Основы инженерной экологии


Серия «Высшее образование»




В.В. Денисов, И.А. Денисова, В.В. Гутенёв, Л.Н. Фесенко






ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Учебное пособие

Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РФ, почетного работника высшего профессионального образования РФ, профессора, доктора технических наук В.В. Денисова


Рекомендовано
Международной академией науки и практики организации производства в качестве учебного пособия для образовательных учреждений высшего профессионального образования







Ростов-на-Дону

еникс

2013

УДК 504(075.8)
ББК 20.1я73
КТК 17
      0-75
     Рецензенты: Грачёв В.А., член-корреспондент РАН; кафедра экологической химии и технологии Дагестанского государственного университета (заведующий кафедрой профессор, доктор технических наук Алиев З.М.)

0-75 Основы инженерной экологии : учеб. пособие / В. В. Денисов [и др.]; под ред. проф.
       В. В. Денисова. — Ростов н/Д : Феникс, 2013. — 623 с.: ил. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-222-21011-6

     В книге на основе большого числа отечественных и зарубежных источников рассмотрено современное экологическое состояние России во взаимосвязи с вовлечением её в мировое экологическое пространство и вытекающей из этого необходимостью учёта её национальных интересов; освещены санитарно-экологические аспекты производственной деятельности, её взаимосвязь с перспективами экологически устойчивого развития страны; показаны возможные последствия негативного воздействия промышленности России на окружающую среду при развитии её по пути экстенсивного природопользования.
     Большое внимание уделено мониторингу, экологической экспертизе, контролю и методам прогнозирования проявления опасных экологических факторов; основным инженернотехническим мерам предотвращения загрязнения среды обитания человека и нормализации её состояния, а также технологиям энерго- и ресурсосбережения.
     Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим специальностям и направлениям.
                                            УДК 504(075.8)
ISBN 978-5-222-21011-6                     ББК 20.1я73

Учебное издание

ДЕНИСОВ Владимир Викторович, ДЕНИСОВА Ирина Анатольевна, ГУТЕНЁВ Владимир Владимирович, ФЕСЕНКО Лев Николаевич
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ экологии
Учебное пособие
               Ответственный редактор      В. Кузнецов
               Выпускающий редактор        Г Логвинова
               Технический редактор        Ю. Давыдова

Сдано в набор 15.02.2013. Подписано в печать 24.04.2013. Формат 60x90 V₁₆.
Бумага офсет. Гарнитура «Школьная». Тираж 2 500 экз. Заказ №

ООО «Феникс». 344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80.
Тел.: (863) 261-89-76, тел./факс: (863) 261-89-50.
      Сайт издательства: phoenixrostov.ru. Интернет-магазин: www.phoenixbooks.ru.


                               © Денисов В.В., Денисова И.А., Гутенёв В.В., Фесенко Л.Н., текст, 2013
                               © ООО «Феникс», оформление, 2013

Сокращения
АПЛ     — атомная подводная лодка
АСУ    — автоматизированные системы управления
АТС    — атомная тепловая станция
АХОВ     — аварийно химически опасные вещества
АЭС      — атомная электростанция
АЭУ     — атомная энергетическая установка
БВК — белково-витаминный концентрат
ВВ       — вредные вещества
ВВП      — валовой внутренний продукт
ВДТ       — видеодисплейные терминалы
ВНП      — валовой национальный продукт
ВолнЭС — волновая электростанция
ВСВ       — временно-согласованный норматив   выброса
ВСС       — временно-согласованный норматив   сброса
ВТО      — Всемирная торговая организация
ВЭС      — ветровая электростанция
ГеоЭС    — геотермальная электростанция
ГОУ      — газоочистная установка
ГРЭС     — государственная районная электростанция
ГСО      — геостационарная орбита
ГТС      — гидротехническое сооружение
ГЭС      — гидроэлектростанция
ДВС      — двигатель внутреннего сгорания
ЖКХ      — жилищно-коммунальное хозяйство
ЗВОС     — заявление о воздействии на окружающую среду
ЗЭП      — заявление об экологических последствиях
КПД      — коэффициент полезного действия
КСЭС     — космическая электростанция
к.э.д.   — коэффициент экологического действия
ЛОС      — летучие органические соединения
ЛОС      — локальные очистные сооружения
ЛПВ      — лимитирующий признак вредности
ЛЭП      — линии электропередачи
МГЭС     — малая гидроэлектростанция
МПЗ      — мусороперерабатывающий завод
МПР      — Министерство природных ресурсов
о.ч.     — октановое число
ОБУВ — ориентировочный безопасный уровень воздействия
ОВОС — оценка воздействия на окружающую среду
ОВУА  — отходы высокой удельной активности
ОКП     — околоземное космическое пространство
ОПС      — окружающая природная среда
ОС       — окружающая среда
ОЯТ      — отработанное ядерное топливо
ПАВ       — поверхностно-активные вещества

Основы инженерной экологии

ПАУ пдв пдк пдо птс птэс пхпс пХБ пэс РАО
РВ
РВТ РЛС
РОО РСЧС
РХЗ св
СЗЗ сиз сэс т у.т.
ТВЭЛ тпл тпо тэк тэо тэс тэц УОс упм Фэп ХФУ чс ц.т. эк эми эми РЧ эмп эсмт эхг ятц

—   полициклические ароматические углеводороды
—   предельно допустимый выброс
—   предельно допустимая концентрация
—   предельно допустимые отходы
—   природно-техническая система
—   природно-техническая экосистема
—   полихлорированные полициклические соединения
—   полихлордифенил
—   приливная электростанция
—   радиоактивные отходы
—   радиоактивные вещества
—   ресурсовозобновляющая технология
—   радиолокационная станция
—   радиационно-опасные объекты
—   российская система предупреждения и действий в Чс
—   радиохимический завод
—   сточные воды
—   санитарно-защитная зона
—   средства индивидуальной защиты
—   солнечная электростанция
—   тонна условного топлива
—   тепловыделяющие элементы
—   территориально-производственный ландшафт
—   токсичные промышленные отходы
—   топливно-энергетический комплекс
—   технико-экономическое обоснование
—   теплоэлектростанция
—   теплоэлектроцентраль
—   устойчивые органические соединения
—   удельная поглощенная мощность
—   фотоэлектрический преобразователь
—   хлорированные и фторированные углеводороды
—   чрезвычайная ситуация
—   цетановое число
—   экологический контроль
—   электромагнитное излучение
—   эМИ радиочастотного диапазона
—   электромагнитное поле
—   электростанция морских течений
—   электрохимический генератор
—   ядерный топливный цикл

Предисловие
    Сложные, противоречивые, обостряющиеся с каждым годом проблемы взаимоотношения человечества с природой уже давно в центре внимания и учёных, и государственных деятелей, и простых людей, которым хочется жить в безопасном мире. Но «за всё надо платить». Этот известный экологический постулат Б. Коммонера как нельзя лучше отражает суть переломного этапа в развитии цивилизации, которая, игнорируя объективные законы природы, попыталась жить по своим, оставив природе роль поставщика всего необходимого ко «двору её Величества».
    Где же выход? Чтобы выжить, человечество должно, пока ещё не поздно, научиться жить на планете Земля по-новому. Конечно, даже усилий всего человечества не хватит, чтобы сделать заповедником всю планету. Но и резко свернуть экономику невозможно: наступят хаос, голод и нищета. Поэтому нужно искать компромиссное решение на пути достижения двух, казалось бы, взаимоисключающих целей: обеспечение разумно ограниченных потребностей растущего человечества и сохранение воспроизводительных возможностей слабеющей природной среды.
    На рубеже тысячелетий человечеств осознало новую жизненно важную потребность — экологическую безопасность личности, общества, государства, мира в целом; её обеспечение становится в третьем тысячелетии более необходимым, нежели удовлетворение потребностей в новых товарах, услугах и т.п.
    Россия, одна из самых богатых стран по природным ресурсам, с самой большой в мире территорией, пока нерациональным образом распоряжается природным богатством, нанося ущерб как своему населению, значительная часть которого по уровню жизни находится около или ниже черты бедности, так и будущим поколениям россиян. Так не должно быть. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнений необходимость широкого экологического образования населения, особенно будущих молодых специалистов, призванных не только эксплуатировать природные ресурсы, но и сохранять окружающую среду (ОС) в состоянии, обеспечивающем устойчивое развитие человеческого общества. Формирование экологического мировоззрения является при этом необходимым условием преодоления нынешних и будущих кризисных ситуаций в природной среде.
    Решение экологических проблем и оптимизация хозяйственной деятельности зависят не от тех, кто непосредственно участвует в производственных процессах — основных факторах ухудшения экологической обстановки. В большой степени эффективность природопользования определяется руководителями производства, инженерно-техническими работниками, их отношением к

Основы инженерной экологии

природе. Знание основных механизмов целостного функционирования и объективных закономерностей её развития, а также соблюдение требований природоохранного законодательства должно быть частью их профессиональной подготовки и гражданской позицией.
    Современный инженер, разрабатывающий и внедряющий в производство новые технологии, обязан заботиться об обеспечении благоприятной для человека природной среды. Обладая экологическим мировоззрением, грамотный специалист должен рассматривать и решать проблемы экологической безопасности в комплексе с решением технических задач, поиском путей энерго- и ресурсосбережения.
    Примеры рационального решения проблемы снижения отрицательных антропогенных воздействий на ОС имеются во многих отраслях хозяйственной деятельности. Однако рост масштабов производства в сочетании с происходящей урбанизацией выдвигают задачу более полной экологизации технологических процессов производства, обеспечивающей, в конечном итоге, реализацию экотехнологий.
    Экотехнологией называют, как известно, такую технологию производства, в которой воздействия на естественные процессы строятся по тем же принципам, которыми руководствуется сама природа: замкнутость, ступенчатость и комплексность. Это означает прежде всего, что отходы одних отраслей (предприятий) служат сырьём для других, а невостребованная конечная продукция включается в природный круговорот веществ или депонируется в ожидании более совершенных технологий переработки. Очевидно, что в самом общем виде эти принципы могут быть отнесены к любому варианту любой технологии производства, поэтому все виды взаимодействий со всеми компонентами ОС должны рассматриваться совместно.
    Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим специальностям и направлениям.
    Авторы выражают благодарность рецензентам и преподавателям ЮжноРоссийского технического университета (НПИ) и Новочеркасской государственной мелиоративной академии, благожелательное отношение и помощь которых способствовали появлению данной книги. Особая признательность профессорам А.П. Москаленко и Б.И. Хорунжему, способствовавшим написанию 17 и 18 глав.

Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ

1.1. Устойчивость биосферы: причины и пределы
    Биосфера — среда и условие жизни — теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящееся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, являющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между молотом и наковальней (снаружи — враждебный Космос, внутри Земли — огромное раскалённое ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод: стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельность самого живого вещества, обеспечивающей определённую скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на планете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы сама создаёт себе область жизни». Это закладывает основу для её длительного развития.
    Однако стабильность биосферы имеет определённые пределы и нарушение её регуляторных возможностей чревато серьёзными последствиями. На это, в частности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% (в сторону увеличения или уменьшения) выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энергии солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли. Переход энергетики процесса за это значение приводит к резким аномалиям: климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам.
    Всё это следует учитывать при планировании отдельных видов хозяйственной деятельности глобального масштаба.
    Большой вклад в представления о пределах допустимого воздействия на биосферу вносит теория биотическойрегуляции, которая разработана российским учёным В.Г. Горшковым. На основании расчётов ряда параметров,

Основы инженерной экологии

характеризующих биохимические круговороты (воды, углерода, азота и др.), биологических показателей автор пришел к выводу о том, что биота — система живых организмов Земли — с момента своего возникновения не только постоянно адаптировалась к ОС, но и оказывала на неё мощное формирующее влияние. В результате сформировалась биосфера, причём путём надлежащей подстройки потоков биогенов обеспечивалась высокая точность регулирования параметров, существенных для биоты, в достаточно большом, но не бесконечном диапазоне вариаций возмущений. В число таких параметров входят климат, атмосфера, почва, поверхностные воды суши и воды Мирового океана.
    Из биотической концепции следует, что именно биота контролирует химический состав ОС. Круговорот веществ в целом («физический круговорот»), по-видимому, не может быть устойчивым при отсутствии жизни. Контроль обеспечивается за счёт компенсации разомкнутости биогеохимических циклов. Это происходит путём связывания избытка неорганических веществ в органические вследствие превышения скорости синтеза над разложением и противоположного процесса — пополнения недостатка неорганических веществ за счёт разложения органики с превышением скорости разложения над синтезом.
    Регулирующая роль биоты обеспечивается весьма устойчивой внутренней структурой, которая может быть описана параметрами биомассы, потоков энергии и биогенов для разных групп живых организмов. В.Г. Горшков называет это законами устойчивости биосферы.
    Здесь уместно привести принцип Ле Шателье—Брауна: при внешнем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния устой-чивогоравновесия,равновесие в ней смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.
    Согласно указанному принципу, который характеризует устойчивость любой системы, скорость поглощения углерода биотой должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в ОС по отношению к исходному (доиндустриальному) состоянию.
    В XIX в. биота суши ещё подчинялась этому принципу, эффективно компенсировала воздействия на неё, и проблемы загрязнения и устойчивости не возникало. В начале XX в. биота суши перестала справляться с излишком углерода из атмосферы и, более того, сама стала выбрасывать углерод, увеличивая, а не уменьшая загрязнение ОС. Это указывает на то, что функция биоты в глобальном масштабе сейчас нарушилась.
    Современные глобальные изменения являются следствием в первую очередь компенсационных механизмов биоты, действующих в результате превышения допустимого предела возмущения биоты хозяйственной деятельностью человека. Расчёты позволили определить порог устойчивости (до

Глава 1. Введение в предмет

9

пустимого возмущения) биосферы: биота сохраняет способность контролировать условия ОС, если человек в ходе своей деятельности использует не более 1% чистой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна распределяться между видами, выполняющими функции стабилизации ОС. Таким образом, коэффициент полезного действия биоты, с точки зрения человека, составляет всего 1%, тогда как 99% идёт на поддержание устойчивости биосферы. Подсчитано, что если уровень современного возмущения биоты снизить на порядок, то все негативные глобальные изменения остановятся и она вернётся в первоначальное невозмущенное состояние. Условием сохранения и поддержания высокой способности биоты к адаптации является богатое видовое разнообразие на Земле.
    Ценность теории биотического регулирования определяется тем, что она позволила обозначить порог устойчивости биосферы и подойти к количественной характеристике пределов устойчивости, превышение которых нарушает устойчивость биоты и среды её обитания. Согласно биосферной концепции, порог допустимого воздействия уже превышен человечеством. Поэтому главные усилия должны быть сосредоточены на сохранении живого вещества биосферы — основного фактора глобальной экологической безопасности («хочешь жить — дай жить другим»). Центрами восстановления естественных сообществ организмов, необходимых для обеспечения устойчивости ОС, могут стать сохранившиеся ненарушенные экосистемы и территории. Согласно расчётам, для стабилизации глобальных изменений (прежде всего выброса углерода) необходимо сократить площади нарушенных земель с 61% в настоящее время до 38% (Горшков В.Г., 1995 г.).

1.2. Техногенное загрязнение среды обитания
    Наиболее ощутимым в смысле воздействия на среду обитания человека и достаточно хорошо изученным можно считать загрязнение ОС. Оно непосредственно связано с научно-техническим прогрессом и отражает негативные для природы аспекты этого прогресса, последствия антропогенной деятельности.
    Главная опасность антропогенного фактора нашего времени — внесение в круговорот веществ, несвойственных природе, разрывающих замкнутый цикл или искажающих процесс круговорота. Вредные воздействия могут происходить не только от введения в круговорот чуждых природе веществ (яды, убивающие редуцентов; вредное воздействие на развитие продуцентов; разрыв в цепи консументов и т.д.), но и введение в круговорот энергий, количественно несвойственных природе в целом или конкретному сезону.
    Загрязнение ОС — это любое внесение в ту или иную экологическую систему ((биогеоценоз) несвойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или

Основы инженерной экологии

нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии и информации с непременными последствиями в форме снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы.
    Академик А.В. Сидоренко указывает на три основные причины загрязнения и разрушения ОС и истощения природных ресурсов в результате антропогенной деятельности: 1) из-за простого нарушения количественного равновесия между потребностью в природных ресурсах и фактическим их изъятием из естественного круговорота; 2) из-за чрезмерного техногенного воздействия на природную среду, превышающего критические пороги антропогенной нагрузки на данный природный комплекс; 3) из-за игнорирования или нарушения экологических принципов в извлечении и воспроизводстве природных ресурсов.
    Разнообразные виды вмешательства человека в естественные процессы в биосфере можно сгруппировать по следующим категориям загрязнений: — ингредиентное загрязнение или внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды естественным биогеоценозам;
—  параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров ОС (к нему относят тепловое, звуковое, шумовое, радиационное, световое, электромагнитное);
—  биоценотическое загрязнение, которое заключается в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов, населяющих биогеоценоз;
—  стациально-деструкционное загрязнение (стация — место обитания популяции), представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования, обусловленном интересами человека.
    Выбросы в ОС классифицируются по агрегатному состоянию и по массовому выбросу. По агрегатному состоянию различают газо- и парообразные, жидкие, твёрдые и смешанные выбросы. По массовому выбросу выделяют шесть групп: менее 0,01; 0,01-0,1; 0,1-1,0; 1,0-10; 10-100; свыше 100 т/сутки.
    По своему происхождению промышленные загрязнения могут быть механическими, химическими, физическими и биологическими.
    Механические — пыль в воздухе, твёрдые частицы и разнообразные предметы в воде и почве.
    Химические — всевозможные газообразные, жидкие и твёрдые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие во взаимодействие с ОС.
    Биологические — это виды организмов, появившиеся при участии человека и наносящие вред ему или живой природе.
    Источники загрязнений ОС подразделяются на сосредоточенные (точечные) и рассредоточенные. К точечным относятся дымовые и вентиля