Загрязнения окружающей среды

Тема 5: Загрязнения окружающей среды

1. Химические загрязнения

2. Физические загрязнения

3.  Биологические загрязнения

В результате антропогенной деятельности человек привносит в окружающую среду загрязнения.

Загрязнение – это побочные отходы, образующиеся в результате  хозяйственной деятельности человека или общества, которые попадая в окружающую природную среду, изменяют или разрушают ее биотические  (живые) и абиотические (неживые)  свойства.

Загрязнения и вредные воздействия  делятся на четыре большие группы:

1) химические

2) физические

Рекомендуемые материалы

3) биологические

4) эстетические

1. Химическое загрязнение

К химической группе загрязнений относят:   

1) химические элементы и вещества, выбрасываемые в абиотические среды окружающей среды (атмосферу, гидросферу, литосферу), а именно:

а) газообразные соединения, самыми распространенными среди которых являются оксид и диоксид углерода (),  оксид и диоксид азота (),оксид и диоксид серы (), газообразные углеводороды – например метан (), фторсодержащие углеводороды – например фреоны

б) неорганические соединения, к которым относят соли, кислоты и щелочи

в) органические соединения, среди которых можно выделить соединения различных фракций нефтепродуктов, компоненты моющих  средств – например мыла, хлор-, ртуть- и фенолсодержащие углеводороды – например пестициды и т.д.

г) тяжелые металлы, самыми распространенными среди которых являются свинец, цинк

д) также выделяют частицы антропогенного происхождения, которые иногда выделяют в отдельную группу загрязнений (механические загрязнения), к которым относят пыль минеральную, пыль органическую, частички обуглившихся и недоконца сгоревших компонентов - сажу

2) соединения химических элементов и веществ, которые образуются при взаимодействии поступающих  выбросов и сбросов с биотическими и абиотическими факторами биосферы.

Некоторые вещества могут реагировать друг с другом в абиотических средах окружающей среды.

Образующиеся соединения могут оказаться более токсичными, чем первоначально реагирующие компоненты, поэтому они отслеживаются экологами

Рассмотрим примеры химического загрязнения атмосферы, так как сегодня атмосфера - это самая загрязненная среда.

2. Физические загрязнения сред окружающей среды

Однако наряду с вещественным на окружающую среду оказывается энергетическое воздействие, также носящее материальный характер. Являясь общей мерой различных видов движения и взаимодействия, энергия существует в различных формах: механической, электромагнитной, ядерной и др. Эти формы присутствуют в окружающей среде в виде различных колебаний и волн.

1 Механические колебания и волны

1.1. Вибрация

1.2 Механические волны

1.2.1 Инфразвук

1.2.2. Акустические волны

1.2.3 Ультразвук

2 Электромагнитные волны

2.1 Ионизирующее излучение

2.1.1 Гамма-излучение

2.1.2 Рентгеновские лучи

2.2 Оптический диапазон

2.2.1 Сплошной спектр

2.2.2 Лазерное излучение

2.3 Радио- и низкочастотные волны

3 Радиоактивный распад

Вибрация в основном распространяется в почве и в воде, звук, шум и Электромагнитные волны – в атмосфере, радиоактивно-изотопные загрязнения присутствуют как в почве, так и в воде и в атмосфере.

Рассмотрим основные физическо-энергетические загрязнения.

2.1 Механические колебания и волны

Колебательные движения, или колебания, широко распространены в природе и технике. Наиболее характерным признаком колебательного движения является его повторяемость или почти повторяемость. Так, маятник, проделав путь от крайнего левого до крайне правого положения и обратно, вновь совершит то же движение. Если оно повторяется точно, то его называют периодическим. Следовательно, колебания — это движение, которое точно или приблизительно повторяется через определенные промежутки времени.

Одним из наиболее распространенных видов колебаний являются механические. Они заключаются в периодическом изменении координат тела и скорости его перемещения. С понятием «колебание» тесно связано другое — «волна».

Отдельные частицы любого твердого, жидкого или газообразного тела взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-нибудь часть тела начинает совершать колебательные движения, то, благодаря взаимодействию между частицами, это движение с некоторой скоростью распространится во все стороны. Колебания, распространяющиеся в пространстве, называют волной. Таким образом, механические колебания обусловливают появление механических волн. Необходимым условием их распространения является наличие твердой, жидкой или газообразной среды. В вакууме механические волны отсутствуют.

2.1.1. Вибрация

Простейшим видом вибрации являются гармонические (синусоидальные) колебания.

Основные параметры синусоидальных колебаний: частота, Гц; амплитуда смещения, м или см; скорость V, м/с; ускореннее, м/с'- или доли ускорения силы тяжести (9,81 м/с ).

За нулевой уровень колебательной скорости принимается величина 5-10"° м/с, соответствующая среднеквадратичной колебательной скорости при стандартном пороге звукового давления, равном 2-10 Н/м . За нулевой уровень колебательного ускорения принимают величину 3-1 Н м/с².

Относительные уровни виброскорости lv и виброускорения L_a выражают в децибелах  и определяют по формулам:

где V — среднеквадратичная виброскорость, м/с; vq — пороговая виброскорость, равная 5-10"" м/с;

Классификация вибраций осуществляется по нескольким признакам.

По способу передачи человеку различают вибрации локальные и общие. Первые передаются через руки (при работе с ручными машинами, органами управления), вторые — через опорные поверхности стоящего, сидящего или лежащего человека.

По характеру спектра вибрации подразделяют на узко- и широкополосные. В узкополосных вибрациях контролируемые параметры в 1/3-октавной полосе частот более чем на 15 дБ превышают значения в соседних 1/3-октавных полосах. Широкополосные вибрации не отвечают этим требованиям.

По частотному составу различают вибрации: низкочастотные с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах 8 и 16 Гц локальные), 1 и 4 Гц (общие); среднечастотные — 31,5 и 63 Гц (локальные), 8 и 16 Гц (общие); высокочастотные — 125, 250, 500 и 1000 Гц (локальные), 31,5 и 63 Гц (общие).

Местные вибрации создают преимущественно ручные машины ударного, ударно-вращательного и вращательного действия: клепальные, рубильные, отбойные молотки, бурильные перфораторы, трамбовки, гайковерты, поверхностные и глубинные ручные вибраторы, шлифовальные машины, бензо- и электропилы, дрели и т.п.

Общую вибрацию инициируют, например, самоходные и прицепные машины (транспортная вибрация), экскаваторы, промышленные и строительные краны, горные комбайны, бетоноукладчики, напольный производственный транспорт (транспортно-технологическая вибрация), станки металлорежущие и деревообрабатывающие, кузнечно-прессовое оборудование, буровые станки, электрические машины и др. (технологическая вибрация).

Особенно опасны колебания в режиме резонанса, когда резко возрастает их амплитуда. При резонансе совпадают частота так называемых вынужденных колебаний тела, обусловленная действием на него периодически изменяющихся внешних сил, и частота его свободных колебаний, возникающих в нем под влиянием внутренних сил после выведения тела из равновесия. Классическим примером возможной ситуации резонанса является прохождение по мосту строевым шагом воинской части. В данном случае вероятно совпадение частоты свободных колебаний самого моста и вынужденных его колебаний под влиянием мерного шага воинской колонны. Как следствие можно получить недопустимо большую вибрацию моста и его разрушение. Именно поэтому при переходе через мост воинским частям запрещается идти «в ногу».

Характер воздействия вибраций на организм определяется их уровнями, спектром частот, физиологическими параметрами тела человека.

Местные вибрации малой интенсивности могут оказать даже благоприятное влияние: восстановить обмен веществ и питание тканей организма, улучшить функциональное состояние центральной нервной системы, ускорить заживление ран. Однако при увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия появляются изменения, в ряде случаев приводящие к развитию профессиональной патологии — вибрационной болезни.

К ведущим проявлениям вибрационной патологии относятся нейрососудистые расстройства рук, сопровождаемые интенсивными болями после работы и по ночам, снижением всех видов кожной чувствительности, слабостью в кистях. Зачастую наблюдается феномен «мертвых», или белых, пальцев. Параллельно развиваются мышечные или костные изменения, неврозы.

Предельно допустимые величины некоторых видов вибраций (табл. 1), предусматриваемые основными законодательными документами, показывают, что уровень транспортно-технологического воздействия (длительность 8 ч) значительно выше, чем в жилых помещениях. Предельно допустимые уровни других видов вибраций, не отраженных в табл. 1, например технологических на постоянных рабочих местах, в складах, столовых, бытовых, дежурных комнатах, на рабочих местах умственного труда (заводоуправление, конструкторское бюро, вычислительные центры и т.д.), ниже транспортно-технологических, но выше, чем в жилых помещениях.

Таблица 1 Допустимые значения вибрации

Для снижения воздействия вибраций необходимы мероприятия по их элиминированию в источниках возникновения или, при невозможности этого, на путях распространения колебаний.

Основной причиной вибрации многочисленного оборудования с вращающимися частями, например насосов, компрессоров, двигателей, является дисбаланс этих частей, вызванный неоднородностью материала конструкции (литейные раковины, шлаковые включения), искривлением валов и роторов, неплотностью крепежных соединений, излишними люфтами и зазорами между отдельными элементами оборудования. Устранение указанных причин и исключение резонансных режимов работы оборудования позволяет резко снизить величину вибраций в источнике возникновения.

Способы снижения вибраций на путях их распространения включают виброгашение, виброизоляцию и вибродемпфирование.

При виброгашении фундамент и установленное на него оборудование соединяют в единую систему с помощью анкерных болтов или цементной заливки. Этот метод требует больших затрат времени. В ряде случаев фундамент представляет собой сложное инженерное сооружение, по стоимости значительно более дорогое, чем оборудование.

Поэтому во всех случаях, когда это возможно, стараются установить оборудование без фундамента, непосредственно на виброизолирующих опорах. Такие опоры можно применять и при наличии фундамента. Их располагают между источником вибраций (машина) и фундаментом (основанием, опорной плитой) либо между фундаментом и грунтом. Виброизоляторами служат резиновые или пластмассовые прокладки, одиночные или составные цилиндрические пружины, листовые рессоры, комбинированные (пружинно-резиновые, пружинно-пластмассовые, пружинно-рессорные) и пневматические (воздушные подушки) виброизоляторы.

В основе демпфирования лежит поглощение энергии колебания системы за счет увеличения в последней активных потерь. Вибродемпфирование реализуется применением материалов с большим внутренним трением: малоуглеродистых и малосернистых чугунов, сплавов цветных металлов. Перспективны вибродемпфирующие покрытия. Их применяют для снижения колебаний трубопроводов и газопроводов компрессорных станций, воздуховодов систем вентиляции административных зданий. К числу распространенных вибродемпфирующих покрытий относятся мастичные и листовые (пенопласт, волосяной войлок, поролон, минераловатные плиты, губчатая резина и др.).

К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие необходимую квалификацию и сдавшие технический минимум по правилам безопасного выполнения работ.

2.3 Радиоактивный распад

Радиоактивные вещества широко применяются во многих отраслях народного хозяйства. Искусственные радиоактивные изотопы используют для дефектоскопии металлов, при изучении структуры и износа материалов, разделении веществ и синтезе химических соединений, в аппаратах и приборах медицинского назначения, в качестве меченых атомов (для определения растворимости весьма мало растворимых веществ, исследования фотосинтеза растений, процессов кровообращения и т.д.). В археологии меченые атомы позволяют определять возраст ископаемых растений и животных (радиоуглеродный метод). Однако наиболее существенно для человечества применение радиоактивных веществ для производства электроэнергии (АЭС) и атомного оружия.

Распад радиоактивных веществ сопровождается их ионизирующим излучением, под которым понимают потоки частиц (корпускул) и электромагнитных квантов, возникающих при ядерных превращения:: Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как гамма- и рентгеновские, потоки СП-частиц, электронов и нейтронов. Природа рентгеновского и γ -излучения рассмотрена ранее.

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра атомов гелия. Они имеют незначительный пробег во всех средах (в воздухе — 20-110 мм, в биологических тканях — 30-150, в алюминии — 10-69 мм), создавая на своем пути ионизацию большой плотности. Воздействие их сказывается в основном при внутреннем облучении, т.е. при попадании в организм.

Бета-частицы являются потоком электронов. Их пробег в воздухе составляет несколько метров, в тканях человека — около 1 см, в металлах — 1 мм. Энергия, теряемая ими при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного (электромагнитного) излучения. Удельная ионизирующая способность β-частиц  меньше, чем а-частиц, но выше, чем γ -иэлучения, их воздействие на организм может проявляться как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Нейтроны не имеют электрических зарядов, поэтому их поток обладает большой проникающей способностью. Медленные, или тепловые, нейтроны вступают в ядерные реакции, в которых могут образоваться стабильные или радиоактивные изотопы.

Естественными радиоактивными элементами являются ряды тория, урана и актиния. В процессе их распада образуется целый ряд новых радиоактивных элементов, испускающих а- и β-частицы, ЭМИ.

Для характеристики радиоактивного излучения введен ряд понятий, основанных на его ионизационном действии: доза рентгеновского и у-излучения, мощность дозы, поглощенная доза излучения, радиевый эквивалент препарата, биологический эквивалент дозы, активность радиоактивного изотопа, удельная активность и активная концентрация.

Доза рентгеновского и у-излучения определяется в рентгенах. Она характеризует не источник излучения, а его ЭМП в определенном месте, участке.

Мощность дозы измеряется в рентгенах в секунду.

Поглощенная доза — это энергия ионизирующего излучения, воспринимаемая единицей массы облучаемого вещества, измеряется в радах. Рад ~ поглощенная доза излучения, равная 0,01 Дж на килограмм облученного вещества. В системе СИ единицей поглощенной дозы является 1 Дж/кг, получивший название грей (Гр). Таким образом, 1 Гр равен 100 радам.

Радиевый у-эквивалент препарата — величина, введенная для сравнения радиоактивности различных веществ, дающих у-излучение. За единицу, по которой оцениваются все другие препараты, принят 1 мг радия — миллиграмм-эквивалент радия (мэр).

Активность радиоактивного изотопа связана с количеством актов распада в нем за единицу времени. За единицу активности принят 1 кюри (Ки). Активность, равная 1 Ки, означает, что в веществе за 1 с происходит 3,7-10 актов распада. Это соответствует активности 1 г чистого радия. В международной системе единиц активность измеряется в беккерелях (Бк); 1 Бк соответствует активности нуклида, в котором за 1 с происходит один акт радиоактивного распада. В этом акте может выделяться как β -частица, так и у-квант и другие виды ионизирующего излучения. Таким образом, 1 Ки составляет 3,7-10 Бк.

Удельная активность выражается в единицах активности на единицу массы радиоактивного вещества (Ku/г, Ки/моль, Бк/кг, Бк/моль).

Активная концентрация в воздухе и воде выражается в Ки/л, Бк/л и их производных.

Ионизирующее излучение оказывает влияние на организм как при внешнем (особенно гамма- и рентгеновском), так и при внутреннем (особенно альфа-облучении).

Поражающее действие у- и рентгеновского излучений рассмотрено ранее.

Защиту от радиоактивного воздействия веществ нормируют раздельно для жилых и промышленных зон.

В соответствии с НРБ-96 лица, непосредственно не работающие с источниками ионизирующего излучения, делятся на категории Б и В. Категория Б в зависимости от условий своего проживания или от размещения рабочих мест на предприятии может попадать под воздействие радиоактивных веществ или других источников излучения, используемых в учреждении и/или удаляемых во внешнюю среду. К категории В относится все остальное население страны.

Для категории Б нормами предусмотрены предел дозы (ПД) облучения за календарный год. Для различных групп органов человека он составляет 0,005-0,03 Зв. Соблюдение ПД достигается регламентацией и контролем допустимых уровней, установленных НРБ-76/87 для внутреннего и внешнего облучения. Регламентация и контроль облучения населения категории В и окружающей среды относятся к компетенции Минздрава.

Основные мероприятия по защите населения категорий Б и В от ионизационного воздействия сводятся к всемерному ограничению поступления в окружающую среду отходов производства, содержащих радионуклиды, и зонированию территории вне промышленных предприятий. Для последних при необходимости создают СЗЗ и зону наблюдения.

СЗЗ ~ территория вокруг источника радиоактивных выбросов, на которой уровень облучения может превышать ПД. В зоне наблюдения этот уровень не должен быть больше установленного ПД. Территория зоны наблюдения, как правило, в 3-4 раза превышает размеры СЗЗ. В обеих зонах вводится радиационный контроль, а в СЗЗ и режим ограничений. Минимальное расстояние от атомных теплоцентралей (АТЦ) и атомных электростанций до городов должно составлять, км:

Ионизирующее излучение в значительной степени экранируется зданиями (табл. 6).

Требования, предъявляемые к устройству помещений лабораторий и предприятий, предназначенных для промышленного использования радиоактивных веществ, зависят от класса радиационной опасности работ.

В соответствии с ОСП-72/87, проведение работ III класса разрешается в общих помещениях лаборатории на специально оборудованных местах. Работы II класса следует выполнять в специальных изолированных помещениях. Для работ I класса необходимо выделять здания или помещения с отдельным входом, полностью изолированные от других помещений и имеющие трехзональную планировку. Первая (чистая) зона включает операторские и вспомогательные помещения, где нет активных загрязнений. Во второй (грязной) зоне проводят непосредственные работы с радиоактивными веществами. Третья (также грязная) зона является ремонтно-транспортной. Сообщение между чистой и грязными зонами осуществляется через санпропускник или шлюз.

Таблица6 Коэффициент k экранирования зданиями (Иванова)

Примечание, k ~ отношение мощности дозы у-излучения внутри и вне помещения.

Набор дополнительных мер безопасности зависит от того, закрытым или открытым является источник радиоактивного излучения.

При закрытом источнике возможно только внешнее облучение, поэтому необходима прежде всего защита от его рентгеновской и гамма-составляющих.

При работе с открытыми источниками, когда создаются условия для попадания радиоактивных веществ внутрь организма и его облучения там, требуются еще более сложные меры защиты. Они имеют целью не допустить или свести к минимуму загрязнение радиоактивными газами, парами и аэрозолями воздуха, оборудования, аппаратуры, помещения, спецодежды и рук. Конкретные виды этих мер зависят от особенностей производственных и трудовых процессов. Наибольшее внимание должно уделяться сбору, удалению и захоронению твердых и высокоактивных жидких отходов, наличие которых увеличивает опасность радиоактивного облучения.

Локальное размещение отходов — их хранение в зоне действия производственной установки (промышленной, сельскохозяйственной и др.), на которой они образуются.

Места локального размещения отходов являются конечным звеном развернутой технологической схемы производства товарного продукта. Эта схема обычно не предусматривает организации специальной службы по сбору и транспортированию отходов. Они попадают в места их размещения по инженерным коммуникациям предприятия. Исключение составляют достаточно редкие схемы подземного захоронения отходов предприятий, требующие организации специальных служб захоронения отходов.

3. Биологические загрязнения

Среди биологических загрязнений на первом месте стоит загрязнение микроорганизмами почв, на втором – воды, на третьем – воздуха.

Поэтому рассмотрим биологическое загрязнение почв.

Существует биологическое загрязнение почв патогенами (инфекционные, токсические и аллергические).

Почва – среда обитания микроорганизмов и низших животных.

Помимо сапрофагов (м/о, не приносящих вреда животным организмам) в почве обитают (временно или постоянно) патогенные (греч. Pathos – страдание, genos – рождение) – болезнетворные м/о, возбудители инфекционных болезней, которые существуют:

1) Выделяемые человеком и передающиеся ему через почву (человек-почва-человек)

А) возбудители кишечных инфекций (временные микроорганизмы) – брюшной тиф, паратиф, дизентерия, холера

Б) вирусы полимиелита, гепатита

2) Выделяемые животными и передающиеся через почву человеку (животные-почва-человек)

а) сибиреязвенная палочка

б) столбнячная палочка

в) палочка ботулизма

г) бруцеллез

3) Микобактерии – возбудители туберкулеза, проказы и дифтерии

4) Чума

Вместе с этой лекцией читают "1. Введение. Этапы развития".

5) Коклюш

6) Актиномицеты, вызывающие микозы

7) Мухи (яйца и личинки), распространяющие заболевания

8) Гельминты – черви-паразиты:

а) геогельминты (аскориды, власоглавы, анкилостомозы – кривоголовка двенадцатиперстная)

б) биогельминты – солитеры (свиной и бычий цепень)