экология - ИПК "Венец" - Ульяновский государственный

Реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Ульяновский государственный технический университет
ЭКОЛОГИЯ
Методические указания к практическим занятиям
для студентов всех форм обучения специальности
08050765 «Менеджмент организации»
Составитель: М. В. Бебякова
Ульяновск
2008
УДК 502
ББК 20 я73
Э 40
Рецензент доцент кафедры общей и клинической фармакологии с курсом
микробиологии УлГУ, канд. биол. наук Саенко Ю. В.
Одобрено секцией методических пособий
научно-методического совета университета
Э 40
Экология : методические указания к практическим занятиям для студентов
всех форм обучения специальности 08050765 «Менеджмент организации» / сост.
М. В. Бебякова. – Ульяновск : УлГТУ, 2008. – 63 с.
Методические указания составлены в соответствии с рабочей программой курса
«Экология» и могут быть использованы для самостоятельной работы и контроля
знаний по основам общей экологии с последующим использованием экологических
принципов и подходов при изучении раздела «Основы рационального природопользования.
Обсуждена возможность реализации этих принципов в деятельности направленной на сохранение и воспроизводство ресурсов атмосферного воздуха и пресной
воды с использованием научно-технических, экономических и правовых методов.
УДК 502
ББК 20 я73
© Бебякова М. В., 2008
© Оформление. УлГТУ, 2008
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................................4
1
ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ..............................................................................................6
1.1
Основные понятия экологии. Связь экологии с другими дисциплинами, её место и
роль в современном обществе ......................................................................................................6
1.2
Экосистемы, их основные свойства, вещественные и энергетические потоки в
экосистемах ..................................................................................................................................13
1.3
Организмы в среде обитания ..........................................................................................25
2
ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ............................................32
2.1
Рациональное использование и воспроизводство ресурсов атмосферного воздуха .32
2.1.1
Источники загрязнения атмосферы .......................................................................32
2.1.2
Нормирование загрязнения атмосферного воздуха..............................................33
2.1.3
Экономика очистки воздуха ...................................................................................35
2.2
Рациональное использование и воспроизводство ресурсов пресной воды................42
2.2.1
Источники загрязнения гидросферы......................................................................43
2.2.2
Нормирование вещественных загрязнений в водной среде ................................43
2.2.3
Экономика водоиспользования ..............................................................................44
2.2.4
Очистка сточных вод ...............................................................................................48
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................56
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................................................62
3
ВВЕДЕНИЕ
Курс экологии нацелен на дополнение общей естественнонаучной
подготовки специалистов знаниями основ экологии, принципов и методов
рационального природопользования и охраны окружающей среды, воспитание
нравственного отношения к природе, ответственности перед будущими
поколениями за состояние экологической ситуации в стране (и мире).
Россия вместе со многими странами мира подписала на Конференции
ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) ряд
программных документов, которые должны определить согласованную
политику во всех странах мира по обеспечению устойчивого развития и
сохранению биосферы Земли.
Под устойчивым развитием понимается такое развитие общества, при
котором воздействие на окружающую среду остается в пределах хозяйственной
емкости биосферы и не разрушается природная основа для воспроизводства
жизни человека.
К началу экономических реформ российская экономика оказалась
структурно деформированной и неэффективной с экологической точки зрения.
Масштаб ее негативного воздействия на окружающую среду в расчете на
единицу производимой продукции значительно выше, чем в технологически
передовых странах. Значительная часть основных производственных фондов
России не отвечает современным экологическим требованиям. Более 16
процентов ее территории, где проживает более половины населения,
составляют экологически неблагополучные районы. Вместе с тем в России
сохранился крупнейший на планете массив естественных экосистем, который
служит резервом устойчивости биосферы [1].
Для России большое значение имеет региональный аспект устойчивого
развития. В этой связи необходима разработка и реализация программ перехода
к устойчивому развитию для каждого региона, а также дальнейшая интеграция
этих программ при разработке государственной политики в области
устойчивости развития.
Стратегическими целями Российской Федерации в области охраны
окружающей среды и рационального использования природных ресурсов
являются: последовательное решение проблем развития хозяйственного
комплекса государства, при котором полностью учитываются экологические и
природно-географичекие условия конкретных территорий для обеспечения
благосостояния народов, населяющих эти территории; последовательное
достижение на каждой конкретной территории качества среды обитания,
отвечающего не только принятым сегодня санитарно-гигиеническим нормам,
но и той системе ее оценок, которая учитывала бы генетическое здоровье
населения; восстановление и сохранение биосферного равновесия (на
локальном, региональном и глобальном уровнях), генетического фонда
животного и растительного мира; рациональное использование всего природноресурсного потенциала России.
4
Для реализации перечисленных выше целей намечаются следующие
направления:
разработка единой системы природоохранного законодательства,
стандартов и нормативных экологических требований к хозяйственной
деятельности (при всех формах собственности), антропогенным нагрузкам и
состоянию окружающей человека среды;
создание новых законодательно закрепленных экономических отношений
в обществе, которые позволят осуществить структурную перестройку
народного хозяйства на базе ресурсо- и энергосбережения, внедрения более
совершенной и экологически чистой техники и технологий;
переход на международные экологические стандарты качества
окружающей среды, технологических процессов и производимой продукции,
обеспечивающих включение РФ в систему международного экономического
сотрудничества и обеспечение экологической безопасности. В контексте
разработки стандартов на продукцию стратегия и методы улучшения
экологических характеристик могут быть представлены в трех аспектах:
ресурсосбережение, предотвращение загрязнений и обеспечение качества
окружающей среды (см. приложение 1);
формирование эффективной системы органов государственного
управления в области экологии и природопользования, которые призваны
осуществлять единую государственную экологическую политику России,
республики, края, области. Эти органы должны рассматриваться в тесной
взаимосвязи и объединяться механизмом управления в единую систему;
повышение эффективности контроля за соблюдением существующих
регламентов природопользования с применением административных и
экономических санкций;
пресечение экологических правонарушений и преступлений;
привлечение на льготных условиях организаций, фирм (отечественных и
зарубежных) для создания объектов природоохранной инфраструктуры при
условии использования лучших из имеющихся в мире технологий;
усовершенствование
механизма
природопользования
(введение
лицензирования природопользования);
создание гарантий реализации каждым гражданином права на здоровую
среду обитания, включая: право на получение информации о состоянии
окружающей среды, качестве пищи и питьевой воды, радиационной
обстановке;
создание гарантий соблюдения прав будущих поколений на жизнь в
здоровой среде обитания;
гласность в расследовании экологических правонарушений и
преступлений;
компенсация ущерба, нанесенного здоровью и благополучию личности,
право на участие в принятии решений, реализация которых связана с
экологическим риском;
5
1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ
1.1 Основные понятия экологии. Связь экологии с другими
дисциплинами, ее место и роль в современном обществе
Предмет экологии и его структура. Иерархия экологических уровней. Экосистема –
основная функциональная единица в экологии. Вид, популяция, особь в экосистеме.
Местообитания и экологическая ниша. Понятие о биосфере и ее история. Место человека в
биосфере. Понятие о техносфере. Взаимодействие человеческого общества и биосферы.
Связь экологии с другими областями знания.
Экология – (греч. ойкос – дом, жилище; логос – учение) – наука о
взаимоотношениях живых организмов друг с другом и окружающей средой
(Э.Геккель, 1869 г. нем.).
Среда для живого это совокупность пространства и всех элементов
внешнего мира. Любое условие среды, способное оказывать прямое или
косвенное влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз
их индивидуального развития называется экологическим фактором.
Экологические факторы подразделяют на биотические и абиотические.
Абиотические факторы – это факторы неживой природы – солнечный
свет, температура, влажность и т. д. – т. е. энергетический и вещественный
состав среды.
Биотические факторы это всевозможные формы влияния живых
организмов друг на друга – конкуренция, паразитизм и т. д.
Условия среды осваиваются организмом с учетом уровня их организации.
Уровень организации – место биологической структуры в органическом
мире. Различают 5 уровней: 1 – молекулярно-генетический; 2 – клеточный; 3 –
организменный (особь); 4 – популяционно-видовой (вид, популяция); 5 –
биоценозный (сообщество). Уровни организации, связь между ними и
абиотической средой – (биотоп) – показана на рис.1. 1.
Особь – каждый отдельный представитель вида.
Вид – совокупность особей, обладающих наследственным сходством
морфологических, физиологических и биохимических особенностей, свободно
скрещивающихся, дающих плодовитое потомство, приспособленных к
определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную
область (ареал).
Виды в природе часто занимают большой ареал, в пределах которого они
распределены неравномерно группами – популяциями (популус – лат.,
население).
6
1. Гены
Молекулярная биология
Генетика
2. Клетки
Цитология
Биохимия
Ткани
Гистология
Органы
Анатомия
Физиология
3. Организмы
аутэкология
4. Популяции
демакология
5. Сообщество (биоценоз)
синэкология
+
абиотические факторы (биотоп)
(вещество, энергия)
Физика, химия,
климатология,
география,
почвоведение и др
=
Экосистема
Экология - как наука о
функционировании экосистем
Математика,
Информатика
Рис. 1.1. Уровни организации биологических структур. Связь экологии с другими науками
(заштрихована область экологических исследований)
7
Популяция – совокупность свободно скрещивающихся особей одного вида,
обитающих совместно.
Сообщество (биоценоз) это любая группа организмов различных видов,
существующих в одном и том же местообитании или на одной площади и
взаимодействующих посредством трофических (пищевых) и пространственных
взаимоотношений.
Местообитание это участок среды определенного типа, где живет данный
организм, например, пресноводное озеро, дубовая роща, хвойный лес или
каменистый берег. Организм приспособлен к определенным физическим
условиям местообитания. Каждый вид занимает в своем местообитании
определенную экологическую нишу.
Экологическая ниша это совокупность множества факторов среды,
определяющих условия существования того или иного вида и его
функциональные характеристики (преобразование энергии, обмен информации
со средой и себе подобными). Экологическая ниша это не только физическое
пространство, где может быть обнаружен данный вид, но также его
определенная роль в сообществе, в частности его питание и взаимоотношения с
другими видами.
Местообитания это как бы «адрес» организма, а экологическая ниша его
биологическая «профессия». Заселение экологических ниш (аннидация)
позволяет избежать межвидовой конкуренции, даёт возможность многим видам
сосуществовать в пределах одного и того же местообитания. Например,
заселение экологических ниш в хвойных лесах Центральной Европы
некоторыми видами птиц: мухоловка пеструшка использует концы веток как
наблюдательный пункт, ловит насекомых на лету; королек, обладая
незначительным весом, может собирать насекомых с самых кончиков веток;
черный дрозд добывает пищу (червей, улиток) в основном на земле; клестеловик питается семенами шишек; пестрый дятел долбит ходы, пробуренные
насекомыми в стволах деревьев; пищуха добывает насекомых из трещин в коре
деревьев.
Сообщество организмов (биоценоз) и окружающая их физическая среда
(биотоп), взаимодействующие между собой, образуют экосистему (см. рис.
1.1.).
Экосистемы это безразмерные, устойчивые системы живых и неживых
компонентов, в которых совершается внешний и внутренний круговорот
веществ. Например, гниющий пень в лесу, луг, лес, озеро, аквариум, кабина
космического корабля. (Тенсли, англ. 1935 г.). Экосистемы отличаются между
собой по своим физико-химическим характеристикам, составу населения и
особенностям внутрисистемных взаимодействий.
При изучении экосистем в центре внимания экологов оказывается поток
энергии и круговорот веществ в экосистеме. При этом изучают возможность
применения общей теории систем и её методов к экосистемам, рассматривают
проблемы организации экосистем их поведение, самоорганизацию,
саморегуляцию, используют методы математического моделирования к
8
изучению и описанию экосистем, управлению ими и прогнозированию их
состояния при различных внешних факторах.
Экология включает в себя экологию особей отдельных видов
(аутэкология), экологию популяции (демэкология) и экологию биоценозов
(синэкология) и рассматривается в целом как наука о функционировании
экосистем.
Предметом её изучения являются не только организмы, но, главным
образом, их популяции и сообщества в определенных местообитаниях, т.е.
природные и природно-антропогенные экологические системы, развивающиеся
и действующие по своим законам. Учение об экосистемах в нашей стране
развивалось как учение о биогеоценозах (Сукачев В.Н., 1945-1946г.)
Биогеоценоз (био – жизнь, ойнос – общий, гео – земля) это совокупность
на известном протяжении земной поверхности однородных природных условий
(атмосфера, горные породы, растительность, животный мир – мир
микроорганизмов), имеющих свою особую специфику взаимодействия этих
компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и
другими компонентами природы. Например, пресноводное озеро, широколиственный лес.
Понятия биогеоценоз и экосистема близки, но не являются синонимами.
Любой биогеоценоз можно рассматривать как экосистему, но не всякая
экосистема является биогеоценозом.
Все природные экосистемы (биогеоценозы, ландшафты) связаны между
собой и вместе образуют самую большую экосистему – биосферу.
Биосфера (био – жизнь, сфера – шар) – это наружная оболочка Земли,
область распространения жизни. Это животное и растительное население земли
вместе со средой, в которой оно обитает. Она охватывает часть атмосферы
(тропосфера – 25-30 км от поверхности земли до озонового слоя); гидросферу –
реки, моря, океаны; часть литосферы (3 км земной коры – почвы, осадочные
породы); которые взаимосвязаны сложными биогеохимическими циклами
миграции вещества и энергии. Начальный момент этих циклов заключен в
трансформации солнечной энергии и биологических элементов из неживой
природы (биотоп) растениями и синтез ими органических веществ, служащих
источником и условиями жизни на планете.
Учение о биосфере создано в 20-30 гг. В. И. Вернадским. Элементарной
структурой биосферы является биогеоценоз на суше и биогидроценоз в водной
среде. Основные этапы возникновения и развития биосферы охарактеризованы
в таблице 1.1.
Общая и главная тенденция возникновения и развития биосферы –
появление все более сложно организованного вещества, что привело к
появлению макромолекул, передающих «наследственную» информацию
(биохимический этап эволюции). Эволюция живого (биогенез) осуществлялась
как усложнение организмов, увеличение числа видов, совершенствование их
приспособленности, усложнение структуры сообществ. Эволюционный
процесс сопровождался увеличением эффективности преобразования энергии и
9
Таблица 1.1.
Основные этапы возникновения и развития биосферы
№
этапа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Содержание
Возникновения Солнечной системы. Взрыв праСолнца с последующей конденсацией межзвездного
вещества с образованием Солнца и газопылевых облаков,
предшественников будущих планет
Возникновение Земли в процессе гравитационного
сжатия газопылевого облака на удалении от Солнца 150
млн. км
Возникновение Мирового Океана за счет
конденсации водяного пара
Абиотический «естественный отбор» химических
молекул в направлении усложнения молекулярной
структуры и накопление в Океане наиболее устойчивых
из них. Самопроизвольное зарождение макромолекул,
воспроизводящих себе подобных, несущих и
передающих «наследственную информацию»
Появление гетеротрофных нефотосинтезирующих
микроорганизмов
Появление цианобактерий (сине-зеленых
водорослей), живущих и поныне; фотосинтезирующих
организмов, извлекающих из атмосферы CO2 и
выделяемых О2
Переход от анаэробной – восстановительной
атмосферы к аэробной – окислительной
Появление многоклеточных организмов
Формирование озонового слоя, ускорение процесса
фотосинтеза. Состав атмосферы достигает современного
стационарного уровня. Выход жизни на сушу
Появление человека
Изобретение паровой машины. Рост масштабов
антропогенного воздействия на биосферу
Млрд. лет
тому назад
5.5
(55 лет)*
4.6
(46 лет)
4.0
(40 лет)
3.8
(38 лет)
3.5
(35 лет)
2.0
(20 лет)
0.7
(7 лет)
0.5
(5 лет)
1·10-3
(4 суток)
(30 сек)
*ПРИМЕЧАНИЕ. В скобках указано время по геологической шкале
Кэлдэра, согласно которой 100 млн. лет принимает за 1 год.
10
вещества
биологическими
системами:
организмами,
популяциями,
сообществами.
Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, который как
биологический вид на основе многочисленных эволюционных изменений
приобрел сознание – совершенную форму отражения окружающего мира, а с
ним и способность изготовлять и использовать орудия труда, как средство
эффективного преобразования вещества и энергии, которые он на протяжении
развития цивилизации активно усовершенствовал. С появлением человека уже
его деятельность определяет ход развития биосферы. Стремясь к улучшению
условий жизни, человек сознательно или невольно в своей хозяйственной
деятельности стал активно влиять на уровень абиотических и биотических
факторов (антропогенные воздействия на биосферу), более того, появились
новые факторы воздействия на живое – антропогенные экологические факторы,
связанные с человеческой деятельностью. Масштабы такого воздействия на
биосферу возрастали по мере развития цивилизации от аграрной к
индустриальной и постиндустриальной (техногенез).
В настоящее время стало ясно, что масштабы воздействия превысили
адаптационные возможности биосферы, в результате в ряде регионов биосферы
нарушилось эволюционно экологическое равновесие (зоны экологического
бедствия), возникли трудности в продовольственном обеспечении, питьевом
водоснабжении населения, повысилась заболеваемость аллергическими,
онкологическими, инфекционными болезнями.
Всё это есть результаты отчуждения человека от природы, замены его
естественной природной среды техносферой – регионами биосферы,
преобразованными людьми с помощью прямого или косвенного воздействия
технических средств в целях наилучшего соответствия социальным и
экономическим потребностям. Человек всегда использовал окружающую среду
как источник ресурсов, однако в течение длительного времени его деятельность
не оказывала заметного влияния на состояние биосферы. Лишь в конце 19-го
столетия антропогенные изменения биосферы привлекли внимание ученых. В
первой половине прошлого века эти изменения нарастали и в настоящее время
настолько масштабны, что возникла угроза существованию биосферы и самому
человеку, как одному из её элементов. Таким образом, человек единственный
вид в биосфере, определяющий ее судьбу на исторически малом отрезке
времени (см. табл.1.1.). Угроза экологического кризиса биосферы делает
необходимой солидаризацию человека и природы, формирование ноосферы –
сферы разума. Ноосфера – дальнейший этап развития биосферы «мыслью и
трудом в интересах свободомыслящего человечества, как единого целого»
(В. И. Вернадский). Уже на данном этапе человечество активно работает в
направлении сохранения и восстановления природных экосистем, обеспечении
экологической безопасности промышленного и сельскохозяйственного
производства, в направлении разработки и внедрения ресурсосберегающих и
ресурсовосстанавливающих технологий. Усилия в этих направлениях могут
быть эффективней и целенаправленней при активном использовании
11
экологических знаний. Таким образом, современная экология охватывает
чрезвычайно широкий круг вопросов и развивается в тесном взаимодействии со
многими областями знания.
В основе всех направлений экологии лежат фундаментальные
биологические идеи об отношении живых организмов с окружающей их
средой.
Знание основ экологии поможет обществу и отдельному человеку разумно
строить свою жизнь и ощутить себя частью Великой Природы.
Контрольные вопросы
1. Занесите в понятийные словари по экологии основные экологические
понятия.
2. Какие уровни биологической организации являются объектами
изучения экологии?
3. Объясните, что общего и какие различия между понятиями:
а) местообитание и экологическая ниша;
б) экосистема и биогеоценоз?
4. Уровень каких абиотических факторов определяет границы биосферы?
5. Какое значение имеют метаболические процессы автотрофов для
биоты Земли?
6. Охарактеризуйте основные этапы зарождения жизни на Земле.
7. Какое значение для развития жизни на Земле имело: а) появление
фотосинтезирующих организмов; б) образование озонового слоя в атмосфере?
8. Как взаимосвязаны человек и окружающая его природа?
9. Как изменялись отношения человека и природы по мере развития
цивилизации?
10. Какие научные направления в экологии Вам известны?
11. Какова взаимосвязь между экологией и охраной природы, экологией и
экономикой, экологией и культурой?
12. Приведите примеры положительного и отрицательного воздействия на
природу в Вашем регионе.
13. Чем обусловлена необходимость непрерывного экологического
образования?
12
1.2 Экосистемы, их основные свойства, вещественные
и энергетические потоки в экосистемах
Функциональные свойства экосистемы и ее связь с окружающей средой. Экосистема
как открытая неравновесная термодинамическая система. Изменение энтропии в
экосистемах. Структура экосистемы и ее основные компоненты. Примеры основных
экосистем. Пищевые цепи, трофические уровни. Концентрирование токсических веществ на
трофических уровнях. Экологические пирамиды, энергетическая классификация экосистем.
Стабильность и регуляция экосистем. Понятие о гомеостазе.
Система – любой реальный или мыслимый объект, целостные свойства
которого могут быть предоставлены как результат взаимодействия образующих
его частей (т.е. целое есть нечто большее, чем сумма частей).
Экосистема – надорганизменная система, в которой за счет
взаимодействия компонентов живой (биоценоз) и неживой (биотоп) материи
непрерывно поддерживается и развивается жизнь, т. е. рождаются, растут,
размножаются, умирают и вновь рождаются живые организмы. Организмы в
экосистеме являются потребителями и источниками вещества, энергии и
информации, а потому и функционирование экосистемы обеспечивается
непрерывным притоком в нее энергии, под действием которой происходит
постоянный круговорот веществ при участии живых и неживых компонентов.
На рис.1.2. показано взаимодействие трех компонентов сообщества
организмов (1, 2, 3) с компонентами биотопа (4), поток энергии и круговорот
веществ в экосистеме.
Экосистемы, входящие в биосферу, в разной степени открыты для потоков
вещества и энергии для иммиграции (вход) и эмиграции (выход) организмов,
имеют разную структуру сообщества. Для функционирования экосистемы
весьма существенным является «состав среды на входе» и «состав среды на
выходе».
Элементы питания, в том числе биогенные элементы (C, O, P, N, S) и вода
могут
использоваться системой многократно. Энергия, поступающая в
экосистему, многократно преобразуется, рассеивается в окружающее
пространство в форме тепла и не может использоваться повторно. Живые
организмы не используют тепло как источник энергии для совершения работы
– они используют свет и химическую энергию – энергию химических связей
между атомами
в молекулах тех веществ, которыми они
питаются.
Преобразование энергии – переход ее из одной формы в другую, подчиняется
термодинамическим законам .
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии, второй закон –
закон энтропии: процессы, связанные с превращением энергии, могут
происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из
концентрированной формы в рассеянную (от горячего тела к холодному) –
деградирует. Энтропия – мера количества связанной энергии, не доступной для
использования, мера уменьшения упорядоченности, которое происходит при
деградации энергии.
13
Организмы, экосистемы и биосфера в целом способны поддерживать
высокую степень внутренней упорядоченности, т.е. состояние с низкой
энтропией. Низкая энтропия достигается постоянным преобразованием легко
используемой энергии (энергия света и энергия органических веществ).
Эффективность самопроизвольного превращения энергии всегда меньше 100%.
Упорядоченность экосистемы, сложность структуры биомассы поддерживается
за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно «откачивает из
сообщества неупорядоченность».
«Среда на входе»
B
Е
1. Автотрофы, зеленые
растения,
продуценты
B
E
«Среда на выходе»
Д3
Д1
Д2
2.
E1
B1
Е3
B3
B2
3.
4.
Биотоп, атмосфера,
гидросфера,
литосфера
B4
E4
Гетеротрофы ,
животные,
консументы
E2
Гетеротрофы,
детритофаги,
микроорганизмы,
редуценты,
микроконсументы
Рис. 1. 2. Основные компоненты экосистемы и их взаимодействие: 1, 2, 3 –компоненты
биоценоза; (
) – поток вещества, (
) – поток энергии; 4 – вещественные и
энергетические ресурсы экосистемы – компоненты биотопа; E – солнечная энергия; E1, E2,
E3, Е4 - энергия, заключенная в пище, органических и минеральных веществах; B1, B2, B3,
B4 – органические и минеральные вещества; Д1, Д2, Д3 – тепловая энергия, рассеивающаяся
при дыхании.
Таким образом, экосистема представляет собой открытую неравновесную
термодинамическую систему, постоянно обменивающуюся с окружающей
средой энергией, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая ее
вовне, в соответствии со вторым законом термодинамики.
Наряду с потоком энергии и круговоротом веществ экосистема
характеризуются развитыми информационными связями, включающими
14
потоки физических и химических сигналов, связывающих все части системы и
управляющих ею как одним целым. Экосистема открыта для информации,
преобразует ее и служит источником информации. Информация – свойство
явлений, объектов, процессов порождать многообразие различных состояний,
которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и
запечатлеваются (в том или ином виде) в его структуре.
В качестве природных экосистем рассматриваются
биомы – крупные
экосистемы и их совокупности, существующие в близких климатических
условиях и имеющие сходный характер животного мира и растительности –
арктическая тундра, прерия, озеро Байкал; биогеоценозы и их составляющие,
например: пруд, луг, залив. К искусственным экосистемам можно отнести
агробиоценозы, город, кабину космического корабля.
Одним из основных условий функционирования биосферы как экосистемы
является наличие химических элементов и веществ, постоянный круговорот
которых между биотопом и биоценозом, называется биогеохимическим циклом
и осуществляется за счет одностороннего притока энергии Солнца.
Солнце это звезда, излучающая в космос огромное количество энергии,
распространяемой в космическом пространстве как электромагнитные волны.
Небольшая часть этой энергии 10,5·106 кДж/м2 ·год захватывается Землей. Из
них 40% отражается атмосферой и поверхностью Земли, 5% поглощается
атмосферой (в частности озоновым слоем), превращается в тепловую энергию
или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45% поглощаются растениями
или земной поверхностью. Это составляет в среднем 5·106 кДж/м2 год.
Реальное количество энергии зависит от географической широты.
Только небольшая часть падающей на Землю солнечной энергии
преобразуется зелеными растениями в процессе фотосинтеза в энергию
органических соединений, служащих источником энергии для других
организмов.
Организмы в сообществе (рис. 1.2.) по типу питания разделяют на
автотрофы (1) и гетеротрофы (2,3).
Автотрофы (греч.autos – сам) питающиеся неорганическим углеродом
(CO2), которые синтезируют необходимые им органические вещества в
процессе фотосинтеза, используя свет как источник энергии. Автотрофы
являются продуцентами органических веществ.
Процесс фотосинтеза:
6CO2 + 6H2 O С 6 Н 12 О6 + 6О2 осуществляется в хлоропластах при
участии фермента хлорофилла, активный центр которого содержит Mg2+, т. е.
для его осуществления растительным клеткам необходимо полноценное
минеральное питание.
Гетеротрофы (греч.heteros – другой), живущие за счет органического
углерода, т.е. потребляют питательные вещества, синтезируемые автотрофами.
Гетеротрофы представлены консументами – потребителями, к ним относятся
травоядные, плотоядные или хищные животные. Редуценты (3) – (деструкторы)
15
– микроорганизмы, питающиеся за счет деструкции органических веществ до
минерального состояния.
Таким образом, все живые существа являются объектами питания других,
т. е. связаны друг с другом энергетическими соотношениями.
Путь переноса энергии и вещества через последовательный ряд
организмов в сообществе, каждый последующий из которых питается
предыдущим, называется пищевой цепью. Каждое звено пищевой цепи
называется трофическим уровнем(trophus –греч. питание).
1 трофический
уровень
2 трофический
уровень
3 трофический
уровень
автотрофы
гетеротрофы
гетеротрофы
зеленые
растения
травоядные
животные
плотоядные
животные
(хищники)
продуценты
первичные
консументы
вторичные
консументы
трава
заяц
лиса
Пищевая цепь, в которой первый трофический уровень занимают зеленые
растения, называется пастбищной. Поток энергии через пастбищную пищевую
цепь представлен на рис.1.3.
Тела погибших растений и животных еще содержат энергию, так же как и
пожизненные выделения – моча, фекалии. Эти органические материалы
разлагаются микроорганизмами – редуцентами. Кусочки частично
разложившегося материала называются детритом, а пищевая цепь,
начинающаяся с детрита, называется детритной, например, листовая подстилка
– дождевой червь – черный дрозд – ястреб перепелятник.
16
Солнечная энергия 1·106 Е
2000 Д1
АВТОТРОФЫ
0,5·10
Фотосинтез
6
10000
Поглощенная
0,5·106
Не поглощенная
(отраженная)
8000
Валовая первичная
Продукция
Чистая
продукция
0,49·106
Д2
Д3
Д4
С4
Травоядные
Е1
800
Вторичная
продукция
С1
Е2
Первичные
хищники
160
Е3
Вторичная
продукция
С2
Детритоядные
Вторичные
хищники
1б
Вторичная
продукция
С3
и
редуценты
Д5
Рис. 1.3. Поток энергии через пастбищную пищевую цепь (кДж·м-2 ·год-1). Е1, Е2, Е3 –
энергия, потребляемая с пищей организмами высшего трофического уровня; С1, С2, С3, С4 –
энергия, заключенная в погибших растениях и животных; Д1, Д2, Д3, Д4 – энергия,
теряющаяся при дыхании
Для представления взаимоотношений между организмами в экосистеме
используют экологические пирамиды – графические представления
взаимоотношений между организмами.
Пирамида численности, в которой представлено количество организмов на
данном трофическом уровне в виде прямоугольника, длина которого
пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади или на
данном объеме (для водных экосистем). При их построении подсчитывают
число организмов на данной территории, группируя их по трофическим
уровням. Число животных прогрессивно уменьшается при переходе от второго
уровня к последующим в цепи хищников, и, наоборот, в цепи паразитов.
Пирамида биомасс – длина прямоугольника, представляющий данный
трофический уровень, равна суммарной массе организмов трофического
уровня, приходящейся на единицу площади или объема экосистемы (г/м2; г/м3).
17
Пирамида энергий – наиболее фундаментальный способ представления
связей между организмами, отображающий скорость образования биомассы.
Длина прямоугольника – количество энергии на единицу площади, прошедшей
через определенный трофический уровень за данный период (кДж · м-2 · год-1).
Примеры экологических пирамид по данным Е. Одум (1971 год) для
некоторых экосистем приведены на рисунке 1.4.
0.01
1.0
21
4
500
а
б
в
г
88
1603
14098
87110
д
Рис. 1.4. Экологические пирамиды: а и б – пирамиды численности, м-2 ; в и г – пирамиды
биомасс, г·м-2 ; в – заброшенное поле, г – Ла Манш; д – пирамида энергий, кДж м-2 · год –1;
Система Силвер Спринго, Флорида; (по данным Е.Одум , 1971 год).
Поток энергии через пастбищную пищевую цепь (рис.1.3. и 1.5.) и
пирамида энергий (д) на рис.1.4. показывают, что часть энергии при переходе
от одного трофического уровня к другому теряется – рассеивается в виде тепла.
Эффективность использования энергии при фотосинтезе ~1%
поглощенного излучения. Эффективность использования от растений к
травоядным ~10% , а от животных к животным ~20% . В среднем считают, что
при переходе с одного трофического уровня к другому живыми организмами
усваивается 10% энергии предыдущего трофического уровня («правило 10%»,
принцип Линдемана). Учитывая, что человек в пищевой цепи занимает 3
трофический уровень, он может потреблять не более 1% от энергии,
заключенной в продуктах фотосинтеза («правило 1%»).
18
Количество и качество поступаемой в экосистему энергии определяет ее
видовой состав, численность популяций, характер функциональных процессов
и динамику ее развития, а так же образ жизни человека. По источникам энергии
экосистемы разделяют на следующие группы:
1. Природные, движимые солнцем – несубсидируемые, например,
открытый Океан, глубоководные озера, горные и таежные леса. Эти
экосистемы крайне важны для человека, именно они стабилизируют и
поддерживают жизнь биосферы, очищают воздух, возвращают в оборот воду,
формируют климат, умеряют крайности погоды, представляют эстетическую
ценность. В сохранении этих экосистем – спасение человека .
2. Природные, движимые солнцем, субсидируемые другими источниками,
например, эстуарии в приливных морях, влажные тропические леса,
обладающие естественным плодородием.
3. Движимые Солнцем и субсидируемые человеком – наземные и водные
агроэкосистемы – поддерживают искусственно необходимый уровень
производства растительной и животной пищи.
4. Индустриально – городские, движимые топливом (ископаемым,
органическим,
ядерным)
–
являются
источником
вещественных,
энергетических и информационных загрязнений
для других экосистем,
требуют совершенствования и принятия мер по обеспечению их экологической
безопасности.
Продуктивность экосистем оценивается следующими показателями:
1. Валовая первичная продукция (ВПП) – энергия, накопленная
первичными продуцентами - растениями за единицу времени на единице
поверхности, кДж ·м-2 ·год-1 .
2. Чистая первичная продуктивность (ЧПП), кДж·м-2·год-1 ,
ЧПП = ВПП – Д1 ,
где Д1 – энергия, расходуемая растениями при дыхании;
ЧПП – это энергия, которую могут использовать организмы Следующих
трофических уровней.
3. Чистая вторичная продукция (ЧВП), кДж·м-2·год-1 – количество энергии,
накопленной гетеротрофными организмами на любом трофическом уровне.
ЧВП = РК – ( Д2 + Ф ) ,
где РК – рацион консументов данного трофического уровня – энергия,
заключенная в потребляемой пище;
19
Солнечная энергия, Е (1880 ·106 )
не поглощенная Е (1856 ·106 )
Травянистые растения
До ( 3,6 ·106 )
Чистая продукция ( 20,4 ·106 )
С1 (19,8 ·106 ) РК1 ( 60,0 ·103 ) РК2 (444,0 ·103 ) РК3 (116,0 ·103)
Птицы, питающиеся
семенами
Полевые мыши
Д1 + Ф1(59,2 ·103 )
Д3 + Ф3
Чистая продукция (2000)
Обычные зеленые саранчовые
Д2 + Ф2 (374,3 ·103 )
РК4 ( 700 )
Д4 + Ф4 (500 )
С2 (69 · 103 )
Пауки
Рис. 1.5. Поток энергии через часть луговой экосистемы (кДж·м-2 · год –1 ,). Д0, Д1, Д2, Д3, Д4
– энергия, теряющаяся при дыхании; РК1, РК2, РК3, РК4 – рацион консумента, энергия,
заключенная в потребляемой пище; Ф1,Ф2,Ф3,Ф4 – энергия, заключенная в фекалиях; С1, С2
– энергия, заключенная в погибших организмах и расходуемая по другим путям обмена. Д2 –
энергия, теряемая при дыхании; Ф – энергия, заключенная в экскретах и экскрементах.
Отношение величин потоков энергии в разных точках пищевой цепи
называется экологической эффективностью. Эффективность использования
энергии в пищевой цепи оценивается коэффициентом использования энергии в
пищевой цепи (К), %.
При фотосинтезе:
20
К = (ВПП / Е) ·100 ,
где Е – поступающая солнечная энергия;
Для автотрофов К = (ЧП / Е1) ·100,
где Е1 – потребленная при фотосинтезе солнечная энергия.
Для гетеротрофов:
К = (ЧВП / РК) · 100 .
Стабильность и регуляция экосистем
Развитие экосистемы это ее необратимые качественные изменения, в ходе
которых меняются количественные соотношения между ее компонентами,
усиливаются одни связи между элементами и ослабевают другие.
Любая экосистема развивается с использованием материальных,
энергетических и информационных возможностей окружающей среды (закон
развития за счет окружающей среды).
В экосистеме, как и в любом другом целостном природном образовании,
особенно в биотическом сообществе, все входящие в нее виды живого и
абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг
другу. Выпадение одной части системы (например, исчезновение вида),
неминуемо ведет к исчезновению всех тесно связанных с этой частью системы
других ее частей и функциональному изменению целого в рамках закона
внутреннего динамического равновесия.
Закон внутреннего динамического равновесия – основной закон экологии.
Вещества, энергия, информация и динамические качества отдельных
природных экосистем, и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое
изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие
функционально – структурные, количественные перемены, сохраняющие
общую сумму вещественно – энергетических, информационных и
динамических качеств экосистем, где эти изменения происходят или в их
иерархии.
Эмпирические следствия:
1. Любое изменение среды неизбежно приводит к развитию природных
цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения
или формирования новых природных систем, образование которых при
значительных изменениях среды может иметь необратимый характер (принцип
Ле Шателье).
2. Взаимодействие экологических факторов и динамических качеств
природных систем нелинейно, т. е. слабое воздействие или изменение одного из
показателей может вызвать сильные отклонения других и во всей системе в
целом.
3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно
необратимы, проходя по иерархии снизу вверх, от места действия до биосферы
21
в целом, они меняют глобальные процессы и переводят их на новый
эволюционный уровень
4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной
совокупности биосферы и ее крупнейших подразделениях ответные реакции,
приводящие к относительной неизменности эколого-экономического
потенциала, увеличение которого возможно лишь путем значительного
возрастания энергетических вложений. Искусственный рост экологоэкономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью
экосистем.
«Чем больше пустынь мы превратим в цветущие сады, тем больше
цветущих садов мы превратим в пустыни» (Н. Ф. Реймерс. Человек и природа –
1981. – №6. – с.67) .
Структура сообщества в конкретном местообитании создается постепенно
в течение определенного времени. Последовательность появления и
исчезновение популяций разных видов в данном местообитании, называется
экологической сукцессией (рис.1.6.).
Сукцессия управляется самим сообществом так, если общее дыхание
меньше валовой первичной продукции (ВПП/Д>>1) в экосистеме
накапливается органическое вещество и всегда найдутся виды (в результате
случайного расселения и миграции), которые смогут его освоить. Увеличение
численности популяций этих видов может привести к состоянию, когда траты
дыхания сравняются с ВПП, т. е. (ВПП/Д≈1) или станут больше ВПП
(ВПП/Д<<1) и тогда часть гетеротрофных видов вымрет.
Главная особенность этого процесса состоит в том, что изменение
сообщества всегда происходит в направлении к равновесному состоянию
(ВПП/Д ≈1). Завершающее сообщество, устойчивое, самовозобновляющееся и
находящееся в равновесии со средой, называется климаксным сообществом.
Для климаксного сообщества характерно: ВПП/Д≈1, низкая чистая
продуктивность, в основном детритные пищевые сети, большая биомасса,
высокое видовое разнообразие, сложная структура сообщества, узкая
специализация по нишам, крупные размеры организмов.
Экосистемы являются самоуправляемыми, т. е. способны к самоорганизации взаимосвязи ведущей к относительному гомеостазу.
Гомеостаз – устойчивость и способность экосистем сохранять структуру и
функциональные особенности при воздействии внешних факторов.
Стабильность достигается благодаря форме управления. Управление экосистемой основано на таком соединении компонентов, при котором выход может
регулироваться входом, т. е. действует принцип обратной связи. В большинстве систем с обратной связью выход служит одновременно входом (см.
рис.1.2.) .
22
Крупное нарушение в окружающей среде
Голая земля→ Лишай → Папорот → Травы → Кустар → Деревья
ники
ники
Луг
ники
Лес
Пионерное
сообщество
Климаксное
сообщество
Рис. 1.6. Типичная наземная сукцессия
Обратная связь – обратное воздействие управляемого процесса на
управляемый орган (подсистему). Положительная обратная связь – когда
результат управляемого процесса усиливает его. Например, увеличение
плотности популяции животных до определенного предела вызывает
повышение скорости их размножения. Отрицательная обратная связь – когда
результат управления процессом ослабляет его действия. Например,
превышение упомянутого предела плотности популяции ведет к депопуляции.
Устойчивость экосистем определяет избыточность ее функциональных
компонентов, т. е. сохранение видового разнообразия и поддержание
численности популяций отдельных видов на определенном уровне.
Устойчивость экосистем к внешним воздействиям определяется двумя
группами механизмов – энергетическим (запас свободной энергии системы, т.
е. живой фитомассы и мертвого органического вещества) и информационным
(число комбинаций структурных элементов, которое может создать система за
счет своего видового и структурного разнообразия в ответ на неблагоприятное
или благоприятное воздействие).
Продукция растительного покрова относится к основным параметрам
устойчивости экосистемы, так как именно через этот показатель проявляется
способность экосистемы в минимальные сроки восстановить себя в случае
антропогенных воздействий, при условии сохранения видового и структурного
разнообразия.
Концентрирование токсических веществ в пищевых цепях
В биологическом обмене участвует большое число химических элементов.
Почти все наземные и водные организмы концентрируют в своем теле
вещества, в том числе и обладающие токсическим действием. Так как пищевая
цепь многоступенчата, на каждой ступени концентрация веществ возрастает в
среднем на порядок, то уже на 2-й ступени она возрастает в 100 раз. Например,
в водной среде пятиступенчатая пищевая цепь: водоросли – травоядный
зоопланктон – хищный зоопланктон – мелкая рыба – промысловая рыба.
Следовательно, в промысловых рыбах концентрация вредных веществ может
повыситься в 100 тысяч раз по отношению к их содержанию в воде озера.
23
В последнее время человек все активнее использует синтетические
органические соединения, например, для борьбы с вредителями и болезнями
растений (пестициды). Среди первых применявшихся пестицидов была группа
хлорированных углеводородов, в том числе ДДТ. Эти вещества ядовиты для
многих животных и человека. Используемые для борьбы с насекомыми
(например, для борьбы с малярийными комарами в Мексике), за счет эффекта
концентрирования в пищевых цепях, они оказались вредоносны для птиц, рыб
и беспозвоночных (см. рис.1.7.) .
Птица
Крупная рыба
Мелкая рыба
Водные растения
75
50
10
0,04
Хищник 2
Хищник 1
Травоядное животное
Продуцент
Рис. 1.7. Количество ДДТ, заключенное в биомассе организмов, находящихся на разных
трофических уровнях. Цифрами выражено количество г ДДТ на 1 ⋅ 106 г биомассы
Таким образом, при совершенно благополучных показателях нормируемых
вредных веществ в воде, при наличии сброса токсических веществ в водоем.
Люди, потребляющие рыбу, могут погибать или заболевать без внешних,
казалось бы, причин. Например, массовое отравление людей – болезнь
«Минимата», возникшая у рыбаков японской деревни на берегу залива, в
который предприятия сбрасывали соединения ртути. По наблюдениям на
р.Колумбия в США при ничтожной концентрации в воде радиоактивных
веществ (фосфора, кальция, стронция, цезия и др.) в теле планктона их
содержание было в 2 тысячи раз выше, чем в воде, у рыб, поедающих этот
планктон – от 15 тысяч до 40 тысяч раз выше. Молодые ласточки, питающиеся
насекомыми, имели концентрацию радиоактивных веществ в 500 тысяч раз
больше, чем в воде реки. Таким образом, аккумуляция вредных веществ в
организмах и их концентрирование в пищевой цепи (биотическое накопление),
создает угрозу попадания их в организм человека и животных не только с
водой, но и с пищей в значительно больших количествах.
Контрольные вопросы
1. Приведите примеры 2-х экосистем, имеющих разную структуру
сообществ, покажите потоки вещества и энергии в них.
2. Перечислите факторы, влияющие на продуктивность экосистемы.
3. В чем отличие между пирамидами численности, биомасс и энергии?
Какой вид они будут иметь для следующих экосистем: а) луг; б) озеро?
4. В каких сообществах организмы редуцентной системы играют
основную роль в переносе энергии?
24
5. Рассчитайте эффективность использования энергии в пастбищной
пищевой цепи, представленной на рис.1.3, при переходе с одного трофического
уровня на другой и в процессе фотосинтеза.
6. Будет ли сохраняться устойчивость сообщества, если продукция
данного трофического уровня превысит потребности организмов следующего
уровня? Какие процессы могут происходить в этом случае?
7. На рис. 1.5. показаны потоки энергии, проходящие через небольшую
часть луговой экосистемы:
а) Какова валовая первичная продукция злаков и разнотравья?
б) Какова эффективность фотосинтеза (т. е. преобразования поступающей солнечной энергии в валовую первичную продукцию)?
в) Чему равна чистая вторичная продукция птиц, питающихся
семенами; паукообразных и кузнечиков (по отдельности)?
г) Сколько энергии теряется при дыхании и выделении фекалий у
полевых мышей?
д) Какие организмы являются продуцентами, первичными и
вторичными консументами?
е) Рассчитайте валовую первичную продукцию и вторичную
продукцию.
ж) Рассчитайте коэффициент использования энергии для гетеротрофов
различных трофических уровней.
з) Какие еще могут быть пути для потоков энергии? Назовите три.
8. Объясните соответствие пирамиды энергией д (рис.1.4.) второму
законы термодинамики.
9. Используя данные, представленные на рис.1.7., сделайте заключение,
на каком уровне ДДТ оказывает наибольшее влияние, на каком уровне его
легче всего обнаружить, на каком уровне находятся насекомые-вредители
урожаев, «мишень» для ДДТ?
10. В середине 60-х годов ДДТ был обнаружен в печени пингвинов в
Антарктиде – месте весьма удаленном от районов возможного его применения.
Какими путями ДДТ мог попасть в печень пингвинов?
11. Было замечено, что многие животные погибают от отравления ДДТ в
те периоды, когда им не хватает пищи. Объясните это явление.
1.3.
Организмы в среде обитания
Среда, ресурсы среды, условие среды как экологические факторы: абиотические,
биотические, антропогенные. Закон минимума, закон толерантности. Кривые толерантности.
Лимитирующие факторы и условия внешней среды. Стресс, стрессовые воздействия.
Антропогенный стресс и токсические вещества как лимитирующие факторы.
Закон единства организм – среда. Организм находится в диалектическом
единстве со средой обитания, основой единства служит обмен веществом и
25
информацией, а также общее участие в проведении и распределении потока
энергии.
Среда – совокупность пространства и всех элементов внешнего мира
окружающих живой организм.
Среда обитания организма характеризуется определенными условиями и
ресурсами.
Ресурсы среды – все то, из чего организм получает энергию и вещества
для своей жизни. Различают энергетические и пищевые ресурсы.
Условия среды определяют как экологические факторы, условно разделив
их на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические экологические факторы – это факторы неживой природы
или косвенно воздействующие на организмы. Это физико-химические
характеристики среды, количественно выражающие ее вещественный и
энергетический состав. Уровень абиотических экологических факторов может
изменяться при участии компонентов живой природы.
На Земле существует 4 типа сред обитания – наземно-воздушная, водная,
почвенная и образованная самими живыми организмами. В соответствии с этим
и абиотические факторы подразделяют на климатические, эдафические
(почвенные) и факторы водной среды.
I. Климатические факторы.
1. Солнечная радиация. Экологически значимыми показателями являются интенсивность излучения (Дж ⋅ м-2 ⋅ с-1) , спектральный состав (99% энергии
заключено в интервале λ -0,3-0,4 мкм), УФ – лучи λ < 0,3 мкм, губительные
для живого, поглощаются основным слоем атмосферы; освещенность земной
поверхности (Лк), продолжительность воздействия (долгота дня).
2. Влажность воздуха (%).
3. Осадки (мм).
4. Газовый состав атмосферы, (%) , (N2 - 75 ,52; О2 – 23 , 15; Аr – 1,28; СО2 –
0,046) .
5. Температура (° C) .
6. Скорость ветра (м/с).
7. Давление атмосферы (Па).
II. Эдафические факторы.
1. Минеральный и органический состав почв, % - содержание биогенных
элементов - О , N,P , К, микроэлементов (Zn , Mo , B , Mg , Cu), тяжелых
металлов (Pb, Hg, Cd и др.), содержание гумуса, влажность.
2. Механический состав – плотность, влагоемкость, влагопроницаемость,
способность к насыщению воздухом (аэрации).
III. Факторы
водной
среды.
Плотность,
вязкость;
подвижность;
температурная стратификация – изменение температуры по глубине водоема;
режим изменения температуры (суточный, годовой); прозрачность; соленость –
содержание растворимых минеральных солей; содержание органических
веществ и растворенных газов.
26
IV. Рельеф местности – направление и крутизна склонов; положение по
отношению к окружающей местности оказывает влияние на уровень
климатических, эдафических и водных факторов.
Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних
организмов на другие. Взаимодействия между организмами могут быть
гомотипическими – между особями одного вида и гетеротипическими – между
особями разных видов. Типы взаимодействия между животными: хищничество
– поедание одних видов другими; паразитизм – питание и жизнь на теле или
внутри тела другого организма – хозяина; форезия – перенос одних видов
другими; комменсализм (сотрапезничество) – один вид питается остатками
пищи другого; аменсализм – один вид в присутствии другого не может
нормально питаться и размножаться; протокооперация – совместное
гнездование в целях защиты от хищников; интерференция – непреднамеренное
уничтожение одних организмов другими; мутуализм – симбиотические
отношения, при которых присутствие каждого из двух видов становиться
обязательным для другого.
Конкуренция – соперничество за обладание ресурсами. Внутривидовая
конкуренция проявляется в территориальном типе поведения, позволяющем
избегать недоселенности и перенаселения. Межвидовая конкуренция – играет
важную роль в формировании природного сообщества, определяет ярусную
структуру сообщества, способствует заселению экологических ниш и более
эффективному использованию ресурсов.
Таким образом, все организмы взаимосвязаны и взаимонеобходимы друг
другу. В процессе их взаимодействия осуществляется естественный отбор,
приспособленная изменчивость, т.е. важнейшие эволюционные процессы.
Антропогенные факторы – воздействия деятельности человека на природу,
которые приводят к изменению естественного уровня экологических факторов
и появлению в ней новых абиотических и биотических факторов. Например,
появление в атмосфере, водоемах, почвах синтезируемых человеком
соединений (хлор – фтор – углеводороды в верхних слоях атмосферы,
пестициды в почвах, водоемах и пр.). Антропогенные факторы можно отнести к
биотическим факторам, учитывая, что человек ее биотический компонент.
К положительным антропогенным воздействиям следует отнести
деятельность человека по охране природы.
Охрана живой природы заключается в сохранении такого режима
экологических факторов, при котором не разрушаются экологические ниши,
обеспечивается нормальное функционирование популяций живых организмов,
соответствие их состава и структуры конкретным условиям местообитания.
При решении природоохранных задач, наблюдают и поддерживают не
отдельные особи, а их популяции. Численность того или иного вида
выражается определенным количеством особей.
Плотность популяций – это ее численность, отнесенная к единице
занимаемого ею пространства – показатель, используемый для сравнения
27
численности отдельных популяций или изменений изменения численности
одной и той же популяции в разные отрезки времени. Плотность популяций
зависит от состояния экосистемы, т.е. от всего комплекса окружающих
биотических и абиотических факторов.
Численность и плотность популяций предопределены всем предшествующим развитием данной популяции и многих предыдущих поколений.
В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает
ее рождаемость и смертность. В зависимости от соотношения этих показателей
говорят о балансе популяций.
Рождаемость – число потомков, производимых одной самкой в год. У
человека число рождений на 1000 человек за год. Смертность – число смертей
на 1000 особей в год .
Выживаемость – доля особей в популяции, доживших до возраста
размножения.
Интенсивность тех или иных жизненных процессов часто оказывается
чувствительным ко многим факторам. В этом случае решающее значение будет
принадлежать фактору, который имеется в минимуме (закон минимума,
Ю.Либих , 1840 год).
Лимитирующее влияние на развитие организма может оказывать фактор,
находящийся не только в минимуме, но и в максимуме (закон толерантности,
Шелфорд, 1913 г.).
Толерантность (греч. толеранция – терпение, выносливость) - способность
организмов выдерживать изменения условий жизни. Это свойство живого
приспосабливаться к изменяющимся условиям жизни. Факторы среды
ощущаются организмами в некотором диапазоне их значений, называемом
дипазоном толерантности. На рис. 1.8. представлена кривая толерантности,
выражающая зависимость реакции организма от дозы фактора. Значение Тмакс и
Тмин называются летальной дозой.
Диапазон значений фактора Т1 – Т2 называется зоной оптимума или зоной
комфорта. Диапазоны значений температуры от Тмакс – Т1 и Т2 – Тмин – зоны
пессимума (пессимус – наихудший). В целом диапазон Тмин – Тмакс – диапазон
выносливости организма или диапазон толерантности. Условия среды, при
которых какой – либо фактор (или их совокупность) выходит за пределы зоны
комфорта, называют экстремальными (крайние, граничные, трудные). При
таких значениях фактора организм попадает в состояние стресса.
28
Изменение биомассы, г/сут.
(реакция организма)
0,2
0,1
1 0
2
-20 Tмин 0
Т1
3
20
2
Т2 40
1
Tмакс 60
Температура, 0С *Время, час (доза фактора)
Рис. 1.8. Кривая толерантности в общем виде: 1 – безжизненная зона; 2 – зона пессимума,
экстремальные условия, стрессовое состояние организма; 3 – зона комфорта
Организмы с широким диапазоном толерантности к одному или многим
экологическим факторам называют эврибионтными (например, бурый
медведь), с узким – стенобионтные (например, форель).
Факторы, уровень которых приближается к границе зоны толерантности,
называются лимитирующими.
Лимитирующее влияние факторов может проявляться не на всех, а только
на некоторых стадиях развития организма, когда диапазон выносливости
минимален, например, на стадии размножения (правило А. Тинемана, 1926 г.).
С учетом закона толерантности экологическая ниша организма
определяется как пространство экологических факторов ограниченное
диапазонами толерантности. При помещении организма в новые условия,
диапазоны толерантности изменяются в пределах его видовых характеристик,
он адаптируется к новым условиям.
Перенапряженное состояние организма, необходимое для поддержания
жизнедеятельности, возникающее при резких изменениях условий среды или
при приближении значений факторов к границам толерантности, называется
стрессом. Стрессовое состояние организма может наступать за счет
антропогенных воздействий, например, когда в окружающую среду с отходами
производства и потребления, а также с выбросами транспортных средств
попадают вещества, обладающие токсическим действием (токсиканты).
Токсическое действие этих соединений осуществляется несколькими
взаимосвязанными путями: физическое нарушение пространственно –
временной и структурной упорядоченности ферментных систем организма;
конкурентное вовлечение загрязняющих веществ в метаболические процессы,
29
не приводящие к необходимым продуктам; химическое взаимодействие
загрязняющих веществ с жизненно важными компонентами клеточных стенок.
Например, свинец в природе встречается повсеместно, но жизненно
необходимым элементом не является. За последние десятилетия уровень
концентрации свинца в природе все больше повышается вследствие
антропогенных нагрузок. До 72 ,3 % от большего количества выбросов свинца
принадлежит продуктам сгорания бензина, содержащего в качестве
антидетационных добавок тетраэтиленовец. С выхлопными газами в
атмосферу, а затем на поверхность почв, выбрасывается 250 тысяч тонн свинца
в год. Городская пыль содержит до 1% свинца, в дожде и снеге до 300 мг/л
свинца. Ежедневно житель города поглощает 45 мкг свинца. Содержание
свинца в крови современного человека в 100 раз превышает его содержание в
крови первобытного человека. Токсическое действия свинца связано со
способностью замещать Са в костях и нервных волокнах. Дефицит Са и
витамина Д усиливает всасывание свинца в желудочно-кишечном тракте.
Хроническое отравление человека свинцом проявляется в повышенной
возбудимости, бессоннице, утомляемости, депрессии, расстройстве функций
нервной системы, в поражении головного мозга. Вероятно, существуют связи
между свинцовым загрязнением, приобретенным человеком до рождения или в
раннем детстве, и снижении уровня его интеллекта, способности к обучению,
нарушениям двигательных процессов и поведения.
Вследствие глобального загрязнения свинец стал вездесущим
компонентом любой растительной и животной пищи. Наибольшее содержание
свинца в растительной пище, печени и почках животных (предельно
допустимая концентрация свинца в воде 40 мкг/л, воздухе 2 мкг/м3 , почве
100 мкг/кг).
Контрольные вопросы
1. Перечислите процессы, протекающие у растений и животных с
участием: а) света; б) тепла; с) звука; д) воды; е) кислорода.
2. Какие факторы могут влиять на концентрацию кислорода в природном
водоеме, в атмосфере, в почве?
3. Назовите важнейшие лимитирующие экологические факторы.
4. Какие факторы могут влиять на разнообразие видов и численность
популяций, появляющихся на определенной территории?
5. Если численность населения в данном году составляла 500 тысяч
человек и за год родилось 10000 человек, то какова была рождаемость?
6. Что такое экологическая ниша?
7. Перечислите ряд биотических и абиотических факторов, на уровне
которых отражается уничтожение лесов.
8. Почему толерантность популяции к факторам среды значительно
шире, чем у особи, и каково экологическое значение этого явления?
30
9. Какие значения экологических факторов являются оптимальными:
а) для нормального развития организмов; б) для функционирования экосистем?
10. В чем состоят положительные и отрицательные взаимодействия между
видами?
11. Почему, по мнению Ю. Одума, человек должен установить мутуалистические отношения с природой?
12. Почему видовое разнообразие является основой биологического
разнообразия в живой природе?
31
2. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
2.1. Рациональное использование и воспроизводство ресурсов
атмосферного воздуха
В настоящее время к естественным факторам изменчивости атмосферы
добавился антропогенный фактор, связанный с прогрессирующим ею загрязнением.
Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при
поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.
Вещества-загрязнители бывают двух видов: газы и аэрозоли. К последним
относятся диспергированные твердые частицы размером 0,5 мкм и менее,
выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во
взвешенном состоянии.
К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид
углерода, диоксиды серы и азота, малые газовые составляющие, способные
оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота,
галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.
Один из основных по массе загрязнителей атмосферы - углекислый газ
СО2. Вместе с кислородом это один из биогенов атмосферы, который в
основном контролируется биотой. В ХХ в. наблюдается рост концентрации
углекислого газа в атмосфере, доля которого с начала века увеличилась почти
на 25%, а за последние 40 лет - на 13%.
Кроме того, около 2% общей массы выбросов в атмосферу составили
вредные вещества с высокой токсичностью (сероуглерод, фтористые соединения, бенз(а)пирен, сероводород и др.).
Фоновое техногенное загрязнение атмосферы формируется преимущественно под влиянием промышленных выбросов и условий регионального и
глобального рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере.
В качестве энергетических загрязнений атмосферы можно рассматривать
шум, вибрацию, электромагнитные поля, ионизирующие тепловые излучения,
инфразвук. Биологические загрязнения атмосферного воздуха - присутствие
патогенных микроорганизмов, вирусов и бактерий, а также продуктов их
жизнедеятельности.
2.1.1. Источники загрязнения атмосферы
К природным источникам относятся: извержения вулканов, пыльные бури,
лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли,
продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.
32
Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового,
который мало изменяется во времени.
Антропогенные источники загрязнения, вызываемые деятельностью
человека, следующие.
1. Сжигание горючих ископаемых, сопровождается выбросом 5 млрд т
углекислого газа в год.
2. Работа тепловых электростанций при сжигании высокосернистых
углей и мазута с выделением сернистого газа.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов.
4. Производственная деятельность.
5. Загрязнения взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и
загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров, при
сжигании мусора).
6. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств.
2.1.2. Нормирование загрязнения атмосферного воздуха
В СССР впервые были разработаны и внедрены с 1949 г. в практику
природоохранной
деятельности
нормативы
предельно
допустимых
концентраций в воздухе населенных пунктов исходя их гигиенических
требований. Они включены в санитарные нормы проектирования СН 245-71.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) – максимальная
концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени
осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей
жизни человека не оказывает на него вредного воздействия, включая
отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом.
Эта величина обоснована клиническими и санитарно-гигиеническими
исследованиями; носит законодательный характер.
В России, как правило, ПДК соответствуют самым низким значениям,
которые рекомендованы Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).
Устанавливаются два значения норматива: максимальная разовая в пределах
20-30 мин и среднесуточная величина ПДК.
Значения ПДК некоторых химических веществ в атмосферном воздухе
приведены в табл. 2.1.
Максимальная разовая величина ПДК не должна допускать неприятных
рефлекторных реакций человеческого организма (насморк, ощущение запаха и
др.), а среднесуточная – токсичного, канцерогенного, мутагенного воздействия.
Для регулирования выбросов вредных веществ в биосферу используются
индивидуальные для каждого вещества и предприятия нормы предельно
допустимых выбросов (ПДВ), которые учитывают количество источников,
высоту расположения их, распределение выбросов во времени и пространстве и
33
ПДК загрязнения воздуха [3], мг/м
Вещество
3
Максимальная
разовая
0,085
0,4
0,5
0,2
0,16
0,3
–
0,15
–
Диоксид азота (NО2)
Оксид азота (NO)
Твердые частицы (пыль)
Хлористый водород
Озон
Цементная пыль
Ртуть (металлическая)
Сажа
Свинец и его соединения (кроме
тетраэтилсвинца) (Рь(С2Н5)4)
Углеводороды
Сернистый газ (SО2)
Угарный газ (СО)
Фенол
Формальдегид
0,03
0,5
5,0
0,01
0,035
Таблица 2.1.
Среднесуточная
0,04
0,06
0,15
0,2
0,03
0,01
0,0003
0,05
0,0003
0,005
0,05
3,0
0,003
0,003
другие факторы (ГОСТ 17.2.3.02-78).
Предельно допустимые выбросы (ПДВ) – предельное количество вредного
вещества, разрешаемое к выбросу от данного источника, которое не создает
приземную концентрацию, опасную для людей, животного и растительного
мира.
Методика расчета ПДВ изложена с СН 369-74. При расчете учитывают
фоновые концентрации вредных веществ в воздухе Сф и от остальных
источников загрязнения С, сумма которых должна быть меньше или равна
ПДК, т. е.
С + Сф ≤ПДК.
(1)
При совместном присутствии в воздухе нескольких веществ со значениями
ПДК – ПДКi, с концентрацией Сi (i=1, 2, 3, ..., m) их суммарная концентрация
должна удовлетворять следующему условию:
m
∑
i=1
34
C
ПДК
≤ 1.
i
i
(2)
2.1.3. Экономика очистки воздуха
В процессе производственной деятельности широко используется как сам
воздух, так и его составляющие элементы. При этом атмосфера подвергается
изменениям:
• безвозвратному изъятию газовых элементов;
• временному изъятию газовых элементов;
• загрязнению газовыми примесями, изменяющими природную структуру
воздуха;
• загрязнению взвешенными веществами;
• нагреванию;
• пополнению газовыми элементами;
• самоочищению.
Способ очистки газового потока характеризуется шестью группами
факторов: состав используемого оборудования; необходимые ресурсы;
параметры входного и выходного потоков; влияние на основной процесс;
вариант использования газового потока.
Интегральные
экономические
характеристики
способа
очистки
определяются через: коэффициент очистки газового потока (К02);
производительность; экономичность (количество улавливаемых веществ на
единицу издержек); эффективность.
Изобразим схему очистки газового потока (рис. 2.1).
Коэффициент очистки газового потока рассчитывают по отдельным
элементам
( 0)
(1)
3
К02 = (α i − α i
1
(3)
α (i 0)
и по потоку в целом
 n
( )
( ) 
K02 = ∑ γ i (α i 0 − α i1 )
 i =1

1
n
∑γ α
i
,
(4)
( 0)
i
i =1
где
α i и α (i1) – концентрация i-го элемента в единице исходного и очищенного
потоков газов;
γi – относительная экологическая опасность загрязнения i-м элементом.
Производительность способа очистки газового потока - это объем газа,
проходящего очистку в единицу времени (м3/сек, м3/час). В ряде способов
очистки газового потока производительность связана с требуемым (заданным)
K02э
является
функцией
коэффициентом
очистки.
Коэффициент
производительности (q), т.е.
К02э = f э ( q)
(5)
35
Используемые ресурсы
(энергия, топливо, вода, трудовые ресурсы, оборудование и др.)
Входной поток газа
(концентрация загрязняющих веществ: пыль,
углекислый газ, углеОбо
водороды, оксиды азота
и др.)
Оборудование
Выходной поток газа
(концентрация загрязняющих веществ:
пыль, углекислый газ,
оксид углерода, сернистый газ, оксиды
азота и др.
Влияние на основной производственной процесс
(производительность основного оборудования, дополнительные ресурсы, качество продукции и др.)
Рис. 2.1. Схема очистки газового потока
Вид функций f3(q) предопределяет диапазон допустимой интенсивности
газового потока на входе оборудования по его очистке (рис.2.2.).
(производительность)
q
К02э = f э ( q)
К
КЭ
qonm
0
э
K02э
К02 onm
Рис. 2.2. График зависимости коэффициента очистки газового потока по элементу i при
изменении производительности очистного оборудования (при условии, что оборудование
имеет регулируемую производительность)
Экономичность очистки – это соотношение результата и издержек на
единицу объема газового потока:
36
 n
( 0)
(1) 
Э = ∑ Ci ⋅ γ i (α i − α i 

 i =1
1
m
m
1
Ц к ⋅ dk + (∑ Ц j ∆rj )
∑
U
k =1
j =1
(6)
где dk и Цk – расход и цена k-го вида ресурса;
∆rj и Цj – дополнительный расход на единицу продукции пред
приятия ресурсов, вовлекаемых в основной производственный
процесс;
U – объем выходящего газового потока на единицу продукции;
Сi – удельный ущерб от выбросов i-го вещества в атмосферу.
Если процесс очистки снижает производительность основного процесса, то
экономичность вычисляют на единицу продукции
 n

( 0)
(1)
Э = ∑ U(α i − α i ) ⋅ Ci ⋅ γ i 
 i =1

1
m
∑Ц
k
,
(7)
⋅ dk ⋅ U + ∆ρ
k =1
где ∆ρ – снижение прибыли в основном производстве на единицу
продукции.
Эффективность способа очистки рассматривается как интегральная оценка
e=
[∑ (F (α
t
( 0)
i
]
,α (1) ) − Фt ⋅ ( dk ) − ∆Ρt ) ⋅ α t ⋅
1
K
(8)
где Ft(αi(0),αi(1)) – выручка от реализации утилизированных материалов и
снижение платы за выбросы или экологического ущерба за t-ый год;
Фt(dk) – издержки на эксплуатацию системы очистки за t-ый год;
∆Ρ – снижение прибыли в основном производстве за t-ый год;
αt – коэффициент приведения разновременных затрат;
К – единовременные расходы на установку и пуск системы очистки.
К классификационным признакам систем очистки газов относятся: вид
улавливаемых веществ, состав оборудования, используемые ресурсы, степень
влияния на основное производство и режим эксплуатации. Способы очистки
газовых потоков в зависимости от этого классифицируются, как это показано в
табл. 2.2.
Мероприятия по предотвращению выбросов в атмосферу можно разделить
на группы:
• усовершенствование технологических процессов;
• применение более современных конструкций технологических агрегатов
• модернизация методов пылеулавливания
• герметизация агрегатов и материальных потоков;
• подавление процессов образования вредных веществ
37
Таблица 2.2.
Способы очистки газовых выбросов
Способ
очистки
1
Классификация
2
1. Методы удаления аэрозолей
Использова По осадительным камерам (с заслонками, с горизонтальными
ние механи- полками, с лабиринтами, с наклонными полками); циклоны ческих
осадители (с тангенциальным входом, с осевым входом,
осадителей групповые циклоны); мультициклоны (параллельные,
последовательные).
Применение По конструкции (скрубберы с насадками, тарелочный скруббер);
с предварительным распылением (скруббер Вентури,
мокрых
брызгальный и противоточный скрубберы, барботажный и
инерционпенный аппараты); по типам осаждения (гравитационные,
ных
пылеулови- центробежные, инерционные).
телей
Фильтрация По материалам фильтра (тканевые, зернистые, волокнистые);
по состоянию насыпного слоя (неподвижный, двигающийся,
псевдосжиженный (орошаемый); по видам конструкции
(рукавные, плоская развернутая ткань, клиновые, каркасные,
рамные); по способу регенерации ткани (обратная продувка,
встряхивание); по количеству секций в установке
(однокамерные, многосекционные).
Электрофиль По количеству зон осаждения (одноступенчатые, двух –
трация
ступенчатые); по виду сечения (трубные, прямоугольные); по
способу очистки (мокрые, сухие); по диапазонам рабочих
температур.
2. Методы удаления газов
Абсорбция
По видам очищаемых газов (НСI, НF, SiF4, NН4, SО2, СI2, Н2S,
органические газообразные загрязнители); по видам
адсорбентов (вода, щелочной раствор, малолетучие
органические жидкости, гранулированные оксиды железа и
цинка, сульфиды кобальта, никеля и молибдена, известь,
известняк); по характеру использования жидкостей
(однократная, регенерация); по конструкции оборудования
(абсорберы с насадками, скрубберы Вентури и брызгальные,
мокрые электрофильтры, колонны с отражателем и
тарельчатые).
Адсорбция
По видам очищаемых газов (газы с сильным запахом, пары
ацетона, выхлопные газы, Н2S, радиоактивные газы, этилен); по
видам адсорбентов (активированный уголь, адсорбенты
оксидные и кремнийсодержащие, импрегнированые сорбенты с
38
Окончание табл. 2.2
1
2
пропиткой); по видам оборудования (сменные контейнеры с
адсорбентом, адсорбенты с тонкими и высокими слоями,
адсорбенты с движущимся сорбентом и с сжиженным слоем,
камеры с хромографической очисткой).
Конденсация По видам очищаемых газов (пары веществ с температурой,
близкой к точке росы, органические соединения,
углеводороды); по конструкции оборудования (с охлаждением
при непосредственном контакте и при косвенном контакте).
Дожигание
По видам очищаемых газов (углеводороды, органические
соединения); по типам горелок (с регулируемой подачей
топлива, многоструйные, с предварительным смешиванием,
форсунки); по видам топлива (нефть, газ).
Химические По видам очищаемых газов (оксид азота, оксид серы); по
методы
характеру процесса (некаталическое восстановление добавками
очистки
аммиака, селективное каталическое восстановление, облучение
потоком электронов с добавлением аммиака).
• рециркуляция тепловых и материальных потоков в технологических схемах
• предварительная термоподготовка топлива.
Ущерб от выбросов в атмосферу определяется по формуле:
 n

Υ = Ψ ⋅ σ (λ ) ⋅ f (λ ) ⋅ ∑ α i ⋅ (λ ) ⋅ mi 
 i =1

(9)
где Ψ – нормативный экологический ущерб от выбросов в атмосферу,
руб./усл. т;
σ(λ) – показатель, характеризующий относительную опасность загрязнения атмосферного воздуха в зависимости от типа территории;
f(λ) – коэффициент учитывающий характер рассеивания примеси в
атмосфере;
αi(λ) – показатель относительной агрессивности примеси ш-го вида,
усл.т/т;
mi – масса годового выброса примеси i-го вида в атмосферу, т/год.
Зависимости σ(λ), f(λ), αi(λ) задаются нормативными таблицами.
Законодательством России (постановление Правительства РФ №632 от
28 августа 1992 г.) установлены три норматива платы за выбросы:
• в пределах допустимых объемов выбросов;
• в пределах установленных лимитов выбросов
• сверх максимально допустимого объема выбросов.
Размер второго норматива в 5 раз выше первого, а третьего – 5 раз выше
второго.
39
Постановлением Правительства РФ №552 от 5 августа 1992 г. установлены
следующие источники платежей за загрязнение окружающей природной среды:
платежи за выбросы в пределах допустимых нормативов осуществляются за
счет себестоимости продукции; платежи за выбросы сверх допустимых
нормативов осуществляются за счет прибыли предприятия.
В себестоимость продукции включаются текущие затраты, связанные с
содержанием и эксплуатацией очистных сооружений, золоуловителей, фильтров и других природоохранных объектов, расходы на захоронение экологически опасных отходов и сточных вод.
Размер платежей предприятия за загрязнение окружающей среды может
уменьшаться на величину расходов по разработке и внедрению природоохранных мероприятий. Перечень таких мероприятий устанавливается
территориальным органом Минприроды РФ на основании международных
соглашений по охране природы и региональных экологических программ. Не
подлежат зачету текущие затраты на газопылеулавливающие установки,
дымососы, газоотходы, являющиеся элементами технологических процессов.
Дополнительные затраты на воспроизводство кислорода для сжигания
1 тонны органического топлива можно оценить по формуле:
З=
К
m ⋅ [( Ц1 + Ц 2 ) ⋅ (1 + α ) + Υ ⋅ γ − Э ⋅ f ]
(10)
где К – расход кислорода для полного сгорания 1 т топлива;
n – количество кислорода, выделяемого 1 га леса в атмосферу;
Ц1 – затраты на посадку 1 га леса;
Ц2 – затраты на освоение 1 га новых земель;
α – плата за кредиты на выполнение мероприятий по лесопосадкам и
освоению новых земель;
Υ – потери от снижения урожайности вновь освоенных земель взамен
отпущенных под лесопосадки;
γ – коэффициент, учитывающий затраты для получения дополнительной продукции;
Э – эффект, полученный от 1 га леса;
f – относительный коэффициент ценности лесных угодий по сравнению с сельскохозяйственными.
Рассмотрим оценку вариантов очистки промышленных выбросов в атмосферу на примере.
Частными показателями при оценке вариантов очистки газового потока
являются: коэффициент очистки, производительность, экономичность и
эффективность.
Издержки по эксплуатации системы очистки газового потока складываются из составляющих:
n = C + Υ1 − Υ0 + Р + S ,
(11)
40
где С – производственные издержки на эксплуатацию системы очистки;
Υ0 и Υ1 – ущерб, наносимый, окружающей среде потоком газа до и после
его очистки;
Р – плата за природные ресурсы, используемые при эксплуатации системы;
S – изменение издержек в основном производстве.
В составе Υ1 целесообразно выделить ущерб от неполной очистки газового
потока и ущерб, наносимый в результате эксплуатации самой системы очистки.
Единовременные затраты на систему очистки газового потока составляют:
Ф= К+З+F +П ,
(12)
где К – затраты на проектирование, разработку и внедрение системы;
З – затраты на отчуждение территории;
F – затраты на изменения в основном оборудовании;
П – плата за ресурсы, безвозмездно теряемые и возвращаемые в
хозяйственную деятельность при списании оборудования системы очистки.
Пусть даны два варианта системы очистки (таблица 2.3.), предназначенной
для очистки газов сталеплавильного цеха при объеме выпуска стали 9 млн.
т/год. Предполагается, что цех работает 10 лет.
Учетная ставка банка 20% (средства берутся в кредит). Характеристика
потока газа по вариантам представлена в таблице. Показатель, учитывающий
характер рассеивания, равен 10. Относительная опасность выбросов пыли
составляет 85,0; SO2 -22,0; СО2 - 1,0; Noх - 21,1 усл. т/т. Норматив удельного
экологического ущерба от выбросов в атмосферу 16,5 тыс. руб./усл.т (1996 г.).
Таблица 2.3.
Показатели очистки
До очистки
Варианты
1
2
Выбрасываемые вещества, в кг на од ну
тонну стали:
- пыль
- SO2
- СО2
- NOх
Себестоимость стали (с учетом затрат
на эксплуатацию системы), тыс.руб./т
Капитальные вложения, млрд.руб.
27,0
0,4
0,75
0,03
14000
4,3
0,01
0,04
0,001
14150
2,7
–
–
–
14200
–
191,6
198,6
Коэффициент очистки газового потока по 1 варианту очистки:
К02I = ((27,0 − 4,3) ⋅ 85 + (0,4 − 0,01) ⋅ 22,0 + (0,75 − 0,04) ⋅ 1,0 + (0,03 − 0,001) ⋅ 1,0∗
∗
1
= 0,84
(27,0 ⋅ 85,0 + 0,4 ⋅ 22,0 + 0,75 ⋅ 1,0 + 0,03 ⋅ 211
,)
Экономичность по 1 варианту:
41
ЭI = ((27,0 − 4,3) ⋅ 85 + (0,4 − 0,01) ⋅ 22,0 + (0,75 − 0,04) ⋅ 1,0 + (0,03 − 0,001) ⋅ 10∗
∗
1
3
= 12,96 ⋅ 10− ус .лt / tыс.р уб.
14150 − 1400
Снижение экономического ущерба от использования очистки по 1
варианту:
ΥI =
10
∑16,5 ⋅10 ⋅ 9 ⋅10 ⋅ [(27,0 − 4,3)85,0 + (0,4 − 0,01) ⋅ 22 + (0,75 − 0,04) ⋅1,0 + (0,03 − 0,001) ⋅ 211, ]∗
t =1
6
−t
8
∗ (1 + 0,2) = 1211
, ⋅ 10 р уб.
Эффективность способа очистки:
10

1
8
6
3
e1 = 1211
, ⋅ 10 − ∑ (14150 − 14000) ⋅ 9 ⋅ 10 ⋅ (1 + 0,2) − t ⋅ 10 ∗
= 36р уб./р уб.
6
3
t =1

 191,6 ⋅ 10 ⋅ 10
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные вещественные, энергетические и биологические
загрязнения атмосферного воздуха и их взаимосвязь.
2. Назовите отрасли экономики наиболее активно влияющую на состав
атмосферы (см. приложение 2).
3. Постройте диаграмму, отражающую динамику выбросов в атмосферу с
1996г. по 2004 г. для следующих отраслей: a) электроэнергетика; b) черная
металлургия; с) цветная металлургия; d) машиностроение (см. приложение 2)
4. Укажите порядковые номера международных стандартов ИСО
(приложение 3) по контролю качества: а) атмосферного воздуха; b) воздуха
рабочей зоны.
5. Укажите порядковые номера стандартов по контролю качества воздуха
устанавливающие: 1) общее положение и режим контроля качества воздуха; 2)
методы определения газовых компонентов атмосферного воздуза; 3) методы
определения диспергированных твердых частиц: а) органических; b)
неорганических.
6. Сущность ПДК и ее разновидности.
7. Как взаимосвязаны ПДВ и ПДК.
8. Рассчитайте коэффициент очистки, экономичность, эффективность 2-го
способа очистки газового потока (таблица 3). Сравните эти показатели с
таковыми для 1-го варианта, обоснуйте экономическую целесообразность
внедрения различных способов очистки.
2.2. Рациональное использование и воспроизводство ресурсов
пресной воды
Российская Федерация в целом богата ресурсами пресной воды - в расчете
на одного жителя приходится 28500м3/год. Однако распределение речного
стока по территории крайне неравномерно и несоответствует численности
населения и размещению промышленных предприятий. Так, водообес42
печенность на 1 км2 территории колеблется от 125 тыс. м3 в ЦентральноЧерноземном районе до 576,5 – в Волго-Вятском, а на одного жителя – от
2700м3 в Центрально-Черноземном до 90600 – в Северном. Недостаточно
обеспечено собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская,
Липецкая, Воронежская, Белгородская и Курская области, Калмыкия и
некоторые другие территории.
2.2.1. Источники загрязнения гидросферы
1. Сточные воды промышленных предприятий.
2. Городские сточные воды.
3. Канализационные воды животноводческих хозяйств.
4. Поверхностный сток.
5. Водный транспорт.
6. Естественные осадки из атмосферы.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические
вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны – аммонийный и нитратный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан,
формальдегид и др. Огромные количества загрязняющих веществ вносится в
поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной
металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной,
лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и
коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.
Существенное влияние на содержание биогенных и органических веществ
оказывают сельскохозяйственные угодья, а также пастбища и животноводческие фермы. Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в
водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов
достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов.
2.2.2. Нормирование вещественных загрязнений в водной среде
Особенности нормирования загрязнений в водной среде обусловлены
несколькими факторами.
1. С гигиенических позиций оценивается уровень загрязнения воды,
предназначенной для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
2. Нормативы качества воды распространяются не на весь водный объект,
а только на пункты водопользования населения.
3. Вода используется населением не только для питья, приготовления
пищи, личной гигиены, но и для хозяйственно-бытовых и рекреационных
целей. В связи с этим при нормировании учитывается как непросредственное
43
влияние химических загрязнителей на организм (санитарно-токсикологический
показатель вредности), так и их влияние на органолептические свойства воды и
процессы самоочищения воды водоемов (органолептический и общесанитарный показатели вредности).
4. Для всех водных объектов, используемых населением (поверхностные и
подземные воды, питьевая вода, вода систем горячего водоснабжения),
устанавливаются единые гигиенические нормативы (ПДК, ориентирочный
допустимый уровень – ОДУ).
При многокомпонентном составе вредных веществ суммарный эффект
воздействия на санитарное состояние водоема нескольких вредных веществ
можно определить по формуле (2).
Если при расчете условие (2) не соблюдается, то санитарное состояние
водоема не удовлетворяет нормативным требованиям и необходимо проводить
мероприятия по повышению эффективности очистки производственных
сточных вод перед их спуском в водоем.
Таблица 2.4.
ПДК некоторых веществ в водоемах для
общественного и бытового использования, мг/л [3]
Вещество
Аммиачная селитра
Аммиак
Бензапирен
ДДТ
Сера
Кадмий
Марганец
Медь
Никель
ПДК
2,0
0,39
0,000005
0,1
0,001
0,01
0,01
1,0
0,1
Вещество
Ионы нитратов
Ионы нитритов
Ртуть
Свинец
Ионы сульфатов
Фенолы
Цинк
Циклогексан (С6H12)
ПДК
10
1,0
0,0005
0,03
500
0,001
0,01
0,1
2.2.3. Экономика водоиспользования
Применение воды для потребления населением и в производственных
процессах требует определенной процедуры доведения ее состава (по
параметрам) до некоторых заданных количественных и качественных значений.
Характеристика состава питьевой воды установлена ГОСТ 2874-82 и не всякий
природный источник дает воду, соответствующую стандарту.
Рассмотрим типичную схему кругооборота использования воды (рис.2.3.)
Воздействие деятельности человека на водные ресурсы оценивается по
объектам и материалам загрязнения. В значительной степени расход воды и ее
стоимость зависят от географического положения региона и его промышленного потенциала.
44
потери
Водоподача
Население
сток
Водоочистка
Водный
бассейн
Водозабор Водоподготовка
Орошение
потери
воды
потери
система
пополнения
бассейна
промышленные
предприятия
Водоочистка,
водоохлаждение
потери
воды
сток
сток
Рис. 2.3. Схема водопользования
Составим уравнение баланса водопользования в течение года на основе
вышеуказанных обозначений:
или
Vбп = Vз + Vор + Vпот - Vост,,
(13)
Vбп + Vост = V1 + Vор + Vпот .
В то же время объем бассейна должен быть не менее
(14)
V ≥ К6 (V3 + Vор + Vпот),
где К6 – коэффициент, учитывающий изменения в системе пополнения
бассейна, зависящие от географического расположения и климатических
условий региона.
45
Равенство (13) для конкретных условий региона должно быть записано в
виде
Vбп + Vост ≥ V3 + Vор + Vпот.,
(15)
Тогда условия нормального водопользования, т.е. при неизменных ценах
стоимости единицы ресурса в бассейне С6, будут записаны в виде:
Vб п+ Vо с т≥ V3 + Vор т + Vп о т

V ≥ K (V3 + Vор + Vп о т)


приС6 = с о п st

(16)
Таблица 2.5.
Объемы и затраты водопользования
затраты на единицу
Место использования воды
объем ресурса
естеств. искуств.
Водный бассейн
V
Себ
Cб
е
Система пополнения бассейна
Vбп
Сб
Сбп
Водозабор
Vз
–
Cз
Водоподготовка для нужд населения
Vн
–
Сн
Водоподготовка для хоз. объектов
Vx
–
Cx
е
Водоочистка после использования населением
Vин
С ин
Син
е
Водоочистка после использования хоз. объектами Vих
С их
Сих
е
Сток после использования населением
Vнс
С нс
Снс
е
Сток после использования хоз. объектами
Vхс
С хс
Схс
е
Орошение
Vор
С ор
Сор
е
Потери воды общие
Vпот
С пот
Спот
е
Общий сток от водопользования
Vост
С ост
Сост
Если источником снабжения является река, то здесь в качестве объема
бассейна можно рассматривать среднесуточный объем воды, проходящей через
границы пользования (региона) до первого потребителя. Соответственно все
объемы рассматриваются в этом случае как среднесуточные и тогда вместо
коэффициента К6 используется коэффициент Кр, учитывающий изменения
среднесуточного объема воды, проходящего через границу пользования до
первого потребителя, и сезонные колебания этого объема.
Сумма затрат на водопользование складывается из затрат на подачу воды
до пользователя и затрат на возврат воды в новый оборот. Так, стоимость
обеспечения водой населения складывается из следующих составляющих:
Снас = С6 + С3 + Сн + Син + Син + Спот.,
(17)
где С6 – стоимость воды в бассейне;
С3 – стоимость водозабора;
46
Сн – стоимость водоподготовки и подачи воды населению;
Син – стоимость водоочистки после использования воды населением;
Снс – стоимость стока воды в бассейн;
Спот – стоимость безвозвратных потерь воды.
Стоимость складывается как
Сi = qi ⋅ pi.,
где Сi – стоимость воды на определенном i-м этапе потребления;
qi – объем воды в м3, потребляемый на i-м этапе;
pi – цена м3 воды на i-м этапе.
Цена pi может быть определена по формуле
Рi = Si + Ei.Ki + Пi,
(18)
(19)
где Si – полная себестоимость одного м3 воды на i-м этапе;
Еi – норма эффективности капитальных вложений;
Кi – суммарная величина капитальных вложений на все от 1-го до i-го
этапы потребления воды;
Пi – суммарная прибыль от одного м3 воды на всех от 1-го до i-го
этапах потребления.
При ограниченных водных ресурсах установление цены на воду зависит от
дефицита и качества ресурсов. Цена должна стимулировать потребителей на
водосбережение и внедрение технологий с использованием замкнутой системы
водоснабжения внутри производства.
Сохранению водных ресурсов также способствует установление платы за
сброс использованной воды. Законодательством предусматривается очистка
воды до санитарных норм. Однако в этом случае вода все равно отличается от
природной содержанием вредных примесей. В этом случае сточные воды для
очистки требуют разбавления их природной водой. Следовательно, плата за
сброс загрязненной воды производится по цене:
Рсбр = Qy.Sy,
(20)
где Qy – объем чистой воды, необходимой для разбавления 1 м3
загрязненной воды;
Sy – себестоимость чистой воды, применяемой для разбавления.
При потере воды в случаях ее испарения, загрязнения, требующего
последующей очистки в течении многих лет, вывода воды из хозяйственного
использования, плата устанавливается исходя из наличия дефицита водных
ресурсов в данном регионе. В любом случае, применение технологий, при
которых имеются такие потери, должно быть в конце концов невыгодным и
требующем замены на более рациональные с точки зрения водосбережения.
47
2.2.4. Очистка сточных вод
Для оценки метода очистки сточных вод применяются следующие
показатели: коэффициент очистки сточных вод, экономичность процесса,
производительность, эффективность.
Процесс очистки воды можно представить в виде схемы (рис.2.4.)
Коэффициент очистки сточных вод является функцией от показателей
качества воды:
KOB = f(T, d, C,pH, y),
(21)
где Т – температура воды;
d – содержание взвешенных частиц;
С – содержание растворимых веществ;
рН – водородный показатель;
y – общая и карбонатная жесткость.
Для определения коэффициента очистки сточных вод, при отсутствии
теплового загрязнения, используются следующие соотношения:
К ОВ
i
=
(β
(0)
i
β
− β
(1 )
i
(0)
i
 n ( 0)

(1)
KOB = ∑ (β i − β i ) ⋅ γ i ∗
 i =1

)
,
1
n
∑β
( 0)
i
(22)
,
i = 1, n
(23)
⋅γ i
i =1
где КОВi – коэффициент очистки сточных вод от i-го вида загрязнения;
КОВ – суммарный коэффициент очистки сточных вод по всем n (i=I, n)
загрязнениям;
ßi(0) и ßi(1)– содержание (концентрация) i-го вида загрязнения в сточных водах, до и после очистки;
γi – коэффициент относительной опасности i-го вида загрязнения.
48
Вода после использования в хозяйственных нуждах (концентрация примесей: механических,
нефти, масел, жиров, кислот, щелочей, органических веществ,
сульфидов, фенола, аммиака,
растворимых солей)
Использемые
на очистку ресурсы (реагенты, экстрагенты, сорбенты,
трудовые ресурсы, вода)
Характеристики процесса
очистки
(производительность, качество воды,
издержки)
Оборудование для очистки и
технологии
Вода после очистки, сбрасываемая
в водоем для дальнейшего использования (концентьрация примесей:
механических, нефти, масел, жиров, кислот, щелочей, органических веществ, сульфидов, фенола, аммиака, растворимых солей).
Рис. 2.4. Схема очистки воды
При необходимости охлаждения сточных вод коэффициент очистки по
температуре равен:
KOBi =
T
(1)
−T
( 0)
T
( 0)
,
(24)
где Т(0) и Т(1) – температура до и после охлаждения.
Экономичность процесса очистки определяется по соотношениям:
 n ( 0)

1
(1)
Э = ∑ ( β i − β i ) ⋅ γ i ⋅ C  ⋅
,
k

1
 i =1
 
∑ Ц к ⋅ dk  + ∑ Ц i ⋅ ri ⋅
V
 j =1

1
(1)
( 0)
Э = (Т − Т ) ⋅ Ст ⋅ т
,
 1

 
∑ Ц к ⋅ dк  + ∑ Ц1 ⋅ r1  ⋅ V
 к =1
  l =1

[
49
]
(25)
(26)
где С и Сm – удельные стоимостные нормативы на единицу загрязнения
или температуры;
Цk и dk – цена и расход k-го (к=l, m) вида ресурсов для процесс
очистки на единицу очищаемой воды;
Цl и rl – цена и расход дополнительных I-ых (I=I,р) ресурсов,
вовлекаемых в процесс очистки, на единицу продукции;
V – объем очищаемой воды на единицу продукции.
Используя соотношение (40) и (41), можно определить количество
очищенного вещества в стоимостном или натуральном выражении, либо
снижение температуры на единицу затрат на процесс очистки.
Выражение
 1
m
  p
Ц
d
⋅
∑ k k  + ∑ Ц1 ⋅ r1  ⋅ V
 k =1
  l =1

(27)
представляет собой издержки на очистку по предлагаемому способу,
включающее в себя издержки на эксплуатацию очистного оборудования и
изменение издержек в основном производстве при использовании очистного
оборудования.
Производительность способа очистки сточных вод определяется объемом
очищенных вод в единицу времени.
Эффективность способа очистки сточных вод определяется соотношением
Е=
[
]
1 i
( 0)
(1)
Fj (β i , β i ) − Фj ( dk ) − Pj α j
∑
К j =1
(28)
где Fj(ßi(0),ßi(1)) – выручка от реализации утилизованных осадков
сточных вод, снижение платы за выбросы или от экологического ущерба за год
j (j=1,t);
Фj(dk) – издержки на эксплуатацию системы очистки за j -ый год;
Pj – снижение прибыли в основном производстве за j -ый год;
αj – коэффициент приведения разновременных затрат;
K – капитальные затраты на установку и пуск системы очистки.
Комплексным показателем, характеризующем систему водоснабжения
предприятия, является степень ее изолированности (доля повторно используемой воды). В настоящее время этот показатель в среднем составляет: в
нефтепереработке и нефтехимической промышленности – 90%; в черной
металлургии - 80 %; в целлюлозно-бумажной промышленности – 60%.
Рациональность использования воды, забираемой из источника, оценивается коэффициентом использования Кисп:
Кисп=(Qист+Qc-Qсбр) / (Qист+Qc),
где Qоб, Qист и Qс – количество воды, использемой соответственно в
обороте, забираемой из источника и поступающей в систему водоснабжения с
сырьем.
Ущерб от сбросов в водные бассейны неочищенных вод определяется по
формуле
50
 n

Υ = γ ⋅ κ (λ ) ⋅ ∑ α i (λ ) ⋅ mi  ,
 i =1

(29)
где y – нормальный экологический ущерб (в руб. на условную тонну);
k(λ) – безразмерный коэффициент, зависящий от места расположения
водоема на территории страны;
αι (λ) – показатель относительной опасности сброса примеси i-го вида
в водоем (в условных тоннах на тонну воды);
mi – масса сброса примеси i-го вида в водоем (в тоннах в год).
Зависимости k(λ) и αi(λ) задаются нормативными таблицами.
Значение αi(λ) можно определить как
α
i
(λ ) =
1
ПДК
,
(30)
i
где ПДКi – предельно допустимая концентрация i-го вида примесей в
водных объектах.
При оценке ущерба от сточных вод следует иметь в виду продолжительность самоочищения, которая составляет:
• в мировом океане – 2500 лет, при полном перемешивании за 65 года;
• подземных вод – 1400 лет;
• почвенной влаги – 1 год;
• воды озер – 17 лет;
• воды болот – 5 лет;
• воды в руслах рек – 16 дней;
• влаги в атмосфере – 8-10 дней;
• воды в живых организмах – несколько часов.
Изменение характеристик воды влечет к снижению ее продуктивности как
среды обитания, делает невозможным ее использование человеком и животными, а также для нужд промышленности и сельского хозяйства.
Очистка сточных вод включает в себя несколько технологических процессов (рис. 2.5.)
Удельные затраты на строительство комплекса по первичной очистке
меньше в 1,5-1,8 раза, чем по вторичной, и в 8-10 раз, чем по третичной. Если
принять стоимость очистки воды до 90% за единицу, то очистка до 99% будет
стоить 10 единиц, а до 99,9% – 100 единиц.
Для очистки сточных вод предприятий сегодня существует 6 основных
схем:
1-я – прямоточная, сброс воды в водоемы без очистки;
2-я и 3-я – повторного использования воды (сброс без очистки) и с
осветлением сточных вод на сооружениях очистки;
4-я – повторного использования условно-чистой воды и оборотного
водоснабжения загрязненной воды;
5-я – оборотного водоснабжения;
6-я – бессточного водоснабжения.
51
Процесс удаления загрязняющих веществ в воде
Предварительный (процеживание и выделение тяжелых примесей,
отдельных нефтепродуктов, усреднение и хранение)
Первичный (нейтрализация и отстаивание)
Вторичный (отстаивание, использование активного ила, анаэробное сбраживание, аэрация, закачка в скважины
Третичный (экстракция, коагуляция и отстаивание, фильтрация,
угольная адсорбция и ионообмен)
Рис. 2.5. Схема очистки сточных вод
Cхему эффективности схем можно показать на графиках (рис.2.6.).
Э.У,К,С
график экономической
эффективности системы (Э)
график себестоимости воды (С)
график капительных
вложений (К)
график экологического
ущерба (У)
1
2
3
4
5
6
схемы очистки
Рис. 2.6. График эффективности схем очистки
При оценке вариантов очистки промышленных сточных вод используются
показатели: коэффициент очистки, экономичность и эффективность очистки.
Система очистки предполагает издержки:
n
U = C + Υ1 − Υ0 + P + S + ∑ Ц1 ⋅ m1 ,
l =1
где С – текущие издержки на эксплуатацию системы очистки;
52
Y0 и Y1 – ущерб окружающей среде, наносимый сточными водам до и
после очистки;
P – плата за природные ресурсы, используемые при эксплуатации
системы;
S – изменение издержек в основном производстве;
Цl и ml – затраты на утилизацию отходов l-го вида из сточных вод
после очистки и их количество.
Кроме издержек по эксплуатации системы очистки сточных вод,
необходимо учитывать единовременные затраты на нее:
К=К1+К2+К3+К4 ,
(31)
где К1 – затраты на проектирование, разработку, внедрение системы;
К2 – затраты на отчуждение территории;
К3 – затраты на изменение оборудования в основном производстве;
К4 – плата за ресурсы.
Целесообразность и эффективность очистки сточных вод можно проиллюстрировать на следующем примере.
В таблице приведены основные показатели для 2-х вариантов очистки
сточных вод.
Таблица 2.6.
Основные показатели сравниваемых вариантов
выбрасываемые примеси,
т/год
взвешенные вещества
ксантогенат бутиловый
нитрат аммония
цианиды
фтор
нитраты (по азоту)
сульфаты
хлориды
без
очистки
41,0
0,8
13,3
30,0
20,0
7500,0
6500,0
400,0
с очисткой
вариант 1
8,0
вариант 2
9,1
2,7
–
4,0
900,0
800,0
200,0
1,5
2,0
750,0
850,0
150,0
2500
2500
20000
23000
1040
1135
10
10
годовой объем очищаемых сточных вод, тыс. м3
капитальные вложения в очистные
сооружения, тыс.руб.(цены 1990 г.)
текущие расходы при очистке воды,
руб./тыс. м3
время работы очистного сооружения, лет
53
показатель отно
сительной опасности усл. т/т
1,33
1000,0
2,0
20,0
20,0
0,11
0,01
0,03
1) Расчет приведенной массы сбросов
m0=41,0*1,33+0,8*1000,0+13,3*2,0+30,0*20,0+20,0*20,0+7500,0*0,11+6500,0*0,
01+400,0*0,03=2783,13 усл.т/год;
m1=8,0*1,33+2,7+4,0*20,0+900,0*0,11+800,0*0,01+200,0*0,03=209,04 усл.т/год;
2) Коэффициент очистки сточных вод (КОВ1)
КОВ 1 = (278313
, − 209,04) ⋅
1
= 0,92
278313
,
3) Экономичность очистки (Э1):
Э1 = (278313
, − 209,4) ⋅
1
ус .лт
3
= 0,99 ⋅ 10−
1040 ⋅ 2500
р уб. з атрат
4) В качестве норматива удельного экологического ущерба примем 2217,5
руб./усл.т. Предполагаем, что средства могут быть взяты в банке в кредит по
ставке 20% годовых. тогда экологический ущерб (Y1) за период эксплуатации
очистных сооружений в 10 лет составит:
10
Υ1= ∑ 2217,5⋅).95(2783,13-209,4)(1+0,2)-t= 22,734 млн.руб.
t=1
где 0,95 - коэффициент, учитывающий район расположения очистного
сооружения.
5) Эффективность очистки
10

1
6
−t 
E1 = 22,734 ⋅ 10 − ∑1040 ⋅ 2500(1 + 0,2) 
= 0,592 р уб./р уб. з атрат;
6
t =1

 20 ⋅ 10
Контрольные вопросы
1. Перечислите основные показатели качества воды.
2. Постройте диаграмму отражающую динамику сбросов в водоемы с
1996 г. по 2004 г. для следующих отраслей: a) электроэнергетика;
b) черная металлургия; с) цветная металлургия; d) машиностроение (см.
приложение 4)
3. Перечислите порядковые номера международных стандартов ИСО
качества воды (приложение 5), которые устанавливают правила отбора
проб.
4. Перечислите порядковые номера международных стандартов ИСО
качества воды (приложение 5), которые устанавливают методы определения содержания а) растворенных газов, b) органических соединений;
c) неорганических соединений; d) биологических загрязнений.
54
5. Перечислите порядковые номера международных стандартов ИСО
(приложение 5), которые устанавливают методы оценки качества воды
как среды обитания живых организмов.
6. Назовите особенности и основные принципы санитарно-гигиенического
нормирования химических веществ в водной среде.
7. В водоеме обнаружено содержание нитратов 5 мг/л, фенола 0,3 мг/л и
циклогексана 0,1 мг/л. Оценить санитарное состояние водоема, используя
формулу (2) и данные таблицы 2.4.
8. Изобразите схему оборотного водоснабжения промышленного предприятия.
9. Для двух предприятий потери воды на единицу продукции составляют
10 %. На первом предприятии водоснабжение построено по прямоточной
схеме со сбросом сточной воды в канализацию, на втором - по оборотной
схеме с очисткой сточных вод. Найти коэффициент использования воды.
10. Перечислите основные схемы очистки сточных вод. Сравните их экономическую эффективность, себестоимость воды, экологический ущерб и
капитальные вложения (рис. 2.6.).
11. Определите экономическую целесообразность внедрения различных
систем очистки сточных вод пользуясь данными табл. 2.6 .
55
Приложение 1
Концепция
продукции/ Проектирование
потребности
продукции
* функции
* характеристики
* безопасность
*стоимость
* охрана окружающей
среды и др.
* выбор
материалов
Жизненный цикл продукции
входные потоки
________________________________
материалы,
энергоносители,
комплектующие
* технология
формообразования
________________________________
добыча сырьевых
материалов
* улучшение
технологических процессов
________________________________
транспортирование
________________________________
изготовление,
поставка
* снижение
материалоемкости
транспортирование
* возможности
разборки и
переработки
________________________________
________________________________
________________________________
использование, техническое обслуживание
выходные
потоки
* продукция
* выбросы в
атмосферу
* сбросы в
воду
*твердые
отходы
*другие
воздействия
транспортирование
________________________________
утилизация
* ремонтопригодность
* энергоэффективность
* добыча сырья
* здоровье людей
* ресурсосбережение
стандарты
на продукцию
* предотвращение
загрязнения
Стратегии
совершенствования
* состояние экосистем
* стоимость
* другие
Воздействия на
среду
Рис. 1. Стандарты на продукцию и воздействие на окружающую среду [2]
56
отрасли промышленности
Приложение 2
электроэнергетика
4748
3598
цветная металлургия
2535
черная металлургия
1309
нефтедобывающая
850
нефтеперерабатывающая
машиностроение и
металлообработка
угольная
602
газовая промышленность
542
a
596
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
отрасли промышленности
тыс. т
3656
электроэнергетика
3405
цветная металлургия
2268
черная металлургия
2119
нефтедобывающая
угольная
786
нефтеперерабатывающая
679
b
476
433
газовая промышленность
машиностроение и
металлообработка
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
• •• • •• • • • • • • • • • • • • •••
тыс. т
4195
3287
3258
2203
757
c
651
581
340
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
•• • . •
Рис. 2.Доля отраслей в выбросах загрязняющих веществ в атмосферу
промышленностью Российской Федерации в: a – в 1996 г.; b – в 2001 г.; c – в 2004 г.
57
Приложение 3
Перечень международных стандартов ИСО
по контролю качества воздуха [2]
№
пп
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
№ стандарта
Наименование стандарта
ИСО
4219:1979 Качество воздуха. Определение газообразных сернистых
соединений в окружающем воздухе. Оборудование для
отбора проб.
4220:1983 Воздух атмосферный. Определение показателя
загрязнения воздуха газообразными кислотами.
Титриметрический метод определения точки
эквивалентности индикатора или потенциометра
4221:1994 Качество воздуха. Определение массовой доли
концентрации двуокиси серы в окружающем воздухе.
Спектрофотометрический метод с применением торина.
4225:1994 Качество воздуха. Общие положения. Словарь
4227:1989 Планирование контроля качества воздуха
6768:1985 Воздух атмосферный. Определение массовой
концентрации двуокиси азота. Модифицированный
метод Грисса-Зальцмана
8186:1989 Воздух атмосферный. Определение массовой
концентрации окиси углерода. Метод газовой
хроматографии.
8518:1990 Воздух рабочей зоны. Определение частиц свинца и
соединений свинца методом пламенной атомной
абсорбционной спектрометрии
8672:1993 Воздух рабочей зоны. Определение количественной
концентрации воздухопереносимых неорганических
волокон фазовой контрастной оптической микроскопией.
Метод мембранной фильтрации
9096:1992 Качество воздуха. Стационарные источники выбросов.
Определение концентрации и скорости истечения
отдельных частиц в газонесущем потоке. Ручной
гравиметрический метод
9486:1991 Воздух рабочей зоны. Определение летучих
хлорированных углеводородов. Метод поглотительной
колонки с активированным древесным
углем/жидкостной десорбции/газовой хроматографии
9835:1993 Воздух атмосферный. Определение индекса черного
дыма.
10312:1995 Воздух атмосферный. Определение асбестовых волокон.
Метод прямого наблюдения электронной микроскопией
58
Приложение 4
• •• ••• • • • • • • • • •• • • •••
923
858
705
641
483
a
228
5 ,9
4 ,7
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100
• • •. • (••• )
• •• ••• • • • • • • • • •• • • •••
760
752
484
439
432
b
159
1 1 ,5
3 ,7
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100
отрасли промышленности
• • • . • (•• • )
610
черная металлургия
электроэнергетика
машиностроение и
металлообработка
цветная металлургия
585
446
443
угольная
414
нефтедобывающая
c
210
газовая промышленность
10,7
нефтеперерабатывающая
3,7
0
100
200 300 400
500 600
700 800 900 1000 1100
млн. м(куб)
Рис. 3. Доля отраслей в сбросе загрязненных сточных вод промышленностью Российской
Федерации: a – в 1996 г.; b – в 2001 г.; c – в 2004 г.
59
Приложение 5
Перечень международных стандартов ИСО
по контролю качества воды [2]
№ № стандарта
Наименование стандарта
п п.
ИСО
1
5667-4:1987 Качество воды. Отбор проб. Часть 4. Руководство по
отбору проб из природных и искусственных озер
2
5667-5:1991 Качество воды. Отбор проб. Часть 5. Руководство по
отбору проб питьевой воды и воды, используемой в
производстве пищевых продуктов и напитков
3
5667Качество воды. Отбор проб. Часть 10. Руководство по
10:1992
отбору проб сточных вод
4
5667Качество воды. Отбор проб. Часть 11. Руководству по
11:1993
отбору проб грунтовых вод
5
5813:1983 Качество воды. Определение растворенного кислорода.
Йодометрический метод.
6
5815:1989 Качество воды. Определение биохимической
потребности и кислороде через 5 суток (БПК5). Метод
разбавления и засева
7
6222:1988 Качество воды. Определение количества
жизнеспособных микроорганизмов. Подсчёт колоний
после посева внутри или на поверхности агаровой среды.
8
6340:1995 Качество воды. Обнаружение и количественное
определение сальмонеллы
9
6468:1996 Качество воды. Определение органических
хлоросодержащих инсектицидов, полихлорированных
биофенилов и хлорбензолов. Газохроматографический
метод после экстракции в системе «жидкость-жикость»
10
7027:1990 Качество воды. Определение мутности
11
7887:1994 Качество воды. Определение цвета
12
7888:1985 Качество воды. Определение удельной электрической
проводимости
13 7890-1:1986 Качество воды. Определение нитратов. Часть 1.
Спектрометрический метод с 2,6-диметилфенолом
14 8165-1:1992 Качество воды. Определение отдельных моновалентных
фенолов. Часть 1. Газохроматографический метод после
концентрирования экстракцией.
15
8692:1989 Качество воды. Испытание ингибирования роста
пресноводных водорослей с использованием Senedesmus
subspi Catus и Selenastrum capricornutum
16
9887:1992 Качество воды. Оценка аэробной биодеградации
органических веществ в водной среде.
60
17
18
19
20
21
22
23
24
Полунепрерывный метод активного ила (SCAS)
10229:1994 Качество воды. Определение продолжительной
токсичности веществ по отношению к пресноводным
рыбам. Метод оценки влияния веществ на скорость роста
радужной форели [Oncorhynchus mykiss Вальбаума
(Teleostei, Salmonidae)]
10253:1995 Качество воды. Определение эффекта замедления роста
морских водорослей при помощи Skeletonenue constatum
и Phaeodactylum trcornutum
10523:1994 Качество воды. Определение pH
10703:1997 Качество воды. Определение активной концентрации
радионуклидов высокоразрешающей у-спектроскопией
11733:1995 Качество воды. Оценка удаления и биоразложения
органических соединений в водной среде. Испытание на
воспроизведение активного ила
8288:1986 Качество воды. Определение кобальта, никеля, меди,
цинка, кадмия и свинца. Пламенное атомноабсорбционные спектрометрические методы
9963-1:1994 Качество воды. Определение щелочности. Часть 1.
Определение общей и частичной щелочности
12020:1997 Качество воды. Определение алюминия. Методы атомноабсорбционной спектрометрии
61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Акимова, Т. А. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда : учебник
для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / Т. А. Акимова, В. В. Хаскин. – М. :
ЮНИТИ-ДАНА, 2002. – 566 с.
2. Маринченко, А. В. Экология : учебное пособие – 3-е изд. испр. и доп. /
А. В. Маринченко. – М. : ЮНИТИ-ДАНА, 2002. – 566 с.
3. Протасов, В. Ф. Экология, здоровье и природопользование в России /
В. Ф. Протасов, А. В. Молчанов. – М. : Финансы и статистика, 1995. – 528 с.
4. Пашков, Е. В. Международные стандарты ИСО 14000. Основы
экологического управления / Е. В. Пашков, Г. С. Фомин, Д. В. Красный. – М. :
ИПК Издательство стандартов, 1997. – 464 с.
5. Коробкин, В. И. Экология / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. –
Ростов на Дону : изд-во «Феникс», 2001. – 576 с.
6. Омнигенная экология : учебное пособие. – Калуга : ГУП «Облиздат»,
1997. – 328 с.
7. Промышленная экология : учебное пособие / под ред. В. В. Денисова. –
М. : ИКЦ «МартТ» ; Ростов н/Д : изд. центр «МартТ», 2007. – 720 с.
62
Учебное издание
Экология
Методические указания к практическим занятиям для студентов всех форм обучения
специальности 08050765 «Менеджмент организации»
Составитель БЕБЯКОВА Мария Васильевна
Редактор Штаева М.
Подписано в печать 29.12.2008. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 3,60. Тираж 100 экз. Заказ
Ульяновский государственный технический университет
432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.
Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.
63
Скачать