• Название:

    Сборник задач по прикладной экологии


  • Размер: 1.51 Мб
  • Формат: PDF
  • или
  • Сообщить о нарушении / Abuse

Установите безопасный браузер



  • Название: ВВЕДЕНИЕ

Предпросмотр документа

Федеральное агентство морского и речного транспорта
Морской государственный университет
имени адмирала Г.И. Невельского

Л. Ю. Фирсова, И. П. Безвербная

СБОРНИК ЗАДАЧ
ПО ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ

Рекомендовано методическим советом
Морского государственного университета
в качестве учебно-методического пособия для курсантов и студентов
инженерных специальностей

Владивосток
2007

УДК 504. (075.8)
Фирсова Л. Ю., Безвербная И. П. Сборник задач по прикладной экологии:
Учебно-методическое пособие. – Владивосток: МГУ, 2007. –94с.

В учебно-методическом пособии представлены некоторые расчетные методы, которые используются в прикладной экологии, являющейся значительной частью курса учебной дисциплины «Экология» для инженерных специальностей.
Каждый тип приведенных в пособии задач снабжен примерами их решения, что
позволяет использовать Сборник задач как для аудиторных, так и для самостоятельных индивидуальных работ.
Табл. 15 , библиогр. 14 назв.

Рецензенты:
Васильева М. С.,к. х. н., ст. преп. Дальневосточного
государственного университета;
Бузолева Л. С., д. б. н., проф. каф. общей экологии
Дальневосточного государственного университета

© Фирсова Л. Ю., Безвербная И. П.
© МГУ им. адм. Г. И. Невельского

ВВЕДЕНИЕ
Прикладная экология – большой комплекс дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между человеческим обществом и природой. Она исследует механизмы антропогенного воздействия на природу и окружающую человека среду, следит за ее качеством, обосновывает нормативы антропогенной нагрузки на составляющие среды обитания,
формирует экологические критерии экономики, контролирует соответствие различных планов и проектов экологическим требованиям, разрабатывает технические средства защиты окружающей среды от вредного воздействия человеческой
деятельности, а также способы и средства восстановления нарушенных человеком
природных систем.
Данное учебно-методическое пособие дает представление о методах оценки
качества среды обитания, об опасности некоторых видов деятельности человека
для его здоровья, а также о методах экономического регулирования природопользования.
Задачи, приведенные в первом, втором и третьем разделах пособия, знакомят
учащихся с некоторыми методиками экологической оценки уровня загрязнения
природных вод, воздуха и почвы. Четвертый раздел посвящен вопросам радиоэкологии; в пятом размещены задачи по расчету ущерба от загрязнения атмосферного
воздуха и водных объектов.
Данные расчетные задания могут быть использованы как для аудиторных, так
и для самостоятельных занятий.

1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
Вода является важнейшим компонентом окружающей среды, возобновляемым,
ограниченным и уязвимым природным ресурсом. Вода, наряду с кислородом,
энергией Солнца и питательными веществами, вода обеспечивает само существование жизни во всех средах обитания на Земле. Водные ресурсы планеты включат
Мировой океан, поверхностные и подземные воды суши, атмосферные воды, а
также воды снегов и льдов, материковых и плавучих. Человек для своих нужд использует воды различного происхождения и при этом изменяет исходные свойства природной воды.
Использование водных объектов для удовлетворения различных потребностей
населения и хозяйственных нужд называется водопотреблением. Оно включает
изъятие (забор) воды и использование водных источников для купания и отдыха у
воды, рыбохозяйственных целей, сброса сточных вод, сплава древесины, водного
транспорта и других служб, не связанных с забором воды из водоема. Использование природных вод любого происхождения называется водопотреблением.
Сброс сточных вод (вод, использованных на различные нужды, в результате чего
изменился их исходный состав) непосредственно в водоемы или подземные водоносные горизонты, а также в сети канализации – водоотведением.

Требования к составу и свойствам воды в водных объектах представлены и
утверждены Санитарными нормами и правилами охраны поверхностных вод от
загрязнения (СанПиН № 4630-88 от 04.07.88).
Нормативы состава и свойств воды устанавливаются в зависимости от категории водопользования. Все водные объекты, как поверхностные, так и подземные,
принято разделять на три основные категории – хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения. Вода водных объектов хозяйственно-питьевой категории может быть использована в качестве источника централизованного и нецентрализованного питьевого водоснабжения населения, а
также для предприятий пищевой промышленности. Водные объекты культурнобытовой категории используют для культурно-бытовых целей населения (купание, занятие спортом, отдых), а также для нужд промышленных предприятий и
сельского хозяйства. Водные объекты рыбохозяйственной категории – это среда
обитания для различных видов гидробионтов (рыб, моллюсков, ракообразных, водорослей и пр.), которые могут быть пищей для человека и сельскохозяйственных
животных.
Изменение состава или свойств воды водного объекта в результате сброса
сточных вод и других видов деятельности человека называют антропогеным загрязнением природных вод. Загрязнение вод может происходить и в результате
естественного поступления различных химических веществ с паводковыми водами, атмосферными осадками.
Качество воды в природных водоемах может восстанавливаться с течением
времени за счет процессов естественного самоочищения, связанного с физикохимическими и биологическими преобразованиями поступивших веществ. Однако
улучшение состояния водоемов возможно лишь в том случае, когда масштаб и
длительность загрязнения не превышают резервные возможности водоема к самоочищению.
1.1. Оценка загрязнения водоемов органическими веществами
по величине БПК
Вода легко загрязняется чужеродными ей примесями, в частности, легкоокисляющимися органическими веществами. Источники загрязнения могут быть как
природного, так и антропогенного происхождения.
Существует важный критерий, с помощью которого определяют качество воды, т.е. насколько она загрязнена. Этот критерий – количество растворенного в
воде кислорода. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические соединения, попавшие в воду и являющиеся для микроорганизмов пищей. Органические вещества, способные окисляться в воде бактериями,
называются биоразложимыми. Процесс биоразложения или биохимического
окисления многостадиен и может длиться от нескольких часов до нескольких
недель. В конце этого процесса все химические элементы, входившие в состав органического вещества-загрязнителя, переходят в окисленную форму (СО2, Н2О,
NО3-, РО43-, SО42-), которая является неопасной для живых организмов и позволяет
включать эти элементы в биогеохимический круговорот.

Количество растворенного кислорода, необходимое для превращения всех
биоразложимых органических отходов в 1 литре воды, называют биохимической
потребностью в кислороде (БПК5). Этот показатель характеризует перегруженность воды органическими загрязнителями
БПК5 не должна превышать 3,0 мг О2 на 1 л воды для водоемов хозяйственнопитьевого назначения и 6,0 мг О2 на 1 л воды – для водоемов культурно-бытового
водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственного назначения)
пятисуточная потребность в кислороде (БПК5) при 20оС не должна превышать 2
мг О2/л..
Точное значение БПК5 определяют экспериментально, на что требуется не менее пяти дней. Возможно расчетным путем ориентировочно оценить потребность
в кислороде для самоочищения воды от попавших в водоем биоразложимых веществ. В приведенных ниже задачах предлагается оценить уровень загрязнения
воды водоема различными органическими веществами, рассчитав для каждого
случая БПК и сравнив его величину с нормативной.
Пример.
Можно ли сбросить в водоем объемом∙6∙108 м3 100 л сточных вод, содержащих
750 г пропилового спирта?
Решение:
Окисление пропилового спирта С3Н7ОН протекает по реакции:
С3Н7ОН + 5О2 → 3СО2 + 4 Н2О,
То есть на окисление 1 моля спирта требуется 5 молей кислорода. Массы молей
этих веществ составят соответственно (3∙12 + 7∙1 + 16 + 1) 60 и (5∙2∙16) 160 граммов. Теперь можно составить простое соотношение и определить массу кислорода, необходимого для окисления 750 г пропилового спирта:
60 – 160
750 – х.
Перемножив 750 и 160 и разделив на 60, получаем 1200 г – столько потребуется кислорода. Для расчета БПК найденную массу кислорода разделим на объем
воды водоема: 1200 103 мг : 6∙108∙103 л = 2 10-6 мг О2/л.
Вывод:
Полученная величина меньше норматива БПК для водоемов хозяйственнопитьевого назначения, следовательно, сброс допустим.
Задача 1.
Мочевина (NH2)2CO – конечный продукт метаболизма белков у животных и
человека, может попасть как загрязнитель в водоем (с экскрементами и мочой),
разлагаясь там аэробными бактериями по реакции:
(NH2)2CO + 4O2 → H2O + CO2 + 2H+ + 2NO3-.

Определите БПК воды для водоема объемом V, куда сброшено m граммов мочевины и сравните с нормативами для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
Вариант
V, л
m, г

1
3∙106
30

2
3∙106
120

3
3∙106
60

4
6∙1012
150

5
6∙1012
90

6
6∙1012
30

7
3∙109
45

8
3∙109
75

9
3∙109
150

Задача 2.
В состав многих синтетических моющих средств (СМС) входит органический
анион метилдецилсульфонат
H3C – .(CH2)9 – CH – (CH3) – C6H5SO3-.
Аэробные бактерии могут разлагать этот анион и далее окислять его по реакции:
2C18H29SO3- + 51O2 → 36CO2 + 28H2O + 2H+ + 2SO42-.
Определите БПК на эту реакцию для водоема объемом V, куда сброшено m
граммов метилдецилсульфоната в составе сточных вод и сравните полученную
величину с нормативами для водоемов хозяйственно-питьевого и культурнобытового назначения.
Вариант
V, м3
m, г

1
5∙106
130

2
3∙107
120

3
8∙106
160

4
6∙1010
250

5
6∙1012
190

6
8∙1014
230

7
3∙109
145

8
6∙109
375

9
3∙108
180

Задача 3.
В результате аварийного сброса в водоем попал фенол С6Н5ОН, который
находящимися в природных водах бактериями окисляется по реакции:
С6Н5ОН + 7О2 → 6СО2 + 3Н2О.
Определите БПК на окисление m граммов фенола, попавшего в водоем объемом V, и сравните полученную величину с нормативами для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения.
Вариант
V, м3
m, г

1
2∙105
100

2
3∙106
125

3
8∙106
170

4
4∙1010
210

5
5∙1012
190

6
5∙1011
220

7
3∙109
245

8
9∙1098
375

9
3∙1010
280

1.2. Оценка качества воды водного объекта
по индексу загрязнения воды (ИЗВ)
Оценка качества воды водных объектов проводится по нескольким группам
показателей, наиболее часто – по гидрохимическим и гидробиологическим. При
этом использование единичных показателей не дает объективной картины состояния водного объекта и не позволяет сравнить качество воды разных водоемов, а
также проследить его изменение во времени. Более информативными являются
комплексные оценки качества воды, определяемые по группе наиболее важных
показателей, т.е. индексы качества воды или индексы загрязнения воды.
Комплексные оценки качества воды должны соответствовать следующим требованиям:
1. Иметь физический смысл и быть несложными в определении.
2. Быть универсальными, т.е. применимыми для оценки качества воды как в
отдельных контрольных точках, так и по всему водоему или водотоку.
3. Обладать достаточной информативностью при минимальном числе учитываемых показателей.
4. Быть сопоставимыми между собой в пределах рассматриваемого водного
бассейна и его участков.
5. Поддаваться автоматизированной обработке и накоплению данных для
определения тенденции изменения качества воды во времени.
Всем этим требованиям удовлетворяет метод комплексной оценки качества воды водоемов по индексу загрязнения воды (ИЗВ). Этот метод является общепринятым и наиболее часто употребляемым.
В соответствии с ГОСТ 17.1.01.78, индекс загрязнения воды – это сумма отношений БПК, концентраций растворенного в воде кислорода и загрязняющих веществ и их ПДК, усредненная по числу компонентов, принятых во внимание для
оценки качества воды:

Сn
ПДК1
С2

 ... 
С1
ПДК 2
ПДК n
ИЗВ 
,
n

(1.1)

где Сn – фактическая концентрация растворенного кислорода, вещества-загрязнителя, либо БПК, установленная по данным замеров;
ПДК – предельно допустимая концентрация компонента либо норматив БПК;
n – количество компонентов в составе вод водного объекта, выбранных для
расчета. n может быть от четырех до семи; чаще всего берут n = 5.
При расчете ИЗВ учет двух показателей – концентрации растворенного в воде
кислорода C1 и БПК, являются обязательным, остальные компонентызагрязнители выбираются с учетом характера загрязнения водоема, а также исходя
из превышения их концентраций над соответствующими значениями ПДК.
Кислород не является загрязнителем; напротив, чем выше его концентрация,
тем чище вода, поэтому для него при расчете ИЗВ берут отношение ПДК/С.

Как для жизнедеятельности водных организмов, так и для способности водного
объекта к самоочищению, очень важным являются содержание кислорода и БПК.
По этой причине для них вводятся значения ПДК, изменяющиеся в зависимости
от экспериментально определенных показателей, косвенно характеризующих степень загрязнения водоема (табл. 1.1 и 1.2).
Таблица 1.1
ПДК растворенного кислорода в зависимости от его концентрации,
определенной экспериментально
Концентрация кислорода, мг/л
(по результатам анализов)

ПДК,
мг/л

>6
> 5 до 6 (включительно)
> 4 до 5 (включительно)
> 3 до 4 (включительно)
> 3 до 2 (включительно)
> 2 до 1 (включительно)
> 1 до 0 (включительно)

8
12
20
30
40
50
60

Таблица 1.2
ПДК для биохимического потребления кислорода
в зависимости от определенного экспериментально значения
БПК, мг О2/л
(по результатам анализов)
до 3 (включительно)
> 3 до 15 (включительно)
> 15

ПДК,
мг
О2/л
3
2
1

Выбор остальных учитываемых компонентов производят путем сравнения экспериментально полученных значений концентраций веществ-загрязнителей и величин ПДК для этих веществ (табл. 1.3).
Величинам ИЗВ соответствуют такие характеристики качества воды, как
текстовое описание и класс качества (табл. 1.4).

Таблица 1.3
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ
в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения

п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.

Вещество
Аммоний (по азоту)
Анилин
Барий(II)
Бензин
Бензол
Бериллий (II)
Ванадий (V)
Вольфрам (VI)
ДДТ
Железо (III), (II)
Кадмий(II)
Капролактам
Керосин
Кобальт (III)
Марганец (II)
Медь (II)
Молибден (VI)
Мышьяк (III), (V)
Нафтол
Нефть многосернистая
Нефть прочая
Никель (II)

ПДК,
мг/л
2,0
0,1
4,0
0,1
0,5
0,0002
0,1
0,1
0,001
0,3
0,01
1,0
0,1
1,0
0,1
0,1
0,5
0,05
0,4
0,1
0,25
0,1


п/п
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.

Вещество
Нитраты (по азоту)
Нитриты (по азоту)
Пикриновая кислота
Роданиды
Ртуть (II)
Свинец(II)
Селен (IV), (VI)
Сероуглерод
СПАВ
Стронций (II)
Сурьма (III), (V)
Теллур (IV), (VI)
Тетрахлоруглерод
Титан (II)
Толуол
Фенол
Фосфор (V)
Фтор (I)
Хром (VI)
Хром (III)
Цианиды
Цинк (II)

ПДК,
мг/л
10,0
0,08
0,5
0,1
0,005
0,03
0,001
1,0
0,05
2,0
0,05
0,01
0,3
0,1
0,5
0,001
0,1
0,1
0,01
0,03
0,1
1,0

Таблица 1.4
Характеристика качества воды в зависимости от величины ИЗВ водоема
ИЗВ
≥0,2
> 0,2 до 1 (включительно)
> 1 до 2 (включительно)
>2 до 4(включительно)
> 4 до 6(включительно)
> 6 до 10(включительно)
> 10

Класс
качества
воды
I
II
III
IV
V
VI
VII

Текстовое описание
Очень чистая
Чистая
Умеренно загрязненная
Загрязненная
Грязная
Очень грязная
Чрезвычайно грязная

Используя данные долгосрочных наблюдений за составом вод конкретного
водного объекта и методику расчета ИЗВ, можно не только оценить качество воды
в нем, но и определить тенденцию изменения состояния водоема, а также сделать
вывод о способности его к самоочищению.
Пример.

Рассчитать ИЗВ Амурского залива в период с 1985 по 1991 год по данным
наблюдений, представленных в табл.1.5. Оценить качество воды в эти годы и способность залива к самоочищению.
Таблица 1.5
Среднегодовые концентрации кислорода и загрязняющих веществ
в водах Амурского залива за период с 1985 по 1991 год

п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.

Ингредиент
Кислород
БПК5
Нефть
Фенол
СПАВ
Аммоний
Нитриты
Фосфор (V)
Медь (II)
Кадмий (II)
Свинец (II)
Никель (II)
Кобальт (III)
Хром (III)

ПДК,
мг/л
8,0
2,0
0,25
0,001
0,05
2,0
0,08
0,1
0,1
0,01
0,03
0,1
1,0
0,03

1985

1986

С, мг/л (по годам)
1987
1988 1989

9,29<