Химическое загрязнение природных вод

Основными источниками  искусственных аэрозольных загрязнений  воздуха в настоящее время  являются ТЭС, потребляющие уголь высокой  зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе можно найти соединения кремния, кальция и углерода, гораздо реже — оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще более разнообразна органическая пыль, которая включает в себя алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения стали промышленные отвалы — искусственные насыпи из переработанного материала или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов становятся массовые взрывные работы. Известно, что в результате одного среднего по массе взрыва (250—300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихты, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов — всегда сопровождаются выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

К атмосферным загрязнителям относятся  углеводороды — насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они могут подвергаться различным превращениям, окислению, полимеризации, особенно если начнут взаимодействовать с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. Результатом этих реакций становится появление перекисных соединений, свободных радикалов, соединений углеводородов с оксидами азота и серы, часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях в приземном слое воздуха могут формироваться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей. Обычно это случается, когда в слое воздуха прямо над источниками газопылевой эмиссии происходит инверсия — расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует движению воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В итоге вредные выбросы концентрируются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

1.3 Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман  — это многокомпонентная смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. Основными компонентами смога являются озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения пер кисной природы, которые в совокупности называются фотооксидантами. Фотохимический смог образуется в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и повышенной не менее суток инверсии. Устойчивая безветренная погода, которая обычно сопровождается инверсиями, нужна для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия возникают чаще в июне—сентябре и реже зимой. Во время продолжительной ясной погоды солнечная радиация становится причиной расщепления молекул диоксида азота и образует оксид азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом образуют озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид. Но этого не случается. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительное количество озона. Начинается циклическая реакция, результатом которой становится постепенное накапливание озона. Этот процесс в ночное время прерывается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере скапливаются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние становятся источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реактивной способностью. Такие смоги — нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной систем и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

1.4 Контроль за выбросами в атмосферу загрязняющих веществ (ПДК)

ПДК (предельно допустимые концентрации) — такие концентрации, которые на человека и его потомство  не оказывают прямого или косвенного воздействия, не ухудшают его работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, происходит в ГГО — Главной геофизической обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить загрязнение воздуха, измеренные значения концентраций сопоставляют с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и устанавливают число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия — среднеустойчивой ПДК. Загрязнение воздуха несколькими веществами оценивается с помощью комплексного показателя — индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующие значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (окислы азота и серы), Бишкеке (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то формируется очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

Всякий водоем или  водный источник соотнесен с окружающей его внешней средой. На него влияют условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Результатом этих влияний становится привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ — загрязнителей, ухудшающих качество воды. Обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды).

2.1 Неорганическое загрязнение

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод стали многообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них оказывается в воде вследствие человеческой деятельности. Тяжелые металлы впитываются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.

К опасным загрязнителям  водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обусловливающие  широкий диапазон рН промышленных стоков (1,0—11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0—8,5. К основным источникам загрязнения гидросферы минеральными веществами и биогенными элементами следует отнести предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежегодно вымывается около 6 млн. т солей. Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь, собраны в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем, сдерживая развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно сосредоточиваются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов.

2.2 Органическое загрязнение

Среди попадающих в океан  с суши растворимых веществ большое  значение для обитателей водной среды  имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300—380 млн т/год. Сточные воды, которые содержат суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света в глубь воды и замедляет процесс фотосинтеза. Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все вещества, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно-активные вещества — жиры, масла, смазочные материалы — образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом. Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Возрастающее загрязнение водоемов и водостоков отмечается во всех промышленных странах.

В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько  замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера). Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может снизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

2.3 Загрязнение Мирового океана. Нефть и нефтепродукты

Нефть представляет собой  вязкую маслянистую жидкость темно-коричневого  цвета и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно  из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти — углеводороды (до 98%) — подразделяются на 4 класса.

1. Парафины (алкены) (до 90% от общего состава) — устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

2. Циклопарафины (30—60% от общего состава) — насыщенные циклические соединения с 5—6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды (20—40% от общего состава) — ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водорода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молеку лой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).

4. Олефины (алкены) (до 10% от общего состава) — ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты  являются наиболее распространенными  загрязняющими веществами в Мировом  океане. К началу 80-х годов в  океан ежегодно поступало около 6 млн. т нефти, что составляло 0,23 % мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод — все это становится причиной наличия постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962—79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти. За последние годы пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т/год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн. т нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в видеопленки, образуя слои различной мощности. По цвету пленки можно определить ее толщину.

Нефтяная пленка видоизменяет состав спектра и интенсивность  проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1—10% (280 нм), 60—70% (400 нм). Пленка толщиной 30—40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть формирует эмульсию двух типов: прямую — «нефть в воде» и обратную — «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные из капелек нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, которая содержит поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут оставаться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

28 января 1969 года в  штате Калифорния из нефтяной  платформы в канале Санта-Барбара,  произошёл выброс нефти. За 11 дней  в море вылилось около миллиона литров нефти. Платформа продолжала протекать в течение нескольких лет.

28 марта 1979 года в  штате Пенсильвания произошла  авария на атомной электростанции  в Тримайл-Айленд . В результате  произошел выброс радиоактивных веществ в атмосферу. Уровень радиации был незначительным, и жертв не было. Со времени аварии в США не было построено ни одной новой атомной электростанции.

В 1979 году произошел один из крупнейших в истории разлив нефти, вызванный столкновением танкеров. Тогда в Карибском море столкнулись  два танкера: Atlantic Empress и Aegean Captain. В результате аварии в море попало почти 290 тысяч тонн нефти. Один из танкеров затонул. Катастрофа произошла в открытом море, и ни одно побережье (ближайшим был остров Тринидад) не пострадало.

11 февраля 1981 года в  штате Теннесси произошел разлив 400 тысяч литров радиоактивного охладителя на заводе "Секвойя-1".

В марте 1989 года нефтяной танкер Exxon Valdez американской компании Exxon сел на мель в заливе Принц  Уильямс у побережья Аляски. Через  образовавшуюся в судне пробоину в океан вылилось свыше 48 тысяч тонн нефти. В результате пострадало свыше 2,5 тысячи квадратных километров морской акватории, под угрозой исчезновения оказались 28 видов животных.

Только по делу об уголовной ответственности суд обязал владельца судна — нефтяную компанию «Экссон мобил» — выплатить штату Аляска 150 млн долл., самый крупный экологический штраф в истории. Из этой суммы суд простил компании 125 млн в признание её участия в ликвидации последствий катастрофы, но ещё 100 млн «Экссон» заплатил за ущерб природе и 900 млн в течение 10 лет по гражданским искам. Хотя последняя выплата федеральным и аляскинским властям состоялась в сентябре 2001 г. до 2006 г. правительство может подать иск ещё на сумму до 100 млн, если обнаружатся экологические последствия, которые нельзя было предусмотреть во время суда. Огромную сумму составляют также претензии компаний и частных лиц, по многим из которых тяжба длится до сих пор.