Общие экологические проблемы городов мира

Экологические проблемы городов, главным образом наиболее крупных из них, связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия.
Темпы роста населения мира в 1.5-2.0 раза ниже роста городского населения, к которому сегодня относится 40% людей планеты. За период 1939 – 1979 гг. население крупных городов выросло в 4, в средних – в 3 и малых – в 2 раза. Социально-экономическая обстановка привела к неуправляемости процесса урбанизации во многих странах. Процент городского населения в отдельных странах равен: Аргентина – 83, Уругвай – 82, Австралия – 75, США – 80, Япония – 76, Германия – 90, Швеция – 83. Помимо крупных городов-миллионеров быстро растут городские агломерации или слившиеся города. Таковы Вашингтон-Бостон и Лос-Анжелес-Сан-Франциско в США; города Рура в Германии; Москва, Донбасс и Кузбасс в СНГ. Круговорот вещества и энергии в городах значительно превосходит таковой в сельской местности. Средняя плотность естественного потока энергии Земли – 180 Вт/м2, доля антропогенной энергии в нем – 0.1 Вт/м2. В городах она возрастает до 30-40 и даже до 150 Вт/м2(Манхэттен). Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60-70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Более активная конденсация влаги приводит к увеличению осадков на 5-10%. Самоочищению атмосферы препятствует снижение на 10-20% солнечной радиации и скорости ветра. При малой подвижности воздуха тепловые аномалии над городом охватывают слои атмосферы в 250-400 м, а контрасты температуры могут достигать 5-6°С. С ними связаны температурные инверсии, приводящие к повышенному загрязнению, туманам и смогу. Города потребляют в 10 и более раз больше воды в расчете на 1 человека, чем сельские районы, а загрязнение водоемов достигает катастрофических размеров. Объемы сточных вод достигают 1м2в сутки на одного человека. Поэтому практически все крупные города испытывают дефицит водных ресурсов и многие из них получают воду из удаленных источников. Водоносные горизонты под городами сильно истощены в результате непрерывных откачек скважинами и колодцами, а кроме того загрязнены на значительную глубину. Коренному преобразованию подвергается и почвенный покров городских территорий. На больших площадях, под магистралями и кварталами, он физически уничтожается, а в зонах рекреаций – парки, скверы, дворы – сильно уничтожается, загрязняется бытовыми отходами, вредными веществами из атмосферы, обогащается тяжелыми металлами, обнаженность почв способствует водной и ветровой эрозии. Растительный покров городов обычно практически полностью представлен “культурными насаждениями” – парками, скверами, газонами, цветниками, аллеями. Структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности. Поэтому развитие зеленых насаждений городов протекает в искусственных условиях, постоянно поддерживается человеком. Многолетние растения в городах развиваются в условиях сильного угнетения. Состояние воздушного бассейна Для большинства крупных городов характерно чрезвычайно сильное и интенсивное загрязнение атмосферы. По большинству за­грязняющих агентов, а их в городе насчитывается сотни, можно с уверенностью сказать, что они, как правило, превышают предель­но допустимые концентрации. Более того, поскольку в городе на­блюдается одновременное воздействие множества загрязняющих агентов, их совместное действие может оказаться еще более значи­тельным. Широко распространено мнение о том, что с увеличе­нием размеров города возрастает и концентрация различных за­грязняющих веществ в его атмосфере, однако в действительности, если рассчитывать среднюю концентрацию загрязнений на всю территорию города, то в многофункциональных городах с населе­нием более 100 тыс. человек она находится примерно на одном и том же уровне и с увеличением размеров города практически не возрастает. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением объемов выбросов, возрастающих пропорционально росту числен­ности населения, расширяется и площадь городской застройки, ко­торая и выравнивает средние концентрации загрязнения в атмос­фере. Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций загрязнения в различных районах. Наряду с невысокими уровнями концентрации загрязнения в пери­ферийных районах, она резко увеличивается в зонах крупных про­мышленных предприятий и, в особенности в центральных районах. В последних, несмотря на отсутствие в них крупных промышлен­ных предприятий, как правило, всегда наблюдаются повышенные концентрации загрязнителей атмосферы. Это вызывается как тем, что в этих районах наблюдается интенсивное движение автотранс­порта, так и тем, что в центральных районах атмосферный воздух обычно на несколько градусов выше, чем в периферийных, – это приводит к появлению над центрами городов восходящих воз­душных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промыш­ленных районов, расположенных на ближней периферии. При ана­лизе процессов загрязнения атмосферы городов весьма существен­но различие между загрязнениями, производимыми стационар­ными и мобильными источниками. Как правило, с увеличением размера города доля мобильных источников загрязнения (в ос­новном автотранспорта) в общем загрязнении атмосферы возра­стает, достигая 60 и даже 70%. Существующие соотношения между стационарными и мобиль­ными источниками загрязнения атмосферного воздуха в значи­тельной мере определяют его характер. Рассмотрим вначале основные стационарные источники выбросов в атмосферу. От 60% до 96% эмиссии вредных веществ приходится на производство энергии Таблица 1. Выбросы в атмосферу электростанцией мощностью 1000МВт в год (в тоннах). Выбросы Топливо Частицы СО NOx SO2 Углеводороды Уголь 3000 2000 27000 110000 400 Нефть 1200 700 25000 37000 470 Природный газ 500 - 20000 20,4 34 Конечно, по сравнению с энергетикой глобальное загрязнение посредством химической промышленности невелико, но это тоже достаточно ощутимое локальное воздействие. Большинство органических полупродуктов и конечная продукция, применяемая или производимая в отраслях химической промышленности, изготавливается из ограниченного числа основных продуктов нефтехимии. При переработке сырой нефти или природного газа на различных стадиях процесса, например, перегонке, каталитическом крекинге, удалении серы и алкилировании, возникают как газообразные, так и растворенные в воде и сбрасываемые в канализацию отходы. К ним относятся остатки и отходы технологических процессов, не поддающиеся дальнейшей переработке.
Газообразные выбросы установок перегонки и крекинга при переработке нефти в основном содержат углеводороды, моноксид углерода, сероводород, аммиак и оксиды азота. Та часть этих веществ, которую удается собрать в газоуловителях перед выходом в атмосферу, сжигается в факелах, в результате чего появляются продукты сгорания углеводородов, моноксид углерода, оксиды азота и диоксид серы. При сжигании кислотных продуктов алкилирования образуется фтороводород, поступающий в атмосферу. Также имеют место неконтролируемые эмиссии, вызванные различными утечками, недостатками в обслуживании оборудования, нарушениями технологического процесса, авариями, а также испарением газообразных веществ из технологической системы водоснабжения и из сточных вод. Из всех видов химических производств наибольшее загрязнение дают те, где изготавливаются или используются лаки и краски. Это связано с тем, что лаки и краски часто изготавливают на основе алкидных и иных полимерных материалов, а также нитролаков, обычно они содержат большой процент растворителя. Выбросы антропогенных органических веществ в производствах, связанных с применением лаков и красок составляет 350 тыс. т в год, остальные производства химической промышленности в целом выделяют 170 тыс. т год. В отличие от стационарных источников загрязнение воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически всегда имеет локальный характер. Так, концентрации загрязнений, производимых автомобильным транспортом, быстро уменьшаются по мере отдаления от транспортной магистрали, а при наличии достаточно высоких преград (например, в закры­тых дворах домов) могут снижаться более чем в 10 раз. В целом выбросы автотранспорта значительно более токсичны, чем выбросы, производимые стационарными источниками. Наряду с угарным газом, окислами азота и сажей (у дизельных автома­шин) работающий автомобиль выделяет в окружающую среду бо­лее 200 веществ и соединений, обладающих токсическим дейст­вием. Среди них следует выделить соединения тяжелых металлов и некоторые углеводороды, особенно бензапирен, обладающий вы­раженным канцерогенным эффектом. Несомненно, что в ближайшем будущем загрязнение воздуш­ного бассейна городов автомобильным транспортом будет пред­ставлять наибольшую опасность. Это объясняется главным обра­зом тем, что в настоящее время еще не существует кардинальных решений данной проблемы, хотя нет недостатка в отдельных тех­нических проектах и рекомендациях. Кратко охарактеризуем ос­новные направления решения проблемы уменьшения загрязнения окружающей среды автотранспортом. Совершенствованиедвигателя внутреннего сгорания. Это тех­нически вполне реальное направление может снизить удельное потребление топлива на 10—15%, а также уменьшить объемы вы­бросов на 15—20%. Бесспорно, что этот путь может стать весьма эффективным в самое ближайшее время, поскольку не требует серьезных перестроек ни в автомобилестроении, ни в системе об­служивания и эксплуатации автомобиля. Здесь следует лишь учесть то, что реальный экологический эффект этих мероприятий не столь высок, как представляется на первый взгляд, поскольку, например, снижение объемов выбросов угарного газа в значитель­ной мере восполняется увеличением выбросов окислов азота. Перевод двигателя внутреннего сгорания на газообразное топ­ливо. Существующий многолетний опыт эксплуатации автомобиля на пропан-бутановых смесях показывает высокий экологический эффект. В автомобильных выбросах резко снижается количество угарного газа, тяжелых металлов и углеводородов, однако уровень выбросов окислов азота остается достаточно высоким. Кроме того, применение газовых смесей пока возможно лишь на грузовых ав­томобилях и требует налаживания системы газозаправочных стан­ций, поэтому возможности данного решения в настоящее время еще ограничены. Перевод двигателя внутреннего сгорания на водородное топ­ливо часто рекламируется как чуть ли не идеальное решение проблемы, однако при этом часто забывают, что окислы азота об­разуются и при использовании водорода и что добыча, горение и транспортировка больших объемов водорода связаны с большими техническими трудностями, небезопасны и весьма накладны в эко­номическом отношении. В городе, насчитывающем несколько сот тысяч автомобилей, пришлось бы иметь громадные запасы водо­рода, одно хранение которых потребовало бы (для обеспечения безопасности населения) отчуждения громадных территорий. Если учесть при этом, что это дополнялось бы развитой сетью запра­вочных станций, то такой город был бы весьма небезопасен для его жителей. Даже если предположить, что будет найдено эконо­мически приемлемое решение проблемы хранения водорода (в том числе в самих автомобилях) в связанном состоянии, то эта проб­лема, по нашему мнению, едва ли будет перспективной в ближай­шие десятилетия. Замена автомобиля электромобилем также весьма интенсивно рекламируется в популярной литературе, однако в настоящее время она столь же мало реальна, как и предыдущее предложе­ние. Во-первых, даже самые совершенные аккумуляторы наряду со значительным собственным весом, ухудшающим параметры ав­томобиля, требуют для своей зарядки энергии в несколько раз больше, чем ее затрачивает при равной работе обычный автомо­биль. Тем самым электромобиль, являясь самым расточительным, в энергетическом отношении, средством транспорта, снижая загрязнение среды в месте своей эксплуатации, резко увеличивает его в месте производства энергии. Во-вторых, производство акку­муляторов требует значительного количества ценных цветных ме­таллов, дефицит которых растет едва ли не быстрее, чем дефицит нефти и газа. И, в-третьих, электромобиль, практически «чистый» для городской улицы, не является таковым для самого автомоби­листа, поскольку при работе аккумуляторов происходит постоян­ное выделение многих токсичных веществ, которые неизбежно по­падают в салон электромобиля. Даже если предположить, что все вышеуказанные проблемы были бы технически разрешены, следует учесть, что на перестройку всей автомобильной промышленности, смену автопарка, перестройку систем обслуживания и эксплуата­ции транспортных средств потребовались бы не один десяток лет и несколько десятков, если не сотен миллиардов долларов. Поэтому аккумуляторный автомобиль едва ли сможет стать перспективным решением проблемы загрязнения окружающей среды автотранс­портом.
Помимо разобранных выше существуют десятки других техни­ческих решений, многие из которых доводятся до опытных образ­цов. Среди них есть как бесперспективные, например автомобиль с маховиковым аккумулятором, который может хорошо двигаться лишь по идеально ровной и прямой дороге – в противном случае гироскопический эффект маховика будет серьезно мешать управ­лению, так и достаточно перспективные «гибридные» конструкции. Среди последних весьма любопытна идея грузового троллейбуса с аккумулятором для межлинейных передвижений, реализация ко­торой, при условии совершенствования токоприемников и реконст­рукции токоприводов, может резко уменьшить загрязнение воздуш­ного бассейна, в особенности в центрах городов.
Помимо совершенствования самих средств транспорта серьез­ный вклад в снижение загазованности атмосферы городов могут внести планировочные мероприятия, мероприятия по совершенст­вованию управления автомобильными потоками и мероприятия по рационализации перевозок внутри города. Создание в городах еди­ной автоматизированной системы управления перевозками может резко снизить пробег автомобилей в черте города и соответственно уменьшить загрязнение его воздушного бассейна. Результатом загрязнения атмосферы становится такое характерное для множества крупных городов явление, как фотохимический туман (смог) Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят: озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединенияперекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает 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, в течение не менее суток, повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. 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 дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной 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 системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем. Характеризуя загрязнение воздушного бассейна города, необ­ходимо упомянуть о том, что оно подвержено заметным колебани­ям, вызываемым как погодными условиями, так и режимом рабо­ты предприятия и автотранспорта. Как правило, загазованность атмосферы днем больше, чем ночью, зимой больше, чем летом, но и здесь встречаются исклю­чения, связанные, например, с фотохимическим смогом в летнее время или образованием над городом застойных масс загрязнен­ного воздуха в ночное время. Для городов, расположенных в раз­личных климатических зонах и находящихся в специфических ландшафтных условиях, характерны различные типы критических си­туаций, во время которых загазованность атмосферы может дости­гать критических значений, но во всех случаях они связываются с продолжительной безветренной погодой. Загрязнение атмосферного воздуха является самой серьезной экологической проблемой современного города, оно наносит зна­чительный ущерб здоровью горожан, материально-техническим объектам, расположенным в городе (зданиям, объектам, сооруже­ниям, промышленному и транспортному оборудованию, коммуни­кациям, промышленной продукции, сырью и полуфабрикатам) и зеленым насаждениям. Многие техногенные вещества, попадающие в воздушную среду городов, являются опасными загрязнителями. Они наносят ущерб здоровью людей, живой природе, материальным ценностям. Некоторые из них в силу длительного существования в атмосфере переносятся на большие расстояния, из-за чего проблема загрязнения превращается из локальной в международную. В основном это касается загрязнений окислами серы и азота. Быстрое накопление этих загрязнителей в атмосфере Северного полушария (годовой прирост 5%) породило такое явление, как кислые и подкисленные осадки. Они подавляют биологическую продуктивность почв и водоемов, особенно тех из них, которые обладают собственной высокой кислотностью. Разберем для примера лишь воздействие загрязнения воздуш­ного бассейна на материально-технические объекты только одним компонентом – сернистым газом, выбрасываемым в атмосферу го­родов при сжигании топлива. Как показывают многочисленные исследования, повышенная концентрация сернистого газа в воздухе резко увеличивает корро­зию металлов. Так, по данным шведских исследователей, особенно интенсивной является коррозия углеродистой стали в городах со значительным увлажнением воздуха и в особенности прилегаю­щих к морским побережьям. Так, в Стокгольме наблюдается уве­личение скорости коррозии в сравнении с Кируной, находящейся в субарктической зоне, более чем в 15 раз. Хромированные покры­тия в тех же условиях разрушаются в 2-3 раза быстрее. Легко заметить, что с удорожанием стоимости промышленного оборудования и промышленной продукции ущерб, наносимый за­грязнением воздушного бассейна, будет неуклонно возрастать. Более того, оказывается, что уже сейчас целый ряд наиболее пере­довых отраслей промышленности, таких как электроника, точное машиностроение и приборостроение, испытывают серьезные за­труднения в своем развитии на территории городов. Предприятиям этих отраслей приходится затрачивать немалые средства на очист­ку воздуха, поступающего в цеха, и, несмотря на это, на производ­ствах, расположенных в крупных городах, нарушения технологии, вызванные загрязнением воздушного бассейна, учащаются с каж­дым годом. Но даже если в цехах при производстве высокоточной и высококондиционной продукции можно создать условия, близ­кие к идеальным, то, выходя за пределы цеха, она начинает под­вергаться разрушающему воздействию загрязняющих веществ и может быстро терять свое качество.
Таким образом, загрязнение воздушного бассейна становится реальным тормозом научно-технического прогресса в городах, дей­ствие которого будет постоянно усиливаться по мере повышения требований к чистоте технологий, росту точности промышленного оборудования и распространению микроминиатюризации.
Подобный же рост ущерба наблюдается при ускоренном разрушении фа­садов зданий в загрязненной атмосфере городов. Шумовое загрязнение городов Наряду с загрязнением воздушного бассейна на здоровье че­ловека отрицательно сказываются многие другие факторы окру­жающей среды городов. Шумовое загрязнение в городах практически всегда имеет ло­кальный характер и преимущественно вызывается средствами транспорта – городского, железнодорожного и авиационного. Уже сейчас на главных магистралях крупных городов уровни шумов превышают 90 дБ и имеют тенденцию к усилению ежегодно на 0,5 дБ, что является наибольшей опасностью для окружающей среды в районах оживленных транспортных магистралей. Как по­казывают исследования медиков, повышенные уровни шумов спо­собствуют развитию нервно-психических заболеваний и гипертони­ческой болезни. Борьба с шумом, в центральных районах городов затрудняется плотностью сложившейся застройки, из-за которой невозможно строительство шумозащитных экранов, расширение магистралей и высадка деревьев, снижающих на дорогах уровни шумов. Таким образом, наиболее перспективными решениями этой проблемы являются снижение собственных шумов транспортных средств (особенно трамвая) и применение в зданиях, выходящих на наиболее оживленные магистрали, новых шумопоглощающих материалов, вертикального озеленения домов и тройного остекле­ния окон (с одновременным применением принудительной вентиля­ции). Особую проблему составляет увеличение уровня вибрации в го­родских районах, главным источником чего является транспорт. Данная проблема мало исследована, однако несомненно, что ее значение будет возрастать. Вибрация способствует более быстрому износу и разрушению зданий и сооружений, но самое существен­ное, что она может отрицательно влиять на наиболее точные тех­нологические процессы. Особенно важно подчеркнуть, что наиболь­ший вред вибрация приносит передовым отраслям промышленно­сти и соответственно ее рост может оказывать ограничивающее влияние на возможности научно-технического прогресса в городах. Загрязнение водного бассейна Загрязнение водного бассейна в городах следует рассматри­вать в двух аспектах – загрязнение воды в зоне водопотребления и загрязнение водного бассейна в черте города за счет его стоков. Загрязнение воды в зоне водопотребления является серьезным фактором, ухудшающим экологическое состояние городов. Оно производится как за счет сброса части неочищенных стоков го­родов и предприятий, расположенных выше зоны водозабора дан­ного города и загрязнения воды речным транспортом, так и за счет попадания в водоемы части удобрений и ядохимикатов, вно­симых на поля. Причем, если с первыми видами загрязнения мож­но путем строительства очистных сооружений бороться эффектив­но, то предотвратить загрязнение водного бассейна, производимое сельскохозяйственными мероприятиями, очень сложно. В зонах по­вышенного увлажнения около 20% удобрений и ядохимикатов, вносимых в почву, попадает в водотоки. Это, в свою очередь, мо­жет приводить к эвтрофикации водоемов, которая еще больше ухудшает качество воды. Важно заметить, что водоочистные сооружения водопроводов не в состоянии очистить питьевую воду от растворов указанных ве­ществ, поэтому питьевая вода может содержать их в себе в повы­шенных концентрациях и отрицательно повлиять на здоровье че­ловека. Рост химизации сельского хозяйства неизбежно будет при­водить к увеличению количества удобрений и ядохимикатов, вно­симых в почву, и соответственно с этим их концентрация в воде будет увеличиваться. Борьба с таким видом загрязнений требует использования удо­брений и ядохимикатов в зонах водосбора исключительно в гра­нулированной форме, разработки и внедрения быстроразлагающихся ядохимикатов, а также биологических методов защиты ра­стений. Города также являются мощными источниками загрязнения водного бассейна. В крупных городах в расчете на одного жителя (с учетом загрязненных поверхностных стоков) ежесуточно сбрасы­вается в водоемы около 1 м3 загрязненных стоков. Поэтому города нуждаются в мощных очистных сооружениях. Еще в Древнем Риме строили акведуки для снабжения свежей водой и “Cloaca maxima” - канализационную сеть, бассейна отстойника и тем самым предотвращение засорения канализации и образования продуктов гниения (“дортмундские колодцы” и “ эмские колодцы”). Другим методом обезвреживания сточных вод была их очистка с помощью полей орошения, т. е. спуск сточных вод на специально подготовленные поля. При Однако лишь в середине прошлого столетия начались разработка методов очистки сточных вод и систематическое строительство канализационных сетей в городах. Сначала были созданы установки механической очистки. Сущность этой очистки заключалась в осаждении находящихся в сточных водах твердых частиц на дно, при просачивании через песчаный грунт сточные воды отфильтровывались и осветлялись. И только после открытия в 1914 г. Биологического (живого) ила появилась возможность разработки современных технологий очистки сточных вод, включающих в себя возврат (рецикл) биологического ила в новую порцию сточных вод и одновременную аэрацию суспензии. Все методы очистки сточных вод, разработанные в последующие годы и до настоящего времени, не содержат никаких существенно новых решений, а лишь оптимизируют разработанный ранее метод, ограничиваясь различными комбинациями известных стадий технологического процесса. Исключение составляют физико-химические методы очистки, в которых используются физические методы и химические реакции, специально подобранные для удаления веществ, содержащихся в сточных водах (табл. 2). Сточные воды предприятий (например, нефтеперерабатывающих) вначале подвергаются физико-химической очистке, а затем биологической. Содержание вредных веществ в сточных водах, поступающих на биологическую очистку не должно превышать определенных значений (табл. 3). Таблица 2. Физико-химическая очистка сточных вод 1 Нейтрализация 2 Флокуляция (объединение коллоидных частиц в рыхлые хлопьевидные агрегаты) и осаждение 3 Умягчение сточных вод 4 Очистка скребками и перегонка 5 Адсорбция, ионный обмен, экстракция 6 Обратный осмос и ультрафильтрация 7 Удаление аммиака биологические методы (нитрификация) физико-химические методы (очистка, ионный обмен, обратный осмос, отгонка с паром) 8 Окислительная очистка сточных вод сжигание влажное окисление · H2O2 / Fe2+ (реагент Фентона) · O3 (озонирование) Таблица 3. Предельные значения концентрации загрязняющих веществ в сточных водах нефтеперегонных заводов, направляемых на биологическую очистку Вещества и параметры
Предельные значения Масла и жиры Сульфиды Осаждаемые вещества Тяжелые металлы (например, Ni, Cr) Менее предела токсичности для организмов PH 5 -9 Температура Таблица 4. Усредненные характеристики просачивающихся вод из хранилищ (свалок) городского бытового мусора (через 6-8 лет после закладки на хранение) Значение pH 6,5 - 9,0 Сухой остаток 20000 мл / л Нерастворимые вещества 2000 мг / л Электрическая проводимость (20 оС) 20000 мкСм / см Неорганические компоненты Соединения щелочных и щелочноземельных металлов (в расчете на металл) 8000 мг / л Соединения тяжелых металлов (в расчете на металл) 10 мг / л Соединения железа (общее Fe) 1000 мг / л NH4 1000 мг / л SO2- 1500 мг / л HCO3 10000 мг / л Органические компоненты БПК (биохимическое потребление кислорода за 5 суток) 4000 мг / л ХПК (химическое потребление кислорода) 6000 мг / л Фенол 50 мг / л Детергент 50 мг / л Вещества, экстрагируемые метиленхлоридом 600 мг / л Органические кислоты отгоняемые водяным паром (в расчете на уксусную кислоту) 1000 мг / л Но эксплуатация многих станций на основе ила связано со значительными трудностями. Так, при работе станции биоло­гической очистки сточных вод городов образуется около 1,5-2 т отработанного ила в год в расчете на одного жителя. Использова­ние этого ила в качестве удобрения для столовых сельскохозяйст­венных культур недопустимо, так как он содержит в себе большое количество токсических веществ, не подлежащих разложению. В настоящее время такой ил складируется на суше, занимая значи­тельные территории, и вызывает загрязнение почвенных вод. При­чем из ила, прежде всего, вымываются наиболее токсические эле­менты, содержащие соединения тяжелых металлов, представляющие особую опасность для биосферы. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Из металлов наиболее токсичными являются ртуть, медь, цинк, а также кадмий. Наиболее перс­пективным решением этой проблемы является внедрение в прак­тику технологических систем, предусматривающих получение из ила газа с последующим сжиганием остатков иловой массы. Особую проблему представляет проникновение загрязненных поверхностных стоков в подпочвенные воды. Поверхностные стоки городов всегда имеют повышенную кислотность. Если под городом располагаются меловые отложения и известняки, проникновение в них закисленных вод неизбежно приводит к возникновению антропогенного карста. Пустоты, образующиеся в результате антропогенного карста непосредственно под городом, могут представлять серьезную угрозу для зданий и сооружений, поэтому в городах, в которых существует реальный риск его возникновения, необхо­дима специальная геологическая служба по прогнозу и предотвра­щению его последствий. Микроклиматические характеристики городов Хозяйственная деятельность, планировка жилых кварталов, ограниченное количество зеленых насаждений приводят к тому, что в городах, особенно крупных, складывается свой микроклимат, который в целом ухудшает его экологические характеристики. В безветренные дни над крупными городами на высоте 100-150 м может образовываться слой температурной инверсии, кото­рый задерживает загрязненные массы воздуха над территорией города. Это наряду со значительными тепловыми выбросами и ин­тенсивным нагревом каменных, кирпичных и железобетонных со­оружений приводит к нагреву центральных районов города. В зим­ние безветренные дни перепад температур воздуха между цент­ром и окраинами Петербурга может достигать 10° С. Значительная загазованность воздушного бассейна, в свою очередь, приводит к уменьшению инсоляции и сокращению поступ­ления к поверхности земли ультрафиолетового излучения. Это от­рицательно влияет на здоровье горожан, поскольку при понижен­ной инсоляции замедляется выведение из организма ряда токси­ческих веществ, в частности тяжелых металлов и их соединений, помимо этого пониженная инсоляция тормозит синтез в организ­ме ряда важных ферментов. Между тем жители больших городов очень часто, особенно в зимнее время, испытывают дефицит инсо­ляции. Особо следует сказать о неблагоприятных ветровых режимах, возникающих во многих районах новостроек со свободной за­стройкой. Хорошо известно, что перепады атмосферного давления, в особенности его снижение, весьма неблагоприятно сказываются на самочувствии людей, страдающих сердечно-сосудистыми забо­леваниями. Вместе с тем во многих районах новостроек из-за не­рациональной планировки кварталов в отдельных их точках могут наблюдаться местные падения атмосферного давления. Так, в не­больших промежутках между двумя крупными домами при опре­деленных направлениях ветра скорость ветровых потоков может значительно возрастать. Согласно законам аэродинамики в этих точках происходит местное падение атмосферного давления (до десятков миллибар), которое с внутренней стороны квартала при­обретает пульсирующий характер (частота около 5-6 Гц). Зона подобного пульсирующего давления распространяется на 15-20м в стороны от промежутка между домами. Сходное, хотя и менее четко выраженное положение наблюдается и на верхних этажах зданий с плоской кровлей. Излишне говорить, что пребывание в этих зонах людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболева­ниями, может отрицательно влиять на их здоровье.
Решение данной проблемы постоянно требует проведения в районах новостроек комплекса мер по нормализации ветрового режима в отдельных микрорайонах за счет более рациональной планировки кварталов, строительства ветрозащитных сооружений и высадки зеленых насаждений. Зеленые насаждения в городах
Наличие в городах зеленых насаждений является одним из наиболее благоприятных экологических факторов. Зеленые насаж­дения активно очищают атмосферу, кондиционируют воздух, сни­жают уровень шумов, препятствуют возникновению неблагоприят­ных ветровых режимов, кроме того, зелень в городах благотворно действует на эмоциональное состояние человека. При этом зеле­ные насаждения должны быть максимально приближены к месту жительства человека, только тогда они могут оказывать макси­мальный положительный экологический эффект. Однако в городах зеленые насаждения расположены крайне неравномерно. Так, в Санкт-Петербурге при общей обеспеченности зеле­ными насаждениями около 20 м2 на одного жителя степень обес­печенности населения зелеными насаждениями колеблется в пределах от 31,5 м2 на жителя в северо-западных районах до 5 м2— в центральных. Понятно, что в центральных районах городов практически невозможно отыскать более или менее значительные площади для расширения зеленых насаждений, тем более следует максимально использовать имеющиеся возможности. Здесь наибо­лее перспективным является развитие вертикального озеленения, возможности которого весьма широки. Зеленое строительство в районах новостроек также сопряжено с немалыми трудностями как технического, так и экономического характера. Стоимость озеленения 1 га территории обходится в среднем в 20 тыс. руб., а устройство газона на той же территории – 6 тыс. руб. Озеленение мелких участков стоит еще дороже, достигая 10-15 тыс. руб. за 1 м2. Ясно, что в последнем случае де­шевле и проще асфальтировать дворовую территорию, чем озеле­нять ее. В техническом отношении зеленое строительство затруд­няется захламленностью территории новостроек и захораниванием в почве отходов строительства. Однако максимально возможное озеленение городских территорий относится к числу наиболее важ­ных экологических мероприятий в городах. Завершая разбор основных факторов, формирующих экологи­ческое состояние в городах, остановимся еще на одной проблеме, непосредственно связанной с экологией человека. Выше указыва­лись факторы, формирующие окружающую среду городов, между тем взрослый житель крупного города в будний день подавляющую часть времени проводит в замкнутых пространствах – 9 час. на работе, 10-12 – дома и не менее часа в транспорте, магазинах и других общественных местах и, таким образом, непосредственно соприкасается с окружающей средой города приблизительно 2-3 часа в день. Этот факт заставляет обратить особенно серьезное внимание на экологические характеристики производственной и жилой сред. Создание в замкнутых пространствах комфортных условий и прежде всего очищенного кондиционированного воздуха и понижен­ного уровня шумов может значительно уменьшить отрицательное влияние городской среды на здоровье человека, да и мероприятия эти требуют относительно небольших материальных затрат. Ре­шению этого вопроса, однако, пока еще уделяется недостаточно внимания. В частности, даже в новейших проектах жилых домов часто не предусматриваются конструктивные возможности уста­новки кондиционеров и воздушных фильтров. Помимо этого, в пределах самой жилой среды действует немало факторов, влия­ющих на ее качество. К ним следует отнести газовые кухни, зна­чительно повышающие загазованность жилой среды, пониженную влажность воздуха (при наличии центрального отопления), нали­чие значительного количества разнообразных аллергенов – в ков­рах, мягкой мебели и даже в теплоизолирующих материалах, употребляемых при строительстве, и многие другие факторы. От­рицательные последствия всего указанного выше должны не толь­ко предусматриваться при новом строительстве и капитальном ре­монте, но и требуются активные действия по улучшению качества жилой среды от каждого горожанина. Проблема городских отходов. До эры агломераций утилизация отходов была облегчена благодаря всасывающей способности окружающей среды: земли и воды. Крестьяне, отправляя свою продукцию с поля сразу к столу, обходясь без переработки, транспортировки, упаковки, рекламы и торговой сети, привносили мало отходов. Овощные очистки и тому подобное скармливалось или использовалось в виде навоза как удобрение почвы для урожая будущего года. Передвижение в города привело к совершенно иной потребительской структуре. Продукцию стали обменивать, а значит, упаковывать для большего удобства. В настоящее время жители Нью-Йорка выбрасывают в день в общей сложности около 24000 т материалов. Эта смесь, состоящая в основном из разнообразного хлама, содержит металлы, стеклянные контейнеры, макулатуру, пластик и пищевые отходы. В этой смеси содержится большое количество опасных отходов: ртуть из батареек, фосфоро-карбонаты из флюорисцентных ламп и токсичные химикаты из бытовых растворителей, красок и предохранителей деревянных покрытий. Город размером с Сан-Франциско располагает большим количеством алюминия, чем небольшая бокситовая шахта, меди – чем средняя медная копия, и большим количеством бумаги, чем можно было бы получить из огромного количества древесины. С начала 70-х до конца 80-х в России бытовых отходов стало в 2 раза больше. Это миллионы тонн. Ситуация на сегодняшний день представляется следующей. С 1987 года количество мусора по стране увеличилось в два раза и составило 120 млрд. т в год, учитывая промышленность. Сегодня только Москва выбрасывает 10 млн. т. промышленных отходов примерно по 1 т на каждого жителя! Как видно из приведенных примеров масштабы загрязнения окружающей среды городскими отходами таковы, что острота проблемы нарастает с каждым днём. Пути решения проблемы При разработке совместимой с окружающей средой системы переработки отходов ставятся следующие (по порядку важности) главные задачи: Снижение количества отходов уже в процессе производства продукции. Уменьшение отходов за счет их сортировки при сборе. Широкое вторичное использование материалов, полученных из отходов. Удаление остающихся после переработки отходов с минимально возможным риском для окружающей среды и здоровья человека. Виды утилизации отходов: * складирование; * сжигание; * компостирование (неприменимо для отходов, содержащих токсичные вещества); * пиролиз. Около 90 % отходов в США до сих пор закапывается. Но свалки в США быстро заполняются, и страх перед загрязнениями подземных вод делает их нежелательными соседями. Эта практика заставила людей во многих населенных пунктах страны прекратить потребление воды из колодцев. Желая уменьшить этот риск, власти Чикаго с августа 1984 г. объявили мораторий на разработку новых площадей под свалку до тех пор, пока не будет разработан новый вид мониторинга, следящего за перемещением метана, так как если не проконтролировать его образование, он может взорваться.
Даже простое захоронение отходов является дорогостоящим мероприятием. С 1980 по 1987 гг. стоимость захоронения отходов в США возросла с 20 до 90 долларов за 1 т. Тенденция к удорожанию сохраняется и сегодня. В густо населенных районах Европы способ захоронения отходов, как требующий слишком больших площадей и способствующий загрязнению подземных вод, был предпочтен другому – сжиганию.
Первое систематическое использование мусорных печей было опробовано в Нотингеме, Англия, в 1874 г. Сжигание сократило объем мусора на 70-90 %, в зависимости от состава, поэтому оно нашло свое применение по обе стороны Атлантики. Густонаселенные и наиболее значимые города вскоре внедрили экспериментальные печи. Тепло, выделяемое при сжигании мусора, стали использовать для получения электрической энергии, но не везде эти проекты смогли оправдать затраты. Большие затраты на них были бы уместны тогда, когда не было бы дешевого способа захоронения. Многие города, которые применили эти печи, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха.(табл. 5,6). Но и в настоящее время в развитых странах сжигаются до 50% всех отходов. Таблица 5. Эмиссия вредных веществ из установок сжигания мусора (мг / л) Вредные вещества Содержание в неочищенных дымовых газах HCl 400 .1150 HF 2 .20 SO2 200 .800 NOх 150 .400 CO 20 .600 Органические вещества 300 .500 Пыль 800 .15000 Таблица 6. Среднее содержание металлов в пылеобразных частицах дыма мусоросжигательной печи (10 проб, среднее содержание пыли в отходящих топочных газах 88 мг / м3 ) Состав пыли Концентрация, мг / м3 Состав пыли Концентрация, мг / м3 Алюминий 12,056 Олово 0,167 Цинк 3,080 Кадмий 0,071 Свинец 1,760 Хром 0,044 Медь 0,185 Ртуть 0,001 Захоронение отходов осталось в числе наиболее популярных методов решения данной проблемы. Примерно 2/3 всех отходов бытового и производственного происхождения складируют в хранилищах-свалках. Такие хранилища занимают большие площади, являются источниками шума, пыли и газов, образующихся в результате химических и анаэробных биологических реакций в толще, а также источниками загрязнения грунтовых вод в результате образования на открытых свалках просачивающихся вод. Наиболее перспективным способом решения проблемы является переработка городских отходов. Получили развитие следующие основные направления в переработке: органическая масса используется для получения удобрений, текстильная и бумажная макулатура используется для получения новой бумаги, металлолом направляется в переплавку. Основной проблемой в переработке является сортировка мусора и разработка технологических процессов переработки. Экономическая целесообразность способа переработки отходов зависит от стоимости альтернативных методов их утилизации, положения на рынке вторсырья и затрат на их переработку. Долгие годы деятельность по переработке отходов затруднялась из-за того, что существовало мнение, будто любое дело должно приносить прибыль. Но забывалось то, что переработка, по сравнению с захоронением и сжиганием, наиболее эффективный способ решения проблемы отходов, так как требует меньше правительственных субсидий. Кроме того, он позволяет экономить энергию и беречь окружающую среду. И поскольку стоимость площадей для захоронения мусора растет из-за ужесточения норм, а печи слишком дороги и опасны для окружающей среды, роль переработки отходов будет неуклонно расти. Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. Более 70% поверхности Земли занята морями и океанами, что породило миф о том, что они могут бесконечно служить источником обезвреживания и приемником всех видов отходов человеческой деятельности. Суровая реальность развенчала эту опасную иллюзию. Мировой Океан при всей своей необъятности уязвим, как любая другая природная система. Поэтому дампинг(сброс отходов в море) рассматривается как вынужденная мера, временная дань общества несовершенству технологии. В шлаках промышленных производств присутствуют разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов. Бытовой мусор в среднем содержит (на массу сухого вещества) 32-40% органических веществ; 0,56% азота; 0,44% фосфора; 0,155% цинка; 0,085% свинца; 0,001% ртути; 0,001% кадмия. По данным ООН, ежегодно в мировой океан попадает 50 000 тонн пестицидов, 5000 тонн ртути, 10 000 000 тонн нефти и множество других загрязнителей. Количество ежегодно по­падающих из антропогенных источников со сто­ком рек в воды морей и океанов железа, марган­ца, меди, цинка, свинца, олова, мышьяка, нефти превышает бьем этих веществ поступающих в результате геологических процессов. Дно миро­вого океана, в том числе и глубоководные впади­ны, все шире используются для захоронения особо опасных токсических веществ (включая "морально устаревшие" боевые отравляющие ве­щества), а также радиоактивных материалов. Так, с 1946 по 1970 год США захоронили у Ат­лантического побережья страны около 90 000 контейнеров с отходами общей радиоактивно­стью примерно 100 000 кюри, а европейские страны сбросили в океан отходов общей радиоак­тивностью 500 000 кюри. В результате раз герме­тизации контейнеров наблюдаются случаи опас­ного заражения вод и природной среды в местах этих захоронений
Во время сброса и прохождения материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и не едко к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению металлов в растворенной форме, появлению сероводорода. Присутствие большого количества органических веществ создает в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов. Воздействию сбрасываемых материалов в разной степени подвергаются организмы бентоса и др. В случае образования поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на границе воздух - вода. Загрязняющие вещества, поступающие в раствор, могут аккумулироваться в тканях и органах гидробиантов и оказывать токсическое воздействие на них. Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мутность приданной воды приводит к гибели от удушья малоподвижные формы бентоса. У выживших рыб, моллюсков и ракообразных сокращается скорость роста за счет ухудшения условий питания и дыхания. Нередко изменяется видовой состав данного сообщества. При организации системы контроля над сбросами отходов в море решающее значение имеет определение районов дампинга, определение динамики загрязнения морской воды и донных отложений. Для выявления возможных объемов сброса в море необходимо проводить расчеты всех загрязняющих веществ в составе материального сброса.
Заключение Итак, мною были рассмотрены некоторые аспекты экологической обстановки в городах, а также взаимоотношения городов с окружающей средой. Чтобы полностью не разрушить место своего обитания, человеку необходимо очень бережно относиться к окружающей среде. Экологическая ситуация вызывает необходимость оценивать последствия любой деятельности, связанной с вмешательством в природную среду. Список использованной литературы 1. Экологическая химия. Пер.с нем. Под редакцией Ф.Корте М.,Мир 1996 2. Экзодинамические процессы освоенных территорий. Горшков С.П. М Недра,1982 3. Экологические альтернативы НТР. Олейников Ю.В. М.,Наука, 1987 4. Города и окружающая среда. Космические исследования. М., Мысль,1982