Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
17.3. Информационные особенности техногенеза. При техногенезе вландша наряду сводными, воздушными биотическими и биокосными связями возникли новые социальные (между общественными группами людей) и природно-социальные, которые приобрели важнейшее значение. В техногенных ландшафтахпреобладает специфическая "социальная информация, намного расширились скорость и способы ее передачи (печать, радио, телевидение и т.д.). Произошел информационный взрыв, хотя биологическая информация часто уменьшается. Потеря природной информации с избытком компенсируется ростом техногенной. В целом в геохимическом отношении техногенные ландшафты разнообразнее природных. Рост разнообразия в ноосфере, уменьшение в ней энтропии сопряжены с огромным увеличением энтропии в земной коре- рассеянием месторождений полезных ископаемых, сжиганием угля, нефти, горючих сланцев и газов, распадом ядер урана и плутония. 17.4. Эволюция техногенеза. В первобытном обществе эффект техногенеза был незначительным, но уже в государствах античного мира, коренным образом изменивших ландшафт долин крупных рек, техногенез стал важным геохимическим фактором. Поэтому этап геологической истории, начавшийся около 8000 лет назад, В.А. Зубаков предложил называть технозойским, или техногеем. В XX в. техногенез стал главным геохимическим фактором на поверхности Земли. По ЕМ. Сергееву, ежегодно добывается около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов, горные и строительные работы перемещают не менее 1 км горных пород, что соизмеримо с денудационной работой рек. В.А. Ков- да подчеркивал, что "диспергирование и эолизация вещества суши" ведут к возрастанию геохимической роли поверхностной энергии, сорбции. Мощность производства удваивается каждые 15 лет. Поэтому существенное отличие ноосферы от биосферы — огромное ускорение геохимических процессов. 17.5. Загрязнение окружающей среды. Это важное и нежелательное следствие техногенеза. Ярким примером служат т.н. "кислотные дожди. Они связаны с работой сернокислотных суперфосфатных, медепавильных и ферросплавных заводов, котельных ГРЭС, ТЭЦ, бытовых топок, которые выбрасывают в воздух много Последний, окисляясь и растворяясь в атмосферных осадках, дает серную кислоту. "Кислые дожди" увеличивают число легочных заболеваний, осложняют земледелие, разрушают памятники архитектуры. Принос ветрами в Скандинавию из Англии и ФРГ привел к вымиранию лососей (рыба исчезала в тех водоемах, рН которых понизился до 4,0. В канадской провинции Онтарио из -закис- лых дождей, поступающих из США, стали безжизненными более 148 озер. 214 Полагают, что в среднем около 30% окислов серы атмосферных осадков имеет техногенное происхождение (в умеренной зоне Северного полушария до 50%). Кислые дожди характерны и для отдельных регионов России. Следуя закону Вернадского о ведущей геохимической роли живого вещества, МА. Глазовская предложила незагрязненными считать такие биокосные системы, в которых колебания концентрации и баланс форм нахождения техногенных веществ не нарушают газовые, концентрационные и окислительно -восстановительные функции живого вещества, не вызывают нарушения биогеохимических пищевых цепей, количества и качества биологической продукции, не снижают ее генетическое разнообразие. Нарушение названных условий означает техногенную трансформацию или разрушение природной системы. Загрязнение среды серьезная проблема XX в. 17.6. Техногенные процессы. Известно два геохимических типа техногенной миграции (рис. Рис. 17.3. Геохимические типы техногенной миграции Техногенная миграция, унаследованная от биосферы, но измененная в ноосфере. Также, как ив биосфере, в техногенных ландшафтах протекает биологический круговорот, элементы мигрируют вводах и атмосфере. Это позволяет устанавливать ряды миграции, типоморфные элементы, коэффициенты биологического поглощения. Такие понятия, как "биомасса, "ежегодная продукция, "дефицитные и избыточные элементы, применимы и к техногенезу. Для характеристики техногенных ландшафтов часто используют коэффициент КВ результате орошения пустынь, осушки болот, строительства гидростанций, использования подземных вод в ноосфере изменяется и круговорот воды. Дефицит пресной воды становится одной из наиболее актуальных проблем. Затрачивая энергию на опреснение морской воды, очистку водопроводной воды, уменьшение ее жесткости и т.д., человечество выступает в роли антиэнтропийного фактора. По сравнению с биосферой для ноосферы характерно еще более грандиозное рассеяние элементов, которые концентрировались природой на протяжении геологической истории. Это увеличивает энтропию. В течение немногих десятилетий отрабатываются крупнейшие месторождения Fe, Си, Рви т.д. Заключенные в них атомы мигрируют на тысячи километров, пересекают океаны и континенты Понятие введенное в термодинамику для определения меры необратимого рассеяния энергии. Упрощенно энтропия – это мера энергетического равновесия, мера устойчивости энергетического состояния (перехода всей энергии в тепловую) (Реймерс, 1990). 215 Геохимическая классификация техногенных процессов. Техногенные процессы могут систематизироваться по режимам (постоянные, периодические, катастрофические, модулям нагрузки на среду, объемам выбросов, источникам загрязнения, химическому составу выбросов, стоков и т.д. Н.П.Солнцева разработала классификацию техногенеза, связанного с добычей и переработкой полезных ископаемых. Эта классификация учитывает типы ответных реакций природных систем на техногенез. С некоторыми дополнениями и изменениями она показана на рис. 17.4. Кроме того, можно различать техногенные и природно- техногенные процессы. Их соотношение показано на рис. Техногенные источники загрязнения. По A.M. Рябчикову, ежегодно в мире создается около 20 млрд. т промышленных отходов, столько же сельскохозяйственных и до 4 млрд. т бытовых. В среднем количество мусора ежегодно возрастает на 2 - 3%. Среди источников загрязнения особенно важно учитывать источники промышленных узлов и городов. Рис. Схема техногенных и природно-техногенных геохимических процессов при добыче ипереработке полезных ископаемых. условиями. Характерное для ноосферы металлическое состояние Fe, Al, Cu, Zn и других металлов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек здесь уменьшает энтропию и тратит много энергии, чтобы получить и содержать металлы в свободном состоянии. Вовсе большем количестве производятся химические соединения, в биосфере не существовавшие, обладающие свойствами, неизвестными у природных материалов (искусственные полимеры, пластмассы и т.д.). Новым является производство атомной энергии, получение радиоактивных изотопов. Наконец, чужды биосфере экспорт - импорт и др. виды миграции, подчиняющиеся социальным законам. Для характеристики подобных процессов недостаточно старых понятий и методов, необходимы новый понятийный аппарат и новые подходы к исследованиям. Рис. Соотношение природных, природно-техногенных и техногенных процессов, миграции, ландшафтов Геохимия городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих 216 веществ. Наиболее опасная экологическая ситуация складывается в крупных промышленных центрах, где происходит кумулятивное воздействие на природную среду и человека различных производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Главными источниками загрязнения являются не утилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы. Особенностью городов является наложение полей загрязнения различных производств и видов хозяйственной деятельности и формирование полиэлементных техногенных геохимических аномалий в воздухе, снежном, почвенном и растительном покровах, поверхностных и грунтовых водах. Рис. 17.6. Систематика техногенных отходов. Техногенные отходы подразделяются на жидкие и твердые преднамеренно собираемые и депонируемые, стоки поступающие в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы) и выбросы рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной формах. При мониторинге техногенные отходы делятся на организованные -поступающие в окружающюю среду через специальные устройства трубы, факелы, очистные сооружения, накопители шлаков, отвалы, поддающиеся контролю и неорганизованные утечки и выбросы загрязняющих веществ в системах трубопроводов, канализации, при авариях, перевозке отходов и т.д.), постоянный контроль которых затруднен. Промышленные отходы С выбросами истоками в крупных промышленных городах поступают ежегодно сотни тысячи даже миллионы тонн загрязняющих веществ. Особую опасность представляют отходы с высокими концентрациями токсичных химических элементов и их соединений, иногда в сотни и тысячи раз превышающими их средние содержания в биосфере. Автотранспорт и теплоэнергетика по объему поллютантов занимают одно из первых мести поставляют в атмосферу продукты сгорания угля, нефти, газа и их производных — мазута, бензина и др. Основными поллютантами являются оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид, пыль, нефтепродукты, токсичные микроэлементы. У автотранспорта это Pb, Cd, Hg, Zn и др, в теплоэнергетике - В, Be, Mo, As, a также полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) 3,4 бензпирен и др, которые включают канцерогены и мутагены. Техногенные аномалии ПАУ образуются вокруг промышленных предприятий, нефтяных промыслов, угольных шахт, автодороги т.д. (Т.М. Белякова, Ю.И. Пиковский, Ф.Я. Ровинский, В.Н. Флоровская и др) - С электротехнический промышленностью связано загрязнение среды полихлорирован- ными бифенилами (ПХБ). Металлургия и металлообработка. Особенно высокие концентрации тяжелых металлов содержатся в выбросах и осадках очистных сооружений гальванических производств, где концентрации Cd, Bi, Sn ив тысячи, а РЬ, Си, Сг, Zn ив сотни раз выше кларков литосферы. Высокими кларками концентрации характеризуются также предприятия по переработке цветных металлов, машиностроительные и металлообрабатывающие заводы, инструментальные цехи, 217 пыли которых отличаются самой широкой ассоциацией загрязнителей (W, Sb, Cd, Hg - тысячи КК; Pb, Bi, Zn, Cu, Ag, Zn и As - сотни и десятки КК). Отдельные производства имеют специфические загрязнители (сварка и выплавка спецсплавов Мп; переработка лома цветных металлов As; металлообработка V; производство никелевого концентрата - - Ni, С, Со алюминия - Al, Be, F, ПАУ и др. Нефтеперерабатывающая, нефтяная, химическая промышленность поставляют в окружающую среду главным образом газообразные соединения - оксиды азота, углерода, диоксид серы, углеводороды, сероводород, хлористые и фтористые соединения, фенолы и др, содержания которых иногда в десятки и сотни раз превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосфере. Таблица 17.1 Состав продуктов сгорания нефти, попутного газа и конденсата Юрубчено-Тохомского месторождения (Битнер, 2010) Вид топлива Выход по компонентам, мг/г СО 2 СО NO SO 2 CH Сажа Нефть 2500 69 0,8 0,5 60 77 Конденсат 3000 6,3 0,4 0,5 10 Газ 2500 1.0 6,7 - 15 Таблица 17.2 Летучие органические продукты горения конденсата Вещество Выход, мкг/г Вещество Выход, мкг/г 2-метидпентан 2,34 3-метидпентан 1,17 гексан 14,3 этилциклобутан 1,5 бензол 14,9 2,3-диметилгексан 5,2 гептан 50,4 метидцикдогексан 4,18 2-метидгептан 10.7 метидбензол 11,02 3-метидгептан 8,85 1,3-диметилциклогексан 3,0 2.3-диметидгептан 50,l 2,6-диметилгептан 1,5 1-этил-1-метилциклопентан 2,13 2,5-диметилгептан 1,0 4-метилоктан 13,2 3-метилоктан 10,0 не идентифицировано 1,34 нонан 24,2 пропилциклогексан 2,34 3-метилнонан 2,18 2-диметилнонан 2,0 не идентифицировано 1,17 2,3,4-триметилгептан 2,67 2-метилнонан 2.67 3-метилнонан 2,0 2,4-диметилгептан 5,0 Летучие органические соединения, идентифицированные в нефти и конденсатах имеют очень широкий спектр. Всего 69 соединений (рис. 17.7), среди которых метилбензол, 1,2 - диметилбензол, нонан, декан, ундекан имеют выход более 20 мкг/г. Спектр летучих органических соединений в продуктах сгорания конденсатов уже (табл. 17.3). Доминирующими веществами в продуктах сгорания являются гептан, 2.3-диметилгептан и нонан. 218 Рис. 17.7. Летучие горючие продукты горения нефти Юрубчено-Тохомского месторождений (Битнер, г) Таблица 17.3 Летучие органические продукты горения конденсата Вещество Выход, мкг/г Вещество Выход, мкг/г 2-метидпентан 2,34 3-метидпентан 1,17 гексан 14,3 этилциклобутан 1,5 бензол 14,9 2,3-диметилгексан 5,2 гептан 50,4 метидцикдогексан 4,18 2-метидгептан 10.7 метидбензол 11,02 3-метидгептан 8,85 1,3-диметилциклогексан 3,0 2.3-диметидгептан 50,l 2,6-диметилгептан 1,5 1-этил-1-метилциклопентан 2,13 2,5-диметилгептан 1,0 4-метилоктан 13,2 3-метилоктан 10,0 не идентифицировано 1,34 нонан 24,2 пропилциклогексан 2,34 3-метилнонан 2,18 2-диметилнонан 2,0 не идентифицировано 1,17 2,3,4-триметилгептан 2,67 2-метилнонан 2.67 3-метилнонан 2,0 2,4-диметилгептан 5,0 0,75 4,2 8,5 13,3 45,6 2,3 1,1 15 75,6 0,7 0,8 0,6 3,1 1,6 2 5 6,1 1 0,8 1,7 0,75 1 20,5 0,7 1,5 1,1 4,7 3,6 1 1 6,5 4 18 12,1 8,8 8 2,7 2,4 1,9 51 0,65 0,75 1,4 1,1 6,5 0,65 1,5 3,5 0,6 1 6,9 0,7 2 0,8 0,8 5,6 5 3,6 0,9 1,1 0,85 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2,6-диметилгептан этилбензол 1,2-диметилбензол 1-этил 4-метилциклогексан,т нонан 3-метилгептан 1,2,3-триметилбензол 2,5-диметилундекан 4-метилдекан 2-этил-1,4-диметилбензол 1-этил-3,5-диметилбензол ундекан 2-метил-5-(1-метилен)циклогексанон пропилциклогексан 1-этил 2,3-диметилциклогексан Пропаннитрил, нитрил, 3-фенилэтиламин 1-этил-2-метилбензол 1,2,4-трибензол 1-этил-4-метил-бензол Не идентифицировано 2-метилпропилбензол нонакозан 4-метилдекан 6-этил-2-метилоктан пентилциклопентан 5-метилдекан пентилциклогексан 2,4-диметилундекан 3-метилдекан 3-этил-2-метилгептан 3-метилундекан 219 Летучие неорганические компоненты сгорания тяжелых фракций нефти Красноярского края судя поданным исследования её микрокомпонентного состава могут содержать хром, мышьяк, цинк, никель, медь и их соединения. Большинство из них (мышьяк, никель, хром и их соединения) концерогенные. Перечисленные пять элементов и их соединения плохо перерабатываются природой и пагубно влияют на все живые организмы. Например, при высоких содержаниях свинца гибнет почвенная микрофлора и поражаются дыхательные пути человека. Сжигание нефтей и веществ загрязненных нефтью способствуют загрязнению биосферы изотопами Sr 89 , S 90 (Безпалый, 1992.) При температурах термической переработки нефти сера, дегидрируя УВ, образует H 2 S. Сульфиды и дисульфиды при этом распадаются, также образуя H 2 S. Остаточная сера объединяет те соединения, которые при температурах переработки нефти не вступают в реакции. Отсюда следует, что H 2 S при термической переработке образуется тем больше, чем меньше в ней остаточной серы. Рис. 17.8. Удельный вес различных сернистых соединений нефти (в % по отношению к общей сере, принятой за 100% (Никитин, 1980) Некоторые химические производства кроме газов поставляют в среду многие микроэлементы коксохимия - Hg - n.1000 КК; производство лакокрасочных изделий - Hg, Cd - n.1000-n.10000КК; синтетического каучука - С - n.100. С заводами по производству фосфорных удобрений связаны высокие уровни загрязнения Р, редкими землями, Sr, F; азотных удобрений - соединениями N и т.д. Целлюлозно-бумажные комбинаты. Они требуют много воды, и со стоками поступают сероводород, фенолы и другие органические загрязнители, представляющие серьезную экологическую опасность для водоемов. Гидрометаллургические заводы (ГМЗ). Независимо от применяемой технологии основными источниками загрязнения природной среды остаются сбросовые воды гидрометал- лургических процессов, емкости подготовки сырого рассола, устройства для промывки сорбента (в случае применения сорбционных технологий, склады химических реагентов и готовой продукции, погрузо-разгрузочные площадки, нагнетательные скважины, электро- и теп- лоагрегаты, жилищно-бытовой комплекс. По предварительным оценкам рассолов региона состав стоков при применении известных сорбционных и изотермических технологий ожидается в расчете на средне стати 21,9 6,8 21 47,6 8 3,6 24,5 12,3 25,3 26,3 16,8 5,8 5,3 9,8 46,8 15,5 30 2,8 5,8 0 32,8 21,4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Сероводород Элементарная сера Сульфиды Дисульфиды Меркаптаны Остаточная сера на общую серу Туимазинская (девон) Туймазинская (поверхностная) Ишимбайская Бугурусланская 220 стический рассол следующим на магниево-литиевом цикле (переделе, г\дм 3 : лития хлорид - 0.026, натрия хлорид - 120.5, кальция хлорид - 210,5, стронция хлорид - 2.7, калия хлорид - 28.3, бром - 3.6, растворитель технический на кальций бромном производстве, мг/дм 3 : бром - 380-680, трибутилофосфат меньше 0.01, растворитель экстракционный деароматизирован- ный - меньше - 0.05 ПДК по органическим растворителями ТБФ - 0.02 мг/дм 3 Стройиндустрия. В целом она отличается меньшими концентрациями в отходах химических элементов. Среди предприятий значительной техногенной нагрузкой на среду выделяются цементная промышленность, производство огнеупорного кирпича и теплоизоляционных изделий, в пыли которых содержание Sb, Pb, Ag, иногда H f и H g достигает сотен КК. Ядохимикаты. Они широко применяются в сельском хозяйстве, лесной промышленности и других отраслях хозяйства. Некоторые представляют большую опасность, как, например, ныне запрещенный ДДТ, который был обнаружен даже в кишечнике пингвинов Антарктиды. Существенно, что многие насекомые привыкают к ядам, а менее выносливые животные от них гибнут. Чрезвычайно опасен диоксин (полихлорированное полициклическое соединение, широко применявшийся в качестве гербицидов в ряде страна также вовремя войны во Вьетнаме в 1961-1972 гг. (диоксин входит в состав печально знаменитого "орандж эйджент"). Коммунально-бытовые отходы(бытовой мусор, канализационные осадки, илы городских очистных сооружений. По степени концентрации и комплексу химических элементов-загрязнителей они не уступают промышленным отходам. Особенно высоки концентрации химических элементов в выбросах мусоросжигательных заводов, являющихся вторичными источниками загрязнения в городах. По Саету и др, концентрация в пыли с электрофильтров одного из таких заводов составляет более КК, Pb, Zn, Sb, Cr - от 100 до 500 КК. Эти и аналогичные образования можно рассматривать в качестве техногенных руд. Свалки также являются вторичными источниками загрязнения. На некоторых из них за многие годы накопилось много разнообразных бытовых, а иногда и промышленных отходов. Грунты свалок и высачивающийся из толщи отходов фильтрат обогащены в десятки и сотни раз по сравнению с фоновыми почвами Zn, Сии другими элементами. Развевание материала свалок и просачивание стоков ведет к загрязнению окружающих почв, поверхностных и подземных вод. Нередко свалки расположены в черте города и создают для него опасность, особенно в результате их спонтанного возгорания. Осадки сточных вод городской канализации накапливаются на полях аэрации на окраине города и обычно используются как удобрения. Однако обогащенность этих осадков многими токсичными металлами (в среднем Ag - 1000 КК, Cd -300 КК, Bi, Zn, Сии др. - десятки КК) требует большой осторожности при их применении в сельском хозяйстве. Осадки сточных вод промышленных городов загрязнены значительно слабее. В целом по степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются W, Sb, Pb, Cd, Ni), немного меньше или сопоставима сними нагрузка от отходов, третье место в ряду аномальности занимают стоки. По абсолютной массе твердые отходы опережают выбросы. Электроэнергетика. Одна из отраслей развивающихся параллельно с развитием человечества стремительными темпами и несущая существенную лепту в трансформацию природных сред. В табл. 4 представлены некоторые удельные показатели загрязнения окружающей среды. Например, при сжигании канско-ачинского угля на Бе- резовской ГРЭС в атмосферу выбрасывается зола, окислы азота, окислы серы, окислы углерода, что оказывает существенное влияние на воздушный бассейн не только района расположения ГРЭС, но, учитывая значительную мощность выбросов, и на прилегающие к этому району территории. Высокие дымовые трубы ГРЭС обеспечивают рассеивание загрязняющих веществ в ближайшей зоне до концентраций на уровне ПДК и ниже, но формируют при этом медленно убывающие с расстоянием приземные концентрации. Только на удалении 100-110 км от источника приземные концентрации снижаются до 5% их максимальной величины. По отчетным данным ОАО «Березовская ГРЭС количество выбросов вредных веществ и углекислого газа в атмосферу в 2000 году составило 6788515,6 т. Выход золошлаковых отходов за 2000 год составил 171193 т. Всего за прошедший период эксплуатации на золоотва- лах накоплено 13112749 т золы. 222 Таблица 17. 4 Загрязнение природных сред при производстве энергии различными способами Индикатор Единицы измерений Гидроэнергетика Уголь Газ Мировой опыт БоГЭС, НПУ- 208 м Мировой опыт Канско- Ачинский бассейн Мировой опыт Западная и Центральная Сибирь Использование воды м 3 /кВт*ч 6,2 2,55*10 -3 - Теплота сгорания МДж (кг/м 3 ) - 27,7 36,8 Образование вскрышных пород м 3 /кВт*ч - 0,25*10 -3 - Золошлакообразование т/кВт*ч - 0,024*10 -3 - Выбросы парниковых газов г CO 2 /кВт*ч 4,02 982 980,0 460,5 575,0 Возможность снижения выбросов за счет изменений в технологии Наименьший исходный показатель наименьший будущий показатель г CO 2 /кВт*ч 10/5 900/130 405/255 Утрата ассимиляционного потенциала г СО 2 /кВт*ч 13,8 0,12 0,21 Выбросы SO 2 г/кВт*ч - 4 1,88 0,85 0,85 Выбросы NO x г/кВт*ч - 2,5 1,59 3,5 0,47 Взвешенные вещества г/кВт*ч - 1,1 0,71 - Сброс загрязняющих веществ м 3 /кВт*ч - 0,01 - Растворенный кислород мг/дм 3 0-1,2 - - Экологический след м 2 /кВт*ч 4,9*10 -3 0,2*10 -3 0,1*10 -3 |