Антропогенное энергопотребление как критерий устойчивости биосферы 5 страница

Под безотходной технологией понимают также такой способ производства, который обеспечивает максимально полное использование перерабатываемого сырья и образующихся при этом отходов. Учитывая, что в принципе “безотходная технология” невозможна (т.к. любая человеческая технология не может не производить отходы, хотя бы в виде энергии), то на современном этапе развития научно-технического прогресса более точным следует считать термин “малоотходная технология”, который предполагает технологию, позволяющую получить минимум твердых, жидких и газообразных отходов. Достижение полной безотходности нереально, поскольку противоречит второму началу термодинамики, поэтому термин “безотходная технология” условен.

В комплекс мероприятий по сокращению до минимума количества вредных отходов и уменьшения их воздействия на окружающую природную среду входят:

— разработка различных типов бессточных технологических систем и водооборотных циклов на основе очистки сточных вод;

— разработка систем переработки отходов производства во вторичные материальные ресурсы;

— создание и выпуск новых видов продукции с учетом требований повторного ее использования;

— создание принципиально новых производственных процессов, позволяющих исключить или сократить технологические стадии, на которых происходит образование отходов.

Рециркуляция – повторное использование материальных ресурсов имеет огромное значение для снижения уровня загрязнения окружающей среды, экономии сырья и энергии.

Оборотное водоснабжение – это техническая система, предусматривающая многократное использование в производстве отработанных вод (после их очистки и обработки) при очень ограниченном их сбросе в водоемы.

Замкнутый цикл водопользования – это система промышленного водоснабжения и водоотведения, в которой многократное использование воды в одном и том же производственном процессе осуществляется без сброса сточных и других вод в природные водоемы.

В последние годы в экологической науке все больший интерес проявляется к биотехнологии, которая подразумевает создание необходимых для человека продуктов, явлений и эффектов с помощью микроорганизмов. При использовании биотехнологии происходит разработка и создание биологических объектов, микробных культур, сообществ, их метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ, элементов, энергии и информации. Биотехнология нашла широкое применение в охране природной среды, в частности при решении следующих прикладных вопросов: утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с помощью анаэробного сбраживания; биологической очистки природных и сточных вод от органических и неорганических соединений; создания биологически активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха и т.п.

6.2. Инженерные решения проблем защиты окружающей среды

6.2.1. Защита атмосферы

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия глобального характера.

Основными видами загрязнения воздушного бассейна являются тепловое загрязнение и загрязнение вредными веществами. Для защиты атмосферы от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения наряду с экологизацией технологических процессов используют следующие меры:

– очистку газовых выбросов от вредных примесей;

– рассеивание газовых выбросов в атмосфере;

– устройство санитарно-защитных зон;

– архитектурно-планировочные решения и др.

Экологизация технологических процессов предусматривает, например, замену местных котельных установок на централизованное тепло, предварительное очищение топлива и сырья от вредных примесей, замену угля и мазута на природный газ, применение рециркуляции отходящих газов и др. Первоочередной проблемой также является создание экологически “чистых” видов транспорта.

Нынешний уровень развития экологизации технологических процессов недостаточен для полного предотвращения выбросов токсичных веществ в атмосферу, поэтому на предприятиях используются различные методыочистки отходящих газов от аэрозолей (пыли, золы, сажи) и токсичных газо- и парообразных примесей.

Для очистки выбросов от аэрозолей в настоящее время применяют различные типы устройств в зависимости от степени запыленности воздуха, размеров твердых частиц и требуемого уровня очистки.

Сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные камеры) предназначены для грубой механической очистки выбросов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы основан на оседании частиц под действием центробежных сил и сил тяжести.

Мокрые пылеуловители (скрубберы, турбулентные газопромыватели и др.) требуют подачи воды и работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель под действием сил инерции и броуновского движения. Мокрые пылеуловители более эффективны по сравнению с сухими и незаменимы при очистке от пыли взрывоопасных и горячих газов.

Фильтры (тканевые, зернистые) задерживают мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. Особенно эффективны рукавные фильтры с тканями из синтетических волокон повышенной термостойкости (250–300°С), фильтровальные металлические ткани (до 800 °С).

Электрофильтры – наиболее совершенные аппараты для очистки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0—99,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на ионизации пылегазового потока у поверхности коронирующих электродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. Основной недостаток электрофильтров – большой расхода электроэнергии.

Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агломерационных газов в батарейных циклонах с последующей до очисткой в скрубберах, а также в электрофильтрах.

Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парообразных примесей подразделяют на три основные группы:

а) поглощение примесей путем применения каталитического превращения токсичных компонентов промышленных выбросов в безвредные или менее вредные для окружающей среды путем введения в систему дополнительных веществ, называемых катализаторами;

б) промывка выбросов растворителями примеси – абсорбционный метод, который основан на поглощении вредных газообразных примесей жидким поглотителем (абсорбентом). В качестве абсорбента используют воду, растворы щелочей, аммиака и др.; например, газообразные цианистые соединения абсорбируют раствором железного купороса. Устройство, в котором осуществляют процесс абсорбции, называют абсорбером;

в) поглощение газообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопической структурой (адсорбционный метод). Этот метод позволяет извлекать вредные компоненты из промышленных выбросов с помощью адсорбентов - твердых тел с ультрамикроскопической структурой (активированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, сланцевая зола и другие вещества).

Рассеивание газовых примесей в атмосфере используют для снижения опасных концентраций примесей до уровня соответствующего ПДК. Рассеивание пылегазовых выбросов осуществляют с помощью высоких дымовых труб. Чем выше труба, тем больше ее рассеивающий эффект. Однако применение высоких дымовых труб помогает уменьшить лишь локальное дымовое загрязнение, не решая в то же время региональных проблем выпадения кислотных дождей. Рассеивание вредных веществ в атмосфере – это временное, вынужденное мероприятие, которое осуществляется вследствие того, что существующие очистные устройства не обеспечивают полной очистки выбросов от вредных веществ.

Защита населения от вредного воздействия загрязненного атмосферного воздуха связана также с устройствомсанитарно-защитных зон и архитектурно-планировочными решениями.

Санитарно-защитная зона – это благоустроенная и озелененная газоустойчивыми породами деревьев и кустарников полоса, отделяющая источники промышленного загрязнения от жилых или общественных зданий для защиты населения от влияния вредных факторов производства (выбросы пыли и иные виды загрязнения среды). Ширину санитарно-защитных зон устанавливают в зависимости от класса производства, степени вредности и количества выделенных в атмосферу веществ и принимают равной от 50 до 1000 м.

Архитектурно-планировочные мероприятия включают правильное взаимное размещение источников выброса и населенных мест с учетом направления ветров, выбор под застройку промышленного предприятия ровного возвышенного места, хорошо продуваемого ветрами, сооружение автомобильных дорог в обход населенных пунктов и др.

6.2.2. Защита гидросферы

Основными видами негативного антропогенного воздействия на поверхностные воды являются засорение, загрязнение и истощение.

Защита от засорения предполагает исключение попадания в поверхностные водоемы строительного мусора, твердых отходов и т.п., негативно влияющих на качество вод.

Истощение поверхностных вод предотвращают путем строгого контроля за минимально допустимым стоком вод.

Защита поверхностных вод от загрязнений предусматривает следующие экозащитные мероприятия:

– развитие безотходных и безводных технологий;

– внедрение систем оборотного водоснабжения;

– очистка сточных промышленных и коммунально-бытовых вод.

Существует множество способов очистки сточных вод различного происхождения: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется основная масса нерастворимых механических примесей различной степени дисперсности (песок, глинистые частицы и др.). Для этих целей применяют решетки, песколовки, песчаные фильтры, отстойники различных типов. Вещества, плавающие на поверхности сточных вод (нефть, масла, жиры и др.), задерживают нефте- и маслоловушками и другого вида уловителями.

Для очистки производственных сточных вод наиболее целесообразно применение химических и физико-химических методов очистки.

К основным химическим методам относят нейтрализацию и окисление. С их помощью токсичные компоненты сточных вод снижают свою токсичность, связываются в труднорастворимые соединения и т.д.

К физико-химическим методам относятся:

· коагуляция и флокуляция – введение в сточные воды специальных реагентов (коагулянтов и флокулянтов) для образования хлопьевидных осадков, которые затем легко удаляются фильтрованием, осаждением и другими механическими методами;

· сорбция – поглощение вредных примесей из очищаемой жидкости сорбентами (активированный уголь, цеолиты, силикагель, торф и др.). Сорбция позволяет извлечь из сточных вод ценные растворимые вещества и направить их на последующую утилизацию;

· флотация – создание условий для всплывания загрязнителей на поверхность сточной жидкости (например, пропуск воздуха через сточные воды с захватом газовыми пузырьками поверхностно-активных веществ, нефти, масел, других загрязнений и образованием на поверхности воды легко удаляемого пенообразного слоя;

· электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

· мембранные способы очистки (ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и др.);

· магнитная обработка, позволяющая улучшить разделение воды и загрязнителей.

Биологический (биохимический) метод основан на способности искусственно вселяемых микроорганизмов использовать для своего развития органические и некоторые неорганические соединения, содержащиеся в сточных видах (сероводород, аммиак, нитриты, сульфиды и т.д.). Данный метод широко применяется в первую очередь для очистки коммунально-бытовых стоков. Очистку ведут с помощью естественных методов (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) и искусственных методов (аэротенки, метатенки, биофильтры).

Часто загрязнения могут попадать в поверхностные водоемы не со сточными водами, которые возможно очистить, а с атмосферными осадками или при растворении и вымывании загрязнителей из почвы. Для предотвращения таких способов попадания загрязняющих веществ в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих в себя меры по снижению массы загрязнителей во всех элементах окружающей среды. Например, для ядохимикатов, используемых в сельском хозяйства, необходимо: соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов; внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой; замена ядохимикатов биологическими способами защиты растений и т.д.

Агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия также имеют большое значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения. С их помощью можно предотвращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек, а также образование эрозии, оползней, обрушение берегов и т.д.

Важную защитную функцию на любом водном объекте выполняют водоохранные зоны, назначение которой состоит в предотвращении загрязнения, засорения и истощения водного объекта. Ширина водоохранной зоны рек может составлять от 0,1 до 1,5—2,0 км, включая пойму реки, террасы и склон коренного берега. В пределах водоохранных зон запрещается распашка земель, выпас скота, применение ядохимикатов и удобрений, производство строительных работ и др.

Основные мероприятия по защите подземных вод заключаются в предотвращении истощения запасов подземных вод и защите их от загрязнения. Как и для поверхностных вод, это большая и сложная проблема может быть успешно решена лишь в неразрывной связи с охраной всей окружающей природной среды.

Защита от истощения запасов пресных подземных вод, пригодных для целей питьевого водоснабжения, предусматривает различные меры, в том числе: регулирование режима водоотбора подземных вод; более рациональное размещение водозаборов по площади, определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования.

Важнейшей мерой предупреждения загрязнения подземных вод в районах водозаборов является устройство вокруг них зон санитарной охраны.

Зоны санитарной охраны (ЗСО) – это территории вокруг водозаборов, создаваемые для исключения возможности загрязнения подземных вод. Состоят они из трех поясов. Первый пояс (зона строгого режима) включает территорию на расстоянии 30—50 м от водозабора. Здесь запрещается присутствие посторонних лиц и проведение каких-либо работ, не связанных с эксплуатацией водозабора. Второй пояс ЗСО предназначен для защиты водоносного горизонта от бактериальных (микробных) загрязнений, а третий – от химических загрязнений. На их территории запрещается размещение любых объектов, могущих вызвать химическое или бактериальное загрязнения (шламохранилища, животноводческие комплексы, птицефабрики). Запре­щается также использование минеральных удобрений и пестицидов, промышленная рубка леса. Ограничивается или запрещается и другая производственная и хозяйственная деятельность человека.

Специальные мероприятия по защите подземных вод от загрязнения направлены на изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (завесы, противофильтрационные стенки), а также на перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа и откачки загрязненных подземных вод из специальных скважин.

6.2.3. Защита литосферы

Защита литосферы рассматривается как комплекс мер по защите и рациональному использованию ее составляющих. В целом можно выделить следующие основные направления:

1) защита почв (земель) и рекультивация нарушенных территорий;

2) охрана и рациональное использование недр;

3) защита массивов горных пород.

Для экологической защиты почв предусматривается:

– защита почв от водной и ветровой эрозии, для чего необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам); агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток); лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т.д.) и гидротехнических (каскадные пруды и т. д.);

– мелиоративные мероприятия, борьба с заболачиванием, засолением почв и др.; в зависимости от причин заболачивания может применяться понижение уровня грунтовых вод с помощью дренажа, каналов или водозаборных сооружений, строительство дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления и др.;

– рекультивация нарушенного почвенного покрова; при проведении строительных и иных работ, связанных с механическим нарушением почвенного покрова, предусматривается снятие, сохранение и нанесение почвенного плодородного слоя на нарушенные земли;

– защита почв от загрязнения, предотвращение непосредственного попадания загрязнителя в почву (например, ядохимикаты и твердые бытовые отходы) и загрязнения поверхностными, атмосферными и сточными водами, содержащими вредные вещества;

– предотвращение необоснованного изъятия пахотных земель из сельскохозяйственного оборота; для сохранения продуктивности земель необходимо вводить научно обоснованные нормы земельных площадей, расширять использование для строительства условно не пригодных для сельского хозяйства земель, прокладывать коммуникации под землей, повышать этажности застройки городов и населенных пунктов.

Защита почв должна осуществляться на основе комплексного подхода к сельскохозяйственным угодьям как сложным природным образованиям (экосистемам) с обязательным учетом региональных особенностей.

Для охраны и рационального использования недр согласно действующему законодательству необходимо:

Защита массивов горных пород связана, прежде всего, со следующими мерами:

– защита оползневых массивов от воздействия строительных работ, которая заключается в поддержании стабильного состояния склонов в течение всего срока эксплуатации, заданного проектом; с этой целью регулируют поверхностный сток посредством водоотводных канав, ливневых коллекторов, производят планировку склона, одерновывают оголенные откосы, осуществляют лесомелиоративные работы; при необходимости выполняют активные инженерные мероприятия: перераспределение массы горных пород на склоне; устройство подпорных сооружений; искусственное улучшение свойства грунтов; дренаж подземных вод и др.;

– защита селеопасных массивов: запрет вырубки лесов, уничтожения кустарников, нарушения травянистого покрова, исключение сбросов на склоны сточных вод, устройство оросительных каналов; в состав инженерных мероприятий входят селезадерживающие и селеулавливающие плотины, водосбросные каналы и др.

– защита закарстованных массивов предполагает природоохранные мероприятия, направленные на снижение карстового процесса; главное внимание уделяется поверхностному и подземному стокам, для чего устраивают дренаж подземных вод, перехватывающие и водосборные канавы, производят тампонаж карстовых воронок, провалов, облицовку обнаженных участков.

Кроме того, необходимо обеспечить защиту массивов горных пород от подтопления, а также охрану горных пород в зоне вечной мерзлоты.

Большую роль в сохранении элементов литосферы играет рекультивация нарушенных территорий. Рекультивация – комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние.

Объектами рекультивации могут являться: карьерные выемки, провальные воронки, терриконы, земли, нарушенные при строительных работах, территории полигонов твердых отходов, земли, нарушенные в результате загрязнения их жидкими и газообразными отходами.

Рекультивация (восстановление) осуществляется последовательно, по этапам. Различают техническую, биологическую и строительную рекультивации.

Техническая рекультивация означает предварительную подготовку нарушенных территорий для различных видов использования. В состав работ входят: планировка поверхности, снятие, транспортировка и нанесение плодородных почв на рекультивируемые земли, формирование откосов выемок, подготовка участков для освоения и т. п.

Биологическая рекультивация проводится после технической для создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формируют зеленый ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой эрозии, создают сенокосно-пастбищные угодья и т.д. При благоприятных условиях рекультивацию нарушенных земель осуществляют по какому-либо одному преимущественному направлению рекультивации: водохозяйственное, рекреационное и др.

В случае необходимости выполняют строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят здания, сооружения и другие объекты.

Очевидно, что на современном этапе природопользования нельзя ограничиваться только восстановлением нарушенного массива, плодородия земель, созданием растительного покрова, а важно восстанавливать и все другие компоненты природной среды Необходима комплексная рекультивация, а точнее – рекультивация природной среды.

6.3. Архитектурно-строительные решения охраны окружающей среды

Города являются центрами возникновения основных экологических проблем и вместе с тем местами сосредоточения жителей Земли. Города призваны удовлетворить потребности человека и обеспечить достаточно высокое экологически обоснованное качество жизни.

Экологическими проблемами урбанизированных территорий занимается один из разделов инженерной экологии – архитектурно-строительная экология, наука об экологичных, устойчивых и здоровых городах, регионах и странах, включающая комплексы общих экологических знаний, позволяющих помочь формированию экологического мышления специалистов, и специальных знаний по экологизации градостроительства, архитектуры и строительства.

Перед архитекторами и строителями стоят две важнейшие задачи: создать высокое качество жизни и одновременно обеспечить экологичность городов, снизить поступление загрязнений в среду и достичь экологического равновесия между городами и природой.

Экологическое строительство– это совокупность методов связанных с принятием и реализацией инженерных решений по строительству зданий, сооружений и их комплексов, максимально совместимых с окружающей природной и социальной средой.

Методы экологического строительствамогут быть сгруппированы по следующим направлениям.

1) Землепользование: проектирование систем расселения с учетом рационального взаимодействия человека и природы (урбоэкология); уменьшение или исключение отторгаемых, в процессе строительства объекта, земель; возвращение (рекультивация) земель в естественное состояние после окончания срока эксплуатации; уменьшение устройства непроницаемых экранов на поверхности и ниже поверхности земли (бетонные, асфальтовые и др. покрытия); рациональная организация свалок, мест хранения и депонирования жидких и твердых отходов строительной деятельности; очистка сточных вод.

2) Архитектурно-планировочное направление: использование рельефа и ландшафта; масштабирование зданий и сооружений адекватно местности; использование естественных источников света, солнечной энергии, направления ветра; визуальное восприятие здания, его элементов, цвета, особенностей отделки и др. (видеоэкология); системный подход к озеленению жилых массивов и промышленных зон; сохранение памятников истории, архитектуры и природы.

3) Конструктивное направление: конструкции экологически чистых зданий (использование тепловой энергии от возобновляемых источников, безотходность, утилизация отходов и сточных вод, чистые строительные материалы и др.); гибкие конструктивно-технологические решения, позволяющие резко снизить расход ресурсов при изменении назначения здания, его модернизации или ликвидации; биопозитивные конструктивные решения, связанные с рациональным землепользованием.

4) Технологическое направление: рационализация размеров строительной площадки; уменьшение объемов переработки грунта при устройстве подземной части зданий и сооружений; сохранение растительного слоя грунта; защита грунтовых вод от загрязнения; уменьшение динамических воздействий на грунт (ударные методы, вибрационное воздействие, взрыв, тяжелое трамбование); уменьшение применения технологий, связанных с устройством противофильтрационных завес, экранов, стен; ограничение применения технологий, дающих большое количество отходов строительных материалов; развитие безотходных технологий.

7. ОСНОВЫ ЭКОНОМИКИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

7.1. Экономические механизмы охраны окружающей среды

Любая производственная деятельность человека неизбежно влечет за собой негативные воздействия на окружающую среду, приводящие к её ухудшению. Однако если производитель принимает какие-либо действия по снижению такого воздействия, то степень ухудшения окружающей среды будет уменьшаться.

С экономической точки зрения производственный процесс приводит к возникновению издержек двух видов:

1) Экономический ущерб народному хозяйству, вызываемый выбросами вредных веществ в окружающую среду. Такой ущерб связан, например, с :

– повышенным заболеванием населения;

– сокращением продолжительности жизни;

– ускорением износа основных фондов;

– снижением продуктивности биотических и земельных ресурсов;

– гибелью отдельных видов растительного и животного мира;

2) Затраты на предотвращение загрязнения, т.е. на реализацию природоохранных мероприятий.

Снижая природоохранные затраты, человек терпит убытки из-за того, что природная среда стала хуже. Предотвращая ущерб, человек несет затраты на природоохранные мероприятия. Таким образом, два вида издержек взаимозаменяют друг друга, поэтому одной из задач является определение оптимального соотношения этих издержек, при котором суммарные издержки производства будут минимальны.

Предположим, что существует производство, при реализации которого образуется определенное количество (V_mах ) загрязняющего вещества. Если производитель не вкладывает средства в мероприятия по предотвращению выброса загрязнителя (природоохранные издержки Y равны нулю), то весь объем загрязнителя попадает в окружающую среду. Затрачивая же средства на природоохранные мероприятия (Y>0), производитель снижает объем выброса загрязняющего вещества. Следует отметить, что снижение объема выбросов до нуля невозможно ввиду технологических ограничений, поэтому кривая природоохранных издержек 1 (рис. 7.1) стремится к бесконечности при попытке достичь нулевого объема выбросов.

Кривая издержек от загрязнения 2 характеризует экономический ущерб, причиняемый природе и человеку. Чем больше загрязняющего вещества попадает в окружающую среду, тем больше ущерб.

Суммируя два вида издержек, можно получить общие экологические издержки производства, представленные на рисунке кривой 3. Полученные зависимости позволяют определить тот объем загрязнений, попадающих в окружающую среду, при котором общие экологические издержки будут минимальными. В нашем примере таким объемом является объем, соответствующий точке пересечения кривых 1 и 2. При этом экологические издержки производства составят величину Y_min., представляющую собой сумму издержек на задержание загрязнителя в объеме ΔV и экологический ущерб от попадания в окружающую среду загрязнителя в объеме V₀.