление серы из природных источников было превышено более чем в два раза. Сернистый ангидрид в промышленности образутся при сжигании угля и нефти и при обжиге сульфидных руд меди, никеля, свинца, цинка. Соединения серы содержатся и в вы­бросах автотранспорта.

В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO₂ в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде серной кислоты и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов — через 30 - 40 часов.

В северном полушарии выбросы SO₂ оцениваются в 136 млн.т в год, в южном — 10 млн.т в год. Повышение содержания диоксида и триоксида серы в атмосфере привело к появлению кислотных дождей (рН около 4). Кислотный дождь — одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды. Максимальный от­рицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят атмосфере, а через нее — флоре и фауне. Этим же путем загрязняются водоемы. Под воздействием кислотных дождей закисляются почвы, что приводит к нарушению ионообменных процессов и буферных свойств почвы. Помимо этого в закисленной почве облегчается переход металлов из почвы в раство­ренную форму, доступную для растений, таким образом растения могут с почвенными растворами получать токсичные для них и большинства живых организмов металлы — цинк, железо, марганец, алюминий. Этим же путем интенсифицируется процесс выделения в почве сероводорода, токсичного для растений и микро­организмов.

5. Оценка загрязнения воздушного бассейна.

Для оценки загрязнения воздушного бассейна необходимо расчитать фактор опасности загрязнения, который рассчитывается по формуле:

,

где

j — фактор опасности загрязнения,

C_i — физическая концентрация загрязняющего вещества (мл г/м³),

ПДК — предельно допустимая концентрация вещества; верхний предел лимитирующий факторы среды, при которых их содержание не выходит за допустимые пределы экологической ниши человека, т.е. концентрация, которую может человек переносить без ущерба для здоровья. Значения ПДК утверждаются законодательно.

Если j больше 1, то существует опасность загрязнения воздушного бассейна.

Если j меньше либо равно 1, то фактическая концентрация загрязняющих веществ не превышает установленных нормативов.

Для специально охраняемых территорий j не должно превышать 0.8.

Т.к. на организм действует не одно, а несколько веществ, то говорят об эффекте суммации:

При оценки опасности загрязнения следует учитывать фоновую концентрацию — это загрязняющие вещества от других источников:

,

где

С_фi — фоновая концентрация.

Одним из факторов, который влияет на загрязнение воздушного бассейна, является перенос и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере.

На рассеивание влияют скорость и направление ветра, температурная стратификация атмосферы, температура воздуха в момент выброса, осадки и др. факторы.

Наиболее важная характеристика атмосферы — устойчивость. Устойчивость — это способность препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулентность. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные вблизи поверхности, будут задерживаться в местах выброса.

Устойчивость зависит от изменений температуры воздуха с высотой — температурной стратификацией.

Выделяют три типа состояния атмосферы:

1. Безразличная — изменение тимпературы на 1⁰ на каждые 100 м.

2. Неустойчивая — падает более чем на 1⁰ на каждые 100 м.

3. Устойчивая — менее чем на 1⁰ на каждые 100 м. Это состояние наименее благоприятное для интенсивного рассеивания.

При оценки рассеивания загрязняющих веществ температурная стратификация учмтывается с помощью коэффициента А, который изменяется от 140 до 250 для различных районов.

На распространение оказывает влияние температура атмосферы в момент выброса, t_ГВС.

По этому признаку все выбросы делят на “холодные” и “горячие”.

“Холодные” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы приблизительно равна нулю, .

“Горячие” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы больше нуля, .

На распространение загрязняющих веществ влияет скорость ветра. “Опасная” скорость ветра определяется конкретным источником, чем меньше скорость ветра, тем она опасней.

Каждый источник выброса характеризуется определенными параметрами:

1. Объем газовоздушной смеси — V [m³/c]:

,

где

D — диаметр источника [m].

2. Скорость выхода смеси — W [m/c].

3. Температура смеси — t [⁰C].

4. Интенсивность выброса смеси — M [г/с].

5. Высота источника — H [m].

6. Диаметр устья источника — D [m].

“Опасная” скорость ветра, U_m, определяется через безразмерную величину , причем для “горячих” и “холодных” источников по разным формулам.

Для “горячих” выбросов:

.

В соответствии с определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при , где

.

Для “холодных” выбросов:

.

В соответствии с определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при .

Для определения фактора опасности загрязнения j необходимо определить максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое C_max:

, где

A — коэффициент температурной стратификации;

M — интенсивность выброса;

F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе, который определяется как:

F=1, для газообразных примесей

F=2, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки 90%

F=2,5, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки от 90% до 75%

F=3, при отсутствии очистки или степени очистки менее 75%;

H — высота источника;

V — объем газовоздушной смеси;

— разность температур;

m и n — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси, которые расчитываются следующим образом:

m при f<100 ,

при f100 ;

n=1 при ,

при ,

при .

Для оценки опасности загрязнения необходимо рассчитать C_max, максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое, для каждого загрязняющиго вещества и сопоставить их с соответствующими ПДК:

.

Для двух источников рассчитывают C_max для каждого из источников.

Если опасность загрязнения j больше единицы, то необходимо рассчитать ПДВ (предельно допустимый выброс):

, где

изменяется от единицы до четырех, в зависимости от местности, где произошел выброс.

Если компоненты обладают эффектом суммации, то следует определить опасность загрязнения с учетом этого эффекта.

Для этого необходимо определить расстояние X_max от источника, на котором будет образовываться C_max:

, где

F — коэффициент осаждения;

H — высота источника;

d — параметр, учитывающий условия выброса:

.

В точке X_max2 C_max будет увеличиваться на некоторую величину от первого источника. Установить эту величину можно с помощью коэффициента S, его определяют по графику в соответствии с величиной , для X_max1, где a — расстояние между источниками. Тогда опасность загрязнения для X_max1 пересчитывается по следующей формуле:

, где C₂=S₂*C_max2.

Как уже было сказано ранее S₂ определяется по графику.

Для X_max2: C₁=S₁*C_max1, где S₁ определяют по графику исходя из параметра и соответственно .

6. Подготовка воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

При расположении промышленных предприятий в го­родах или вблизи них, а также при решении о совместной очистке сточных вод группы предприятий промышленной зоны и близлежащего жилого массива загрязненные производственные воды могут сбрасываться в городскую водоотводящую сеть. Очистка смеси бытовых и производст­венных сточных вод в этом случае осуществляется на единых очистных сооружениях. В связи с тем что в сточ­ных водах промышленных предприятий могут содержать­ся специфические загрязнения, их спуск в городскую водоотводящую сеть ограничен комплексом требований, установленных “Правилами приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунк­тов” (М., ЛКХ, 1987).

Выпускаемые в водоотводящую сеть производствен­ные сточные воды не должны: превышать расходы сточных вод и содержание взве­шенных, всплывающих веществ, установленные для кон­кретного промышленного предприятия; нарушать работу сетей и сооружений; содержать вещества, которые способны засорять тру­бы водоотводящих сетей или отлагаться на стенках труб: оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы очистных сооружений; содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопас­ные смеси в водоотводящих сетях и очистных сооруже­ниях; содержать вредные вещества в концентрациях, пре­пятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с учетом эффективности очистки); иметь температуру выше 40°С; иметь рН за пределами 6,5 - 9; содержать опасные бактериальные загрязняющие ве­щества; иметь ХПК, превышающую БПК_полн более чем в 1,5 раза.

Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, должны подвергаться предва­рительной очистке. Степень этой очистки должна быть согласована с организациями, проектирующими очистные сооружения населенного пункта.

Объединение сточных вод, способных вступать в хи­мические реакции с выделением ядовитых или взрыво­опасных газов и образовывать эмульсии, а также имею­щих большое количество нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных производственных сточных вод. При значительных колебаниях их состава в течение суток необходимо предусматривать емкости — усреднители, обес­печивающие равномерный выпуск воды.

Сточные воды, в которых могут содержаться радио­активные, токсичные и бактериальные загрязнения, пе­ред выпуском в городскую водоотводящую сеть должны быть обезврежены и обеззаражены. Выпуск концентри­рованных маточных и кубовых растворов непосредствен­но в водоотводящую сеть запрещается. Незагрязненные сточные воды принимают в городскую сеть в тех случаях, когда необходимо разбавление сильноконцентрирован­ных загрязненных стоков. Ограничение приема незагряз­ненных сточных вод обусловлено нецелесообразностью перегрузки городской сети водой, которая не требует очи­стки и может быть использована на производстве или спущена в водосточную сеть. При наличии в производст­венных сточных водах только минеральных загрязнений выпуск этих вод в городские коллекторы также нецеле­сообразен, так как после локальной обработки эти воды могут быть использованы в производстве или выпущены в водоем.

Во избежание коррозии водоотводящих коллекторов и очистных сооружений или нарушения процессов биоло­гической очистки кислые и щелочные производственные сточные воды при спуске в водоотводящую сеть следует либо нейтрализовать, либо усреднять.

Для обеспечения нормальной работы городских очи­стных сооружений при совместной очистке производствен­ных и бытовых сточных вод необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь этих сточных вод в любое время суток не должна иметь: температуру ниже 6 и вы­ше 30°С; активную реакцию среды ниже 6,5 и выше 8,5; общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л; нерастворенных масел, смол, мазута; биологически трудноокисляемых органических веществ и “жестких” ПАВ; концентрацию вредных веществ, превышающую предельно допустимую концентрацию (ПДК); веществ, для которых не установлены ПДК в воде водоемов, и др.

Допустимое содержание органических веществ, оцени­ваемых по ВПК, должно определяться расчетом. При этом ВПК производственных сточных вод не должна при­водить к превышению БПК сточных вод, принятой при проектировании очистных сооружений. Допустимые концентрации веществ, не удаляемых на очистных соору­жениях, должны определяться исходя из их ПДК в воде водоемов.

ХПК при совместной биологической очистке производ­ственных и бытовых сточных вод не должна превышать БПК_полн более чем в 1,5 раза. Минимальное содержание биогенных элементов в смеси определяется из соотношения 100 : 5 : 1 (БПК_полн: аммонийный азот : фосфор). Ес­ли это соотношение не выдерживается, то перед сооруже­ниями биологической очистки в сточные воды необходимо вводить дополнительное количество биогенных эле­ментов в виде растворов аммиачной воды, фосфорнокис­лого калия и др.

При совместной биологической очистке производствен­ных и бытовых сточных вод механическая очистка мо­жет быть как раздельной, так и совместной. Раздельную механическую очистку следует принимать для взрывоопасных производственных сточных вод. При необходимости химической или физико-химической очистки производственных сточных вод, а также при раздельной об­работке осадков производственных и бытовых сточных вод также применяется раздельная механическая очи­стка. Расчет сооружений биологической очистки следует производить по сумме органических загрязнений, выра­женных БПК_полн. Состав сооружений должен выбираться в зависимости от характеристики и количества поступа­ющих на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода использования осадка и местных усло­вий.

Кроме того сточные воды влияют на водоемы, которые используются для хозяйственных нужд. Природный химический состав и свойства воды поверх­ностных водоемов формируются в зависимости от гидрогеологических, почвенных, климатических и других осо­бенностей района расположения. Естественный характер изменения состава воды связан с сезонными колебаниями гидрометеоусловий и интенсивности биологических про­цессов.

Существующую роль в ухудшении качества воды иг­рает хозяйственная деятельность человека, а именно свя­занное с ней загрязнение природных водоемов сточны­ми водами. Особенно опасен сброс производственных сточных вод, а также поступление в водоемы с террито­рий городов и населенных пунктов с развитой промыш­ленностью талых и дождевых вод, содержащих различ­ные токсичные вещества (металлы, нефтепродукты и дру­гие трудноокисляемые органические вещества), в результате чего вода водоема может стать непригодной для водопользования.

Концентрации загрязнений, содержащихся в поверх­ностном стоке с территорий промышленных предприятий, по величине сравнимы с содержанием загрязнений в про­изводственных сточных водах. Источниками загрязнения поверхностного стока являются выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и загрязненность их терри­торий. Особенно высокие концентрации загрязняющих веществ в поверхностном стоке характерны для авто­транспортных, химических, машиностроительных и нефтеперерабатывающих предприятий. Степень загрязнен­ности поверхностного стока во многом зависит от культуры производства — характера технологических процессов и повторного использования воды, применяемо­го оборудования, организации улавливания выбросов, пылеулавливания, организации складирования.

Для поверхностных водоемов, расположенных вблизи крупных промышленных населенных пунктов, где про­изводственные сточные воды и поверхностный сток очи­щаются недостаточно, характерно ухудшение качества во­ды водоема в черте населенного пункта. Анализируя дан­ные химического состава воды реки, протекающей по территории крупного промышленного города, можно наблюдать отчетливую тенденцию увеличения об­щей минерализации воды и содержания в ней трудноокисляемых органических веществ, аммонийного азота, хло­ридов и сульфатов (см. таблицу ниже). Наибольшее количество загрязняющих веществ содержится в речной воде ниже промышленных зон. По мере продвижения речной воды по городу возрастает содержание в ней компонентов про­изводственных сточных вод, например различных метал­лов, концентрации которых выше вблизи промышленных зон.

Содержание веществ в речной воде в черте города, мг/л.

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора проб (створах)
	1	2	з
Взвешенные вещества	3,3	9,7	19,2
Сухой остаток	237	260	415
БПКз	2,3	2,6	4,1
ХПК	21	27	33
Азот аммонийный	0,8	1,6	1,9
Хлориды	17	22	46
Сульфаты	29	38	49
Железо	0,31	0,35	0,64
Марганец	0,05	0,05	0,07
Цинк	0,04	0,05	0,06
Медь	0,02	0,02	0,02
Стронций	0,31	0,41	0,52

Приведенные примеры изменений химического соста­ва речной воды в городской черте свидетельствуют о боль­шом и неблагоприятном влиянии на него города вследствие выпусков недостаточно очищенных производст­венных сточных вод и поступления поверхностного стока с территорий промышленных предприятий. Поверхност­ный сток с городских территорий — это дождевой сток, паводковые воды, снегосвал и поливомоечные воды. Все компоненты поверхностного стока несут в водоемы за­грязнения.

Например, в сухой период года речная вода содержит меньше различных загрязняющих веществ, чем во время дождя. В дождь в реку поступают стоки с различных тер­риторий и в потоке речной воды увеличивается содержа­ние взвешенных веществ, азота аммонийных солей, био­логически разрушаемых и трудноокисляемых органичес­ких веществ (см. таблицу ниже).

Содержание веществ в потоке речной воды в сухой период

и после дождя, г/с

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора проб (створах)
	1	2	3
	в сухой период	после дождя	в сухой период	после дождя	в сухой период	после дождя
Взвешенные вещества	197	1166	298	1933	1180	5024
БПК	91	405	146	393	302	629
ХПК	1002	1410	1188	1582	2371	3409
Азот аммонийный	18	34	26	34	51	129

В пунктах, расположенных ниже промышленных зон в городе, это увеличение количества загрязнений в потоке воды особенно заметно. Снег, выпадающий в городе, аккумулирует значитель­ное количество загрязнений, в том числе компонентов промышленного происхождения. В связи с этим свал сне­га с улиц в реку, а также поступление в нее талых вод являются существенными источниками загрязнения реч­ной воды взвешенными веществами, нефтепродуктами, трудноокисляемыми органическими веществами. Снегосвал и талые воды вносят больше загрязнений, чем дож­девые стоки:

Количество веществ, вносимое в реку

в весенний период, г в 1 с

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора (створах)
	1	3
	талые воды	снег	талые воды	снег
Взвешенные вещества	2000	8400	7800	600
ХПК	2600	3400	2200	1200
Азот аммонийный	70	60	40	20
Нефтепродукты	—	200	180	20

В таблицах даны показатели количества загряз­няющих веществ в конкретном створе реки. Для опре­деления концентрации загрязнений необходимо знать расход воды в реке.

Таким образом, совершенно очевидно, что для пре­дотвращения загрязнения поверхностных водоемов про­изводственными сточными водами и поверхностным сто­ком с производственных территорий необходима эффек­тивная очистка стоков от всех вредных веществ, способ­ных сделать воду поверхностных водоемов непригодной для различных целей водопользования. Для сохране­ния качества воды поверхностных водоемов разработа­ны условия выпуска производственных сточных вод. Об­щие условия выпуска сточных вод любой категории в поверхностные водоемы определяются хозяйственной зна­чимостью и характером водопользования. После выпуска сточных вод допускается некоторое изменение состава воды в водоемах, однако это не должно заметно отра­жаться на его жизни и возможностях дальнейшего ис­пользования в качестве источника водоснабжения, для культурных и спортивных мероприятий, рыбохозяйственных целей.

Условия выпуска производственных сточных вод в во­доемы регламентируются “Правилами охраны поверх­ностных вод от загрязнения сточными водами” и “Прави­лами санитарной охраны прибрежных районов морей” Министерства здравоохранения СССР, содержащими указания по предотвращению и устранению загрязнения производственными сточными водами поверхностных во­доемов — рек, озер, искусственных каналов, водохрани­лищ и морей.

Наблюдение за санитарным состоянием водоемов и соблюдением условий выпуска производственных сточ­ных вод осуществляется санитарно-эпидемиологическими станциями и бассейновыми управлениями. Порядок осуществления контроля качества воды по­верхностных водоемов определяется сезонными колеба­ниями состава воды и характером их хозяйственного ис­пользования. Контроль заключается в периодических комплексных обследованиях водоемов и в химических, микробиологических и гидробиологических анализах об­разцов воды. Число пунктов отбора и количество отоб­ранных проб определяется в соответствии с гидрологиче­скими особенностями водоема и расположением источни­ков загрязнения.

В отобранных образцах воды определяются следую­щие показатели: температура, прозрачность, запах, рН, содержание взвешенных веществ и их зольность, сухого остатка и его зольность, жесткость, щелочность, содер­жание растворенного кислорода, окисляемость, БПК, ХПК, содержание общего железа, кальция, азота, аммо­нийных солей, нитритов, нитратов, сульфатов, фосфатов, хлоридов. Кроме того, в соответствии с местными услови­ями производится анализ на содержание специфических компонентов производственных сточных вод — металлов, нефтепродуктов, пестицидов.

Микробиологические и гидробиологические анализы дополняют данные о химическом составе и характеризу­ют степень эпидемиологической опасности и эффект воз­действия сбросов производственных сточных вод на эко­систему водоемов. Содержание вредных веществ в воде водоемов и в производственных стоках нормируется на основе опреде­ления предельно допустимых концентраций (ПДК) — ос­новного гигиенического критерия качества воды водоемов, используемого органами Государственного контро­ля. ПДК — это максимальные концентрации, при кото­рых вещества не оказывают прямого или опосредован­ного влияния на состояние здоровья населения и не ухуд­шают гигиенических условий водопользования.

ПДК устанавливаются на основе определения влия­ния веществ на организм человека с учетом различных признаков вредности (токсичности, изменения органолептических свойств воды и санитарного режима водоемов). ПДК для используемого вещества устанавливается по то­му признаку вредности, при котором концентрация этого вещества наименьшая, и этот признак устанавливается для данного вещества лимитирующим.

В нашей стране ПДК приняты как основной норматив, слу­жащий для предупредительного и текущего санитарного надзора. Соблюдение этого норматива на практике спо­собствует сохранению воды поверхностных водоемов, при­годной для быта и отдыха населения. Это — основной критерий эффективности разрабатываемых и проводимых водоохранных мероприятий, основа расчета предельно попустимого сброса предприятий (ПДС), основа прогно­за качества воды при развитии промышленности в новых осваиваемых районах.

Нормативные качества воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Пра­вила устанавливают нормативы качества воды для водо­емов по двум видам водопользования: к первому виду относятся участки водоемов, используемые в качестве источника для централизованного или