Общая экология : принципы и методы экологического нормирования атмосферных выбросов металлургических производств

УДК 504.3.05.:669 С 79


       Степанов А.М., Разяпов А.З. Общая экология: Принципы и методы экологического нормирования атмосферных выбросов металлургических производств: Курс лекций. М.: МИСиС, 2001. 64 с.
       В курсе лекций на примере Карабашского медеплавильного комбината (Челябинская область) изложена методология экологического нормирования атмосферных выбросов металлургических предприятий, основанная на изучении реакции лесных экосистем на токсическое воздействие.



                          © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2001

СТЕПАНОВ Александр Михайлович
РАЗЯПОВ Анвар Закирович








            ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ



Принципы и методы экологического нормирования атмосферных выбросов металлургических производств

Курс лекций
для студентов специальностей 3301 и3302


Рецензент проф. А.Н. Варенков

Редактор Г.Б. Преображенская

Объем 64 стр.

Тираж 130 экз.

Заказ 910

Цена “С”

Регистрационный № 442

Московский государственный институт стали и сплавов, 119991, Москва, Ленинский проспект, 4
Отпечатано в типографии издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9

            СОДЕРЖАНИЕ



Введение..................................................4
1. Системный подход к проблеме определения допустимых токсических доз при воздействии атмосферных выбросов промышленных производств на природные сообщества..........6
  1.1. Взаимосвязь экономических и экологических критериев при функционировании промышленных предприятий...........6
  1.2. Токсикологические и экотоксилогические зависимости.8
  1.3. Квазистационарная модель воздействия дымо-газовых выбросов промышленных предприятий на лесные экосистемы.............................................10
2. Используемые методы...................................15
  2.1. Методика приготовления сухих концентратов загрязненных природных вод и снега для химического анализа на содержание микроэлементов...................15
  2.2. Фитоценотические методы...........................29
  2.3. Учет почвенных водорослей.........................31
  2.4. Фитотестирование..................................33
  2.5. Учет почвенной мезофауны..........................38
  2.6. Изучение мелких млекопитающих.....................39
3. Определение предельно допустимых атмосферных выбросов карабашского медеплавильного комбината...................41
  3.1. Предварительные исследования......................41
  3.2. Исследование загрязненности снежного покрова......43
  3.3. Изучение реакции лесных экосистем на токсическое воздействие............................................46
  3.4. Построение зависимости «доза - эффект»............53
  3.5. Расчет предельно допустимых атмосферных выбросов Карабашского медеплавильного комбината.................60
Литература...............................................63

3

            ВВЕДЕНИЕ



       Действующие в настоящее время санитарно-гигиенические нормативы в виде системы предельно допустимых концентраций (ПДК) токсических веществ призваны защитить человека от воздействия промышленных загрязнений (выбросов токсических соединений). Однако одной этой системы для защиты человека недостаточно, так как окружающая среда воздействует на человека не только непосредственно, но и опосредованно.
       Непосредственно - через потребляемые им компоненты окружающей среды: воздух, воду, пищу и т. д. Опосредованно - через доброкачественное, продуктивное состояние самой среды, т. е. природных систем океана и суши во всем их комплексе, на всех широтах Земли. Даже там, где люди не живут и не ведется никакой хозяйственной деятельности, в отдаленных районах, биосфера выполняет важные для человека функции: продуцирует кислород, очищает воду и воздух, производит биомассу растений и животных, поддерживает циклы энерго- и массообмена, хранит генофонд дикой природы. Все эти компоненты окружающей среды, как и многие другие не менее важны для человека, чем непосредственно им потребляемые, и также должны быть охвачены исследованиями, мониторингом, нормированием.
       В загрязненных зонах городов и промышленных агломераций люди могут существовать и работать только при благополучном и продуктивном состоянии биофона планеты.
       Поэтому параллельно с системой санитарно-гигиенических ПДК должна быть разработана система экологических предельно допустимых концентрации (ЭПДК), призванная защитить от антропогенных воздействий природные сообщества. И на основе этой системы должны быть рассчитаны экологические предельно допустимые атмосферные выбросы (ЭПДВ) промышленных предприятий.
       В этом направлении работают ряд ученых Москвы, Санкт-Петербурга и других городов, Уральского и Кольского центров РАН. За рубежом подобные работы также ведутся достаточно широко. Особое внимание уделяется изучению воздействия на лесные сообщества дымо-газовых выбросов двух металлургических комбинатов: в Садбери (Канада) и Гузумского (Швеция).

4

       Эти исследования содержат ценную информацию об отклике различных структурно-функциональных блоков лесных экосистем на антропогенную, в том числе на токсическую, нагрузку. Однако наряду с развитием этих работ возникает необходимость их объединения, генерализации с тем, чтобы выйти на уровень реакции экосистем как целого на антропогенные воздействия.
       Но обобщить и практически использовать результаты этих работ не представляется возможным, так как они получены на разных объектах, в разных экологических условиях, с использованием различных методов. Таким образом, нормативы ЭПДК-ЭПДВ в настоящее время находятся в стадии становления, в связи с чем актуальной является разработка критериев допустимого антропогенного воздействия на природные комплексы. Иными словами, необходимо понять, что, где, когда и как надо изучить в природных экосистемах, чтобы обосновать нормы воздействия на них деятельности промышленных предприятий, а затем пересчитать эти нормативы на выбросы контаминантов в атмосферу. Необходима организация комплексных работ, когда все нужные данные получаются на одних и тех же пробных площадях, по единой методологии, в сжатые фенологические сроки.
       В данной работе описан именно такой системный подход к определению экологических предельно допустимых атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии.

5

1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПУСТИМЫХ ТОКСИЧЕСКИХ ДОЗ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВ НА ПРИРОДНЫЕ СООБЩЕСТВА


1.1. Взаимосвязь экономических и экологических критериев при функционировании промышленных предприятий

     В ходе работы необходимо установить однозначное соответствие между четырьмя блоками данных с помощью четырех процедур (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Схема процедуры экологического нормирования

        В основе технико-экономических расчетов заложено уравнение материального баланса технологического процесса предприятия, с помощью которого устанавливается связь продукции промышленного предприятия с максимально возможным выбросом в окружающую среду вредных токсических отходов, а также взаимосвязь эко

6

номических показателей производства и условий выполнения природоохранных нормативов.
       Уравнение материального баланса любого технологического процесса имеет вид:
Mj + М2 = М3 + М4
где Mi - основные материалы (сырье); М₂ - вспомогательные материалы (сырье); М₃ - продукция предприятия; М₄ = М₄ + М₄ -общие отходы производства (отходы М₄ улавливаются и перерабатываются, отходы М₄ выбрасываются в окружающую среду; величина М₄ характеризует технологический процесс производства и степень утилизации отходов).
       Задачами предприятий являются удовлетворение потребностей в продукции и снижение загрязнения окружающей среды до природоохранных нормативов. Первая задача решается предприятием путем производства продукции исходя из экономической целесообразности, а вторая - за счет природоохранной деятельности. При этом выбросы в окружающую среду должны поэтапно (по мере роста экономических возможностей предприятий) снижаться до ЭПДВ.
       Эффективная работа предприятия основывается на минимизации приведенных производственных затрат и экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, при условии нормальной рентабельной работы предприятий:

5 = тш£зш₊Зохрг₊Уг,
г=1
где Зп - годовые производственные затраты на предприятии, тыс .руб;
   Зохр - годовые природоохранные затраты, тыс. руб;
   У - годовой экономический ущерб от загрязнения окружающей среды, тыс. руб;
   п - число производств на предприятии.
       Таким образом, главный природоохранный результат достигается при условии М₄< ЭПДВ.
       Заметим, что все величины в приведенных соотношениях могут быть заданы субъектом, проектирующим предприятие; все, кроме ЭПДВ, которые определяются уже не технологией или экономическими показателями производственного процесса, а исключительно



7

свойствами самой окружающей среды (природных систем, ее составляющих) и могут быть определены только при всестороннем изучении реакции природных комплексов на токсическое воздействие.



            1.2.     Токсикологические и экотоксилогические зависимости


     На рис. 1.2 приведен типичный характер токсилогической зависимости. Здесь наблюдаются три области действия токсиканта. При малых концентрациях происходит стимулирование жизнедеятельности организма ("все лекарства - яды"); при высоких концентрациях - подавление этой деятельности, а в средней части кривой наблюдается диапазон токсических доз, в котором живые системы обладают способностью поддерживать норму своего состояния при увеличивающейся токсической дозе воздействия. Это осуществляется, в частности, за счет деятельности плазматических и ядерных мембран, роль которых в процессах обмена веществ изучена достаточно хорошо, а также в результате ряда других процессов, протекающих в клетках.


Рис. 1.2. Основная токсикологическая зависимость

       На базе исследования таких закономерностей разработана система санитарно-гигиенического нормирования в виде набора зна

8

чений ПДК, призванная непосредственно защищать человека. Задача этой работы - обосновать, по аналогии с санитарно-гигиеническим, экологическое нормирование токсического воздействия промышленных предприятий на природные сообщества.
       При изучении токсического воздействия на реальную окружающую среду мы всегда имеем дело с тремя множествами: множеством воздействующих факторов, объектов исследований и реакций на токсическое воздействие, что условно может быть обозначено, как (т-т-т). Классическая токсикология имеет дело с одним фактором, одним объектом и множеством реакций (1-1-щ). Между этими крайними случаями расположена экотоксикология, которая исследует последствия дозированного воздействия известного токсиканта (сочетания токсикантов), вносимого в реальные природные сообщества в опыте (1-т-т), или последствия воздействия множества факторов реальной окружающей среды на тест-объект (т-1-т).
       При поисках порога токсического воздействия на окружающую среду необходимо построить зависимость "доза-эффект" на уровне экосистемы.
       Задача эта принципиально более сложная, чем аналогичная в классической токсикологии. В реальной окружающей среде мы не имеем возможности ни разделять компоненты, ни дозировать воздействие, ни экспериментировать в заданных ситуациях. Объективно мы поставлены в условия, когда должны изучать большую систему, не расчленяя ее. Именно в таком подходе и состоит главный принцип системных исследований. Однако изучить все компоненты трех множеств заведомо невозможно; следовательно необходимо создать модель, адекватную поставленной задаче и более простую, а значит и более грубую, но не настолько, чтобы пропал сам эффект (порог токсического воздействия), который мы ищем.
       То, что природные сообщества относятся к классу больших систем и должны исследоваться методами системного анализа, ни у кого возражений не вызывает. Некоторая методическая трудность состоит в отсутствии общепринятого понятия большой системы, при том, что в течение ряда лет разными исследователями предложено несколько десятков определений. Поэтому мы считаем себя вправе дать еще одно:
       Множество взаимосвязанных элементов можно считать системой в том случае, когда связи между элементами более существенны, чем свойства и проявления самих элементов в отдельности.

9

      В этом определении присутствует субъективный момент: «более существенны» - для кого? Или: при какой постановке задачи - в каком аспекте? Несомненно, что одно и то же лесное сообщество в одном случае может рассматриваться как большая система, например для нашей цели выявления порога токсического воздействия, в другом случае - как множество деревьев, являющееся лишь источником древесины; в таком аспекте рассмотрения взаимосвязи деревьев и остальных элементов сообщества неизбежно менее существенны, что, собственно, и приводит к пренебрежению ими со стороны лесозаготовителей.


1.3.     Квазистационарная модель воздействия дымо-газовых выбросов промышленных предприятий на лесные экосистемы

      Рассмотрим основные допущения модели.
      Каждый природный комплекс подвергается всем видам антропогенных воздействий: химическому и радиоактивному загрязнению, действию электромагнитных полей, шума и вибраций, рекреационной нагрузке, вырубкам деревьев, пожарам, осушению и переувлажнению почв в результате мелиоративных работ, истощению гумусового горизонта вызванного вспашкой, искажениям климата в результате парникового эффекта и др.
      В качестве объекта исследования необходимо выбрать такой, в окрестностях которого преобладает какой-то один вид антропогенного воздействия. Например, в зоне влияния металлургических комбинатов это выбросы в атмосферу тяжелых металлов и сернистых соединений; остальные факторы антропогенного воздействия менее существенны (первое допущение).
      Примем модель «черного ящика» (второе допущение), т. е. будем рассматривать только зависимые переменные на входе и независимые - на выходе системы. На входе - токсические выпадения из атмосферы, на выходе - изменение основных параметров: биомассы, численности, видового разнообразия структурных блоков экосистемы. При этом мы не исследуем сложные пути миграции токсикантов внутри экосистемы, т. е. в данном случае нас интересует не само содержание токсикантов в растениях, почвах, поверхностных водах,

10

животных, а биологические последствия воздействия их на весь природный комплекс, которые могут быть существенно разными в зависимости от того, в какой части П-образных кривых (см. рис. 1.2) окажутся измеренные содержания токсикантов.
       В качестве дозы необходимо рассматривать всю сумму антропогенных токсикантов, т. е. воздействие тяжелых металлов, радионуклидов, макроэлементов и хлорорганических соединений на воздух, воду, почву, биологические объекты, которое может быть представлено в виде матрицы из 16 ячеек (рис. 1.З.). В данном случае мы ограничиваемся одной ячейкой и в качестве воздействующей дозы измеряем содержание тяжелых металлов, накопленных в течении зимнего периода в снеге (третье допущение) и экстраполируем такой уровень атмосферных выпадений на весь год (четвертое допущение).

ДОЗА

Тяжелые металлы

Раднону-клиды

Макроэлементы

Хлорор-ганические соединения

ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ

ЭФФЕКТ па уровне экосистемы

Древесный ярус
Запас древесины, Масса листвы, Жизненное состояние,

м’/га
т/га баллы

Травяно-кустарничковый ярус

Фитомасса,

т/га

Проективное покрытие %

Количество видов. Подстилка Масса, Мощность, Условное время разложения, Почвенная мезофауна Численность, Биомасса, Количество видов. Млекопитающие Численность, Биомасса, Число видов,

шт

т/га СМ

годы

экз/мг г/м^
пгт

экз/ кг/га ' шт

ИКС, %

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ

Рис. 1.3. Структурная схема процедуры экологического нормирования:
ИКС - интегральный коэффициент сохранности

11