Учебник-Экология

Формат документа: pdf
Размер документа: 2.09 Мб





Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ф
едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
»



В.Ф. Панин, А.И. Сечин, В.Д. Федосова






ЭКОЛОГИЯ

ОБЩЕЭКОЛОГИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ БИОСФЕРЫ И
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РЫЧАГИ ПРЕОДОЛЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КРИЗИСА; ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ БИОСФЕРЫ



Рекомендовано в качестве учебн ика для mah\
Редакционно- издательским сов етом
Томс кого политехнического универс итета









Издательство
Томского политехнического университета 2014

2
УДК 574 (075.8)
ББК 20.1Я73

П162 Панин В.Ф., Сечин А.И., ФедосоZ В.Д. Экология: Общеэкологическая
концепция биосферы и экономические рычаги преодоления Глобального
экологического кризиса; обзор современных принципов и методов защиты
биосферы: Учебник для вузов . Под ред. В.Ф.Панина. – Томский
политехнический университет. – Томск: Изд -во Томского политехнического
университета, 2014. – 327 с.

В учебнике изложены основные закономерности функционирования
экологических систем и биосферы в целом, проблемы потери биосферой стабильности
и развивающегося Глобального экологического кризиса. Рассматриваются глобальные
экологические проблемы: демографические, истощения природных ресурсов,
энергетические, решения которых возможно при условии перехода человечества на
устойчивый путь развития. Дан общий обзор принципов и методов защиты биосферы
от загрязнений, организации природоохранной деятельности, в том числе, в рамк ах
международного сотрудничества.
Учебник соответствует программе учебной дисциплины «Экология»
Министерства образования и науки Российской Федерации, предназначен для
студентов и аспирантов технических вузов, может представить интерес для
преподавателей и тех, кто интересуется вопросами взаимодействия техносферы и
биосферы.

УДК 574 (075.8)
ББК 20.1Я73

Рецензенты
Доктор технических наук, профессор,
Начальник департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Томской области
А.М. Адам
Доктор технических наук, профессор
Кемеровского института химии угля и химического материаловедения
Ю.Ф. Патраков
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ , 2014
© Панин В.Ф., Сечин А.И.,
Федосова В.Д. 2014.
© Обложка . Издательство Томского
политехнического университета, 2014

3
ВВЕДЕНИЕ
Экология относится к классу биологических наук, тем не менее с
недавнего времени она вошла в учебные планы технических
университетов и других технических и нетехнических вузов.
Одновременно в учебные планы был введен целый ряд дисциплин
гума нитарного и социально -экономического цикла.
Почему это произошло? Потому что пришли новые времена: роль
техники и технологии в жизни общества неизмеримо возросла, а
социал ьное неблагополучие в стране и мире не исчезло, более того, к нему
добав илось все воз растающее экологическое неблагополучие. Поэтому,
вводя в учебные планы экологические и новые гуманитарные, социально-
экономические дисциплины, общество надеется, что будущие инженеры
будут способны принимать управленческие, проектные, экономические,
социал ьно-политические решения, адекватные складывающимся
кризи сным явлениям и тенденциям во всех сферах жизни страны и
мирового с ообщества.
В самом деле, сохраняется или даже углубляется различие в уровне
жизни верхних, с одной стороны, и средних и нижних слоев общества - с
другой, и это не может не иметь, в конечном счете, непредсказуемых
последствий для стабильности в обществе в каждой стране и для
международной стабильности в целом. Но особенно мрачен контраст в
уровнях жизни населения стран Европы, США, Кана ды, Японии и
нескольких других стран ("золотой миллиард" жителей Земли), с одной
стороны, и населения остальных стран (к которым, по- видимому, сегодня
уже следует отнести население Российской Федерации и большинства
других стран – республик бывшего СССР), составляющего практически 5
млрд. человек. Достаточно сказать, что по разным оценкам страны
"золотого миллиарда" потребляют 70- 80 % энергетических ресурсов
планеты. При сохранении существующей логики экономических и других
отношений стран "золотого миллиар да" с остальными странами такое
положение - бомба замедленного действия, оно предопределяет
перспективу тупикового развития цивилизации.
С другой стороны, из -за увеличения населения Земли,
продолжающейся экспансии человека в природные комплексы,
расширяющегося промышленного и жилого строительства, увеличения
объёма и разнообразия промышленного производства возрастает
химическое и физическое загрязнение биосферы. Это ведет к
стремительному изменению условий обитания всего живого на Земле и,
соответственно, к дестабилизации иммунной и генной систем растений,
животных, человека, катастрофическому возрастанию скорости
исчезновения видов растений и животных и скорости распространения
различных патологий (в т.ч. врожденных) в человеческой популяции.

4
Мнение большого числа исследователей: если не изменить сложившиеся в
18- 20 веках стереотипы хозяйственно -экономической деятельности
общества, то человечеству не избежать иммунно -генетической и, в целом,
биосферной катастрофы.
В каком же направлении необходимо изменять механизмы
хозяйственно -экономической деятельности?
Сегодня деструктивные процессы в биосфере определяют как
Глобальный экологический кризис, связывая его, прежде всего, с
несовершенством технологий производства товаров и услуг. В обществе
сложилось устойчив ое мнение: если перейти к безотходным и
малоотходным технологиям, то Глобальный экологический кризис сам по
себе сойдет на нет. Однако это - очень упрощенный подход к решению
проблемы. Истинную сущность Глобального экологического кризиса
обозначила Конфере нция ООН по окружающей среде и развитию (г. Рио -
де -Жанейро, 1992 г.): это - кризис рыночной системы хозяйствования в её
существующей форме. Ведь до самых последних 2-3 -х десятилетий
промышленники, финансисты, политики полагали, что "железная игра"
монополи й в борьбе за экономический рост, прибыль, за экономическое
уничтожение конкурента - без оглядки на экологические издержки своей
деятельности и самовосстановительные возможности биосферы -
нормальный, здоровый режим функционирования экономики.
Лейтмотивом Конференции ООН в Рио -де Жанейро следует признать
слова руководителя Института климата, экологии и энергетики ФРГ Э. фон
Вайцзекера: "… Рыночная экономика может погубить окружающую среду
и себя, если не позволит ценам говорить экологическую правду". Эту
мы сль надо понимать так: чтобы преодолеть экологический кризис,
необходимо переустроить весь мировой механизм хозяйствования таким
образом, чтобы алгоритм его действия, прежде всего, экономического, был
направлен на сохранение и улучшение окружающей природно й среды.
Рассмотрим это на простом примере. Многие африканские страны
вынуждены в больших количествах продавать ценные породы древесины,
вследствие чего быстро уменьшается площадь тропических лесов,
играющих исключительную роль в балансе лесного покрова Зе мли по его
воздействию на круговорот воды и изменение климата, в целом, на
воспроизводство кислорода. Значит, в интересах всех жителей планеты эти
леса необходимо сохранить, но сохранить таким образом, чтобы эти
страны не лишились валютных поступлений от продажи леса. Эту частную
проблему можно решить разными путями. Например, создав Всемирный
Фонд защиты тропических лесов (за счет взносов всех государств) и
производя из него соответствующие выплаты африканским странам,
наложившим мораторий на заготовку тропической древесины. А для
европейских и американских фирм, желающих приобретать такую

5
древесину, установить определенные квоты продаж и такие цены, чтобы на
доходы от продажи леса можно было создать современные комплексные
лесные хозяйства, обеспечивающие постепенное увеличение площади
лесов данных пород и т.д. и т.п.
И подобным образом действовать в каждом конкретном случае,
последовательно повышая стоимость природных ресурсов. Такой подход
будет отрезвляющим образом действовать на потребителей природных
р есурсов и направлять их усилия на поиск решений, позволяющих
обойтись меньшим объёмом ресурсов или перейти на другие, менее
критичные для окружающей среды. Если такие решения будут найдены, то
данное производство сохранится. В противном случае производство
закроется, и этот акт станет выражением, говоря словами Э. фон
Вайцзекера, экологической правды о цене товаров или услуг данного
производства.
Упомянутая Конференция ООН в Рио -де Жанейро фактически
обратилась к миру с призывом: давайте отныне каждый акт х озяйственной
деятельности оценивать не только по сложившейся логике традиционного
экономического анализа, но и по его (акта) экологическим издержкам; если
экологические издержки по результатам такой оценки окажутся большими,
то стоимость результата данной хозяйственной деятельности (товары,
услуги) также будет высокой, поскольку общество потребует от
предпринимателя, соответственно, высокую плату за экологические
издержки. И тогда в конкуренции на рынке товаров и услуг данный товар
(услуга) будет иметь мало шансов удержаться. В конкуренции победят
товары и услуги, технология производства которых имеет минимальные
экологические издержки и, соответственно, минимальную стоимость.
Таким образом - мы продолжаем основную мысль Конференции в Рио- де
Жанейро - мы смо жем реформировать рыночную экономику. Сегодня она
процветает за счет "пожирания" биосферы, после реформирования она
будет процветать за счет "пожирания" экологических издержек тех
технологий и тех способов проживания человека в биосфере, которые
сложились в "доэкологическую эпоху" .
Изложенный в общих чертах подход к преодолению Глобального
экологического кризиса (мы понимаем, что этот кризис одновременно и
социальный, и экономический, и политический) получил название
концепции устойчивого развития и находится в центре внимания
международных, государственных органов, общественных движений,
по скольку других значимых концепций в мире сегодня не обозначилось.
Эта концепция, по -видимому, станет руководящим началом в процессе
перехода к новым принципам хозяйствова ния человека на Земле.
Читателю понятно, что в ходе реализации концепции устойчивого
развития обществом должна быть проведена небывалая по масштабам

6
работа: в частности, необходимо будет создать мировую сеть (имеющую,
скорее всего, над государственный характер) организаций, способных дать
объективную оценку экологических издержек любого вида хозяйственной
и другой деятельности, обеспечить надежное, "неотвратимое", изъятие
экологического налога с предпринимателя - соответственно уровню его
экологических изде ржек, а весь образовавшийся поток финансовых
средств направить на эффективное развитие природоохранной
деятельности.
Чтобы создать подобные структуры, необходимо подготовить целые
армии специалистов, компетентных и в экологии, и в технологии, и в
экономике , и в организационно -правовой сфере природоохранной
деятельности, и во многих других смежных областях знания. Но и сами
технологи, которые в последующем будут работать, положим, в области
энергетики, машиностроения, химической технологии, строительства и
т .д., должны быть также хорошо подготовлены во всех названных сферах,
чтобы эффективно (конструктивно) взаимодействовать с экспертными
налоговыми экологическими органами. В результате такого
взаимодействия должен обеспечиваться быстрый прогресс в преодолени и
экологического кризиса.
Теперь, уважаемый читатель, мы можем обратиться к исходному
пункту Введения: введение в учебные планы инженеров целого ряда новых
учебных дисциплин, в частности, экологии - первый шаг в направлении,
обозначенном концепцией устойчивого развития и Конференцией ООН в
Рио -де -Жанейро, принявшей эту концепцию. Далее неизбежны другие
изменения в учебных планах и программах учебных дисциплин - по мере
принятия обществом очередных решений в ходе реализации концепции
устойчивого развития.
Чт о же предлагается будущему инженеру в учебн ике "Экология для
инженера" для изучения учебной дисциплины, которая в учебных планах
значится как "Экология"?
Учебник начинается, глава 1, с рассмотрения понятий "экология",
"инженерная экология", предмета и задач экологии, истории развития
экологической науки, в том числе, в России. Рассматриваются основные
этапы взаимодействия общества с природой, экологические кризисы,
основные понятия, используемые в экологии: окружающая среда,
экосистема, экологический фактор , экологическая ниша и т.д. С позиций
первого и второго начал термодинамики обсуждается феномен высокой
упорядоченности энергетических процессов в организмах и экосистемах.
В главе 2 обсуждаются основы учения В.И. Вернадского о биосфере,
категории экологич еских факторов, закономерности их действия,
адаптация организмов к действию экологических факторов, структура и
динамика популяций, экосистем, их гомеостаз, сукцессия, основные

7
принципы функционирования экосистем, естественные и антропогенные
помехи в экосистемах. Первая и вторая главы – ядро данного учебника.
При их изучении студент осознает самоорганизацию среды обитания
человека - биосферы - и механизм реагирования биосферы и её составных
частей - биогеоценозов (экосистем) – на экологические факторы. Клю чевой
момент этой части учебника – представление механизма действия на
экосистемы антропогенных факторов: если уровень антропогенного
фактора превышает некий предел, то экосистема теряет устойчивость,
деградирует и гибнет.
Наряду с традиционными вопросами общей экологии в учебнике
рассматриваются вопросы, вводящие читателя в круг явлений в природе и
обществе, которые сегодня определяют судьбу цивилизации: все
возрастающая потеря устойчивости экосистем, Глобальный экологический
кризис, пути выхода из него, концепция устойчивого развития общества.
В главах 3-5 дается краткое описание современного состояния
биосферы: темпы роста народонаселения Земли и пути его стабилизации,
состояние основных ресурсов, проблемы энергетики, загрязнение
биосферы.
В главах 6 -10 обсуждается сложившийся в обществе технический и
организационно -правовой инструментарий защиты окружающей среды,
который предстоит перестраивать в ходе реализации концепции
устойчивого развития: принципы, методы, средства инженерной защиты
биосферы, принципы и методы управления природоохранной
деятельностью.

Глава 1. ЭПОХА ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

1.1. Предмет и задачи экологии

Термин "экология" предложен в 1866 г. немецким биологом -
дарвинистом Эрнстом Геккелем. Слово образовано от греческих "ойкос",
что озна чает дом, жилище и "логос" - учение, наука. Таким образом,
дословно экология - это наука о доме. Только "дом" здесь понимается в
очень широком смысле слова как среда обитания. В современном понимании экология - это наука о взаимоотношениях
между живыми организмами и средой их обитания.
Предметом экологии является изучение
законов существования и развития природы;
закономерностей реакции природы на воздействие человека;
предельно допустимых нагрузок на природные системы, которые
может позволить себе общество.

8
Научной основой экологии является учение Чарльза Дарвина о
борьбе организмов за существование. В это учение он включал не только
конкуренцию организмов за жизненные ресурсы, но и их реакции на
факторы окружающей среды, посредством которых живые организмы
приспосабливаются к существованию в конкретных условиях.
Основой экологии являются такие биологические науки как
физиол огия, генетика, биофизика ; связана она и с небиологическими
науками - физи кой, химией, геологией, географией, математикой и др.
Экология обоснованно считается научной базой инженерной охраны
окружающей среды.
В последнее время получили распространение такие понятия, как
"инженерная экология", и т.п. Под инженерной экологией понимается система инженерно -
технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в
условиях растущего промышленного производства.
Успешное решение экологических задач инженерными методами
возможно лишь в том случае, если специалист владеет определенными
знаниями в области экологии, позволяющ ими ему оценить свое
производство с экологических позиций, т.е. обладает необходимым
каждому экологическим мышлением.
Совершим небольшой экскурс в историю. В начале ХХ в. Россия в
числе первых стран мира начала создание заповедников: Морицсала в
Латвии ( 1911 г.), Лагодехи в Грузии (1912 г.), Баргузинский на Байкале и
"Кедровая падь" на Дальнем Востоке (1916 г.). Даже в тяжелые годы
гражданской войны были созданы такие заповедники, как Астраханский
(1919 г.) и Ильменский на Урале (1920г.). Был организован комитет по
заповедникам, к обсуждению проектов создания заповедной сети
привлекались крупнейшие специалисты, такие как, например,
П.П. Семенов -Тян -Шанский. Уровень развития отечественной экологии
был чрезвычайно высок. Достаточно упомянуть имя В.И. Вернадс кого,
развившего учение о биосфере. Гениальный московский эколог Г.Ф. Гаузе
в возрасте 19 -24 лет провел серию классических экспериментов по
изучению борьбы организмов за существование. Монография его впервые
вышла в США в 1934 г. и неоднократно переиздавал ась за рубежом в серии
"Классики науки". Уровень отечественной экологии тогда был таков, что
теперь в США по этому разделу истории советской науки защищают
диссертации, пишут монографии. В 1988 г. профессор Аризонского
университета Дуглас Уинер опубликовал книгу по истории охраны
природы в СССР в 20- 40-х годах. Он открыл для нас мировой приоритет
нашей науки в развитии теории охраны природы. Тогда работали такие
классики экологии, как В.Н. Беклемишев, Д.Н. Кашкаров, Н.В. Тимофеев -
Ресовский. Экология была на столь же высоком месте в мире, как и

9
генетика при Н.И. Вавилове и, так же, как и генетика, экология была
разгромлена в 1948 г. Идеолог лысенковщины И. Презент выдвинул
спекулятивный лозунг о том, что нелепо охранять природу от советского
человека, и вся прекрасная система заповедников была разрушена.
Площадь заповедников с 0,56 % территории страны сократилось до 0,06 %
- остались лишь 40 из 128 заповедников. Вплоть до 1967 г. в школах
биология была заменена псевдонаукой Лысенко. Канонизировались слова
И.В . Мичурина о необходимости "брать милости у природы". Прогресс
ассоциировался с дымящимися трубами, тоннами извлеченного угля,
выплавленной стали, миллионами киловатт электроэнергии [1].
Культ урбанизма и технократии, который возник в годы первых
пятилеток , остается живучим и по сию пору, но все же можно с
уверенностью сказать, что значение проблем охраны среды обитания
осознано нашим обществом. Это видно и по общественным движениям, и
по печати [2,5] и др . Экология остро задевает интересы всех, поскольку
с вязана с охраной здоровья нынешнего и последующих поколений.
Дальнейшее развитие цивилизации не может ориентироваться только
на естественный ход событий и природную стихийную изобретательность
человека. Знания, коллективный разум человечества и его
целенаправленная воля становятся основными факторами, от которых
будет зависеть будущее человека. Принцип покорения человеком природы
должен быть заменен принципом их коэволюции (согласования). Иначе,
если человек не сменит образ жизни, защитные силы биосферы у ничтожат
ее разрушителя.
Биосфера в своей истории выходила из кризисных состояний. В ее
составе уже возникали агрессивные формы жизни с избыточным
энергетическим потенциалом, который вдруг начинал работать вразнос,
разрушая среду обитания. Типичный пример - позднемезозойские
рептилии. К концу мезозоя они захватили все стихии биосферы (летающие,
бегающие, лазающие, плавающие). Интенсивное разрушение среды
обитания, в свою очередь, привело к их масштабному сокращению. Те из
них, что сохранились и дожили до со временности (крокодилы, черепахи,
змеи, ящерицы) - жалкая тень их былого разнообразия и могущества.
До самого последнего времени человеческая активность приводила к
таким изменениям природной среды, которые проявлялись в характере
жизни общества лишь на дл ительных отрезках времени - на протяжении
десятков поколений люди жили практически в одних и тех же природных
условиях.
Отрицательные воздействия человека на природу могли, конечно,
накапливаться и приводить однажды к взрывным катастрофам.
Классический при мер - засоление почв в Месопотамии вследствие
неумелого орошения, которое однажды, после тысячелетнего процветания,

10
привело к гибели цивилизации Шумера. Катастрофа была столь
неожиданной и носила столь всеуничтожающий характер, что даже
существование этой древней цивилизации на тысячелетия было стерто из
памяти человечества.
В конце неолита, т.е. на заре истории, человечество тоже пережило
глобальный экологический кризис и оказалось на грани небытия -
численность населения планеты сократилась, вероятно, раз в 10.
Человечество спасло озарение - оно сумело выжить благодаря земледелию
и скотоводству. Переход от кочевых охотничьих и собирательских общин
к общинам оседлых земледельцев впервые произошел на территории
современного Ближнего Востока около 12 тыс. лет назад. Это первый
переломный момент в истории человечества, коренным образом
изменивший характер антропогенного воздействия на природу. Вторым
переломным моментом было начало использования ископаемых видов
топлива и последовавшая вслед за этим индустриаль ная революция,
которая началась в Англии в ХYIII веке. Деятельность человека стала наносить природе все больший ущерб
по мере совершенствования орудий труда и роста производства.
В ХХ веке соотношение роли общественных и природных факторов
стало особенно стремительно меняться. Глобальные изменения
окружающей среды, которые мы сейчас начали осознавать - изменения,
происходящие в почве, воде и атмосфере, - являются, в основном,
следствием двух веков индустриализации, а также современных
потребностей и устрем лений 7 млрд. людей. В последни е годы, то есть
практически за 6 0 лет, отделяющих нас от окончания самой
кровопролитной войны, которую знало человечество, наука и техника
внесли в жизнь планеты поистине удивительные изменения. Выход в
космос, овладение ядер ной энергией, создание мировой компьютерной
сети. Каждое из этих событий могло бы составить целую эпоху в истории
цивилизации, но они далеко не исчерпывают всего того, что произошло за
последние 60 лет. Полимерные материалы, скоростные реактивные
лайнеры, невиданный рост производительности труда и многое другое, что
совершенно изменило характер нашей жизни - все это т акже плод ы
научно -технической революции.
Сразу после войны невиданными темпами началась перестройка всей
технологической основы нашей цивилиза ции. Общество перешло в новое
состояние, характеризующееся всевозрастающей скоростью появления
новых научных открытий, создания новых технологий и невиданных
темпов развития производительных сил. За время жизни одного поколения,
условия обитания популяции Homo sapiens меняются весьма существенно.
Сейчас даже два соседних поколения в развитых странах начинают жить в
условиях, существенно отличных. И темпы научно -технического прогресса

11
не проявляют тенденции к снижению, жизнь не стремится вернуться в
русло спокойного, умеренного развития.
Мы сейчас не можем представить себе нашу жизнь без всего того,
что дают нам современные научные знания и инженерное мастерство.
Никогда еще цивилизация не обеспечивала человечество таким
количеством благ, как теперь. Можно го ворить об их неравномерном
распределении, и тем не менее никогда за всю историю человечества
среднестатистический земной житель не потреблял столько, сколько он
потребляет сейчас, никогда не был он обеспечен таким количеством услуг,
каким он обеспечен сейч ас.
Однако рост могущества цивилизации привел к многократному
увеличению интенсивности антропогенного воздействия на биосферу.
Судьбы человечества и природы становятся все более переплетенными.
Взрывы атомных бомб в Нагасаки и Хиросиме показали, что челове к в
состоянии уничтожить не только города и страны, но и основу основ
нашего бытия - Природу [4].
Взаимодействие общества и природы можно представить в виде
схемы социального обмена веществ и энергии рис.1.1. [5].

Схема отражает изъятие из природы вещест в и энергии, переработку
веществ, усвоение обществом переработанных элементов природы, сброс в
окружающую среду отходов. На всех этапах взаимодействия общества и
природы происходит загрязнение окружающей природной среды, которая,
в свою очередь, воздейству ет на общество.
Ядерная война - это не единственное проявление мощности
современной цивилизации, способной поставить человечество на грань

12
катастрофы. Есть и другие действия людей, могущие привести к
изменениям условий жизни на нашей планете, которые исключат всякую
возможность дальнейшего существования цивилизации.
Так, например, уменьшение испарения с поверхности океана
вследствие его загрязнения резко уменьшит количество осадков, а их и так
недостает большинству районов планеты. А вода - это жизнь, ее уменьше-
ние означает, что люди будут обладать меньшим количеством пищевых
ресурсов. Их уменьшение на 20 - 30 % при непрерывном росте населения
будет иметь катастрофические последствия, которые трудно даже оценить.
Задумаемся еще над одним фактом. Все велик олепие современной
цивилизации - следствие того огромного количества искусственной
энергии, которое стало теперь производить человечество. Мы живем не
энергией Солнца, как растения и животные, а расходуем запасы нефти,
угля, газа, сланцев, которые накопила биосфера за сотни миллионов лет.
Эти невозобновимые запасы расходуются стремительно и, если завтра
источники нефти и угля иссякнут, то остановятся поезда и автомобили,
прекратится подача энергии. Остановится не только промышленное
производство, но и резк о сократится производство сельскохозяйственных
продуктов.
Опасность таится и в самом количестве производимой человеком
энергии. Земля получает от Солнца огромное количество энергии и
сохраняет при этом примерно постоянную температуру, следовательно,
приход и расход количества энергии должны быть сбалансированы, иначе
система однажды потеряет устойчивость.
В действительности этот баланс не совсем точен. На Земле есть
жизнь, есть растения, которые с помощью энергии Солнца создают живую
материю, вступающую в б есконечный круговорот. Часть полученной
Землей солнечной энергии оказывается захороненной в недрах планеты.
Вся жизнь на Земле, весь процесс ее эволюции, приведший к появлению
человека и общества, и жизнь самого общества долгое- долгое время
происходили за счет ничтожного дисбаланса между энергией, поступаю -
щей на Землю из Космоса, и энергией, отражаемой планетой. Изменение
этого дисбаланса за счет высвобождения энергии органического и
ядерного топлива чревато для человека очень опасными последствиями. Измен ение теплового равновесия планеты уже начало происходить.
Производимая человеком энергия рассеивается и идет на нагревание
Земли, ее тверди, океана, атмосферы. Это может привести к увеличению
температуры Земли, тем более, что производство энергии растет быстрыми
темпами.
Увеличение средней температуры на 4 –5 °С приведет к
необратимому таянию ледников, повышению уровня океана на многие

13
десятки метров и затоплению наиболее плодородных областей планеты. В
результате потепления изменится весь характер атмосферной циркуляции
и большая часть оставшейся поверхности планеты превратится в
засушливую полупустыню.
Таким образом, в биосфере сложились напряженные отношения
между человечеством и природой, характеризующиеся несоответствием
развития производительных сил и производственных отношений в
человеческом обществе и ресурсно -экологических возможностей
биосферы. Это состояние именуется экологическим кризисом.
Приметы общепланетарного кризиса у всех перед глазами. О нем
говорят и озоновые дыры, и грядущее (и наблюдающе еся сейчас)
глобальное потепление, и загрязнение окружающей среды, и
стремительное обеднение ресурсов планеты, начиная от потери плодоро -
дия ее полей и кончая истощением ископаемых природных ресурсов.
У людей постепенно начало возникать новое представление о той
реальности, которая нас окружает, люди начали понимать, что время
"вседозволенности" ушло раз и навсегда, они начали осознавать, что есть
некая запретная черта во взаимодействии Человека и Природы,
переступать которую человечество не должно ни при к аких
обстоятельствах [6] . Сегодня нельзя рассматривать независимо развитие
общества и природы и решать политические и экономические проблемы,
игнорируя глубокую взаимосвязанность природных и общественных
процессов [7,8,9,10].
Вот почему сейчас внимание ученых во все большей степени
начинает обращаться к фундаментальным проблемам современной
эволюции биосферы, основной причиной которых теперь становится
непрерывно возрастающая нагрузка, порождаемая, прежде всего,
производственной деятельностью человека. Особ ое значение, в связи с
этим, приобретает изучение природы и человека как одного целого.
Проблема выживания, сохранения биосферы может быть решена
человеком путем поиска оптимальных решений, основывающихся на
экологических знаниях.

1.2 Основные понятия и определения

Окружающая среда - система взаимосвязанных природных и
антропогенных объектов и явлений, в которой протекает труд, быт и отдых
людей.
Экологическая система (экосистема) – взаимосвязанная единая
функциональная совокупность организмов и среды и х обитания.
Примером экосистем могут быть пруд с растениями и живыми
организмами, лес с обитателями. Сходные организмы, обитающие в

14
неодинаковых условиях среды, образуют разные экосистемы. Например,
еловый лес в Томской области и в горах Кавказа - разные э косистемы.
Для обозначения природных биосистем, занимающих определенную
территорию, В.Н. Сукачевым предложен термин биогеоценоз (от "биос" -
жизнь, «гео» - Земля, «ценоз» - сообщество).
Понятия "экосистема" и "биогеоценоз" близки, но не являются
синонимами . Экосистемы - это безразмерные устойчивые системы живых
и неживых компонентов, в которых совершается круговорот веществ и
энергии. Таким образом, экосистема - это и капля воды с ее микробным
населением, и лес, и горшок с цветком, и космический пилотируемы й
корабль. Понятие "экосистема" шире, чем "биогеоценоз", т.е. любой
биоценоз является экологической системой, но не всякая экосистема может
считаться биогеоценозом, причем биогеоценоз - это сугубо наземные
образования, имеющие свои четкие границы.
Экосисте ма включает две главные составляющие: биоценоз -
совокупность живых организмов и биотоп (от греч. "топос" - место) -
место жизни биоценоза. Представители отдельных видов растений или
животных, обитающих в данной экосистеме, образуют популяции этих
b^h. Н апример, совокупность зайцев – популяция зайцев , совокупность
берез - популяцию берез и т.д.
Как мы увидим дальше, антропогенная деятельность всегда
направлена на биогеоценоз (экосистемы), вне которых нет жизни на Земле.
Биогеоценоз - это элементарная стру ктурная единица биосферы, сложно
организованная и развивающаяся по определенным законам, и именно с
ней взаимодействует человек.
Окружающая организм среда характеризуется огромным
разнообразием, слагаясь из множества динамичных во времени и
пространстве эл ементов, явлений, условий, которые рассматриваются в
качестве факторов.
С экологических позиций среда - это природные тела и явления, с
которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях.
Окружающая организм среда характеризуется огромным разнообразием,
слагаясь из множества динамичных во времени и пространстве элементов,
явлений, условий, которые рассматриваются в качестве факторов.
Экологический фактор - любой элемент среды, способный оказать
непосредственное влияние на живые организмы и на хар актер их
отношений друг с другом. В свою очередь, организм реагирует на
экологический фактор специфичными приспособительными реакциями.
Экологические факторы среды, с которыми связан любой организм,
делятся на категории:
1) факторы неживой природы - а биотические;
2) факторы живой природы - биотические;

15
3) антропогенные факторы.
Воздействие человека на окружающую среду проявляется, прежде
всего, в изменении режима множества биотических и абиотических
факторов зачастую за те пределы, которые отв ечают экологическим
требованиям живых организмов. Любому живому организму необходимы
не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества
или какие -либо другие факторы, а их определенный режим, т.е.
существуют некоторые верхние и нижние гр аницы амплитуды допустимых
колебаний этих факторов. Чем шире предел какого -либо фактора, тем
выше устойчивость, т.е. толерантность данного организма.
Требования того или иного организма к факторам среды
обусловл ивают границы его распространения (ареал) и м есто, занимаемое
в экосистеме. Совокупность множества параметров среды, определяющих
условия существования того или иного вида, и его функциональных
характеристик (преобразование им энергии, обмен информацией со средой
и себе подобными и др.) представляет собой экологическую нишу.
Экологическая ниша - это абстрактное понятие, этот термин
отражает ту роль, которую играет данный конкретный вид организмов в
биогеоценозе. Чтобы дать характеристику экологической нише,
необходимо знать, чем организм питается, кто его самого поедает, какова
способность организма к перемещению в пространстве, какой этаж в
биогеоценозе он занимает и другие особенности его взаимодействия с
живыми и неживыми элементами биогеоценоза. Экологическая ниша
характеризует экологические услови я жизнедеятельности организмов,
которые определяются как абиотическими, так и биотическими факторами. Следовательно, в каждом биогеоценозе все виды живых организмов
занимают определенные экологические ниши, расселяясь таким образом,
чтобы, не мешая друг другу, наиболее полно и эффективно использовать
все энергетические и материальные ресурсы. Одни виды живых
организмов расселяются в верхних этажах, потребляют энергию Солнца,
извлекают необходимые вещества из атмосферного воздуха и используют
атмосферную влагу. Другие поселяются в почве и живут за счет
энергетических ресурсов мертвого органического вещества, почвенной
влаги и газов, содержащихся в порах почвы. Расселяясь таким образом, все
живые организмы, находясь в тесном взаимодействии, обеспечивают
сущест вование друг друга и постоянный круговорот веществ. От
разнообразия живых организмов, от числа экологических ниш будут
зависеть полнота и скорость круговорота веществ в данном конкретном
биогеоценозе [10, 11].
Как мы увидим далее, существование и развитие экологических
систем зависит от количества энергии, поступающей в экологическую

16
систему, скорости ее передачи через отдельные элементы системы и от
интенсивности циркуляции минеральных веществ.
Как известно, энергией называется единая мера различных форм
д вижения. Для количественной характеристики качественно различных
форм движения вводятся соответствующие виды энергии: механическая,
внутренняя, электромагнитная, химическая, ядерная и др. [5]. Живые
существа являются уникальными природными объектами, спосо бными
улавливать энергию, приходящую из Космоса преимущественно в виде
солнечного света, удерживать ее в виде энергии сложных органических
соединений, передавать друг другу, трансформировать в механическую,
электрическую и другие виды энергии. И все это соответствует закону
сохранения и превращения энергии (1-е начало термодинамики),
согласно которому энергия не исчезает и не создается, она только
превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к
другому, при этом ее значение сохраняется.
Второе начало термодинамики - любое действие, связанное с
преобразованием энергии, не может происходить без ее потери в виде
рассеянного в пространстве тепла. Другими словами - энергия любой
системы стремится к состоянию, называемому термодинамическим
равн овесием, что равнозначно максимальной энтропии. Энтропия, таким
образом, отражает возможности превращения энергии и рассматривается
как мера неупорядоченности системы [12] . Итак, часть поступающей в
экологическую систему энергии теряется и не может совершать работу.
Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, чтобы существовала
жизнь, необходим внешний источник энергии - излучение Солнца.

Глава 2. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Учение о биосфере и ее эволюции

Учение о б иосфере Земли - одно из крупнейших и наиболее
интересных обобщений современного естествознания. Оно является
научной основой для исследования природных объектов и комплексного
подхода при организации современного производства.
Землю нередко сравнивают с ко смическим кораблем, а человека - с
пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной нам части
Вселенной, только одна Земля - планета жизни. И только на ней могут
жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера -
область существования "живого вещества - совокупности живых
организмов" [13].

17
Колыбель Ноmо sapiens, основа его физического и духовного
развития, источник всех природных ресурсов - все это биосфера. И в
познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к
разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека. Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно
обосновал единство человека и биосферы.
Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945) - крупный
отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из
основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по
проблеме биосферы сложились в начале текущего столетия: он излагал их
в лекциях в Париже. В 1925г. появилась статья В.И. Вернадского "Ход
жизни в биосфере", а в 1926 г. вышла книга "Биосфера". Затем различные
стороны учения В.И. Вернадский неоднократно рассматривал в статьях и в
большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти,
монографии "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения".
Рассмотрим некоторые самые основные положения учения
В.И. Вернадского о биосфере.
В основе учения лежит представление о планетарной геохимической
роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного
превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.
Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство,
охватываемое биосферой Земли.
Биосфера (греч. "биос" - жизнь; "сфера" - шар) - оболочка Земли, в
которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих
поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросфе ру.
Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики,
В.И. Вернадский неоднократно повторял, что термин "биосфера"
принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века
употребил французский биолог Ж. -Б. Ламарк, разработавший первую
эhexpbhg ную концепцию. Определенный геологический смысл в 1875г.
вложил в термин "биосфера" австрийский ученый Э. Зюсс. Однако
связанное с этим термином законченное учение создал В.И. Вернадский.
Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных
геосфер - гидросферы, литосферы, атмосферы.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами,
морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка
покрывает около 71 % поверхности земного шара, наибольшая глубина в
западной части Тихого ок еана достигает 11,5 км (Марианская впадина).
Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую
оболочку земного шара мощностью до нескольких десятков километров.
Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев:
тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с

18
озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы,
представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.
Биосфера охватывает, таким образом, верхнюю часть литосферы (до
15 км глубины), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (тропосферу
и нижние слои стратосферы, до 25 км высоты). Следовательно, в целом
биосфера представляет слой распространения жизни мощностью по
вертикали около 40 км, хотя реальные границы распространения живого
более сужены.
Биосфера имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые
представляют собой уменьшенную модель биосферы. Сама же биосфера -
глобальная экологическая система. Совокупность живых организмов, населяющих биосферу,
В.И. Вернадский называет живым веществом. Красной нитью в учении
проходит мысль о том, что живое вещество - "функция биосферы", а
биосфера - результат развития живого вещества.
В любой экосистеме живое вещество представлено тремя группами
организмов:
1) автотрофы (продуценты) - самопитающиеся (от греч. "трофе" -
питаюсь, "аутос" - сам, от лат. "продуцентис" - производящий).
Это растения, которые используют световую энергию, чтобы
продуцировать все сложные органические соединения своего тела из
простых неорганических, присутствующих в окруж ающей среде;
2) гетеротрофы (консументы) - питающиеся другими существами (от
греч. "гетерос" - другой; от лат. "консумо" - потребляю).
К ним относятся самые разнообразные существа - от простейших до
млекопитающих, включая человека. Животные, питающиеся
непосредственно продуцентами, называются консументами первого
порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные
консументы. Бывают консументы более высоких порядков, причем
некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням. Первичные
консу менты называются растительноядными, или фитофагами.
Консументы второго и более высоких порядков – плотоядные;
3) миксотрофы (редуценты) - разлагающие живые вещества (от греч.
"миксис" - смешение; от лат. "редукцио" – haрат).
Эти организмы (преимуществе нно бактерии, грибы, простейшие) в
процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки до
минеральных веществ.
Суммарная масса (биомасса) живых организмов оценивается
примерно в 2,4
.10 12 т.
Кроме живого вещества Вернадский различал еще 3 категории
_ ществ, т.е. всего 4: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество - то, что
возникло из живого (каменный уголь, нефть, торф, мел) ; 3) биокосное

19
вещество - преобразованная организмами неорганика (почва, осадочные
породы); 4) косное вещество - все, что не имело связи с живым (застывшая
лава, вулканический пепел). В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода,
воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм). Среды жизни в
пределах биосферы населены монобионтами (обитателями одной среды),
дибионтами (обитателями двух сред) и полибионтами (живущими в трех
или четырех средах).
Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов,
скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей
в экосистему, и от циркуляции ве ществ в экосистеме. Биосфера является
энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии
из внешней среды.

Рис. 2.1. Потоки энергии в биосфере

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами
живых клеток, преобразуется в энергию химических связей (рис. 2.1).
Создаваемые таким образом (например, при фотосинтезе) химические
вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от
растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным
животным первого порядка , затем второго и т.д. Этот переход
рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и
энергии. Поток энергии в экосистемах полностью соответствует началам
термодинамики. Часть потенциальной химической энергии пищи,
высвобождаясь, позволяе т организму осуществлять свои жизненные
функции, т.е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла, увеличивая
энтропию, которая рассматривается как мера неупорядоченности системы.
Если бы поток солнечной энергии, поступающей на Землю, только
рассеивал ся, то жизнь была бы невозможна, (система находилась бы в

20
состоянии максимальной энтропии). Для того, чтобы энтропия системы не
возрастала, организм или система должны извлекать из окружающей среды
отрицательную энтропию - негэнтропию, т.е. работать против градиента.
Для работы против градиента экологическая система должна получать
энергетическую дотацию, которая и поступает в виде энергии Солнца.
Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя
упорядоченность ее химических связей. Часть энергии тер яется,
расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть
передается другим организмам. В начале же этого потока находится
процесс автотрофного питания растений - фотосинтез, при котором
повышается упорядоченность деградировавших органических и
минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет
поступления энергии Солнца.
Таким образом, все превращения энергии в экосистеме всегда
соответствуют термодинамической модели незамкнутой системы.
За миллиарды лет своего существования биосфера п рошла сложный
путь развития, называемый эволюцией. На Земле широко распространены
осадочные горные породы. Изучение их состава и заключенных в них
органических ископаемых остатков дало возможность уже в первой
половине ХIХ века установить определенную посл едовательность в их
напластованиях. Были выделены слои с характерными для них останками
животных и растений. Этим слоям дали наименования. По характерным
горным породам были названы меловый и каменноугольный слои. Другие
группы слоев получили свое название по местности, в которой их впервые
обнаружили и изучили. Так появились отложения юрской, девонской,
пермской, кембрийской и других систем.
Радиогеохронологический метод (исследование радиоактивного
распада урана, содержащегося в минералах и горных породах, и
превращения его в свинец) позволил установить начало и
продолжительность каждого геологического периода. Самые древние
горные породы были обнаружены в Сибири и в Австралии. Установлено,
что общий возраст нашей Земли - немногим более 4,2 млрд. лет [15].
В.И. Вернадский сам не занимался проблемой возникновения жизни.
Он рассматривал ее появление на Земле как некоторое "эмпирическое
обобщение", т.е. как факт, данный нам в опыте - "так есть на самом деле".
Вместе с тем он считал жизнь явлением космическим, не считая ее
исключительной привилегией Земли [13].
В работе [16] высказываются предположения о том, что в период
формирования планеты Земля извне на нее попало вещество углистых
хондритов, богатое водой, за счет которой могла сформироваться
гидросфера. Углистые хондриты содержат разнообразные органические
соединения, в том числе нуклеотиды, аминокислоты, порфирины,

21
образующие ядра молекул хлорофилла. Поэтому в первичных водоемах
концентрация органических соединений изначально могла быть высокой.
Первые следы жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся
около 3 млрд. лет назад. По одной из гипотез, возникновению жизни предшествовало
образование сложных органических молекул таких, как аминокислоты,
которые образовались из метана, аммиака, водорода и паров воды в
условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения Солнца и
повышенной вулканической деятельности [17].
Неравномерное распределение органических молекул в толще воды
привело к образованию коллоидных сгущений - коацерватов
("коацерватус", лат. - собранный). Это первые предбиологические системы,
которые обладали способностью к делению, избирательному поглощению
веществ из окружающего раствора и могли избавляться от ненужных им
соединений. Это явилось началом обмена веществ, возникновения
процессо в переноса энергии, обмена информацией.
В результате качественного скачка коацерватные капли приобрели
способность к самовоспроизведению и превратились в простейшие живые
организмы.
Следовательно, согласно рассматриваемой гипотезе, первый этап -
hagbdghе ние и формирование биосферы, характеризуется развитием в
гидросфере простейших водных монобионтов (гидробионтов). Это были
одноклеточные прокариоты (организмы, не имеющие оформленного ядра),
которые в ходе эволюции дифференцировались по разным линиям
приспособления - на одноклеточных и многоклеточных, растения и
животных, особей мужского и женского пола, продуцентов, консументов и
редуцентов [14].
Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет
жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосф еру сделали
возможным быстрое распространение жизни и развитие эукариотических
(обладающих оформленным ядром) клеток, что привело к эволюции более
сложных живых систем.
Считается, что первые клетки с ядром появились после того, как
содержание кислорода в а тмосфере достигло 3-4 %, что произошло
примерно 1 млрд. лет назад. Когда содержание кислорода около 700 млн. лет назад достигло
примерно 8 %, появились первые многоклеточные организмы.
Примерно 600 млн. лет назад произошел эволюционный взрыв
новых форм жиз ни таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские
водоросли и др.

22
Таким образом, длительный период (3500 - 400 млн. лет назад) вода
была главной средой жизни, а эволюция в ней дошла до высших растений
и позвоночных животных.
Вторым этапом эволюции био сферы можно считать появление у
гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов
(постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй
среды жизни - организма. Явление симбиоценоза (и паразитоценоза)
продолжало развиваться и с появлением новых сред жизни (воздух, почва).
Некоторые "сожители" вошли в столь тесные отношения с "хозяином", что
стали своеобразными "органами" его тела. Например, человек получает
витамин В1 от кишечной палочки. Известно, что в ряде случаев, если нет
с имбионтов, не развивается иммунитет.
Третий этап эволюции биосферы - выход организмов из водной
среды на сушу, где под их непосредственным влиянием сформировались
новые среды жизни - воздух и почва. Около 400 млн. лет назад имели
место две фазы каледонског о тектонического цикла, связанного с
обнажением больших площадей мелководных морских акваторий.
Органические остатки морских организмов, по -видимому, и были той
первичной основой, на которой могли появиться сначала земноводные, а
затем и сухопутные формы растений.
Выход растений на сушу представлял собой настоящую революцию
в истории биосферы, так как развитие окислительной атмосферы в
результате фотосинтеза способствовало возникновению многоклеточности,
обеспечило выход жизни на сушу, стало причиной появле ния минералов в
окисленной форме. Образование почвы изменило структуру
поверхностного слоя планеты, создав условия для мощного развития
растительности. Это создало предпосылки для выхода на сушу различных
животных. В ископаемых остатках этого периода уже в стречаются
скорпионы, клещи, насекомые. Началось формирование наземных
позвоночных. Некоторые амфибии приобрели способность размножаться
вне воды. Появились первые пресмыкающиеся. Насекомые начали
завоевывать воздушную среду. 190 - 230 млн. лет назад на су ше имело
место взрывное развитие пресмыкающихся. Это было время динозавров.
Около 190 млн. лет назад появились первые млекопитающие, птицы. Таким образом, около 400 - 350 млн. лет тому назад в биосфере
сформировались четыре среды жизни, существующие и поны не: вода,
почва, воздух и организм. На протяжении последующей истории Земли
шло развитие этих сред жизни, обогащался их хими ческий состав,
возникали новые обитатели.
Особое значение в эволюции живого вещества имел переход от
бесполого размножения к половому и появление живорождения.
Четвертым этапом эволюции биосферы следует считать появление

23
живорождения у животных, которое привело к возникновению
принципиально нового типа дибионтных организмов: до рождения
развивающихся в специальных органах тела матери, а после рождения
ведущих свободный образ жизни в воде, воздухе или почве [14].
На протяжении последнего миллиона лет в биосфере появляется
человек, внесший коренные изменения в ход ее дальнейшего развития.
Поэтому пятым этапом эволюции биосферы следует сч итать социальный,
когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным
существом.
На данном этапе эволюции биосферы развивающийся человек все
более активно входит в различные биоценозы и экосистемы. Он истребляет
одни виды, приручает и окультуривает другие, создает новые сорта
растений и породы животных. С самого начала своего разумного
существования человек отличался неразумием по отношению к природе.
Сегодняшний период развития биосферы, нередко именуемый
техносферой, ставит задачи срочного принятия мер по охране окружающей
среды - внедрение малоотходных технологий, оборотного водоснабжения,
рационального природопользования.
Шестой этап эволюции биосферы связан с ее переходом под
влиянием разумной деятельности человека в состояние ноосферы (сферы
Разума). Развитие жизни (биогенез), по представлениям В.И. Вернадского,
пойдет по пути развития разума (ноогенеза).
В связи с развитием общества и усилением его отрицательных
воздействий на биосферу, особенно с наступлением эпохи научно -
технической рево люции, приведшей биосферу в состояние глобального
экологического кризиса, переход биосферы в ноосферу отодвинулся на
неопределенное время. Техносферу не следует считать особым этапом
развития биосферы, а лишь результатом воздействия человека на
окружающую среду в условиях развития современного общества,
задерживающего переход к ноосфере. Следует отметить, что
предотвратить изменение среды невозможно, как невозможно остановить
прогресс человеческого общества. Очевидно, необходимо так управлять
процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они
были взаимно выгодны и чтобы развитие общества не привело к
деградации биосферы.
В.И. Вернадскому принадлежит, в частности, идея о возможности
превращения человеческого общества из гетеротрофной категории 
социально автотрофную. В данном случае понятие "автотрофность"
означает относительную независимость человека от продуктов,
создаваемых биосферой. В силу своих биологических особенностей
человек не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество
спо собно осуществлять так называемый автотрофный способ

24
производственной деятельности, под которым подразумевается замена
высокомолекулярных природных соединений низкомолекулярными. Идея
автотрофности привлекает тем, что подобное функционирование общества
может быть минимально связано с нарушением природной среды.
Дальнейшее развитие биосферы и превращение ее в ноосферу не
может быть стихийным процессом, а требует четкого управления; при
стихийном развитии биосферы вероятны катастрофические в ней
изменения из -за появления необратимых процессов, и губительных для
всего живого веществ.
Для управления процессом развития биосферы необходимы
правильные представления о самих процессах ее развития. Ключевым
здесь является вопрос теоретического осмысления природы глоба льного
экологического кризиса.
В [47, 48] академик РАН Н.Н. Моисеев на основе эмпирических
обобщений представил вариант видения эволюции Вселенной -
универсальный эволюционизм. Принятый Н.Н. Моисеевым подход
восходит к В.И. Вернадскому, который в работе «О состоянии
пространства в геологических явлениях. На фоне роста науки ХХ
столетия» (1943 г.) привел описательную модель мира в виде системы трех
Больших Принципов и двадцати эмпирических обобщений.
Проецируя на человеческое общество предлагаемый эволюционн о-
бифуркационный механизм эволюции Вселенной, Н.Н. Моисеев
определяет экологические кризисы как состояние бифуркации процесса
развития человечества и, в целом, биосферы. По Н.Н. Моисееву
эволюционно -бифуркационный процесс взаимодействия человечества с
биос ферой является, в сущности, движителем исторического процесса. В
связи с этим Н.Н. Моисеев вводит понятие оптимально устроенного
общества, то есть общества, находящегося в состоянии равновесия с
биосферой. В силу стихийности процесса развития, на основе му тагенеза
технология функционирования «оптимального» общества со временем
«обрастает» принципами, деформирующими его, и устремляющими
общество к состоянию бифуркации (взрыва, революции,
нестационарности), из которого человечество выходит на новый уровень
сл ожности структуры и функционирования общественного организма, на
новый уровень разума человечества.
Переходя к рассмотрению современного состояния мирового
сообщества, Н.Н. Моисеев определяет изжившим себя рыночный механизм
хозяйствования, даже в его «исправленном, улучшенном» виде, каким он
(рыночный механизм) представляется творцам концепции ус то йчивог о
развития [9]. Максимум того, что может дать реализация этой концепции -
оттянуть «время буйства» очередного бифуркационного состояния,
последствия которого непредсказуемы и в любом случае катастрофичны.

25
Главный шанс мирового сообщества и на этот раз благополучно
выйти из экологического кризиса, не допустив его развития до «апогея
бифуркации», академик Н.Н. Моисеев видит в срочном формировании
человечеством системы экологических табу - экологических императивов,
блокирующих развитие Глобального экологического кризиса.
Сегодня уровень потенциала Коллективного Разума человечества
позволяет, по Н.Н. Моисееву, сформировать упомянутую систему
экологических императ ивов уже в обозримом будущем. На это указывает и
беспрецедентный характер Конференции ООН по окружающей среде и
разblbx  Рио -де -Жанейро (1992 г.), и инициативы различных
экологических движений, подобные инициативам движения «Друзья
Земли» Голландии, обоз начившие систему мер, предупреждающие
превышение Голландией предельных норм загрязнения биосферы и
расходования невозобновимых ресурсов [49]. Этому способствует
стремительно возрастающая мощь информационно -аналитической
компоненты Коллективного Разума в св язи с развитием компьютерной
техники и информатики. Менее вдохновляющая ситуация - в части
духовной компоненты человечества, замечает Н.Н. Моисеев. В этой связи
он обращает внимание на огромный духовный ресурс «нормативов жизни»
человечества - Ветхого и Нового заветов, основополагающих документов
мировых религий Востока.
Разумеется, точка зрения Н.Н. Моисеева на процессы в биосфере
дает представление лишь об одном из вариантов модели этих процессов в
переходный период эволюции Земли - от биосферы к ноосфере . Но, будучи
представленной здесь даже в самых общих чертах, она дает представление
о единстве, взаимоувязанности процессов в неживой и живой природе, в
интеллектуальной и духовной сферах, о неоднозначности сегодняшнего
ответа на вопрос о возможности управ ления человечеством процессами в
биосфере.

2.2. Экологические факторы и их действие

Распространение организмов от одной экосистемы к другой и от
одной части экосистемы к ее другой части определяется различными
факторами. Для экологии представляет интерес реакция организмов на
факторы среды. Влияние факторов на живое характеризуется некоторыми
количественными и качественными закономерностями.

2.2.1. Закономерности действия факторов

Для разных видов условия, в которых они особенно хорошо себя
чуklуют, н еодинаковы. Например, некоторые растения предпочитают

26
очень влажную почву, другие - относительно сухую. Одни требуют
высокой температуры, другие лучше переносят пониженную.
Обозначим множество значений любого фактора в виде вектора, или
шкалы. Жизнь возмож на лишь при определенных значениях факторов,
совокупность которых носит название экологического спектра [5]. Каждый
вид характеризуется своим экологическим спектром.

Действие каждого фактора характеризуется наличием в пределах его
общего спектра трех зон (рис. 2 -2):
1) зоны нарушения жизнедеятельности вследствие недостатка фактора
(зона минимума);
2) зоны нормальной жизнедеятельности (зона оптимума);
3) зоны нарушения жизнедеятельности вследствие избытка фактора
(зона максимума).
При миниму ме и максимуме фактора организм может жить, но не
достигает расцвета (стрессовые зоны). Весь интервал значений фактора от
минимального до максимального, при которых возможна
жизнедеятельность организма, называют диапазоном устойчивости
(толерантности).
В 1 840 г. химик Юстус фон Либих, наблюдая за влиянием на
растения химических удобрений, обнаружил, что ограничение дозы
любого из них ведет к замедлению роста. Это позволило ученому
сформировать правило, которое носит название закона минимума Либиха.
Согласно этому закону, жизненные возможности лимитируют
факторы, количество и качество которых близки к необходимому
организму или экосистеме минимуму.
Закон относится ко всем влияющим на организм биотическим и
абиотическим факторам и применим и к растениям, и к ж ивотным, и к
человеку. В 1913 г. американский ученый Шелфорд показал, что не только
вещество, присутствующее в минимуме, может определять

27
жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может
приводить к нежелательным отклонениям. Например, при недостатке воды
в почве ассимиляция растением минеральных веществ затруднена, но и
при избытке воды возникают процессы гниения, закисание почвы.
Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке (по
отношению к оптимальным требованиям организма), называются
лимитирующими. Правило Шелфорда получило название закона
лимитирующего фактора или закона толерантности.

2.2.2. Абиотические факторы

Среди химических и физических факторов среды выделим три
группы факторов: климатические, факторы почвенного покрова и водной
среды.
I. Главнейшие климатические факторы:
1. Лучистая энергия Солнца.
Преимущественное значение для жизни имеют инфракрасные лучи
(длина волны больше 0,76 мкм), на долю которых приходится 45 % всей
энергии Солнца. В процессах фотосинтез а наиболее важную роль играют
ультрафиолетовые лучи (длина волны до 0,4 мкм), составляющие 7 %
энергии солнечной радиации. Остальная часть энергии приходится на
видимую часть спектра с длиной волны 0,4 - 0,76 мкм.
2. Освещенность земной поверхности.
Она играет важную роль для всего живого, и организмы
физиологически адаптированы к смене дня и ночи. Практически у всех
животных существуют суточные ритмы активности, связанные со сменой
дня и ночи.
3. Влажность атмосферного воздуха.
Связана с насыщением воздуха водяными парами. В нижних слоях
атмосферы (высотой до 2 км) концентрируется до 50 % всей атмосферной
влаги.
Количество водяного пара в воздухе зависит от температуры
воздуха. Для конкретной температуры существует определенный предел
насыщения возду ха парами воды, который называют максимальным.
Разность между максимальным и данным насыщением воздуха парами
воды называется дефицитом влажности (недостатком насыщения).
Дефицит влажности является важным экологическим параметром, так как
характеризует две величины: температуру и влажность.
Известно, что повышение дефицита влажности в определенные
отрезки вегетационного периода способствует усиленному плодоношению
растений, а у некоторых насекомых приводит к "вспышкам" размножения.
4. Осадки.

28
Из-за конд енсации и кристаллизации паров воды в высоких слоях
атмосферы формируются облака и атмосферные осадки. В приземном слое
образуются росы и туманы.
Влага - основной фактор, определяющий разделение экосистем на
лесные, степные и пустынные. Годовая сумма осадк ов ниже 1000 мм
соответствует стрессовой зоне для многих видов деревьев, а предел
устойчивости большинства из них составляет около 750 мм/год. В то же
время у большинства злаков такой предел значительно ниже - примерно
250 мм/год, а кактусы и другие пустын ные растения способны расти при
50 - 100 мм осадков в год. Соответственно, в местах с количеством осадков
выше 750 мм/год обычно развиваются леса, от 250 до 750 мм/год -
злаковые степи, а там, где их выпадает еще меньше, растительность
представлена засухоу стойчивыми культурами: кактусами, полынями и
видами перекати -поле. При промежуточных значениях годовой суммы
осадков развиваются экосистемы переходного типа (лесостепи,
полупустыни и т.д.).
Режим осадков является важнейшим фактором, определяющим
миграцию з агрязняющих веществ в биосфере. Осадки - одно из з_gv_ 
круговороте воды на Земле.
5. Газовый состав атмосферы.
Он относительно постоянен и включает преимущественно азот и
кислород с примесью углекислого газа, аргона и других газов. Кроме того,
 _ рхних слоях атмосферы содержится озон. В атмосферном воздухе
присутствуют также твердые и жидкие частицы.
Азот участвует в образовании белковых структур организмов;
кислород обеспечивает окислительные процессы; углекислый газ
участвует в фотосинтезе и явля ется естественным демпфером теплового
излучения Земли; озон является экраном ультрафиолетового излучения.
Твердые и жидкие частицы влияют на прозрачность атмосферы,
препятствуя прохождению солнечных лучей к поверхности Земли.
6. Температура на поверхности земного шара.
Этот фактор тесно связан с солнечным излучением. Количество
тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо
пропорционально синусу угла стояния Солнца над горизонтом. Поэтому в
одних и тех же районах наблюдаются суточные и сезонные колебания
температуры. Чем выше широта местности (к северу и югу от экватора),
тем больше угол наклона солнечных лучей к поверхности Земли и тем
холоднее климат.
Температура, так же как и осадки, очень важна для определения
характера экосистемы, правда, температура играет в каком- то смысле
вторичную роль по сравнению с осадками. Так, при их количестве
750 мм/год и более развиваются лесные сообщества, а температура лишь

29
обусловливает, какой именно тип леса удет формироваться в регионе.
Например, еловые и пихтовые леса характерны для холодных регионов с
мощным снежным покровом зимой и коротким вегетационным периодом,
т. е. для севера (Томская обл.) или высокогорий. Листопадные деревья
также в состоянии переносить морозную зиму, но требуют более долгого
вегетаци онного периода, поэтому преобладают на умеренных широтах.
Мощные вечнозеленые широколиственные породы с быстрым ростом, не
способные выдержать даже кратковременных заморозков, доминируют в
тропиках (вблизи экватора). Точно также любая территория с годовой
суммой осадков менее 250 мм представляет собой пустыню, но по своей
биоте пустыни жаркого пояса существенно отличаются от свойственных
холодным регионам.
7. Движение воздушных масс (ветер).
Причина ветра - неодинаковый нагрев земной поверхности,
связан ный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону
меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. В приземном слое
воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все параметры:
влажность, и т.д. Ветер - важнейший фактор переноса и распределения
примесей в атмосфере.
8. Давление атмосферы.
Нормальным считается давление 1 01325 Па, соответствующее
7 60 мм.рт.ст. В пределах земного шара существуют постоянные области
высокого и низкого давления, причем в одних и тех же точках
наблюда ются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления.
II. Абиотические факторы почвенного покрова
Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств,
присущих живой и неживой природе, сформировавшееся в результате
длительного преобразования п оверхностных слоев литосферы под
совместным воздействием гидросферы, атмосферы, живых и мертвых
организмов.
Согласно определению В.Р. Вильямса, почва - это рыхлый
поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений.
Следовательно, важнейшим свойством почвы является ее плодородие,
которое определяется физическими и химическими свойствами почвы.
По определению В.В. Докучаева, почва - природная среда,
включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Почва
постоянно развивается и изменяется, вследствие чего существует большое
разнообразие ее типов.
В результате перемещения и превращения веществ почва
расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых
составляет профиль почвы (рис. 2.3.)

30

Поверхностный горизонт, подстилка или д ернина, состоит большей
частью из свежеопавших и частично разложившихся листьев, веток,
останков животных, грибов и других органических веществ. Окрашен
обычно в темный цвет - коричневый или черный. Лежащий подним
гумусовый горизонт А1, как правило, предс тавляет собой пористую смесь
частично разложившегося органического вещества (гумуса), живых
организмов и некоторых неорганических частиц. Обычно он более темный
и рыхлый, чем нижние горизонты. В этих двух верхних горизонтах
сконцентрирована основная часть органического вещества почвы и корни
растений. О почвенном плодородии многое может сказать ее цвет.
Например, темно -коричневый или черный гумусовый горизонт богат
органическими веществами и азотом. В серых, желтых или красных почвах
органического вещества мало, и для повышения их урожайности
требуются азотные удобрения.
В лесных почвах под горизонтом А1 залегает подзолистый
малоплодородный горизонт А2, имеющий светлый оттенок и непрочную
структуру. В черноземных, темно- каштановых, каштановых и других типах
почв этот г оризонт отсутствует. Еще глубже во многих типах почв
расположен горизонт В - иллювиальный, или горизонт вмывания. В него
вмываются и в нем накапл иваются минеральные и органические вещества из
вышележащих горизонтов. Чаще всего он окрашен в бурый цвет и имеет
большую плотность. Еще ниже залегает материнская горная порода С, на
которой форм ируется почва.
Все горизонты почвы представляют собой смесь органических и
минеральных элементов. Свыше 50 % минерального состава почвы
составляет кремнезем (Si O
2), остальную часть могут составлять глинозем,

31
оксиды железа, магния, калия, фосфора, кальция. Органические вещества,
поступающие в почву с растительным опадом, включают углеводы, белки,
жиры, смолы, дубильные вещества. Органические остатки в почве
минерализуются с образованием более простых веществ (вода, диоксид
углерода, аммиак и др.) или превращаются в перегной, или гумус. Механический состав почв (содержание частиц разной величины) -
одно из наиболее важных физических характеристик. Установлены четыре
градации механического состава: песок, супесь, глина и суглинок. От
механического состава зависят водопроницаемость почвы, ее способность
удерживать влагу и др. Кроме того, каждая почва характеризуется
плотностью, тепловыми и водными свойствами. Большое з начение для
почвы имеет насыщенность ее воздухом и способность к такому
насыщению, т.е. аэрация.
Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных
веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов.
Кислотность или щелочность почвы представляет собой еще один фактор,
определяющий наличие той или иной растительности. Почвы, имеющие
рH менее 7, считаются кислыми; при рH = 7 - нейтральными, при рH
выше 7 - щелочными.
Сельскохозяйственные культуры отличаются по степени
толерантности к кислоте. Наиболее богата видами флора нейтральных
почв. На слегка кислых почвах лучше всего растут пшеница, горох,
кукуруза, томаты, на очень кислых - картофель и ягоды.
В почве обитает множество видов растительных и животных
организмов, влияющих на ее физико -хи мические характеристики:
бактерии, водоросли, грибы или простейшие одноклеточные, черви и
членистоногие. Дождевые черви, личинки жуков, клещи разрыхляют
почвы и этим способствуют ее аэрации. Кроме того, они перерабатывают
трудно расщепляемые органические в ещества.
Органические вещества вырабатываются растениями при
использовании минеральных солей, солнечной энергии и воды. При этом
почва теряет минеральные элементы, которые растения взяли из нее.
Обычно потери минеральных веществ восполняются внесением
мине ральных удобрений, которые, в основном, прямо не могут быть
использованы растениями. Они должны быть трансформированы
микроорганизмами в биологически доступную форму. При отсутствии
таких микроорганизмов почва теряет плодородие.
III. Абиотические факторы в одной среды
Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71 % общей
площади земной поверхности).
Важнейшими абиотическими факторами водной среды являются
следующие :

32
1. Плотность и вязкость. Плотность воды в 800 раз, а вязкость - примерно в 55 ра з больше,
чем воздуха.
2. Т еплоемкость.
Вода обладает высокой теплоемкостью, поэтому океан является
главным приемником и аккумулятором солнечной энергии.
3. Подвижность.
Постоянное перемещение водных масс способствует поддержанию
относительной го могенности физических и химических свойств.
4. Т емпературная стратификация.
По глубине водного объекта наблюдается изменение температуры
воды.
5. Периодические (годовые, суточные, сезонные)
изменения температуры Самой низкой температурой воды счи тают - 2°С, самой высокой
+ 35- 37° С. Динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха.
6. Прозрачность воды.
Определяет световой режим под поверхностью воды. От
прозрачности (и обратной ей характеристики - мутности) зависит
фотосинтез зеленых б актерий, фитопланктона, высших растений, а
следовательно, и накопление органического вещества.
Мутность и прозрачность зависят от содержания взвешенных в воде
веществ, в том числе и поступающих в водные объекты вместе с
промышленными сбросами. В связи с эт им прозрачность и содержание
взвешенных веществ - важнейшие характеристики природных и сточных
вод, подлежащие контролю на промышленном предприятии.
7. С оленость воды.
Содержание в воде карбонатов, сульфатов, хлоридов имеет большое
значение для живых организмов. В пресных водах солей мало, причем
преобладают карбонаты. Воды океана содержат в среднем 35 г/л солей,
Черного моря - 19 г/л, Каспийского - около 14 г/л. Здесь преобладают
хлориды и сульфаты. В морской воде растворены практически все
элементы п ериодической системы.
8. Р астворенный кислород и диоксид углерода.
Перерасход кислорода на дыхание живых организмов и на окисление
поступающих в воду с промышленными сбросами органических и
минеральных веществ ведет к обеднению живого населения вплоть до
невозможности обитания в такой воде аэробных организмов.
9. К онцентрация водородных ионов (pH).
Все гидробионты приспособились к определенному уровню pH: одни
предпочитают кислую среду, другие - щелочную, третьи - нейтральную.
Изменение этих харак теристик может привести к гибели гидробионтов.

33
2.2.3. Биотические факторы

К биотическим факторам относятся [2]:
а) фитогенные: растительные организмы;
б) зоогенные: животные;
в) микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии.
Различают следу ющие категории биотических факторов [6]:
I. Топические - взаимоотношения на почве совместного обитания
Это могут быть простые механические взаимодействия - явление
охлестывания одних деревьев ветками других. Одни организмы
используют другие в качестве субстрата: лиана обвивается вокруг дерева и
сдавливает его. Одни растения живут на других: мхи, лишайники. Птицы
широко используют организм в виде субстрата, например, вьют гнезда на
деревьях. В мире микроорганизмов наблюдается явление антагонизма -
подав ление развития других видов, для чего происходит образование
антибиотиков (пенициллина, стрептомицина и др.) Происходит
значительное изменение среды обитания - зарастание озера, превращение
его в болото.
II. Трофические - взаимоотношения на почве питания
Растения (продуценты) создают первичное органическое вещество на
Земле и обеспечивают энергией другие живые организмы. Продуценты и
питающиеся ими консументы образуют два первых звена трофической
цепи - цепи последовательной передачи вещества и эквивалентной ему
энергии от одних организмов к другим. Не все организмы для
удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются
потреблением растительной пищи. Плотоядные животные используют
животные белки со специфическим набором аминокислот. Они яв ляются
консументами второго порядка. Вторичный консумент может служить
источником питания для консумента третьего порядка и т.д. В процессе питания на всех трофических уровнях образуются
"отходы", которые разлагаются редуцентами (еще одно звено трофической
цепи) до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также
углекислый газ, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь
возвращаются к продуцентам.
Наиболее распространенный тип взаимоотношений между живыми
организмами - хищничество, которое наблюдается н е только среди
позвоночных животных, но и среди насекомых, червей, моллюсков,
простейших, бактерий и растений.
Другой тип взаимоотношений - паразитизм в различных формах. В
самом обычном случае организм - паразит постоянно живет на теле или
внутри тела дру гого животного (хозяина). Такой паразитизм носит

34
название истинного в отличие от периодического, при котором паразит на
хозяине развивается лишь временно.
Нередко случается, что два различных вида организмов
взаимодействуют таким образом, что приносят друг другу взаимную
пользу. Такие взаимовыгодные межвидовые взаимодействия называются
мутуализмом. Хорошим примером последнего являются
азотофиксирующие бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых
растений. Бактерии способны превращать атмосферный азот в
аммонийную форму, пригодную для питания растений. Растения, таким
образом, обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами),
получая от них взамен доступную форму азота.
Еще один тип межвидовых взаимодействий - комменсализм -
характеризуется тем, чт о один из двух видов извлекает из такого
взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически никак не
отражается (ни положительно, ни отрицательно). Например, в океане
некоторые виды рачков селятся на челюстных костях китов. В результате
такого сожи тельства рачки приобретают безопасное убежище и
стабильный источник пищи. Для кита от такого соседства, очевидно, нет
никакой пользы, но и вреда оно тоже не приносит. Известны также такие
типы взаимоотношений, как форезия - перенос одних организмов (рыбы-
п рилипалы) другими; нейтрализм - взаимонезависимость совместно
обитающих видов; синойкия - использование чужих нор и гнезд;
аменсализм - один в присутствии другого не может нормально питаться и
развиваться - и множество других. Все они в совокупности предст авляют
собой сложную структуру трофических факторов.
III. Генератиgu_ - взаимоотношения на почве размножения
Примером таких отношений является перекрестное опыление:
ветроопыляемые и животноопыляемые растения, половой отбор у
животных - борьба между самцами за обладание самкой.
К этой же категории отношений относится забота о потомстве:
выкармливание, защита, обучение потомства.
Расселение видов происходит различными путями: летучки у
растений, прикрепление семян к покровам животных, образование
мясистых плодов, ягод и орехов, привлекающих животных, которые
содействуют таким образом расселению растений.

2.2.4. Антропогенные факторы

С появлением человека на Земле естественные процессы,
протекающие в окружающей среде, меняются. Антропогенный фактор –
п риродопреобразующая деятельность людей, явившаяся новой движущей
силой развития природы.

35
Вначале воздействие этого фактора проявлялось в ничтожных
масштабах, но постепенно - с накоплением знаний, с использованием огня,
с совершенствованием орудий труда и р остом численности населения
планеты - воздействие возрастало и становилось все более ощутимым.
Первобытные племена охотников - собирателей во многом
напоминали других всеядных консументов естественных экосистем. Около
12 тыс. лет назад возникло сельское хо зяйство. При этом происходил
процесс отбора отдельных дикорастущих видов и создания условий для
того, чтобы происходило развитие преимущественно данны х растени й.
Эти растения защищаются человеком от конкуренции (с сорняками) и
потенциальных консументов, а также обеспечиваются дополнительным
питанием. Происходит приручение и селекция животных, которые
охраняются от хищников и получают корма для оптимального роста и
развития.
Люди, таким образом, стали создавать собственную, отличную от
естественных экосистему человека (антропоэкосистему). С точки зрения
"мощности" (способности к росту, размножению и распространению)
антропоэкосистема представляет собой исключение среди прочих. Ее
возникновение позволило людям в десятки тысяч раз увеличить свою
численность и р асселиться по всей планете. Однако это не означает, что
принцип лимитирующих факторов неприменим к экосистеме человека.
Просто способность человека мыслить и изготовлять орудия труда
позволила ему, хотя бы временно, преодолеть действие обычных
лимитирующих факторов. Но, как писал Ф. Энгельс, разумная, по своим
намерениям, деятельность людей в большинстве случаев в масштабе
биосферы оказывается не только малоразумной, но и разрушительной. Ни
одна экосистема на Земле не избежала влияния человека, некоторые из них
уже полностью уничтожены.
Полностью отказаться от использования природных ресурсов
невозможно, но человеку надо тщательно контролировать свое
воздействие на окружающую среду. Нельзя забывать, что, во- первых, даже
единственный фактор, не соответствующ ий зоне оптимума, уже приводит
к стрессу и угрозе для организма, а, во- вторых, изменение любого,
биотического или абиотического, фактора вызывает цепную реакцию с
далеко идущими последствиями. Современные тенденции развития ведут к
изменениям условий среды в глобальных масштабах - это и кислотные
дожди, и разрушение озонового экрана, и потепление климата из -за
поступления в атмосферу двуокиси углерода при сжигании топлива.
Наблюдается резкое изменение окружающей среды в результате
загрязнения почв, водоемов , нерационального водопотребления. Большой
вред естественным экосистемам наносит истребление различных видов

36
животных и растений, а также случайная или целенаправленная
интродукция видов из одних экосистем в другие.
Сейчас антропоэкосистема находится в ст адии быстрого роста,
существование свое человек поддерживает за счет эксплуатации водных,
почвенных, энергетических и других ресурсов. Истощение их запасов
может привести к социальным конфликтам, чреватым разрушением всей
цивилизации.
К счастью, у человечества есть альтернативный путь, ведущий к
устойчивому развитию. Важнейшей особенностью последнего должно
стать признание пределов нашего выбора, ограниченного такими
природными факторами, как, например, истощение ресурсов или
нарушение экосистемы и проведен ие соответствующих мероприятий.
Первые шаги в этом направлении уже делаются. К ним относятся
планирование семьи, создание заповедных территорий, контроль за
загрязнением среды и т.п. В дальнейшем мы подробнее остановимся на
рассмотрении этих вопросов.

2.2.5. Адаптация живых организмов к экологическим факторам

Адаптации - эволюционно выработанные и наследственно
закрепленные особенности живых организмов, обеспечивающие
нормальную жизнедеятельность в условиях динамичных экологических
факторов. Другими слова ми, это процесс приспособления организма к
определенным условиям окружающей среды.
Любой живой организм может обитать лишь там, где режимы
экологических факторов соответствуют необходимым условиям. Особи, не
приспособленные к данным или изменяющимся услови ям, вымирают.
Рассмотрим некоторые примеры адаптаций.
I. Морфологические адаптации
Пример морфологических адаптаций - строение организмов,
обитающих в воде, в частности, приспособления к быстрому плаванию у
китообразных, приспособления к парению в воде у п ланктонных
организмов. Растения, обитающие в пустынях, лишены листьев, и их
строение наилучшим образом приспособлено к минимальным потерям
влаги. Обитатели почвы имеют прочные покровы, кожное дыхание,
вальковатую форму тела, редукцию глаз. II. Физиологичес кие адаптации
Эти адаптации заключаются, например, в том, что обитатели
пустынь способны обеспечивать потребность во влаге путем
биохимического окисления жиров. Биохимические процессы фотосинтеза
отражают способность растений создавать из неорганических веществ
органические в условиях строго определенного газового состава

37
атмосферного воздуха. Состав пищи определяет особенности
ферментативного набора в пищеварительном тракте животных.
III. Поведенческие адаптации
Приспособительное поведение может проявлятьс я у хищников в
процессе выслеживания и преследования добычи, а у жертв - в ответных
реакциях (затаивание, например). Некоторые насекомые отпугивают
хищников и паразитов резкими движениями. Существуют формы
приспособительного поведения животных, направленны е на обеспечение
нормального теплообмена с окружающей средой: создание убежищ,
передвижение с целью выбора оптимальных температурных условий,
особенно в условиях экстремальных температур.

38
2.3. Популяция, ее структура и динамика

Все живые организмы сущест вуют только в форме популяций.
Изучение структуры и динамики популяций имеет большое практическое
значение. Не зная закономерностей жизнедеятельности популяций, нельзя
обеспечить разработку научно обоснованных инженерных мероприятий по
рациональному исполь зованию и охране природных ресурсов.
В общем случае популяцией называют совокупность особей одного
вида, населяющих определенное пространство, внутри которого
осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией
(панмиксия) [2].
Популяция, по мнению академика С.С. Шварца, дирижирует свою
судьбу, дирижируя физиологическим состоянием слагающих ее
индивидов. Это очень важное положение, подчеркивающее сложность
внутрипопуляционных процессов, взаимоотношений между особями,
слагающими популяцию.
Каж дая популяция имеет определенную структуру: возрастную
(соотношение особей разного возраста), сексуальную (соотношение
полов), пространственную (колонии, семьи, стаи и т.п.). Кроме того,
каждая популяция, обитающая в том или ином месте, имеет определенную
численность и амплитуду колебаний этой численности. Структура
популяции, ее численность и динамика численности определяется
экологической нишей данного вида, а именно: соответствием условий
местообитания (т.е. режима факторов среды) требованиям (т.е.
толер антности) слагающих популяцию организмов.
Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный
мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и
структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам
экологических факторов . В ряде случаев это может привести к гибели
популяции.
Типичный пример - резкое снижение численности многих животных,
которые ныне занесены в Красную книгу и рассматриваются как
исчезающие или находящиеся на грани уничтожения. Их крайне низкая
численность исключает возможность случайного (в статистическом
смысле) скрещивания, а значит, и не дает материала для естественного
отбора. Крайний случай - это уничтожение (геноцид) вида, особенно если
вид состоит из одной популяции. Так произошло со стеллеровой коровой,
странствующим голубем, европейским быком - туром.
Охрана природы, таким образом, должна состоять в таком
сохранении режимов экологических факторов, при котором не
разрушаются экологические ниши, обеспечивается нормальное

39
функционирование популяций живых организмов, соответствие их состава
и структуры конкретным условиям обитания.
Основные параметры популяции - ее численность и плотность.
Численность популяции - это общее количество особей на данной
территории или в данном объеме.
В любой природной сис теме поддерживается та численность особей
в популяциях обитающих здесь животных и растений, которая в
наибольшей степени отвечает интересам воспроизводства. Режим
численности зависит от постоянно действующих регулирующих
(управляющих) экологических факторо.
Популяции могут быть более или менее многочисленными: у одних
видов они представлены десятками экземпляров, у других - десятками
тысяч. Популяции бактерий или простейших в активном иле аэротенков
(устройство для очистки сточных вод) состоят из миллиардо в особей.
Численность бактерий в азротенке или биофильтре определяет
качество работы этих сооружений. В сельском и лесном хозяйстве от
численности растительноядных видов зависит наносимый ими ущерб. Не
зная фактической численности и состояния популяций ред ких и
исчезающих видов, невозможно вести работу по их охране и
воспроизводству.
Для того, чтобы сравнить численность одной и той же популяции в
разные отрезки времени, например, в разные годы, пользуются таким
относительным показателем, как плотность популяции.
Плотность популяции - численность популяции, отнесенная к
единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на
единицу площади или объема.
Так, плотность популяции лося и других теплокровных животных
определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га, население
почвенных беспозвоночных соотносится с квадратным метром. При
характеристике популяций микроорганизмов в активном иле используют
количество особей в 1 см
3.
Зная изменение плотности во времени или пространстве, можно
установи ть, увеличивается или уменьшается численность особей.
Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности
взаимоотношений между различными животными, между животными и
растениями, по скольку все они являются биотическими факторами по
отношению друг к другу. Плотность может зависеть и от колебаний
абиотических факторов среды. Для каждого вида существуют
оптимальные пределы плотности его популяций. Варьирование плотности
в объеме каждой популяции зависит от состояния всей экологической
системы.

40
Численность и плотность популяции - не случайные величины. Они
предопределены не только режимами экологических факторов в данное
время, но и всем предшествующим развитием данной популяции,
предыдущих поколений в том или ином сообществе. Принято говорить,
что объ ем популяции определяется стациальной (стация - местообитание)
емкостью экосистемы для представителей популяции данного вида или
емкостью места локализации экологической ниши. Колебания численности живых организмов, населяющих ту или
иную экологическую сис тему, имеют очень важное значение для человека,
по скольку многие животные и растения являются объектами его
хозяйственной деятельности или причиной какого -либо ущерба. Поэтому
знание закономерностей динамики численности популяций необходимо
для прогнозиров ания возможных нежелательных явлений и внесения в
случае необходимости корректив в эту динамику с целью управления ею. Изменение численности особей в популяции влияет на плотность.
Если плотность изменяется в практически постоянном объеме стации,
увеличени е численности особей возможно лишь до определенного
предела, который допускает емкость экологической ниши. В конкретный
момент времени численность особей в популяции отражает ее
рождаемость и смертность. В зависимости от соотношения этих
показателей говор ят о балансе популяции. Если рождаемость выше, чем
смертность, то популяция численно растет и наоборот.
Рождаемость популяции - численно выраженная способность
популяции к увеличению, или количество особей, родившихся за
определенный период.
Эта способност ь зависит от множества факторов: соотношения в
популяции самцов и самок, количества половозрелых особей,
плодовитости, числа поколений в году, обеспеченности кормом, влияния
погодных условий и др. Низкая плодовитость, характерна для тех видов,
которые проя вляют большую заботу о потомстве, и, наоборот, высокая
плодовитость говорит о плохих условиях выживания. Например, рыба -
луна, которая совершенно не заботится о своем потомстве, откладывает
порядка 300 млн. икринок. Такие заботливые родители, как горбуша и
корюшка откладывают 1500 и 100 икринок, соответственно. Они охраняют
икру и личинки от вредных внешних воздействий и от уничтожения ее
хищниками. Некоторые насекомые способны давать 2 -3 поколения в год,
т.е. 2 -3 раза в году откладывают яйца в количестве нескольких сотен;
мышевидные грызуны, с периодом беременности около месяца и коротким
периодом становления половой зрелости, дают 5 -6 поколений; крупные
теплокровные животные вынашивают плод несколько месяцев, достигают
способности к воспроизводству на 3- 4-й год и рождают всего 1- 2

41
детенышей. Бактерии и простейшие, размножающиеся делением,
повторяют этот акт многократно в течение нескольких часов. Итак, если в популяции имеется 500 способных к размножению
особей (N
о = 500) и в течение 10 дней (∆ Т = 10) родилось 50 новых
( ∆ N
о = 50), то рождаемость составит Р = 50 : 10 = 5, или в пересчете на
одну особь Р = ∆N
о / ( ∆Т·N о ) = 50 / (10·500) = 0,01.
Смертность популяции (С) - это количество особей, погибших за
определенный период.
Она бывает очень высокой и измен яется в зависимости от условий
среды, возраста и состояния популяции. У большинства видов смертность
в раннем возрасте всегда бывает выше, чем у взрослых особей. Однако
встречаются и такие виды, у которых смертность приблизительно
одинакова во всех возраст ах или преобладает у особей старших возрастов
(рис. 2.4.).

Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана
влиянием абиотических факторов (низкие и высокие температуры,
ливневые осадки и град, избыточная и недостаточная влажность и др.),
б иотическими факторами (отсутствие корма, инфекционные заболевание,
враги и т.д.), в том числе и антропогенными (загрязнение окружающей
среды, уничтожение животных, вырубка деревьев и др.).
Учитывая в тех или иных практических задачах численность
популяции, всегда имеют дело с выжившими на данный момент времени
особями. Поэтому фактической характеристикой состояния популяции

42
является выживаемость. Под выживаемостью понимается доля особей в
популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста
размножения. Кривые выживания, приведенные на рис.2.4., отображают
естественную смертность в каждой популяции.
У людей в первой половине жизни процент смертности
незначителен, затем резко возрастает. Нечто похожее - у дрозофилы и у
б ольшинства насекомых. У гидры, чайки - смертность постоянна на
протяжении всей жизни. У устрицы - высокий процент смертности у
молодых особей и низкий – у пожилых.
У большинства видов продолжительность жизни самок намного
больше, чем самцов.
Если поместить популяцию в стабильную среду, из которой
искусственно изъяты все ограничивающие факторы, то численность
популяции будет возрастать по экспоненциальному закону как функция
времени.
Естественный прирост популяции можно представить отноше нием
числа особей, на которое увеличилась популяция за единицу времени, к
начальному значению ее численности.
Ndt
dN r
= , (1)
где N - количество особей популяции в момент времени t;
dN - число особей, на которое увеличилась популяция за время dt;
r - показатель естественного прироста популяции.
Из (1)
rNdt
dN = .
Проинтегрировав это выражение, получаем
rt
0e
N
N = , (2)
График, иллюстрирующий зависимость (2), приведен на рис.2.5.
Таков случай человеческой популяции, зав исимость численности
которой от времени описывается экспонентой, во всяком случае, до
настоящего времени.
Опыт показывает, что люди являются исключением - никакой другой
вид животных не следует этому закону. Существуют ограничивающие
факторы, которые приводят количество особей каждого вида к
оптимальному значению, совместимому со средой его обитания.
Например, если при очень благоприятных условиях популяция дает
вспышку размножения, то начинают складываться условия конкуренции
между особями. Тогда для попул яции выгодно, чтобы часть особей
перестала размножаться и рост численности замедлился. Такие механизмы
в природе работают очень четко.
Возьмем грызунов. На каком -то этапе их размножения, при
определенной плотности внутри сообщества, начинают обостряться
g утренние отношения - из -за территории, из -за самок. Агрессивные

43
формы отношений начинают преобладать над коммуникативными.
Возникает обстановка стресса, который может увеличить гибель особей в
популяции или блокировать поступление в кровь половых гормонов. Не
обязательно это происходит через стресс, есть и другие механизмы.
Нередка и противоположная картина: если чрезмерно расплодились
хищники или мало корма, то популяция резко сокращается. Тогда
включаются механизмы, стимулирующие размножение.
Идет процесс саморегуляции - популяция всегда стремится достичь
оптимального уровня своей численности.


Мы сталкиваемся с этим в реальной жизни. Например, ведем борьбу
с грызунами с помощью ядов. Стопроцентного уничтожения вредителей
никогда не удается достичь. Кто -то засел в норе, кто -то был за пределами
зон обработки. И вот эти уцелевшие единичные представители через
некоторое время, усиленно размножаясь, восстанавливают численность
популяции.
Следовательно, всегда существует предельно высокая (К) и низкая
(М) численность и плотность популяции, переступить которые для
популяции невозможно, рис. 2.5. В этом случае возможны два варианта дальнейшей динамики данной
популяции:
1. Численность стабилизируется и в целом ее динамика будет
характеризоваться так называемой логистической (S - образной) кривой
(рис. 2.5.Б).

44
Скорость роста численности популяции в этом случае определится
следующим выражением:
KN
K
rN
dt
dN − =
, (3)
где
K N
K
− - "сопротивление среды" (совокупность факторов,
препятств ующих неограниченному росту численности популяции).
2. После достижения предела К наступает массовая гибель особей,
возвращающая численность популяции к некоторому нижнему пределу,
после чего нарастание может начаться вновь (рис. 2.5.В). Подобные
колеба ния численности около среднего значения (предельной биотической
нагруженности среды) типичны для многих животных.
Итак, тип динамики популяции отражает соответствие требований
организма реальным условиям окружающей среды. Антропогенные
воздействия способны существенно влиять на динамику популяций,
отклоняя сложившиеся исторически типы от установившейся нормы.

2.4. Экологическая система

В предыдущей главе были даны основные понятия и определения,
касающиеся экосистемы и близкого ей понятия "биогеоценоз".

В соответствии с приведенными выше формулировками биогеоценоз
включает две главные составляющие: совокупность на определенной
территории абиотических факторов, т.е. экотоп, и совокупность живых

45
организмов - биоценоз (рис. 2.6.). В свою очередь, экотоп сос тоит из
совокупности климатических (климатоп) и почвенно -грунтовых
(эдафотоп) факторов, а биоценоз включает сообщества животных
(зооценоз), растений (фитоценоз) и микроорганизмов (микробоценоз).
Одно из важнейших свойств биогеоценоза - aZbfhkязь и
взаимо зависимость всех его компонентов, что обозначено стрелками на
рис. 2.6. Климат обусловливает состояние и режим почвенных факторов,
создает среду обитания живых организмов. Почва, в свою очередь,
оказывает влияние на климат (от окраски поверхности почвы зав исит ее
отражательная способность - альбедо, а значит температура, влажность
воздуха), а также влияет на животных, растения и микроорганизмы. Все
живые организмы тесно связаны между собой, являясь друг для друга либо
источником пищи, либо средой обитания, либо факторами смертности.
Стрелки на рисунке означают каналы передачи информации между
различными компонентами биогеоценоза. Человек своей деятельностью
способен прямо или косвенно прерывать эти каналы и потоки вещества и
энергии или искажать их. Антропог енная деятельность всегда направляла
на биогеоценозы (экосистемы), вне которых нет жизни на Земле.

2.4.1. Структура наземной и водной экосистемы

Экологические системы отличаются пространственной и видовой
структурой.
Пространственная структура обусловлив ается тем, что недра, почвы,
водный бассейн и атмосфера имеют ярусное строение, что, в свою очередь,
влияет на распределение живых организмов в пространстве. В результате
длительной эволюции в соответствии с абиотическими и биотическими
условиями, разные в иды живых оргнизмов распределились в
биогеоценозах так, что не только не мешают друг другу, а, наоборот,
способствуют наиболее полному и эффективному освоению всех
материальных и энергетических ресурсов данного биотопа. Установлено,
что многоярусные сложные сообщества более продуктивны, чем простые
одноярусные.
Таким образом, ярусность - это явление вертикального расслоения
биоценозов на разновысокие структурные части. Наиболее четко, она
выражена в растительных сообществах (фитоценозах). Благодаря
ярусност и различные растения и их органы питания располагаются на
разной высоте (или глубине) и поэтому легко уживаются в сообществе.
В лесу нередко выделяется до шести ярусов:
I - деревья первой величины (ель, сосна, дуб, береза, осина);
II - деревья в торой величины (рябина, черемуха);
III - подлесок из высоких кустарников (шиповник);

46
IV - подлесок из средних кустарников и крупных трав (багульник,
голубика, иван -чай);
V - низкие кустарнички и мелкие травы (клюква);
VI - мхи, напочвенны е лишайники и др.
Аналогично можно расчленить и луговые сообщества.
Ярусно располагаются и подземные части растений. Корни у
деревьев, как правило, проникают на большую глубину, чем у
кустарников, ближе к поверхности находятся корни мелких травянистых
раст ений, а непосредственно на поверхности - корни мхов. При этом в
поверхностных слоях почвы корней значительно больше, чем в глубинных. Растения каждого яруса обусловливают особый микроклимат и
создают определенную среду (экологическую нишу) для обитания в н ем
строго специфических животных. В результате возникают группировки
растений и животных, тесно связанных между собой. Так, например, в
почвенном ярусе леса, заполненном корнями растений, обитают бактерии,
грибы, насекомые, клещи, черви. В лесной подстилке среди разлагающихся
растительных остатков, мхов, лишайников также живут насекомые, клещи,
пауки, множество микроорганизмов. Более высокие ярусы - травостой,
подлесок - занимают растительноядные насекомые, птицы,
млекопитающие и другие животные. При этом д аже птицы, свободно
передвигающиеся в пространстве, обычно придерживаются определенного
яруса. Особенно ярко это проявляется в период гнездования. Каждая конкретная экосистема имеет видовую структуру, т.е.
характеризуется видовым составом. В дубраве - это дуб, в бору сосна, в
ковыльной степи - ковыль и т.д. В лесу, состоявшем из многих десятков
видов растений, только один или два вида дают 90 % древесины. Эти виды
называются доминирующими, или доминантными. Они занимают
господствующее положение в биоценозе. Обычно наземные биоценозы
называют по доминирующим видам: лиственничный лес, ковыльная степь
и т.д. Кроме того, в экосистеме могут быть и так называемые эдификаторы,
которые не просто доминируют здесь, а играют роль "образователей"
сообщества, определяя режим температуры, влажности, освещенности,
специфику почвенно -грунтовых условий.
То же касается и водных систем. Водоемы подразделяются на две
большие группы: стоячие водоемы, или лентическая среда (lentis-
спокойный), к которым относятся озера, пруды, бол ота, и проточные
водоемы, или лотические (lotus - омывающий), куда входят реки, ручьи.
Специфика водных объектов определяется многими факторами,
прежде всего, термодинамическими характеристиками воды,
включающими более высокую, чем у воздуха удельную теплоемкость,
большую скрытую теплоту плавления, самую высокую из известных
веществ теплоту парообразования, наибольшую плотность при строго

47
определенной температуре (+4 оС). Абиотические факторы водной среды,
рассмотренные выше, обусловливают распределение населяющих водоемы
живых организмов, из которых одни обитают на глубине, другие - у
поверхности, а третьи - в толще воды.
В любом лентическом водоеме можно выделить четыре основные
зоны жизни (рис. 2.7.).


Литораль включает берег водоема и прибрежные, богат ые
питательными веществами мелководья, до дна освещенные солнцем. Здесь
обитают разнообразные свободно плавающие продуценты, прикрепленные
к грунту водные растения и другие водные организмы (лягушки, улитки,
змеи). Пелагиаль представляет собой поверхностны й слой открытых вод, в
достаточной мере освещенный солнцем. В зависимости от содержания
питательных веществ здесь находятся различные по объему популяции
пассивно плавающего фитопланктона, растительноядных видов
зоопланктона и рыб. Профундаль - это глубоководная часть зоны
открытых вод, где солнечная освещенность недостаточна для процессов
фотосинтеза. Ее населяют виды рыб, приспособленных к обитанию в
холодных, слабоосвещенных водах. Бенталь (дно водоема) населена
многочисленными редуцентами, моллюсками и личинками насекомых.
Эти организмы питаются отмершими растениями, остатками животных
организмов и выделениями животных, поступающими с поверхности.

48
В реках и ручьях, в основном, выделяют две зоны: мелководные
перекаты и глубоководные плесы. Каждой из этих зон свойственны свои
обитатели.
Движение воды, особенно в лотических водоемах, связанное с ее
скоростью, турбулентностью, обусловливает передвижение и локализацию
сбрасываемых производством веществ, специфику их осаждения,
разложения и процессы самоочищен ия водоемов.
В любой экологической системе растения, животные и
микроорганизмы развиваются только совместно, обусловливая
существование друг друга. Все живые организмы прошли свой
эволюционный путь развития в тесном взаимодействии, в результате чего
у них выработались взаимные приспособления друг к другу, и раздельно
существовать они не могут.
Умение различать наземные и водные экосистемы весьма полезно,
но не менее важно понимать взаимосвязь этих систем.
К числу важнейших из них относится смыв органических
питательных веществ, преимущественно нитратов и фосфатов, с
поверхности земли в водные экосистемы. Эти питательные вещества
поддерживают жизнь водных растений в реках и озерах, что, в свою
очередь , обеспечивает жизнь водных животных. За счет поступления
г ниющих органических веществ в водные экосистемы снабжаются пищей
микроорганизмы. Когда почва смывается в озера и медленно текущие реки,
почвенный материал отлагается на дне. Эти осадки постепенно
преобразуют типы жизни водной флоры и фауны. В конце концов, водная
экосистема превращается в экосистему суши.
Природные процессы и деятельность человека могут коренным
образом изменить скорость перемещения органических питательных
веществ и почвенного материала с суши в воду. Например, затопление или
расчистка участков под пашню увеличивают темпы поступления веществ в
водные экосистемы, часто перегружая их органикой, что приводит к
эвтрофикации - изменению физических, химических и биологических
свойств водоема при долговременном поступлении питательных веществ с
пр илегающих территорий за счет процессов естественной эрозии и стока.
Это может стать причиной бурного роста водорослей. При отмирании
водорослей и их последующей переработке аэробными (потребляющими
кислород) редуцентами в воде резко уменьшается содержание
растворенного кислорода, что приводит к гибели рыб и других организмов.
С другой стороны, происходит поступление вещества и из водных
систем в наземные. Рыбы и моллюски являются пищей для многих
обитающих на суше животных (морские птицы, медведи, орлы) и для
человека. С экскрементами часть питательных веществ возвращается из
моря на сушу как элемент круговорота азота и фосфора.

49
2.4.2. Гомеостаз и сукцессия экологической системы

Естественные экологические системы (леса, степи, водоемы)
существуют в течение десятков, сотен и более лет, т.е. обладают
определенной стабильностью во времени и пространстве. Для
поддержания стабильности системы необходима сбалансированность
потоков вещества и энергии, процессов обмена веществ между
организмами и окружающей их сред ой. Конечно, ни одна экосистема не
бывает абсолютно стабильной, неподвижной. Может периодически
увеличиваться численность популяций одних видов животных и растений,
но при этом уменьшается численность других. Подобные процессы имеют
более или менее правиль ную периодичность и в целом не выводят систему
из равновесия.
Состояние подвижно -стабильного равновесия экосистемы носит
название гомеостаза ("гомео" - тот же, "стазис" - состояние).
Гомеостатичность - важнейшее условие существования любой
экологической си стемы, однако в разных сообществах его признаки и
закономерности неодинаковы.
Например, в естественной экосистеме гомеостаз поддерживается
тем, что такая система открыта, т.е. непрерывно получает информацию из
окружающей среды: к растениям непрерывно пост упает солнечная
энергия, масса химических веществ.
Иное дело - антропогенная экологическая система, она не может
рассматриваться как открытая. Например, система для очистки сточных
вод - аэротенк. При поступлении в аэротенк вещества, содержащиеся в
сточных водах, сорбируются поверхностью активного ила, т.е.
хлопьевидными скоплениями бактерий, простейших, коловраток и др. При
непрерывном поступлении сточных вод содержащиеся в них вещества
накапливаются в аэротенке, а концентрация активного ила снижается. В
к онечном итоге равновесное состояние такой экосистемы нарушается,
качество очистки снижается, система может перестать работать. Для того,
чтобы система аэротенка сохраняла режим своей работы, человек
вынужден сам поддерживать ее гомеостаз. Управление заключ ается в
постоянном нагнетании воздуха (аэрации), периодическом обновлении
ила.
Несмотря на то, что естественная экосистема находится в состоянии
подвижно -стабильного равновесия, она испытывает медленные, но
постоянные изменения во времени, имеющие последов ательный характер.
Эти изменения в первую очередь касаются биоценоза (биоты). Такую
последовательную смену одного биоценоза другим называют сукцессией
(лат. "сукцедо" - следую).

50
Сукцессии - естественное явление, хотя часто обусловлены
вмешательством человека. Они наблюдаются в природе, если в процессе
своего развития сообщество изменяет среду так, что она становится
благоприятнее для другого сообщества, формирование которого делает
среду еще менее благоприятной для первого. Так происходит постепенное
превра щение одних экосистем в другие.
Различают первичные и вторичные сукцессии. Первичной
сукцессией называется процесс развития и смены экосистем на
незаселенных ранее участках. Классический пример - постепенное
обрастание голой скалы с развитием в конечном ит оге на ней леса. Голый
камень малопригоден для жизни. Семена с трудом находят место,
подходящее для закрепления и прорастания, а если и прорастут, всходы
скорее всего погибнут из -за нехватки воды, воздействия ветра и солнца.
Однако мхи могут расти и в таких условиях. Их крошечные клетки – споры
прорастают в мельчайших трещинах скал; при засухе мхи переходят в
неактивные, покоящиеся состояния, но не гибнут. При малейшем
увлажнении продолжается их рост с формированием как бы ковра на
поверхности скалы. Он как сито улавливает частицы породы, приносимые
ветром или водой. Так по степенно накапливается почва. Вместе с моховым
покрытием она обеспечивает место для поселения семенных растений,
причем мох удерживает воду, необходимую для прорастания семян.
Крупные рас тения накапливают и образуют почву, кроша скалу своими
корнями. Наконец, ее слой оказывается достаточным для развития
деревьев и кустарников. Их опадающие листья не дают расти мхам и
большинству других мелких видов, начавших сукцессию. Так постепенно
на из начально голой скале идет процесс смены мхов травами и , наконец ,
лесом.
Восстановление экосистемы, когда- то уже существовавшей на
данной территории, называют вторичной сукцессией. Классический
пример ее - превращение вырубки или заброшенной пашни в лес. Вн ачале
появляются травянистые растения, далее - в результате налета семян -
всходы деревьев и кустарников, причем обычно сначала развиваются
светолюбивые и быстрорастущие лиственные породы, и лишь по
прошествии определенного времени под пологом лиственных н ачинают
расти хвойные.
Сукцессия завершается стадией, когда все виды экосистемы,
размножаясь, сохраняют относительно постоянную численность, и
дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние
называют климаксом, а экосистему климаксов ой. В разных абиотических
условиях формируются неодинаковые климаксовые экосистемы. В сухом
и жарком климате это будет пустыня; в жарком, но влажном - тропический
лес. Необходимо отметить, что даже такие системы не абсолютно

51
стабильны; просто все виды достигли в них состояния равновесия друг с
другом и со средой. Это динамическое равновесие подразумевает
непрерывную "настройку" и "перенастройку", так как и популяции, и
условия меняются год от года.
При сукцессиях изменения экосистем происходят медленно и
п остепенно: это более или менее упорядоченный процесс замещения
одних видов другими, на всех стадиях которого экосистема достаточно
сбалансирована и разнообразна. Резкие изменения, вызывающие
популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели большинства
других, свидетельствуют об экологическом нарушении. Примером этого
может служить упомянутый выше сброс богатых биогенами сточных вод в
естественные водоемы, вызывающий бурный рост водорослей. Наконец,
изменения могут быть столь резкими, что практически ни од ин исходящий
компонент экосистемы не сохраняется. Тогда говорят о ее гибели.
Если не считать землетрясений, извержений вулканов и аналогичных
катастроф, то естественные изменения экосистем, как правило, протекают
постепенно, по типу сукцессий, тогда как вм ешательство человека часто
бывает внезапным и глубоким, приводящим к нарушениям или гибели
экосистем.

2.5 Энергетика и продуктивность экосистемы

В функционирующей природной экосистеме не существует отходов.
Все организмы, живые или мертвые, потенциально являются пищей для
других организмов: гусеница ест листву, дрозд питается гусеницами,
ястреб способен съесть дрозда. Когда растения, гусеница, дрозд и ястреб
погибают, они, в свою очередь перерабатываются редуцентами.
Организмы природных экосистем вовлечен ы в сложную сеть многих
связанных между собой пищевых цепей, называемой пищевой сетью.
С каждым переходом из одного трофического уровня в другой в
пределах пищевой цепи или сети совершается работа, и в окружающую
среду выделяется тепловая энергия, а колич ество энергии высокого
качества, используемой организмами следующего трофического уровня,
снижается. Такое сокращение используемой энергии высокого качества на
каждом последующем трофическом уровне является следствием второго
начала термодинамики.
Таким об разом, экосистемы существуют за счет не загрязняющей
среду и практически вечной солнечной энергии, количество и качество
которой относительно постоянно и избыточно. Назовем это первым
основным принципом функционирования экосистем [19].
Процентное содержани е энергии высокого качества, переходящей из
одного трофического уровня в другой, колеблется от 2 до 30 % в

52
зависимости от вовлекаемых типов живых организмов и от экосистемы, в
которой происходит трансформация энергии. Экологи подсчитали, что в
дикой природе в среднем около 10 % доступной высококачественной
химической энергии одного трофического уровня трансформируется в
доступную химическую энергию в организмах следующего уровня.
Оставшаяся энергия используется для поддержания жизнедеятельности
организмов, но большая ее часть теряется в окружающей среде как
тепловая энергия низкого качества. В процессе жизнедеятельности биоценоза создается и расходуется
органическое вещество. Это значит, что каждая экосистема обладает
определенной продуктивностью. Продуктивн ость оценивают как скорость
образования вещества (биомассы), например, г/сутки, т/год.
Первичная продуктивность системы определяется как биомасса,
производимая продуцентами на единице площади за единицу времени.
Однако в процессе жизнедеятельности растений часть созданного вещества
расходуется на дыхание и, следовательно, в единицу времени на единице
площади накапливается меньше биомассы, чем ее было создано. Чистая
продуктивность равняется скорости, с которой растения производят
химическую энергию в процес се фотосинтеза, за вычетом скорости, с
которой растения используют некоторую часть этой энергии для аэробного
клеточного дыхания, необходимого для их жизнедеятельности, роста и
размножения.
Консументы также создают органическое вещество за счет чистой
перв ичной продуктивности, но сами синтезировать органические вещества
из неорганических не могут. Продуктивность консументов носит название
вторичной.
Как было указано выше, вторичная продуктивность исключительно
низка: при передаче от каждого предыдущего звен а трофической цепи к
последующему теряется 90 - 99 % энергии. Если, например, растениями на
1 м
2 поверхности почвы создано за сутки количество вещества,
эквивалентное 84 кДж, то продукция первичных консументов составит
8,4 кДж, а вторичных - не превысит 0, 8 кДж. Расчеты показывают, что для
образования 1 кг говядины необходимо 70 - 90 кг свежей травы.
Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять, почему с
повышением трофического уровня биомасса снижается. Во -первых, любую
популяцию живых организмов можно рассматривать как биомассу (общую
массу живых организмов), которая каждый год увеличивается за счет роста
и размножения организмов и одновременно сокращается за счет их
естественной гибели и потребления консументами. Если она остается на
постоянном уровне, как и бывает в стабильной экосистеме, следовательно,
консументы 1 -го порядка, например, съедают за год не больше того, что
производят продуценты. Если они будут съедать больше (скажем, при

53
избыточном выпасе), то популяция продуцентов в конце концов исчезнет.
Во -вторых, существенная доля потребляемой консументами биомассы не
усваивается ими и возвращается в экосистему в виде экскрементов. Если
еще учесть, что большая часть переваренной пищи расходуется на
выработку энергии, то становится понятно, поч ему общая биомасса
продуцентов во много раз больше, чем у растительноядных животных. То
же самое наблюдается и при переходе на более высокие трофические
уровни. Это второй основной принцип функционирования экосистем - чем
больше биомасса популяции, тем ниж е должен быть занимаемый ею
трофический уровень.
Продуктивность экологических систем и соотношение в них
различных трофических уровней выражается в виде пирамид (рис. 2.8.).
Длина прямоугольника пропорциональна потоку энергии каждого уровня.
Пирамиды наг лядно иллюстрируют соотношения биомасс и
эквивалентных им энергий в каждом звене пищевой цепи и используются в
практических расчетах при обосновании, например, необходимых
площадей под сельскохозяйственные культуры с тем, чтобы обеспечить
кормами скот, а с ледовательно, потребность населения в животном белке.
Годовая первичная продуктивность наземных экологических систем
характеризуется данными табл. 2.1.
Таблица 2.1
Первичная биологическая продуктивность наземных
экосистем земного шара (по Р.Х. Уиттекеру, 1980) [50]

Типы экосистем Площадь, Чистая первичная Общая чистая

54
·10 6 км 2 продуктивность,
г/м 2 за год.
продуктивность
,·10 9 т/год
Колебания в среднем
1 2 3 4 5
Влажные тропические
леса 17 1000 –3500 2200 37,4
Вечнозеленые леса
умеренного пояса 5,0 600 –2500 1300 6,5
Бореальные леса
(тайга) 12,0 400 –2000 800 9,6
Лесо -кустарниковые
сообщества 8,5 250 –1200 700 6,0
Саванны 15,0 200 -2000 900 13,5
Лугостепи умеренного
пояса 9,0 200 -1500 600 5,4
Тундра и высокогорья 8,0 10 - 400 140 1,1
Пустыни и
полупустыни 18,0 10 - 250 90 1,6
Экстремальные
пустыни, скалы, пески
и др.
24,0 0 - 10 3 0,07
Культивируемые
земли 14,0 100 -3500 650 9,1
Болота и марены 2,0 800 -3500 2000 4,0
Озера и реки 2,0 100 -1500 250 0,5
Материковые
экосистемы в целом: 149 0 - 3500 773 115
Открытый океан 332,0 2 - 400 125 41,5
Зоны апвеллинга 0,4 400 -1000 500 0,2

1 2 3 4 5
Континентальный
шельф 26,6 200 -600 360 9,6
Заросли водорослей и
рифы 0,6 500 -4000 2500 1,6
Речные дельты
(эстуарии) 1,4 200 -3500 1500 2,1
Морски е эко -
системы в целом 361,0 2 - 4000 152 55
Средняя и общая 510,0 0 - 4000 333 170

55
продуктивность
биосферы

Из данных таблицы видно, что в настоящее время наибольший объем
первичной продукции создается лесными и степными экологическими
системами.
Таблица 2.2.
Биомасса организмов Земли

Сфера Оценочные характеристики
Тонн %
Суша:
Растения 2,4 ∗10 12 99,2
Животные и микроорганизмы 0,02 ∗10 12 0,8
Итого 2,42 ∗10 12 100
Океан:
Растения 0,0002 ∗10 12 6,3
Животные и микроорганизмы 0,003 ∗10 12 93,7
Итого 0, 0032 ∗10 12 100
Всего 2,4232 ∗10 12
Жизнь людей, их производственная деятельность зависят от
продуктивности основных биогеоценозов, от первичной продукции и ее
распределения. Питание людей обеспечивается, главным образом,
сельскохозяйственными культурами, занимающими около 10 % площади
суши и дающими в год около 9 млрд. тонн органического вещества, что
составляет значительную часть мировых ресурсов. Если по первичной
продуктивности имеются относительно достоверные данные, то по
продуктивности других троф ических уровней их мало. Определение
вторичной продуктивности экосистем сопряжено с большими
трудностями, и известны лишь косвенные данные, например, биомасса на
различных уровнях. Данные о распределении всей биомассы организмов
на Земле приведены в табл. 2.2.
Как видно, биомасса организмов океана ничтожно мала в сравнении
с биомассой наземных животных, растений и микроорганизмов.

2.6. Круговорот веществ в биосфере

В.Р. Вильямс писал, что единственный способ придать чему -то
конечному свойства бесконечного - это заставить конечное вращаться по

56
замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот. Именно это и происходит
в экосистемах.
Биогенный круговорот происходит на уровне экосистемы и
заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод
аккумулир уются в веществе растений, расходуются на построение тела и
жизненные процессы как их самих, так и организмов -консументов.
Редуценты разлагают органические вещества до минеральных
компонентов, опять -таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в
поток вещества.
Итак, третий основной принцип функционирования экосистем -
получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках
круговорота всех элементов.
Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих
в состав биосферы.

2.6.1. Круговорот углерода

Углерод, содержащийся в виде CO
2 в атмосфере (23,5·10 11 т) , служит
"сырьем" для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом
потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании
растений, животных и редуцентов, а также по мере разложения мертвого
вещества в почве выделяется CO
2, в форме которого углерод и
возвращается в атмосферу (рис. 2.9.).
Большая часть углерода, вовлеченного в круговорот, содержится в
океанах. От углерода, содержащегося в океанах в виде карбонатов,
гла вным образом, зависит количество двуокиси углерода в атмосфере.
Океан поглощает избыток двуокиси углерода из воздуха, в результате чего
образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный
процесс, в ходе которого двуокись углерода выделяется из океано 
атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию CO
2 
атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера.
Считается, что этот механизм обеспечивал относительное постоянство
содержания двуокиси углерода в атмосфере, пока не вмешался фактор
индустриализации.

57


В далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад)
значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не
использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и
постепенно погребалась под минеральными осадками. Находясь в земле
миллионы лет, этот детрит (мертвые растительные и животные остатки)
под действием высоких температуры и давления превращался в нефть,
природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это
ископаемое топливо для обеспечения энергетических потребностей нашего
индустриального общества и, сжигая его, завершаем круговорот углерода.
При сжигании углерод топлива выделяется в виде CO
2, концентрация
которого в воздухе резко возрастает: его поступление суще ственно
превышает поглощающие возможности растений. Это чревато серьезными
климатическими последствиями, о чем речь пойдет в разделе,
посвященном инженерной защите атмосферы.

2.6.2. Круговорот азота

Организмы нуждаются в различных химических формах азота для
образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК.
Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат- ионов (NO
3-
) и ионов аммония (NH 4+). Газообразный азот (N 2), составляющий 78 %
объема земной атмосферы, ни растениями, ни л юдьми, ни большинством
других организмов не может быть использован непосредственно.
Газообразный азот может преобразовываться в растворимые в воде

58
соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, усваиваемые
корнями растений в процессе круговорота азота (рис. 2.10).


Преобразование атмосферного газообразного азота в усваиваемые
растениями химические формы называется фиксацией азота.
Осуществляется она, в основном, либо сине- зелеными водорослями и
определенными видами бактерий в почве и воде, либо бакте риями из рода
Rhizobium, обитающими в небольших клубеньках на корнях люцерны,
клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Определенный вклад
в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых
газообразные азот и кислород в атмосфере превра щаются в оксид и
диоксид азота. Эти газы взаимодействуют с водяным паром и
преобразуются в нитрат -ионы, которые попадают на земную поверхность в
форме азотной кислоты, растворенной в атмосферных осадках, и в форме
частиц нитратных солей.
Неорганические нит рат-ионы и ионы аммония, поглощаемые
растениями из почвенной влаги, преобразуются ими в белки, ДНК и другие
необходимые им азотсодержащие органические соединения. Животные
покрывают большую часть своих потребностей в азотных питательных
веществах, поедая р астения или других растительноядных животных.
Особые бактерии - редуценты превращают азотсодержащие
органические соединения биологических отходов (экскрементов и мертвых

59
организмов) в неорганические вещества такие, как газообразный аммиак
(NH
3) и растворимые в воде соли, содержащие ионы аммония (NH 4+).
Другие специальные группы бактерий затем преобразуют эти
неорганические формы азота в нитрат -ионы в почве и в газообразный азот,
который, попадая в атмосферу, замыкает цикл.

2.6.3. Круговорот фосфора

Фосфор  b^_ фосфат -ионов (PO
4 3-
и HPO 42- ) является важным
питательным элементом как для растений, так и для животных. Он входит
в состав молекул ДНК, несущих генетическую информацию; молекул АТФ
и АДФ, в которых запасается необходимая для организмов химическая
энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров,
образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; а
также веществ, входящих в состав костей и зубов животных.
Круговорот фосфора показан на рис. 2.11.

В этом круговороте фосфор медленно перемещается из фосфатных
месторождений на суше и мелководных океанических осадков к живым
организмам и затем обратно.
Фосфор, высвобождаемый при медленном разрушении (или
выветривании) фосфатных руд, растворяется почвенной влагой и
поглощается кор нями растений. Тем не менее, в большинстве почв
содержатся очень незначительные количества фосфора, так как фосфатные
соединения очень плохо растворяются в воде и встречаются лишь в

60
определенных типах горных пород. Таким образом, во многих почвах и
водных экосистемах содержание фосфора является лимитирующим
фактором роста растений.
Животные получают необходимый им фосфор, поедая растения или
других растительноядных животных. Значительная часть этого фосфора в
виде экскрементов животных и продуктов разложени я мертвых животных
и растений возвращается в почву, в реки и на дно океана в виде
нерастворимых фосфатных осадочных пород.
Часть фосфора возвращается на поверхность суши в виде
обогащенной фосфором органической массы экскрементов птиц
питающихся рыбой. Одн ако несравнимо большее количество фосфатов
ежегодно смывается с поверхности суши в океан в результате природных
процессов и антропогенной деятельности.
Вследствие длящихся миллионы лет геологических процессов могут
подниматься и осушаться участки океанического дна, образуя острова или
материки. Последующее выветривание обнажившихся горных пород
приводит к высвобождению новых количеств фосфора и продолжению
круговорота.

2.6.4. Круговорот серы

Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в
биосф ере. Из природных источников она попадает в атмосферу в
следующем виде:
• сероводород (H
2S) - бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ - при
извержении вулканов, при разложении органических веществ в болотах
и затапливаемых приливами низинах;
• диоксид серы (SO
2) - бесцветный, удушливый газ – при извержении
вулканов;
• частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) – из
мельчайших брызг океанической воды.
Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы,
попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происх ождение.
Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства
электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов
двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие
технологические процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из
серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного
триоксида серы, который при реакции с водяным паром образует
мельчайшие капельки серной кислоты (H
2SO 4). Взаимодействуя с другими

61
атмосферными компонентами, триоксид серы может образовывать
мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и сульфатные
соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих
жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

2.6.5. Круговорот воды

Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление,
очистка и перераспределение планетарного запаса воды, состоит в
следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно
перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми
органи змами. Важнейшими процессами этого круговорота являются
испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для
возобновления цикла. Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется
с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в
атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные
районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы
приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и туманов и
выпадению атмосферных осадков.
Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде
осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет
понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые
несут ее назад в океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой
сток п ресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв,
которая приводит к перемещению различных химических веществ в
рамках других биогеохимических циклов.
Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается
глубоко в грунт. Там происходит накопл ение грунтовых вод в водоносных
горизонтах - подземных резервуарах. Подземные источники и водотоки в
итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда
она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных
вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и
атмосферных вод.

2.7. Помехи в экосистемах

Итак, все компоненты экологической системы, находясь в
постоянном взаимодействии между собой, образуют круговороты
химических элементов. Обмен веществ организмов между собой и обмен
их с окружающей средой можно рассматривать как процессы передачи
информации и энергии. Следовательно, в любой экосистеме, где

62
существуют пищевые цепи, имеются определенные "каналы" передачи
этой информации: химической, энергетической, генетической и др. [10].
Сбалансированность биологического круговорота, а следовательно, и
устойчивость экологических систем, с точки зрения кибернетики,
обеспечиваются механизмами и процессами обратной связи. Принцип
обратной связи заключается в том, что некоторый управляющий
компонент той или иной системы получает информацию от управляемых
компонентов, используя эту информацию для внесения коррективов в
дальнейший процесс управления.
Для пояснения принципа обратной связи в экологии рассмотрим
условн ую простую экологическую систему, состоящую только из двух
трофических уровней "олень -волк". То есть в этой модельной экосистеме
отсечены «продуцентная» и «редуцентная» части, а сложная связь
трофических каналов, существующая в реальном, представлена звено м
перехода вещества и энергии от консумента 1 -го рода (олень) к консументу
2 -го рода (волк). Подобное упрощение позволит сделать некоторые
принципиальные выводы.
В этой системе волки (хищники) поедают оленей (жертв). Если
численность жертвы постоянно расте т, то хищник, который только этой
жертвой и питается, тоже имеет возможность увеличить свою численность
(объем популяции). В этом проявится положительная обратная связь,
которая стремится вывести систему из равновесия. Но поскольку волк ест
оленей, то он, естественно, снижает численность популяции оленя. В этом
проявляется отрицательная обратная связь, которая компенсирует
отклонение и возвращает систему в исходное состояние. Если численность
волка почему -либо резко возрастает, то он, соответственно, снизит и
численность оленя, и сам будет поставлен перед условием ограничения
собственной численности, так как будет испытывать недостаток пищи.
В естественной экологической системе все время поддерживается
равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных з_gv_
в трофических цепях. Численность волка и оленя всегда будет держаться
на определенном уровне. Сколь бы ни была сильна экосистема, она всегда
сбалансирована, устойчива и только поэтому продуктивна.
При некоторых условиях обратная связь, или передача информации,
может быть нарушена. Например, на оленей начал охотиться другой
хищник и стал мешать в этом отношении волку, или среди оленей возникла
инфекционная болезнь. При этом сбалансированность системы
нарушается, причем нарушение это может быть о братимым или
необратимым. Говоря языком кибернетики, в каналах обратной связи
между популяциями волка и оленя появились помехи. Роль помех могут
играть и абиотические факторы среды, например, факторы климатические.
Засуха может снизить продуктивность расте ний и ограничить пищу для

63
оленя, что немедленно скажется на волке. Кроме того, волк, ослабленный
недостатком пищи, потеряет устойчивость к инфекционным заболеваниям.
Воздействия помех на популяцию носят статистический характер. Те
особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут или не
дадут потомства, а более стойкие выживут, передав наследственную
информацию своим потомкам. Происходит естественный отбор под
влиянием помех. Эти помехи являются положительными, полезными и
выступают как фактор эв олюции.
Очевидно, чем более сложна экологическая система, тем больше
имеется в ней перекрещивающихся трофических цепей и тем выше ее
информативность, а значит и стабильность во времени и пространстве.
Однако в системе "олень -волк" могут появиться помехи, н осящие
стрессовый характер. Если такие помехи находятся в определенных
пределах, то станет меньше оленей, но и меньше волков. Стабильность
системы в целом не нарушится, но объем трофических уровней в цепи
изменится, сохранив, однако, обусловленное законами термодинамики
соотношение предшествующих и последующих звеньев этой цепи. При
этом новый уровень стабильности системы опять -таки будет
обеспечиваться механизмами обратной отрицательной связи.
Давление помех, конечно же, не может быть беспредельным. При
оп ределенной степени стрессового фактора, например, при нашествии
других хищников или массовой гибели одного из компонентов из -за
болезней, информационная обеспеченность экосистемы не сможет за счет
отрицательной обратной связи компенсировать отклонения, опр еделяемые
положительной обратной связью. То есть применительно к конкретной
экосистеме «олень -волк» для условий стресса существует статистически
взвешенное число оленей, при котором экосистема еще сохраняет свое
существование. Это число - предел устойчивос ти гомеостаза экосистемы.
Если интенсивность стресса будет такова, что число оленей станет меньше
предела устойчивости гомеостаза экосистемы, то экосистема прекратит
свое существование.

2.8. Деятельность человека как источник помех

В силу необходимости ч еловек постоянно вмешивается в процессы,
идущие в экосистеме, влияя на нее в целом или на отдельные звенья.
Влияние человека на экосистемы сказывается весьма интенсивно,
поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в
механизмах передачи обр атной связи между компонентами. Эти помехи
отличны от естественных. Они не являются инструментом отбора,
поскольку в процессе эволюции организмы к ним приспособиться, как
правило, не успевают. Отклонения от нормы некоторых параметров среды

64
выходят в таких случаях за пределы, отвечающие нормам реакции
организмов на эти параметры.
Человечество столкнулось с целым рядом экологических проблем из -
за того, что оно нарушает основные принципы функционирования
экосистем [19].
Первый принцип. Экосистемы существуют за счет не
загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество
которой относительно постоянно и избыточно.
До Промышленной революции люди облегчали свой труд, используя
энергию домашних животных, дров, ветра, воды. Все это - непрямые
источники солнечной энергии. Лишь в последние 250 лет мы стали
использовать ископаемое топливо, но спустя даже такой короткий период
оказались на пороге истощения его ресурсов. Более того, его сжигание
породило многочисленные проблемы загрязнения окружающей среды,
включая возможность катастрофических по своим последствиям
изменений климата в результате избыточного поступления в атмосферу
углекислого газа. Как будет показано в главе 5, все практические попытки
найти альтернативу солнечной энергии чреваты неустойчиhklvx
процессов, происходящих в биосфере.
Второй принцип. На конце длинных пищевых цепей не может
быть большой биомассы.
За последние 100 лет численность человечества возрастала с
феноменальной скоростью и продолжает увеличиваться примерно на
90 мл н. человек в год. Тем не менее, множество людей, особенно в
развитых странах, по своему рациону относятся, в основном, к третьему
трофическому уровню, т.е. едят мясо. Поскольку для производства одного
его килограмма требуется от 10 до 20 килограммов зерна, такой характер
нашего питания ложится тяжелым бременем на сельское хозяйство. Чтобы
все люди могли позволить себе мясной рацион, надо примерно в 10 раз
расширить посевные площади. Стремление увеличить
сельскохозяйственную продукцию оборачивается разрушени ем почв в
результате эрозии и перевыпаса, что приводит к снижению плодородия
земель и возникновению продовольственного кризиса. Этим вопросам
посвящена следующая глава.
Третий принцип. В естественных экосистемах использование
ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота
всех элементов.
Вмешательство человека в естественные круговороты основных
веществ в биосфере резко возрастает, особенно, начиная с 50 -х годов
нашего столетия, из -за быстрого роста населения и интенсивного
использован ия природных ресурсов [18].

65
Увеличение содержания углерода в биосфере в результате
антропогенной деятельности происходит в основном в результате двух
процессов:
• сведение лесов и другой растительности без достаточных
лесовосстановительных работ, в связи с ч ем уменьшается общее
количество растительности, способной поглощать двуокись углерода;
• сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины.
Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу. Ученые
предсказывают, что этот углекислый газ вместе с другими летучими
техногенными выбросами может в ближайшие десятилетия вызвать
потепление земной атмосферы и тем самым внести дополнительные
изменения в ход естественных процессов в биосфере.
Вмешательство человека в круговорот азота состоит в следующем:
• сжигание древесины или ископаемого топлива, при котором в
атмосферу выбрасываются большие количества оксида азота (NO).
Оксид азота затем в атмосфере соединяется с кислородом и образует
диоксид азота (NO
2), который при взаимодействии с водяным паром
может образовывать азотную кислоту (НNO
3), которая является
компонентом кислотных осадков, наносящих вред всему живому;
• добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат -ионы и ионы
аммония, для производства минеральных удобрений;
• вынос из почвы нитрат- ионов и ионов аммония при сборе урожая
сельскохозяйственных культур с высоким содержанием азота;
• увеличения количества нитрат- ионов и ионов аммония в водных
экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с ферм, полей,
коммунально -бытовых канализационных с токов.
Увеличение содержания фосфора в биосфере происходит в
результате:
• добычи фосфатных руд для производства минеральных удобрений и
моющих средств;
• увеличения избытка фосфат -ионов в водных экосистемах, при
попадании в них загрязненных стоков с животново дческих ферм,
смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и
неочищенных коммунально -бытовых стоков.
Человек вмешивается в круговорот воды двумя способами:
• забором большого количества пресной воды из рек, озер и водоносных
горизонтов;
• уничтожением растительного покрова суши. Это приводит к
уменьшению просачивания поверхностных вод под землю, что
сокращает пополнение запасов грунтовых вод.

66
Загрязнения биосферы, связанные с нарушением человеком
указанных принципов функционирования экосистем: физичес кие
(тепловое, шумовое, вибрационное, электромагнитное, световое,
радиоактивное); химические (аэрозоли, химические вещества, тяжелые
металлы, пестициды, пластмассы, синтетические поверхностно -активные
вещества); биологические (биотическое, микробиологическ ое, генно-
инженерное) - ежесекундно, ежемгновенно атакуют экологические ниши
популяций - компонентов экосистем и, вместе с тем - пределы
устойчивости гомеостаза экосистем. Поскольку постоянно возрастающая
интенсивность загрязнений приводит к вытеснению популяций за пределы
толерантности (этому способствует синергетика комплексного воздействия
загрязнений), происходит повсеместное преодоление загрязнениями
пределов устойчивости гомеостаза экосистем, их деградация и гибель.
Ускоряющееся, резкое изменение окру жающей природной среды
может привести к снижению устойчивости биосферы. Мы стоим на пороге
очередного важного "эволюционного события", которое определит
дальнейшее развитие жизни на Земле. Либо произойдет разрушение
биосферы, сопровождающееся вымиранием бо льшинства видов, либо
человек научится контролировать свою всесокрушающую мощь и создаст
устойчивую антропогенную экосистему, где будет соблюдаться равновесие
между всеми обитающими на Земле видами, и пойдет дальше по пути
совершенствования своих духовных и интеллектуальных способностей.
Только такая экосистема позволит сохранять и развивать науку, технику,
культуру, всю цивилизацию. События, изменяющие ход эволюции,
происходили в истории Земли приблизительно раз в 100 млн. лет.
Осознаем же, что мы живем именно в такую эпоху. В ближайшие 50 лет
нам предстоит сделать выбор: либо создать устойчивую
антропоэкосистему, либо стать очевидцами катастрофы.
Очевидно, здесь нет альтернативы. Зная основные принципы
устойчивости и равновесия природных экосистем, мы долж ны применить
их в человеческом обществе и построить здание на фундаменте, который
уже заложен [19].

Глава 3. СПАСТИ ЗЕМЛЮ - НАКОРМИТЬ МИР

3.1. Демографические проблемы

3.1.1. Рост человеческой популяции.
Рождаемость и половозрастные пирамиды

67
Человек появился на Земле в процессе ее эволюции, как составная
часть внешней оболочки и развивается, следуя общим законам
биосферы [20].
В предыдущих главах мы уже говорили о том, что развитие
цивилизации является главной причиной изменений, происходящих в
природе , к сожалению, в большинстве своем отрицательных.
Как отмечал академик Н.Н. Моисеев [20], самое страшное и
неотвратимое - мальтузианский кризис: рассогласование растущих
потребностей растущего человечества и возможностей их удовлетворения
убывающими ресурс ами оскудевающей планеты. Еще одна черта
мальтузианского кризиса состоит в том, что стремление людей обеспечить
свои потребности приводит к разрушению естественных
биогеохимических циклов, то есть естественного круговорота веществ, и
неизбежной потере стаб ильности биосферы как единого организма.
Биосфера уже потеряла свою стабильность, и этот процесс в обозримом
будущем, по- видимому, необратим.
До первой промышленной революции, когда биосферу еще можно
было считать находящейся в равновесии, на долю всех поз воночных,
включая человека, приходился лишь 1 % потребления органики,
производимой всей биосферой. Сейчас лишь одно человечество использует
более 7 % органики, производимой растениями и животными. Это не
просто кризис - это громкий сигнал о нарастающей кат астрофе.
Другой сигнал связан с ростом концентрации углекислоты в
атмосфере. Она и раньше не была постоянной, но биота откликалась на
изменение концентрации увеличением или уменьшением фитомассы. В
ХХ веке, когда концентрация углекислоты возросла на 17 %, сколько -
нибудь заметного увеличения фитомассы не последовало. Скорее, имеет
место обратное явление.
Расчеты показывают, что для возвращения биосферы в равновесие,
то есть в состояние, которое обеспечивает бескризисное развитие
общества, при современном характере цивилизации, а, следовательно, и
уровне потребления (в том числе и энергии), население Земли не может
составлять более 500 млн. человек [20].

68
Сре д не г о д о в о й приро с т нас е ле ния по д е с я тиле тия м
-100
10 20 30 40 50
60 70 80 90 1750
1770
1790
1810
1830
1850
1870
1890
1910
1930
1950
1970
1990
2010
2030
2050
2070
2090
А
Миллионы
Р азвитые с траны
Р аз в ив аю щ ие с я с траны
Наро д о нас е ле ние м ира
0 2
4 6 8
10 12
1750 1775 18001825 18501875 190019251950 19752000 20252050 20752100
Б
Миллиарды
Р азвитые с траны
Р аз в ив аю щ ие с я с траны

Рис. 3.1. Демографический взрыв

Последние 150 лет н аселение Земли росло и продолжает расти
феноменальными темпами. С древнейших исторических эпох до начала
ХХ века численность жителей Земли колебалась около нескольких сотен
миллионов человек, то медленно возрастая, то снижаясь из -за эпидемий и
волн голода. Только около 1830 г. она достигла численности 1 млрд.
человек. Этому в немалой степени способствовало введение новых
сельскохозяйственных культур, использование техники, повышавшей
эффективность земледелия. Начала практиковаться селекция домашних
жиhl ных с высокой продуктивностью молока и мяса. Работы Луи
Пастера, показавшие, что эпидемии вызываются микроорганизмами,
привели к разработке эффективных мер профилактики и лечения
заболеваний. Открытие антибиотиков привело к созданию новых

69
лекарственных препаратов. Важнейшим результатом всего этого было
резкое снижение младенческой и детской смертности, увеличение
продолжительности жизни.
В ХVIII - ХIХ вв. население перешло от состояния медленного роста,
перемежающегося спадами, к эпохе взрывообразного увели чения. Около
1930 г., всего через 100 лет после достижения миллиардного уровня, его
численность превысила 2 млрд. человек, 30 лет спустя (1960 г.) достигла 3
млрд. и всего лишь через 15 лет (1975 г.) - 4 млрд. Затем, еще через 12 лет
(1987 г.), народонасел ение Земли перевалило пятимиллиардную отметку, и
такой рост продолжается, составляя примерно 90 млн. (рождаемость минус
смертность) человек в год (рис. 3.1.). Население планеты увеличивается
быстрее, чем бьется сердце человека, которое совершает примерно 3 8 млн.
ударов в год. В конце 1995 г. народонаселение Земли достигло 5 млрд.
750 млн. человек. По данным института народонаселения США за 1995 г.
на Земле появилось 100 млн. жителей - самый большой прирост за всю
историю человечества.
Однако в течение последн его десятилети я процентные темпы
прироста начали снижаться. Несмотря на это, представляется реальным
достижение 10 -ти миллиардного рубежа уже в ХХ I веке [19].
Демографические прогнозы являются делом сложным, так как здесь
демографы сталкиваются с проявлением стихии поведения миллионов
людей - "масс". Даже ретроспективный анализ пока еще очень беден и
мало что может дать для выработки рекомендаций, кроме того, огромную
роль в демографических процессах играют традиции, религия, воспитание
и множество других факторов.
Основным фактором, определяющим диспропорции в темпах
прироста населения, является суммарный коэффициент рождаемости
(СКР), т.е. среднее число детей, которое рожает каждая женщина в течение
жизни (по текущим статистическим данным) [19]. При совр еменном
состоянии здравоохранения большинство их доживает до половой
зрелости и, в свою очередь, обзаводится детьми. Если предположить, что
все дети выживают, СКР, равный 2,0, обеспечит неизменную численность
населения: два ребенка заменят отца и мать, ког да те умрут. СКР ниже 2,0
приведет к снижению численности населения, СКР выше 2,0 обусловит
рост населения. СКР, при котором родителей столько же, сколько
сменяющих их детей, т.е. численность популяции остается неизменной,
известен как простая воспроизводя щая рождаемость (ПВР). Если учесть,
что часть детей все- таки не доживает до половой зрелости, для
высокоразвитых стран ПВР составляет сейчас 2,03, а для слаборазвитых -
2,2 , поскольку младенческая и детская смертность там выше.

70

Реальная же ситуация так ова: СКР в высокоразвитых странах равен
1,9, т.е. несколько ниже уровня простого воспроизведения. Однако
население их до сих пор растет, потому что более высокая рождаемость в
прошлом привела к тому, что нынешнее поколение достаточно
многочисленно и в на стоящее время, несмотря на низкий СКР, число
новорожденных здесь превышает число умерших. Но уже можно
прогнозировать стабилизацию и снижение численности населения, так как
нынешнее поколение родителей стареет, умирает и неполностью
замещается детьми. СКР в менее развитых странах составляет 4,1. Это
практически вдвое превышает простую воспроизводящую рождаемость и
приводит к удвоению численности населения в каждом
поколении.Неодинаковые СКР через определенное время приводят к резко
различным половозрастным пирамидам, отражающим возрастной и
половой состав населения. Их обычно изображают в виде гистограммы,
демонстрирующей количество людей в каждой возрастной группе, обычно
с разницей в пять лет. Полосы, соответствующие мужской половине
населения, располагают с одной стороны графика, женской - с другой
(рис.3.2., рис.3.3.). Можно видеть, что половозрастная пирамида

71
высокоразвитых стран выглядит как колонна, отражая тот факт, что
численности детей, подростков, молодых людей, людей среднего и
старшего возрастов примерно одинаковы (рис. 3.2.Б). Это объясняется
величиной СКР, близкой к простому воспроизводящему уровню, когда
каждая возрастная группа как раз замещает предыдущую.
В то же время половозрастная пирамида развивающихся стран
представляет собой треугольник с широким основанием, поскольку число
детей, рожденных каждой возрастной группой, примерно вдвое превышает
её собственную численность (рис.3.2.А). Это приводит к населению с
преобладанием молодежи и относительно небольшой долей людей
среднего и старшего в озрастов. По статистике в таких странах около 40 %
населения моложе 15 лет.

На основе современной половозрастной пирамиды и статистических
данных о соотношении рождаемости и смертности можно предсказать
структуру будущего населения. Видно, что каждые пят ь лет все полосы
сдвигаются вверх на одну позицию. Верхние при этом укорачиваются, а
самая верхняя исчезает, так как глубокие старики умирают. Снизу
появляется новая полоса, соответствующая числу родившихся за пять лет.

72
Если СКР останется неизменным, половозрастная пирамида
развивающихся стран будет представлять собой треугольник, со все более
широким основанием, так как каждое последующее поколение
многочисленнее предыдущего и производит на свет еще более
многочисленное потомство (рис. 3.2.,В). Половозраст ная пирамида
развитых стран сохранит свою форму (рис. 3.3.,Г).
Таким образом, население развивающихся стран обладает
демографическим потенциалом благодаря высокой нынешней доле
молодых людей, которая приведет к удвоению населения в ближайшем
будущем, даже если рождаемость существенно понизится.



Предпринимаемые в мире усилия в области планирования семьи
привели в последние десятилетия к существенному снижению СКР. Если
предположить, что эта тенденция сохранится и в будущем, развивающиеся
страны приблизятся к уровню простой воспроизводящей рождаемости к
2025 г. Но при нынешнем демографическом потенциале их население
будет продолжать заметно расти до 2080 г.
Следовательно, через 50 - 70 лет мы столкнемся с быстрым ростом
населения развивающихся стран, тогда как в высокоразвитых странах оно
будет расти медленно или вообще прекратится (рис. 3.4). Доля их
населения станет составлять все меньший процент от общемирового и

73
через 50 лет снизится в нем до 10 % против нынешних 25 % [19]. Первая
четверка стран с самой большой численностью населения будет выглядеть
следующим образом: Индия, Китай, Нигерия, Пакистан. Население будет другим и по религиозному составу. Предстоит
огромный взлет ислама: с 800 млн. мусульман в 1980 г. до 4,4 млрд. в 2100.
А христианство, доминирующее в современном мире, увеличит число
своих сторонников всего лишь с 1,4 до 2,2 млрд. человек [21]. О более быстром росте населения развивающихся стран говорят и
традиционно используемые демографами показатели - общий
коэффициент рождаемости (ОКР) и с мертности (ОКС). Это среднее число
рождений и смертей на 1000 человек в год. Вычитая ОКС из ОКР,
получают естественный прирост (или убыль) населения. Темпы прироста
(или убыли) можно выразить в процентах: для этого результат делят на 10.
Современные статистические данные говорят о том, что в группе
высокоразвитых стран ОКР в среднем равен 15, ОКС - 9, значит прирост
населения - 0,6 % в год:
15 – 9 = 6 (на 1000 чел.),
6 : 10 = 0,6 %.
При численности 1,2 млрд. челов ек в конце 80 -х годов такой прирост
приводи л к ежегодному увеличению населения развитых стран на 7 млн.
человек. В то же время в группе слаборазвитых стран ОКР равен 31, а ОКС
- 10, что дает прирост 2,1 % в год. При численности населения этих стран в
1988 г. 3,9 млрд. человек более высокие темпы прироста населения
привод или к увеличению населения этих стран примерно на 83 млн.
человек ежегодно.
На протяжении двух последних десятилетий в России наблюда лась
депопуляция населения (смертность превышает рождаемо сть). Так,
например, в Томской обл. в 1993 г. родилось 9120 человек, а умерло 13902
человек, а в первом квартале 1998 г. родилось 2523 человек, умерло 3386
человек. Показатель детской смертности в РФ - 18 на 1000 новорожденных
в то время как в Японии он ра вен 4,4, а в США - 8. Продолжительность
жизни сократилась до 59 лет, что на 10 - 12 лет меньше, чем в развитых
странах. Мужчины сибирского Севера живут на 22 года, женщины на 14
лет меньше, чем в северных европейских странах.
Растущее население развивающих ся стран ради своего
повседневного выживания истощает пастбища и почвы, сводит леса на
дрова и совершает многие другие безумные с экологической точки зрения
действия. Некогда плодородные земли превращаются в пустыню, а это
угрожает биосфере в целом. Устойч ивое развитие, к которому мы
стремимся, требует гораздо большего, чем безучастное наблюдение за
происходящим. Для него необходимы конкретные действия, направленные
как на снижение рождаемости, так и на охрану окружающей среды.

74
3.1.2. Проблемы урбанизации

Экономические, природные и социальные условия находятся под
воздействием не только роста населения и особенностей его возрастной
структуры, но и географического распределения населения между
сельскими и городскими районами. В 1900 г. лишь 14 % населения З емли
проживало в городских зонах. Сегодня 41 % населения – жители городов:
73 % в развитых странах и 32 % в развивающихся. Предполагается, что к
2000 г. в городах будет проживать две трети населения Земли [18].
Таблица 3.1
Н аиболее крупные мегаполисы земно го шара
в 1985 и 2000 гг. (по данным ООН)

1985 2000
Токио -Йокогама 18,8 Мехико 25,8
Мехико 17,3 Сан -Пауло 24,0
Сан -Пауло 15,9 Токио -Йокогама 20,2
Нью -Йорк 15,6 Калькутта 16,5
Шанхай 12,0 Большой Бомбей 16,0
Калькутта 11,0 Нью -Йорк 15,8
Большой Буэн ос -Айрес 10,9 Сеул 13,8
Рио -де -Жанейро 10,4 Тегеран 13,6
Лондон 10,4 Рио -де -Жанейро 13,3
Сеул 10,2
Беспрецедентный рост урбанизации в мире привел к возникновению
мегаполисов - городов с населением более 10 млн. человек. В 1985 г. было
10 мегаполисов, большая их часть приходилась на развивающиеся страны
(табл. 3.1). В 2000 г. количество мегаполисов увеличи лось до 26, две трети
из них расположены в развивающихся странах. Такие города страдают от
сильного загрязнения воздуха, массовой безработицы, переполненных
трущоб. Свалки мусора и стоки издают зловоние. Люди, живущие в
трущобах, лишены канализации и каждый день поставляют тонны отходов
в сточные канавы и пустыри. В Мехико, например, более 3 млн.
автомобилей, 7 тыс. дизельных автобусов и 130000 фабрик загрязняют
атмосферу. Загрязнение атмосферы и воды в Мехико служит причиной
100000 преждевременных смертей в год.

75


Как в развивающихся, так и в развитых странах урбанизация создает
дополнительные проблемы. В городах концентрируются твердые отходы,
отмечаются высокие уровни шума, загрязнения воздуха и воды,
неотъемлемым условием городов являются стрессы и высокий процент
заболеваемости. Городские системы неустойчивы: они зависят от внешних
экосистем, поставляющих им продовольствие, воду, энергию, минеральн ое
сырье и другие ресурсы и поглощающих накопившиеся городские отходы.
На рис. 3.5. показана схема потребления ресурсов городом с миллионным
населением. Здесь же приведены данные по сбросам и выбросам в
окружающую среду.

3.1.3. Пути решения демографических проблем

Рассмотрим возможные пути решения проблемы прироста населения
в данной критической ситуации.
I. Регулирование численности населения через экономическое развитие
Основные усилия по снижению численности населения
сосредоточены на снижении коэффициента рождаемости. В 1960 г. только
Индия и Пакистан имели официальные программы по сокращению
прироста населения. В наши дни такими программами охвачены 93 %
населения мира и 91 % населения развивающихся стран.
Существуют три главных подхода к решению проблемы снижения
коэффициента рождаемости: экономическое развитие, контроль рождае -

76
мости и социально-экономические изменения [18]. Наиболее оптимальный
вариант - сочетание двух подходов - экономического развития и контроля
рождаемости, а в ряде случаев - со четание всех трех подходов.
На основе данных, полученных при изучении темпов прироста и
убыли населения западноевропейских стран, которые
индустриализировали свою экономику в 19 столетии, американские и
европейские демографы разработали модель изменения чи сленности
населения. Модель получила название - "переходный период
естественного движения населения" (рис. 3.6.). Ее основная идея состоит в
том, что, когда государства переходят в разряд промышленно развитых,
сначала в них резко падает смертность, а вслед за этим и рождаемость. В
результате быстрый рост населения замедляется, а затем показатели
рождаемости и смертности выравниваются и постепенно численность
населения начинает сокращаться [18].
Переходный период состоит из четырех стадий:
1. В допромышле нной стадии при суровых условиях жизни
наблюдается высокий коэффициент рождаемости (чтобы компенсировать
высокую детскую смертность) и высокий коэффициент смертности.
Население увеличивается медленно, если вообще увеличивается.


2. Переходная стадия н ачинается вскоре после начала
индустриализации экономики. На этой фазе коэффициент смертности
падает из -за увеличения производства продуктов питания, улучшения
здравоохранения и санитарно -гигиенических условий жизни людей. Но
коэффициент рождаемости остает ся высоким, и общая численность
населения быстро возрастает (обычно на 2,5 - 3 % в год).

77
3. В индустриальной стадии коэффициент рождаемости снижается и
по значению постепенно приближается к коэффициенту смертности.
Основная причина этого явления заключа ется в том, что супруги, особенно
в городах, понимают, насколько дорого обходится воспитание детей.
Кроме того, когда детей слишком много, они лишаются преимуществ на
рынке труда в условиях развивающейся экономики. Высказываются также
предположения, что одной из причин снижения рождаемости является
высокий уровень пенсионного обеспечения: функция гаранта
благополучия стариков переходит от детей к обществу, в целом, снижая
стремление людей иметь много детей. Количество жителей продолжает
увеличиваться, но вс е медленнее, и возможны колебания прироста,
зависящие от экономических условий. Большинство развитых стран
находятся в настоящее время в этой стадии.
4. Когда наступает четвертая стадия - постиндустриальная, -
коэффициент рождаемости уравнивается или даже становится ниже
коэффициента смертности, и таким образом достигается нуле вой прирост
населения. Затем коэффициент рождаемости снижается еще больше, и
общая численность населения медленно сокращается. К 1989 г. Австрия,
Бельгия, Болгария, Чехословакия, Дания, Германия, Финляндия, Греция,
Италия, Венгрия, Люксембург, Норвегия, Португалия, Испания, Швеция,
Швейцария и Великобритания достигли или приблизились к нулевому
приросту.
Развивающиеся страны находятся все еще в переходной стадии и
имеют высокие т емпы прироста населения. Без быстрого и устойчивого
экономического развития развивающиеся страны могут застрять на этой
стадии. В то же время быстрое экономическое развитие развивающихся
стран затруднено по многим причинам, например, многие из них не имеют
ни средств, ни ресурсов, необходимых для быстрого экономического
развития, ни достаточного количества квалифицированных специалистов,
владеющих технологиями производства высококачественной продукции,
которая выдержала бы конкуренцию на мировом рынке.
С др угой стороны, если темпы роста населения в развивающихся
странах будут продолжать опережать темпы экономического развития,
коэффициент смертности может увеличиться. Это замедлит возрастание
численности населения и будет означать, что страна будет скатывать ся в
допромышленную стадию.
Применение данной модели к развивающимся странам, мягко говоря,
проблематично: в 19 -20 веках, когда Европа и Северная Америка
проходили четыре указанные стадии развития, страны этих регионов
доминировали в мире в политической, э кономической, научно-
технической и во многих других сферах. Этого нельзя сказать сегодня о
развивающихся странах: в условиях рыночной (конкурентной) экономики

78
доминирующая сторона - развитые страны - не дадут «за так»
развивающимся странам ни высоких техн ологий, ни подготовят для них
кадры, способные внедрить высокие технологии в развивающихся странах.
Скорее наоборот: лучшие специалисты - выходцы из развивающихся стран
«утекут» в развитые страны, что повсеместно и наблюдается. В последнем
случае стоит, во зможно, говорить об «ассимиляции» развитых стран
наиболее способными выходцами из развивающихся стран уже в 21 веке,
что было бы неудивительным при отмеченных выше темпах роста
народонаселения данных стран. Но это, как говорят, уже другая история.
Прим. авторов .
Другая проблема в развитых странах - это замедление темпов
прироста населения. В Венгрии и Западной Германии, например,
происходит медленное сокращение численности населения. Когда
количество жителей в возрасте до 15 лет меньше, чем людей в остальны х
возрастных группах, можно ожидать сокращение численности населения в
течение примерно 60 лет. Единственный способ предотвратить это явление
- сделать так, чтобы женщины в репродуктивном возрасте рожали больше
детей, или увеличить число иммигрантов. После днее лишь подтверждает
мысль высказанную в первом примечании.
II. Регулирование численности населения через планирование семьи Программы по регулированию семьи основаны на просвещении и
медицинском обслуживании граждан, они помогают семейным парам
определить, сколько и когда они могут иметь детей. Жители развитых стран обычно "автоматически" получают основные
знания о планировании семьи и употреблении контрацептивов. Огромная
масса молодежи в развивающихся странах необразованна, лишена даже
начальных нав ыков чтения и письма. Эти люди не имеют самого общего
представления о процессе размножения, а тем более о контроле
рождаемости или о применении контрацептивов [19].
В развитых странах около 70 % женщин в репродуктивном возрасте
прибегают к различным формам контроля рождаемости. В развивающихся
странах, если в их число включить Китай, только 39 % женщин в этом
возрасте практикуют противозачаточные средства.
Службы контроля рождаемости в развивающихся странах были
организованы в 1940 и 1950 годах частными вра чами и женскими
общественными группами. С тех пор Международная федерация по
регулированию рождаемости, Фонд помощи трудоустройства ООН,
Всемирный банк и другие организации и страны оказывают странам
практическую и финансовую помощь в выполнении программ по
контролю рождаемости.
Контроль рождаемости экономит государственные средства,
сокращая расходы на различные социальные нужды. Контроль

79
рождаемости влечет за собой и улучшение здоровья жителей, так как в
развивающихся странах около 1 млн. женщин умирает от болезней,
являющихся следствием осложнений в период беременности. Такие
программы помогают также контролировать распространение СПИДА и
других болезней, передаваемых половым путем.
В период с 1978 по 1983 г. осуществление программы контроля
рождаемости п ривело к сокращению численности населения в мире на
10 млн. человек, что сэкономило 175 млн. долларов государственных
средств на обеспечении жителей продуктами питания, строительстве
жилья, производстве одежды, образовании и здравоохранении [18].
III. Регулирование численности населения через социально- экономические
изменения
Наряду с рассмотренными выше способами регулирования
численности населения правительства некоторых стран вводят
экономические стимулы - вознаграждения и штрафы для поощрения
сокр ащения рождаемости. Кроме того, расширяются права женщин:
доступ к образованию, трудоустройству, повышение брачного возраста,
что также приводит к снижению рождаемости.
Около 20 стран выплачивают небольшие денежные вознаграждения
гражданам, которые соглаша ются применять контрацептивы или
подвергнуться стерилизации. В Индии каждый гражданин, согласившийся
на стерилизацию, получает 15 долларов, что эквивалентно оплате труда
сельскохозяйственного рабочего за две недели.
В некоторых странах, например в Китае, семейные пары
штрафуются, если число детей в семье больше определенного количества,
обычно одного или двух. Штрафы могут взиматься в виде особых налогов
или прочих платежей. Семьи, в которых число детей превышает
установленный лимит, могут быть лишены беспл атного медицинского
обслуживания, им сокращают продовольственные пайки, их в первую
очередь увольняют с работы. Вместе с наказаниями разработана и система
поощрений в виде оплачиваемого отпуска женщинам, перенесшим
стерилизацию и аборт; ежемесячного пособи я семье с одним ребенком;
преимуществ семей с одним ребенком при обеспечении жильем и т.д.
Вместе с улучшением экономической ситуации такие поощрения и
наказания позволили Китаю добиться резкого снижения суммарного
коэффициента рождаемости с примерно 4,5 в середине 70 -х гг. до 2,6 в
1982 г. и 2,4 в настоящее время [19]. Другой социально- экономический путь регулирования численности
населения - улучшение условий жизни женщин. Многочисленными
исследованиями доказано, что образование является сильнейшим
фак тором, заставляющим женщину иметь меньше детей. Образованные
женщины с большей вероятностью будут зарабатывать на жизнь вне дома,

80
а не ограничиваться только воспитанием ребенка. Они позже выходят
замуж, сокращая тем самым свои репродуктивные годы, и меньше теряют
детей в младенчестве.
Правительства большинства стран регулируют численность
населения, разрешая небольшую иммиграцию из других стран. Ряд
государств поощряют эмиграцию в другие страны, чтобы снизить пресс
населения. И лишь немногие государства, в основном Канада, Австралия и
США, разрешают значительную иммиграцию.

3.2. Обеспечение продовольствием

Мировое производство продовольствия более чем удвоилось за
период с 1950 по 1984 г., а производство продовольствия на душу
населения, в среднем, увеличи лось на 40 %. За этот же период
среднедушевое производство продовольствия сократилось в 43
развивающихся странах (из них 22 африканские страны), в которых
проживает каждый седьмой житель планеты. Прирост в производстве
продовольствия в большинстве развиваю щихся стран с 1950 г. едва
соответствовал приросту их населения.
Многие беднейшие слои населения в мире страдают одновременно, и
от неполноценного питания и от недоедания. Ежегодно по этой причине
умирают от 20 до 40 млн. человек, половину из которых соста eyxl^_lb
возрасте до 5 лет [18]. Происходит это во многом из -за
неудовлетворительного состояния источников пищевой энергии,
основными из которых являются:
• обрабатываемые земли, с которых человек получает главную часть
пищевой энергии - примерно 88 %;
• естественные пастбища и лесные угодья поставляют порядка 10 %
пищевой энергии;
• и, наконец, приблизительно 2 % пищевой энергии человек получает из
ресурсов океана.
Вся эта жизнеобеспечивающая система работает на пределе и
состояние ее порой сравнивают с напр яжением металла перед разрывом.

3.2.1. Состояние обрабатываемых земель.
Механические "болезни" почв

Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км 2, или
86,5 % площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе
сельскохозяйственных угодий зан имают около 15 млн. км
2 (10 % суши),
сенокосы и пастбища - 37,4 млн. км 2 (25 %) [22]. Остальную часть суши
составляют земли малопродуктивные и находящиеся в слишком холодном

81
или засушливом климате.
Земельные ресурсы планеты позволяют обеспечить продуктами
питания больше населения, чем имеется в настоящее время и будет в
ближайшем будущем. Вместе с тем, в связи с ростом населения, особенно в
развивающихся странах, количество пашни на душу населения
сокращается. Еще в начале 80 -х годов душевая обеспеченность пашней
населения Земли составляла 0,45 - 0,5 га, в настоящее время она составляет
уже 0,35 - 0,37 га. Обеспеченность пахотными угодьями на человека
изменяется в широких пределах. Для Канады она составляет 1,4 га, США -
0,63, Германии - 0,15, Японии - 0,04 га. Для России обеспеченность пашней
на душу населения в настоящее время достигает почти 0,82 га.
Ежегодно в мире теряется до 6 - 7 млн. га почвы (0,06 - 0,07 млн.
км
2). Земельный фонд России в 1992г. составил 1709,6 млн. га. За
последние 27 лет площадь сельхозугодий России сократилось на 12,4 млн.
га, пашни - на 2,3 млн. га, сенокосов - на 10,6 млн. га. Эти потери
практически безвозвратны, ибо разрушенная почва восстанавливается
только на протяжении нескольких веков, да и то при счастливом сочетании
многих условий. А теряются, в первую, очередь самые продуктивные,
самые важные участки, расположенные в дельтовых, пойменных,
черноземных областях. Например, при строительстве ГЭС в СНГ
затоплено около 12 млн. га сельхозугодий. Только в бассейнах Волги и
Днепра затоплено 2,5 млн. га плодородных земель.
Общая площадь земель в России, нарушенных в результате добычи
полезных ископаемых, проведения строительных и геологоразведочных
работ, составила в 1991г. 1,1 млн. га, из которых 0,7 млн. га нарушено в
период с 1976 по 1991 г. Более 50 % этой площади занимали
сельскохозяйственные угодья.
Наиболее распространенным способом полива почв является
дождевание, при котором хорошо увлажняется воздух и создается
благоприятный климат для растений. Но существующие системы создают,
как правило, высокоинтенсивный "дождь", который почва плохо
впитывает. А это ведет к неравномерному увлажнению, водной эрозии,
нарушению уровней грунтовых вод, засолению, заболачиванию.
В неудовлетворительном состоянии в РФ находится 771 тыс. га
орошае мых земель, в том числе из -за недопустимой глубины уровня
грунтовых вод - 325 тыс. га, засоления - 292 тыс. га, одновременного
наличия недопустимой глубины уровня грунтовых вод и засоления почв -
154 тыс. га. Площади переувлажненных и заболоченных земель,
используемых под пашню, в 1990 г. составили 8 млн. га (5,2 % пашни),
тогда как в 1985 г. их было 5,8 млн. га (4,5 %). А между тем известны и уже используются в мире принципиально
новые системы полива [23,24]:

82
а) локальное орошение, при котором увлажня ются только
корнеобитаемые слои;
б) внутрипочвенное орошение - вода поступает к корням по трубкам.
Эти способы исключают потери от испарения, а если в воду добавить
минеральные удобрения, то повышается эффективность их использования
и снижается загряз нение окружающей среды.
Эрозия, которая представляет собой процесс перемещения почвы,
главным образом, ее верхних наиболее плодородных горизонтов, отнимает
у человечества более 3 млн. га плодородных земель в год. Основными
факторами эрозии являются ветер и поверхностные воды. С оголенного,
лишенного растительности участка с едва заметным уклоном (в 2 град.),
вода уносит за год 20 т почвы.
Площадь подверженных эрозии сельскохозяйственных угодий в
России составляет 124 млн. га (56 %), из них 87,3 млн. га пашн и. На
больших площадях происходит снижение продуктивности почв из -за
уменьшения содержания гумуса. Только за последние 20 лет запасы гумуса
сократились на 25 - 30 %, а ежегодные потери в целом по РФ составляют
1,4 млн. т. По данным агрохимического обследов ания, в России 37,5 млн.
га пашни характеризуется низким содержанием гумуса [22].
В естественных условиях эрозия является неизбежным следствием
совокупной деятельности вод и ветра. Однако корни растений обычно
защищают почву от чрезмерного разрушения . Темпы эрозии 
значительной степени ускоряются в результате хозяйственной
деятельности человека, приводящей к уничтожению растительного
покрова - распашки земель, вырубки лесов, строительства и т.д.
Почва, особенно ее верхний слой, считается возобновимым
ресурсом, так как под влиянием природных процессов происходит
постоянный процесс ее восстановления. В тропических и средних широтах
на восстановление почвенного слоя толщиной в 2,54 см (1 дюйм) требуется
от 200 до 1000 лет в зависимости от климата и типа почвы [18]. Однако,
если средние темпы эрозии превышают темпы почвообразования,
происходят необратимые изменения, и почвы на этом участке переходят в
разряд невозобновимых ресурсов. Сегодня на одной трети возделываемых
земель планеты пахотный слой разрушается быстрее, чем
восстанавливается. Ежегодно в реки, озера и океаны смывается столько
почвы, что ею можно было бы загрузить товарный поезд, длины которого
хватило бы, чтобы 150 раз опоясать земной шар.
В засушливых регионах мира сочетание природных процес сов и
хозяйственной деятельности человека приводит к увеличению площади
пустынь - так называемому опустыниванию. Опустынивание большей
частью происходит вблизи границ существующих пустынь. Оно
вызывается обезвоживанием верхних горизонтов почвы в период

83
продолжительных засух и повышенным испарением из -за высоких
температур и сильных ветров. Разрушительная деятельность человека,
например, сверхинтенсивное использование пастбищ, обезлесивание,
открытая разработка полезных ископаемых и т.д. значительно ускоря ет
темпы опустынивания. В Калмыкии опустыниванию подвержено 4,9 млн.
га, из которых 1,8 млн. га находятся в стадии очень сильного
опустынивания. В Астраханской области площадь деградированных
пастбищ составляет 1,3 млн. га, из них 250 тыс. га - подвижные пе ски.
Состояние почвы зависит от приемов и методов ее обработки. В
предыдущей главе мы говорили о том, что почва - биокосное вещество,
представляющее собой единство живого и неживого. При нарушении
плотности, температуры, влажности, набора химических элемен тов или
почвенной органики (населенность почв большая, чем морей и океанов -
она составляет 1/10 часть ее массы) почва разрушается.
Почва разрушается тяжелыми сельскохозяйственными машинами.
Для получения урожая сельхозмашинам по полю нужно проехать в обще й
сложности 20 раз за сезон. Техника "тяжелеет", растет нагрузка на тело
почв, они "слипаются", уменьшается их "население", падает плодородие.
Средний трактор давит на почву с силой 800 г/см
2. По подсчетам ученых,
более или менее щадят почву только гусенич ные тракторы. Это только
механическое воздействие, еще ведь есть утечки горючесмазочных
материалов и выхлопные газы, которые поглощаются землей (почвой).
Физическому уничтожению почв, их эрозии особенно "помог"
отвальный плуг. Традиционно первым этапом в в ыращивании урожая была
(и в значительной мере остается) распашка, основным назначением
которой является сведение сорняков. При этом в глубину земли уходят
растительные остатки, которые должны разлагаться на поверхности,
обогащая почву органическими веществ ами. Аэробные бактерии, которые
должны быть наверху, попадают вниз, анаэробные - на поверхность. Так
почвы медленно умирают.
К перечисленному выше нужно отнести прямые потери из -за отвода
сельскохозяйственных угодий под городские постройки, дороги,
аэродромы и пр. Так, при прокладке трубопроводов нормами
предусмотрено отторжение на каждые 100 км - 400 га, при прокладке
дорог - на каждые 100 км - 200 га. Это, так называемые, полосы
отчуждения. В развитых странах урбанизация поглощает ежегодно около
3 тыс. к м
2 продуктивных земель. Всего же разрастающиеся города мира к
концу столетия могут поглотить площади, способные прокормить около
120 млн. человек. А через 100 лет человечество может потерять две трети
площадей, пригодных для земледелия.

84
Наряду с "механическими" травмами почвы страдают
"химическими" болезнями. В первую очередь из -за нерационального
применения минеральных удобрений.
Миллионы тонн азота, фосфора, магния и калия вместе с урожаем
изымаются из почв. Их перемещение обедняет почвы одних районов и
загрязняет другие. Только азота мировым урожаем из почв выносится
более 100 млн. т. Промышленность, производящая азотные удобрения,
может сегодня восполнить лишь четвертую его часть. И если бы не
микроорганизмы, усваивающие азот из воздуха и переводящие его 
пригодные для питания корней формы, человечество осталось бы без
продуктов. Минеральные удобрения временно спасли разрастающееся
человечество: 1 кг удобрений позволяет получать до 5 - 6 кг прибавок
зерновых урожаев. Благодаря им за последние 30 лет сбор урожаев
зерновых увеличился на четверть, правда, потребление азотных удобрений
возросло почти в 8 раз. Такое несоответствие объясняется
несовершенством твердых удобрений - содержание полезно действующих
веществ в них составляет примерно 40 %, из которых растения усваивают
не больше половины. Остальная масса выносится в реки, грунтовые воды,
остается в почвах, загрязняя все это. Нарушение круговорота азота
способствует накоплению его в нитратной и нитритной формах в воде,
почве, продуктах питания. Потребл ение нитратов в количествах 8 - 15 г
вызывает у людей рвоту, расстройства деятельности желудочно- кишечного
тракта, нарушение кровообращения, образование злокачественных
оп ухолей.
Еще один загрязнитель, сознательно вносимый человеком в почву -
пестициды. Вс е виды пестицидов представляют собой яды и поражают не
только животных - вредителей, сорняки и возбудителей
болезней культурных растений, но и много других полезных животных и
растений.
В США обрабатывается пестицидами 61 % сельскохозяйственных
земель (по ловина объема использованных пестицидов идет на обработку
только технических культур), в СНГ - 87 % [24]. Подсчитано, что 98 %
инсектицидов (против насекомых и фунгицидов (против грибковых
заболеваний), 60 - 95 % гербицидов (против сорняков) не достигают
о бъектов подавления, а попадают в воду и воздух, накапливаются в почве
и продуктах питания. Кроме этого применяют еще и зооциды (против
грызунов), которые создают в почве безжизненную среду.
Пестициды, содержащие хлор, фтор и ртуть, обладают чрезвычайной
би ологической активностью, высокой химической активностью,
способностью накапливаться в различных звеньях пищевой цепи. Даже в
ничтожных концентрациях подавляют иммунную систему организма,
снижают умственную и физическую работоспособность человека. В более

85
высоких концентрациях эти вещества оказывают мутагенное,
канцерогенное и тератогенное (повреждающее зародыши) действие,
поражают нервную систему, пищевой тракт, нарушают детородные
функции женщин.
Еще одна проблема - увеличение кислотности почв. Заводы, фаб рики
и особенно теплоэлектростанции выбрасывают ежегодно в атмосферу
десятки млн. тонн окислов серы, азота, которые путешествуют на сотни км
и выпадают на землю кислотными дождями. Дожди эти угнетают не
только почвы и растения, они снижают приросты древесных пород,
сокращают рыбные запасы, влияют на здоровье людей. Большая часть почв
раскисляется в пригородной зоне. На поливаемых кислыми дождями
землях урожаи сокращаются на 40 %.
Почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и
черной металлурги и, химической и нефтехимической промышленности,
машиностроения на расстоянии в несколько десятков километров
загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами, соединениями фтора
и другими токсичными веществами. В почвах 85 городов РФ, особенно в
пятикилометр овой зоне вокруг них, среднее содержание свинца находится
в пределах 0,4 - 80 значений предельно допустимой концентрации [22].
В [25] приведены результаты исследования содержания тяжелых
металлов в почвах Томска и Томской области. Так, в почвах Кировского
района и Иркутского тракта содержатся тяжелые металлы I класса
опасности - кадмий, ртуть, свинец, цинк; в Ленинском районе - вещества 2
класса опасности: кобальт, никель, медь, хром. Достаточно высокое
содержание этих металлов обнаружено в почвах Томского района, причем
в Кемерово ситуация по загрязнению почв значительно лучше, чем в
Томске, что объясняется меньшим количеством вредных производств.
Содержание многих элементов в растениях увеличивается по сравнению с
их содержанием в почве, так как растения у сваивают дополнительное
количество этих элементов из воды и воздуха.
После аварии на Чернобыльской АЭС на территории России в 14
областях образовались зоны загрязнения местности цезием - 137 общей
площадью почти 55,1 тыс. км
2. По ha^_cklию на окружающую среду
аварию на Чернобыльской АЭС следует рассматривать как малую атомную
войну, которая нанесла непоправимый ущерб земельным ресурсам: сотни
тысяч гектаров сельскохозяйственных и лесных угодий практически
навсегда выведены из строя [22].
В Свердловской, Челябинской и Курганской областях загрязнена
радиоактивными элементами площадь около 4000 км
2. Загрязнение
является следствием аварийных ситуаций 1949, 1957 и 1967 гг., а также
производственной деятельности комбината "Маяк". Гамма -излучение от
радиоактивных элементов, в частности, от цезия - 137, составляет около

86
60 мкР/ч, что в несколько раз превышает естественный радиоактивный
фон.
Исследования, которые проводились в ТПУ, позволили выявить даже
на удалении около 80 км от Сибирского химического комбинат
ано мальные концентрации некоторых радионуклидов в поч вах [26].
Подобные аномалии появились в результате нормальной
производственной деятельности СХК, тем более высокая плотность
загрязнения почв некоторых населенных пунктов (д. Георгиевка и
Наумовка) возникла в результате взрыва на радиохимическом заводе СХК
6 апреля 1993 года.
Интенсивное загрязнение почв, отторжение территорий, в том числе
и сельскохозяйственных, происходит в результате захоронения
радиоактивных отходов, особенно, если при этом не соблюдаютс я
регламенты.
Таким образом, почва - незаменимая основа продовольствия -
нуждается в защите и сохранении.

3.2.2. Леса и пастбища - поставщики пищевой энергии

Леса выполняют жизненно необходимую экологическую функцию.
Залесенные водосборы функционируют как гигантские губки,
абсорбирующие, накапливающие и постепенно отдающие воду,
подпитывая ручьи, реки и подземные горизонты. Леса регулируют сток с
гор на равнинные распаханные и городские земли, способствуют
предотвращению эрозии почв, наводнений, регулируют количество
наносов, поступающих со стоком в реки, озера, водохранилища.
Леса играют важную роль в глобальных круговоротах углерода и
кислорода. Благодаря процессу фотосинтеза деревья очищают воздух,
поглощая диоксид углерода и выделяя кислород. Когда же деревья
вырубаются и сжигаются, содержащийся в них углерод поступает в
атмосферу в виде диоксида углерода. Сведение лесов приводит также к
окислению и выделению в воздух углерода, накопившегося в почве под
деревьями. Таким образом, крупномасштабное обезлесение вносит
заметный вклад в создание парникового эффекта.
Леса служат естественным местообитанием для больше го, чем в
любых других экосистемах, числа диких видов растений и животных. Это
делает их крупнейшим на нашей планете хранилищем биологического
разн ообразия. Кроме того, леса поглощают шум, многие загрязняющие
воздух вещества и благотворно влияют на настроение людей, обеспечивая
их потребность в уединении и красоте.
Согласно оценке, приведенной в [18], за 50 лет жизни среднее дерево
в тропическом лесу обеспечивает "экологический доход" от производства

87
кислорода, сокращения загрязнения воздуха, контроля эрозии и
почвенного плодородия, регулирования водного режима, обеспечения
местообитаний для диких животных и производств протеина в размере
196250 долларов. Проданное же как древесина, оно принесет лишь около
590 долларов.
Тропические леса - источник половины всей добываемой в мире
твердой древесины. Среди пищевых продуктов, получаемых в тропических
лесах - кофе, какао, специи, орехи, фрукты. Сырье для четверти всех
медикаментов, которые мы используем, получают из растений,
произрастающих в тропических лесах. Аспирин производится на основе
вещества, выделяемого из листьев тропических ивовых деревьев. Около
70 % перспективных лекарств против рака может б ыть получено из
растений тропических дождевых лесов.
Чудом Сибири, жемчужиной тайги, хлебным деревом называют
кедр. Ядро его ореха содержит до 60 % жира, 20 % белка, 12 % крахмала, 4
% клетчатки, а также целый комплекс витаминов, улучшающих состав
крови и благотворно влияющих на кожную ткань. Кедровое масло по
калорийности не уступает куриным яйцам, оно хорошее средство при
лечении легочных и почечных заболеваний [24]. Среди главных причин сведения лесов следует выделить следующие:
• освоение новых территори й под сельское хозяйство;
• получение древесины для строительства, деревообрабатывающей и
бумажной промышленности;
• получение топлива для приготовления пищи и обогрева;
• лесные пожары.
Развитые страны пережили массовую вырубку лесов еще до и во
время Промышлен ной революции, что привело к тяжелым для них
последствиям, например, снижению плодородия многих земель. Однако
промышленно развитые страны, в целом, осознали эту проблему и в
настоящее время восстанавливают леса со скоростью, во всяком случае,
равной скорости их вырубания.
В развивающихся странах для двух третей населения (около
2,5 млрд. человек) эра современной энергетики еще не наступила. Дрова
все еще нужны для обогрева и приготовления пищи. Даже в городах
многие используют древесный уголь, производимый в сельской местности
путем вырубания и обжига древесины. Приблизительно 60 % этих людей
вырубают леса быстрее, чем те растут. В некоторых странах вырубка идет
в пять раз быстрее лесовосстановления.
С начала этого столетия площадь под африканскими лесами
сократилась почти вдвое, а в отдельных странах в 5 - 10 раз. Так, в
Эфиопии в начале века лесные массивы располагались на 40 %

88
территории. Сейчас под лесами осталось лишь 3,5 %. В Индии 40 лет назад
леса занимали 22 % территории, сейчас на их долю едва приходится 10 %
[21].
Опасными темпами исчезают леса Сибири. Здесь ежегодно
вырубаются более полумиллиона гектаров лесов, тогда как новые посадки
осуществляются лишь на одной трети вырубок. Ученые фиксируют
изменение сибирского ландшафта. В большинстве случаев на месте
вырубок начинается заболачивание местности. Поскольку вырубают
прежде всего сосновые, а то и кедровые, наиболее ценные леса, то
повсеместно наблюдается обеднение лесного покрова. В 1988 г. Томская
тайга горела 500 раз. Способствует пожарам в сибирских лесах
обслуживающий персонал нефтепроводов, выжигающий нефть: весной
1989 г. по вине рабочих Александровского управления нефтепроводов
сгорело 25 га кедровой тайги [24].
Итак, под натиском человека леса отступают на всех континентах,
практически во всех странах, но особенно массированное уничтожение
лесного покрова происходит в тропическом поясе.
Леса спасают от опустынивания пастбища планеты, на которых
кормится около 3 млрд. голов скота. Каждый вид пастбища имеет свою емкость поголовья -
максималь ное число травоядных животных, которое данная территория
может обеспечить пищей. Емкость зависит от сезона, состояния пастбища,
его предшествующего использования для выпаса, климатических условий,
типа почв, вида выпасаемых животных и периода выпаса.
Выпас от слабого до умеренного необходим для нормальной
жизнедеятельности пастбищных экосистем. Он поддерживает круговорот
воды и питательных веществ, обязательный для нормального роста злаков
и развития корневой системы, сдерживания почвенной эрозии и
накопле ния органического вещества в почве.
Перевыпас наблюдается в тех случаях, когда слишком много
выпасаемых животных долго кормятся на пастбище и превышают его
емкость. Крупные популяции диких травоядных могут вызвать перевыпас
во время длительных засушливых п ериодов. Но, в основном, перевыпас
бывает обусловлен продолжительным выпасом на определенном участке
чрезмерного количества домашнего скота.
Сильный перевыпас превращает сплошной травяной покров в
отдельные задернованные пятна и увеличивает подверженность почвы
эрозии. Иногда перевыпас настолько силен, что исчезает вся
растительность и образуются бесплодные пустыни, особенно
подверженные эрозии. Перевыпас в сочетании с длительной засухой может
превратить потенциально продуктивное пастбище в пустыню.

89
Вездеходные машины также повреждают или разрушают растительный
покров пастбищных угодий.
Недостаточный выпас также способен ухудшить состояние пастбища
как источника пищи для домашнего скота и многих диких травоядных. В
этом случае остается неповрежденной большая часть листьев и стеблей,
что заглушает рост травы и смещает процесс сукцессии с злаковых трав на
древесные растения и разнотравье. Недостаточный выпас, подобно
перевыпасу, приводит к нарушению циклов питательных веществ и воды,
увеличивает эрозию и деградацию почв.
Две трети пастбищ США пребывают в удовлетворительном и плохом
состоянии [18]. В Ираке поголовье скота превышает предельные емкости
пастбищ в четыре раза, в Сирии - втрое. И в России в некоторых регионах
нагрузки на природу превышают имеющийся пр иродно-ресурсный
потенциал. Пример тому - Калмыкия. Здесь ранее никогда не было более
890 тыс. овец, давали они по 25 кг мяса каждая. Теперь овец не менее 4
млн. Оптом они дают продукции столько же, как прежние 890 тыс., но
худшего качества. Оказывает ся, что продуктивность пастбищ выше, когда
ими пользуются дикие животные. Так, с 1 га африканской саванны
получено 150 кг мяса диких животных, откорм же на аналогичной
площади домашних дал в 6 раз меньше. Человек просто не научился
безболезненно вписывать в природу свое животноводство. Контроль за
распределением по пастбищу пасущихся животных - лучший способ
предотвратить перевыпас и недовыпас. С этой целью скотоводы могут
строить ограждения для защиты деградированных пастбищ, перегонять
скот с одного пастбища на другое, обеспечивать дополнительное питание
на специальных участках, размещать воду и соль в ключевых местах.

3.2.3. Мировые рыбные промыслы

Третий источник продуктов - рыболовство. Мы получаем с пищей в
среднем 4 % белков животного происхождения, непосредственно
потребляя рыбу и ракообразных, и 5 % косвенно за счет рыбы,
скармливаемой скоту. Этот источник животных белков богаче говядины, в
два раза богаче яиц, в три раза богаче птицы. В большинстве азиатских
прибрежных стран на долю рыбы и ракообразных приходится от 30 % до
90 % получаемого населением белка животного происхождения.
Около 87 % годового коммерческого улова рыбы и ракообразных
приходятся на моря и океаны, а остальная часть - на пресноводные
источники. Почти половина мирового промышленного улова морских рыб
приходится на долю пяти стран: Японии (16 % улова), СНГ (13 %), Китая
(7 %), США (6 %) и Чили (6 %).

90
В период с 1950 по 1970 годовой промышленный улов рыбы
утроился и достиг рекордного уровня - 70 млн. т. Увеличение лова рыбы
знач ительно превышало увеличение производства любого другого
продукта питания за то же время. Это вызвало в широких кругах
общественности оптимизм и надежду на то, что мировой улов рыбы вскоре
увеличится до 100 млн. т. в год, что по оценкам, равняется максимал ьно
допустимому объему добычи.
Однако этого не случилось. Население мира продолжало расти, а это
означало, что в период с 1970 по 1986г. средний улов рыбы в душевых
показателях уменьшился, несмотря на незначительное увеличение объемов
годового улова. Из- за чрезмерного вылова рыбы, загрязнения океана, роста
населения и повышения спроса на рыбную продукцию средний улов рыбы
на душу населения снизи лся к 2000 году до уровня 1960 года (~ 40 млн. т).
Чрезмерный вылов рыбы означает, что рыбы вылавливается так
мног о, что ее почти не остается для восстановления численности
популяции. К началу 1980 г. из -за чрезмерного вылова истощились запасы
42 ценных видов рыб. В их числе треска и сельдь в Северной Атлантике,
лосось и аляскинский королевский краб в северо -западной части Тихого
океана, а также перуанские анчоусы в юго -восточной части Тихого океана.

3.3. Способы увеличения мирового производства продоhevklия

3.3.1. Охрана почв

Мероприятия по охране почв включают использование различных
методов, направленных на сн ижение эрозии почвы, предотвращение
выноса питательных веществ и восстановление плодородия, утерянного в
результате эрозии, выщелачивания и чрезмерной эксплуатации
сельскохозяйственных угодий [27].
В подразделе 3.2.1 мы уже обсуждали вопрос, касающийся
обработки почвы. При обычной обработке почвы ее пашут, обрабатывают
дисковым культиватором и выравнивают. Если для весеннего сева пахоту
производят осенью, то почва остается оголенной в течение всей зимы и
первых весенних месяцев, что делает ее уязвимой для э розии.
Известны почвозащитные методы земледелия - безотвальная,
беспахотная (минимальная) обработка почвы. В нашей стране безотвальная
обработка почвы впервые была осуществлена академиком Т.С.
Мальцевым.
При безотвальной обработке старинный отвальный плуг заменяется
клинообразными или плоскорезными орудиями, оставляющими поля как
бы нетронутыми, без отвала пласта, но разрыхленными в глубине, а с
поверхности скрепленными остатками растительных корней.

91
При беспахотной (минимальной) обработке почвы семена, удобрения
и гербициды вносятся в борозды, сделанные в почве без ее пахоты
специальными машинами.
При такой обработке почвы лучше сохраняются, больше
накапливают влаги, на меньшую глубину промерзают, их в меньшей
степени разрушают талые воды. Урожай при исполь зовании
почвозащитных методов такой же или выше, чем при традиционном
возделывании почвы. Методы эти можно использовать в течение трех -
семи лет, затем все же необходима интенсивная вспашка для сохранения
высоких урожаев.
Недостатком поверхностной обработ ки земель является
необходимость обязательного применения гербицидов для борьбы с
сорняками.
По оценкам Министерства сельского хозяйств США, использование
поверхностной обработки земли на 80 % площади позволит снизить
эрозию почвы по меньшей мере наполовин у. В настоящее время
технология сокращенной обработки почвы распространена почти на трети
сельхозугодий США, в нашей стране - на пятой части пашни.
Темпы эрозии почвы на пологих склонах могут быть снижены
примерно на 30 - 50 % за счет применения контурного земледелия - пахоты
поперек, а не вдоль склона. Каждый ряд растений, высаженных под
прямым углом к склону, служит в качестве маленькой плотины, которая
помогает удерживать почву и замедляет сток воды.
На более крутых склонах используется террасирование. С клон
преобразуется в ряд широких, почти ровных террас с незначительным
расстоянием между ними по вертикали. Каждая из террас задерживает
часть воды, стекающей вниз по склону. В районах с большим количеством
осадков за каждой террасой строятся отводные кана вы в целях
обеспечения необходимого дренажа.
При полосной обработке почвы одна широкая полоса обработанной
земли отводится под сельскохозяйственную культуру, например, кукурузу,
а следующая полоса засевается покровной культурой, такой, как люцерна,
которая полностью закрывает почву и таким образом снижает эрозию.
Чересполосица, практикуемая на горных склонах, в сочетании с
террасированием и контурным земледелием, может сократить потери
почвы до 75 %.
Снижение эрозии достигается и при аллейном земледелии, ко гда
сельскохозяйственные культуры засеваются аллеями между живыми
изгородями из фруктовых деревьев и кустарников, которые дают плоды и
дрова.
На склонах гор, не покрытых растительностью, под воздействием
поверхностного стока быстро образуются овраги. Такие земли могут быть

92
восстановлены за счет укрепления оврагов. Небольшие овраги засаживают
такими быстрорастущими культурами, как овес, ячмень, пшеница, с тем,
чтобы уменьшить эрозию. В глубоких оврагах строят небольшие плотины
для удерживания наносов и посте пенного заполнения самого оврага. Для
укрепления почвы высаживаются быстрорастущие кустарники и деревья.
Ветровую эрозию пахотных земель можно снизить ветрозащитными
или лесозащитными полосами. Лесозащитные полосы особенно
эффективны в тех случаях, если необрабатываемая земля покрыта
растительностью. Деревья также являются средой обитания птиц,
поедающих вредителей, насекомых, которые опыляют растения.
Для частичного восстановления питательных веществ, потерянных
почвой в результате эрозии и сбора урожая, в почву могут вноситься
органические удобрения, являющиеся альтернативой минеральным. В
числе трех основных видов органических удобрений - навоз животного,
перегной растительного происхождения и компост. Навоз животного
происхождения является органическим у добрением из твердых и частично
жидких экскрементов крупного рогатого скота, лошадей, птицы и других
сельскохозяйственных животных. Применение навоза животного
происхождения улучшает структуру почвы, увеличивает содержание в ней
азота и стимулирует рост и воспроизводство почвенных микроорганизмов.
Перегной растительного происхождения образуется из естественных
или культивируемых зеленых растений, которые запахиваются в почву для
увеличения содержания в ней органического вещества и гумуса для
повышения урожа йности в следующем году. Он может состоять из
сорняков на необрабатываемых землях, трав и клевера на полях, ранее
используемых под пастбища, из растений семейства бобовых, которые
выращиваются для использования в качестве удобрений для увеличения в
почве запасов азота.
Компост представляет собой богатое естественное удобрение.
Готовят его, накапливая чередующиеся слои богатых углеводами
растительных остатков (листья и обрезки деревьев), навоза животного
происхождения и почвы. Эта смесь изобилует микроорга низмами,
которые способствуют разложению навоза и растительных остатков.
Еще один способ, призванный предотвратить истощение
питательных веществ в почве - севооборот сельскохозяйственных культур.
Этот метод помогает восстановлению в почве питательных вещес тв,
снижает эрозию, сохраняя растительный покров, а также снижает число
вредителей и заболеваемость растений.
Человек пока не может отказаться от применения пестицидов, но
необходим строгий контроль за их применением, соблюдение требований
безопасности, хр анения и транспортировки.

93
Известны биологические способы борьбы с вредителями -
применение насекомых, микроорганизмов, растений. Например,
трихограмма - насекомое, самка которого откладывает яйца в кладки
других насекомых. Личинка, развиваясь в яйце хозяин а, губит его.
Трихограмма способна уничтожить около 200 видов листогрызущих
вредителей на многих миллионах гектар. Использование ее в 4 -5 раз
экономичнее ядохимикатов, чего к сожалению нельзя сказать о других
биопрепаратах. В среднем затраты на обработку и ми 1 га втрое больше,
чем на химическую защиту.

3.3.2. Увеличение мирового производства продовольствия

1. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур
Ученые, занимающиеся проблемами сельского хозяйства, надеются,
используя достижения генной инженерии и другие формы биотехнологии,
создать в ближайшие 30 - 40 лет новые высокоурожайные сорта растений,
которые будут более устойчивы к вредителям и болезням, менее
требовательны к удобрениям. Вырабатывая сами азотное удобрение, они
будут хорошо расти на слабо засоленных почвах, смогут противостоять
засухам и будут более эффективно использовать солнечную энергию в
процессе фотосинтеза [27]. Правда, стоимость таких культур будет
слишком высока.
2. Возделывание новых площадей земли
Теоретически площадь пахо тных угодий планеты может быть
удвоена за счет расчистки тропических лесов и орошения засушливых
земель. Но превращение этих малопригодных земель в пашню уничтожит
ценные лесные ресурсы, приведет к возникновению серьезных
экологических проблем и, как прави ло, экономически не выгодно.
На рис. 3.7 представлена классификация земель.
Рис. 3.7. Классификация земель.
1. Используемые земли. Посевная площадь
11 %. 2 -3. Потенциальная пашня:
2. Тропические леса 8 %; 3. Засушливые земли
6 %. 4. Потенциально пригодные земли. Леса и
засушливые земли 14 %. 5. Используемые
земли под пастбища 10 %. 6. Земля, не
используемая под пашню или пастбища: ледники, снега, пустыни и горы 51 %

Во влажных тропических лесах выпадает большое количество
осадков, а урожай здесь можно выра щивать практически в течение всего

94
года. Однако часть почв тропических лесов не пригодна для интенсивного
возделывания. Около 90 % необходимых растениям питательных веществ
находятся в лесной подстилке и в растительности, а не в почве. В лесах
умеренного климата, например, лишь 3 % питательных веществ находится
под землей.
Почти 75 % площади бассейна Амазонки, где расположена примерно
треть потенциальных сельскохозяйственных угодий, имеют
малоплодородные почвы с высокой степенью кислотности.
Теплый климат, высокая влажность благоприятствуют
существованию огромных популяций насекомых - вредителей и
возникновению болезней, способных уничтожить урожай. Научные
исследования показывают, что выращенный в тропиках урожай
подвергается нападкам насекомых и бол езням в 10 раз больше, чем
урожай, получаемый в умеренном климате.
3. Нетрадиционные продукты питания
Из всех видов растений (более 300 тыс.) потенциально пригодны для
употребления в пищу 75 тыс. видов. За всю историю человечество
«попробовало» 3 тыс. видов, а к ультивировало - 150. Сейчас в основе
потребляемых нами продуктов питания содержится всего 20 видов
растений. И не потому, что остальные несъедобны. Просто они
непривычны.
4. Увеличение уловов и разведение рыбы
В настоящее время из 16 тыс. известных видов р ыб промысловыми
считаются около 1,5 тыс., из которых отлавливается 10 - 15 видов. Всего
же в океане насчитывается более 150 тыс. видов живых организмов, а в
качестве пищевых продуктов используется около 2 тысяч. При этом
большая часть улова производится в районах Тихого океан и Атлантики.
Некоторые ученые полагают, что мировой промышленный улов
рыбы и ракообразных может быть увеличен до 100 млн. т. в год.
Обнадеживает тот факт, что Конвенцию ООН 1982 г. по вопросам
морского права подписали 159 государств. Э тот договор дает всем
прибрежным странам юридическое право контролировать лов рыбы
собственным рыболовным флотом и иностранными судами в пределах 364-
километровой зоны от побережья. В случае соблюдения этот договор
способен существенно сократить чрезмерный ueh.
Мировой улов рыбы можно также увеличить за счет вылавливания
большего количества кальмаров, осьминогов, антарктического криля и
других недоиспользуемых в настоящее время видов.
Другой путь расширения производства рыбы связан с сокращением
количеств а отходов. В настоящее время на их долю приходится пятая часть
среднегодовой добычи. В основном это потенциально полезная рыба, но не
та, на которую ведется лов. Увеличение улова может быть достигнуто

95
также за счет более широкого применения на судах холодильных
установок для предотвращения порчи рыбы. Эксперты полагают, что
объем ежегодно выращиваемой на пресноводных и морских аквафермах
продукции к 2000 г. увеличится в три раза. На долю аквакультуры
приходится около 8 % мирового промышленного улова рыбы.
5. Устойчивое сельскохозяйтвенное производство
Решить проблему голода в мире, снизить загрязнение и деградацию
окружающей среды, обусловленные сельским хозяйством, можно за счет
перехода к устойчивому сельскохозяйственному производству. Это
производство сочетает современные методы индустриального и
мелкотоварного сельского хозяйства с новейшими сельскохозяйственными
технологиями. Оно направлено на эффективное использование местных
климатических условий, почв, ресурсов и культурных традиций.

Глава 4. ПРОБЛЕ МА СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

Научно -техническая революция создала огромные возможности для
покорения сил природы: человечество начало осваивать все доступные
возобновимые и невозобновимые ресурсы. Использование некоторых
находится на пределе. Общее потребление пр иродных ресурсов возросло
за 10000 лет в сто раз [1].
Несовершенство современной технологии не позволяет полностью
перерабатывать минеральное сырьё. Большая часть его возвращается в
природу в виде отходов. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд. т
быт овых и промышленных отходов, изменяющих состав биосферы,
круговорот и баланс слагающих её веществ.

4.1. Классификация природных ресурсов Земли

Природные ресурсы Земли – средства существования людей,
находящиеся в природе. Природные ресурсы Земли делят на
неисчерпаемые

Природные ресурсы Земли

I. Неисчерпаемые II. Исчерпаемые

а) солнечная радиация;
б) энергия морских 1. Возобновимые 2. Невозобновимые
приливов и волн; а) фауна; а) пространство обитания;
в) энергия ветра; б) флора; б) энергия рек;

96
г) энергия земных недр; в) плодородие в) полезные ископаемые.
д) воздух; почв.
е) вода.

Рис. 4.1. Классификация природных ресурсов Земли.

и исчерпаемые. Последние, в свою очередь, делят на возобновимые и
невозобновимые (рис. 4.1) [31].
Приведенная схема является весьма условной, так как воздух и вода
не могут быть безоговорочно отнесены к неисчерпаемым (только из -за
огромных масс воды и воздуха). Под влиянием антропогенного фактора
химический состав и физическое состояние атмо сферы и гидросферы
изменяются, теряется их биологическая ценность. Пресная вода, к тому же,
составляет только 2 % от объёма всей гидросферы, т.е. 35 млн. км
3, и
расположена она неравномерно на Земле.
Проанализируем современное состояние природных ресурсов Земли.
Практически обо всех неисчерпаемых ресурсах, являющихся источниками
нетрадиционных методов получения энергии, речь пойдёт в главе 5. В
связи с этим в этой главе внимание будет уделено возобновимым и
невозобновимым исчерпаемым ресурсам.

4.2. Состояние исчерпаемых возобновимых ресурсов

Проблему состояния обрабатываемых земель мы достаточно
обстоятельно обсуди ли в предыдущей главе, поэтому будем вести речь о
ресурсах растительного и животного мира.
В настоящее время идентифицировано примерно 1,5 млн. b^h
растений и животных, из них две трети приходится на насекомых [27,44].
Учёные полагают, что эта цифра отражает лишь часть того огромного
видового богатства, которое существует на Земле; не исключено, что число
видов достигает 5 - 30 млн.
Анализ ископ аемых остатков показал, что вид в среднем живёт менее
10 млн. лет и что из всех видов, когда -либо существовавших на Земле, 99
% исчезли или эволюционировали в новые виды. Массовое вымирание в
далеком прошлом происходило в результате природных причин. С тех пор,
как в биосфере появился человек, и, особенно, с появлением земледелия
около 10000 лет назад, в результате антропогенной деятельности скорость
исчезновения видов возросла в миллион раз (на уровне 1980 г.) и
предполагается, что такая тенденция сохранится и в ближайшие
десятилетия.
По приблизительным оценкам в период между 8000 г. до н.э. и
1975 г. н.э. средняя скорость исчезновения видов млекопитающих и птиц

97
возросла в 1000 раз (рис. 4.2) [27]. Если включить сюда скорость
исчезновения видов растений и насекомых, то скорость их вымирания в
1975 г. составляла до нескольких сотен видов в год (рис. 4.3). С тех пор
скорость исчезновения видов увеличилась. В 1985 г. скорость вымирания
возросла в 10 раз - до нескольких тысяч видов в год.
За период с 1975 по 2000 гг. в результате человеческой деятельности
исчез ло не менее 500000, а возможно, и 1 млн. видов. К 2000 г. в
результате антропогенной деятельности в среднем исчез ло до 20000 видов
в год, т.е. 1 вид каждые 30 минут - 200 - кратное увеличение скорости
u мирания всего за 25 лет. [27].
В известной нам литературе, в основном, присутствуют данные об
исчезновении животных. Однако исчезновение растений с экологической
точки зрения более важно, так как от растительной пищи прямо или
косвенно зависит большинство видов животных. По оценкам, более 10 %
видов растений мира сегодня находятся под угрозой исчезновения. К 2000
г оду исчез ло от 16 до 25 % всех видов растений.
Необходимо отметить, что современный всплеск вымирания,
вызванный антропогенной деятельностью, про исходит всего несколько
десятилетий по сравнению с миллионами лет в прошлом. Такое
исчезновение не может быть компенсировано видообразованием, так как
для развития нового вида необходимо от 2000 до 100000 поколений.

98


В [27] виды, которым грозит исчезнов ение, классифицируются как
находящиеся в опасности или под угрозой вымирания.
У подвергающегося опасности вида остаётся так мало выживших
особей, что вид может скоро исчезнуть полностью или на большей части
своего ареала обитания. Примером могут служить бе лые носороги в
Африке (осталось 100 особей), калифорнийский кондор в США (в диком
состоянии не осталось ни одного), большая панда в Центральном Китае
(осталось 1000 особей) и снежный барс в Центральной Азии (осталось
2500 особей).
Виды, находящиеся под угрозой вымирания, достаточно
многочисленны в пределах своего ареала обитания, но их число
уменьшается и им грозит опасность исчезновения. Это, например,
африканский слон, белоголовый орлан, медведь гризли. Многие дикие виды не подвергаются опасности исчезнов ения, но
численность их популяций резко сокращается на локальном или
региональном уровнях. Так, в России с 1988 по 1991 г. численность моржа
и морского котика снизилась вдвое, сивуча - в 5 раз. По данным [45] в
Томской области в 1994 - 1995 гг. наблюдалось устойчивое снижение
численности зайца -беляка в 2 раза, бобра - в 5 раз, северного оленя -  3
раза, лося - на 34 %, причем у копытных в 1995 г. отмечена минимальная

99
численность за последние 10 лет. Подобная негативная тенденция
характерна и для соболя, численность которого в области сократилась за 5
лет с 31 до 19 тыс. особей.
Основными, связанными с деятельностью человека факторами,
которые способны подвергнуть виды угрозе, опасности или исчезновению,
являются: 1. Уничтожение или нарушение мест обитания. Строительство
городов, сведение лесов, осушение болот, распашка лугов, разработка
месторождений создают угрозу диким видам посредством нарушения
путей миграции, районов размножения и источников пищи. Так, в Томской
области в 1994- 1995 гг. при общем снижен ии численности лосей на 34 % в
районах действующих нефтяных месторождений наблюдалось уменьшение
на 60 %. При этом исчезли многолетние места зимних стойбищ лосей в
Привасюганье и по всей западной границе области, практически исчезли
популяции северного оле ня на левобережье Оби [45].
Многие редкие и находящиеся под угрозой вымирания виды имеют
уязвимые особые места обитания, например, небольшие острова. Около
75 % видов млекопитающих и птиц, исчезнувших в недавнем прошлом,
были обитателями островов. Сужени е природных мест обитания в
результате антропогенной деятельности приводит к невозможности
обеспечения существования минимальному количеству особей,
необходимому для поддержания популяции. Сужение мест обитания
может обусловить узкородственное размножение, что uauает
генетическое ухудшение потомства, приводящее к вымиранию.
2. Промысловая охота. Распространённая по всему миру законная и
незаконная промысловая охота представляет угрозу для многих видов
крупных животных. На ягуаров, тигров, снежных барсов и гепардов
охотятся ради их шкуры. На носорогов охотятся из -за рога, на слонов - из -
за бивней. Промысловая охота сыграла главную роль в почти полном
исчезновении американского бизона и снежной цапли.
3. Полное или почти полное исчезновение может происходить и 
том случае, когда человек истребляет те виды вредителей и хищников,
которые конкурируют с человеком в добыче пищи.
4. Ежегодно большое количество растений и животных,
подвергающихся опасности или угрозе исчезновения, контрабандой
вывозят в другие страны для продажи коллекционерам и для медицинских
исследований. При ловле и перевозке животные и растения часто гибнут:
так, на каждого попавшего в лабораторию шимпанзе приходится шесть
погибших при ловле и перевозке.
5. Загрязнение окружающей среды вызывае т деградацию мест
обитания животных, в том числе в заповедниках и убивает некоторые
растения и животных. Численность диких животных всего мира может

100
уменьшиться всего за несколько десятилетий из-за изменения климата,
uaанного парникоuf эффектом. Диким животным приполярных и
полярных областей может быть также нанесён ущерб в результате
значительного увеличения ультрафиолетового излучения, вызванного
истощением озонового слоя.
6. Случайная или намеренная интродукция растений и животных в
экосистемы. Некото рые чуждые виды не имеют естественных врагов и
конкурентов в районах своих новых мест обитания. Они могут
доминировать в новых экосистемах, уменьшая популяции многих местных
видов, и со временем могут способствовать полному или почти полному
исчезновению или вытеснению местных видов.
7. Рост населения, богатство и нищета являются одной из причин
исчезновения видов и сокращения популяций: богатство - основной
фактор, влияющий на увеличение среднего потребления ресурсов на душу
населения; рост населения и нищ ета вынуждают бедняков вырубать леса и
отлавливать подвергающиеся опасности исчезновения виды животных.
Для охраны подвергающихся опасности и угрозе вымирания диких
видов и для предотвращения опасности, которой могут подвергнуться
другие дикие виды, исполь зуются три основные стратегии:
1. Принятие соглашений, законов, создание заповедников,
заказников, Международный союз охраны природы и природных ресурсов
(МСОП), Международный совет по охране птиц и Международный фонд
любителей диких животных установили по двергающиеся угрозе и
опасности исчезновения виды и прилагают усилия по их охране.
Например, МСОП составил список подвергающихся угрозе и опасности
вымирания видов и опубликовал его в Красной книге. В 1978 г. была
издана Красная книга СССР, а в 1985 г. - К расная книга РСФСР.
Охране диких животных способствует ряд международных
договоров и конвенций. Одно из международных соглашений - Конвенция
по охране мигрирующих видов диких животных 1979 г. - в настоящее
время подписано 23 странами. Одним из самых широко масштабных
соглашений стала Конвенция о международной торговле видами дикой
фауны и флоры, находящимися под угрозой уничтожения, 1975 г. (СITES),
разработанная МСОП и контролируемая Программой ООН по
окружающей среде. К 1988 г. Конвенцию подписали 96 стран . Список
видов, живыми особями или изделиями из которых запрещено торговать,
содержит в настоящее время 675 наименований. Торговля другими 27000
видов возможна только при определенных условиях и по специальным
разрешениям. Это соглашение позволило уменьшит ь масштабы
незаконной торговли некоторыми подвергающимися опасности
исчезновения дикими видами, особенно крокодилами, черепахами и

101
некоторыми крупными видами семейства кошачьих, чья шкура ценится из-
за меха.
Важную роль в сохранении и увеличении численности фауны и
флоры играют заповедники и заказники. В Российской Федерации
насчитывается около 80 заповедников, в том числе 16 биосферных, общей
площадью более 20 млн. га, или около 1,2 % территории страны. Это, к
сожалению, меньше, чем в других регионах мира [22].
В ряде заповедников имеются питомники, в которых сохраняется
ценнейший генофонд, содержатся, изучаются и разводятся редкие виды
животных. Так, в Окском заповеднике расположены питомники зубров,
журавлей и хищных птиц.
Заказники представляют собой природные комплексы,
предназначенные для сохранения, воспроизводства и восстановления
природных ресурсов. В России создано более 1500 заказников, из них 1064
- зоологические, 183 - ботанические. В Томской области на март 1996 г.
существ овали 16 природных зака зников, в том числе 13 - зоологические и
1 биологический. Так, «Осетрово -нельмовый» заказник регионального
значения организован в целях восстановления запасов ценных видов рыб:
осетр, нельма и стерлядь в бассейне р. Обь [45]. 2. Использование генных банков , зоопарков, исследовательских
центров, ботанических садов и аквариумов для сохранения небольшого
количества особей диких животных.
Ботаники сохраняют генетическую информацию и подвергающиеся
опасности исчезновения растительные виды путем хранения их семян 
генных банках - охлажденных средах с низкой влажностью. В мире
сегодня существуют генные банки наиболее известных и многих
потенциальных видов сельскохозяйственных культур и других растений.
Ботанические сады во всем мире также помогают сохранять
опреде ленное генетическое разнообразие, имеющееся в природе. Однако у
садов слишком небольшая площадь и слишком мало денег, чтобы
сохранить все подвергающиеся опасности исчезновения растения мира.
Зоопарки и центры исследования животных приобретают всё
большее з начение для сохранения репрезентативного числа видов
животных и птиц, подвергающихся опасности исчезновения. Из -за
дефицита площадей и средств зоопарки мира в настоящее время содержат
только 20 подвергающихся опасности исчезновения видовс популяциями в
100 и более особей. Это минимальное количество особей, позволяющее
популяции выжить в результате несчастных случаев, болезней или потери
генетического разнообразия из -за узкородственного размножения.
3. Охрана и защита разнообразия уникальных и типичных экосистем
во всем мире.

102
По мнению специалистов лучшим способом предотвращения потерь
диких видов является учреждение и поддержание всемирной системы
резерватов, парков и других охраняемых территорий. Эта система должна
включать в себя по меньшей мере 10 % всей суши мира. Основная цель
такой системы - охрана и регулирование экосистемы в целом, а не
конкретных видов, как это практикуется в настоящее время при видовом
подходе к охране диких животных.
Экосистемный подход способен предотвратить опасность, которой
мог ут подвергаться многие виды в результате антропогенной деятель -
ности. Кроме того, это дешевле, чем регулировать подвергающиеся опас-
ности исчезновения отдельные виды. Резерваты станут местами обитания
видов животных, находящихся в настоящее время в зоопарк ах и прочих
неестественных условиях обитания. Резерваты можно также использовать
для исследования диких животных и для образовательных целей. К 1988 г. в мире насчитывалось более 3600 основных охраняемых
территорий, занимающих почти 4,4 млн. квадратных кил ометров (3,2 %
всей территории суши).
К таким территориям относятся биосферные заповедники и
национальные парки, ландшафтные заказники, природные парки и
санитарно -курортные зоны, охраняемые ландшафты и отдельные
природные объекты.

4.3. Состояние исчерпае мых невозобновимых ресурсов

Исчерпаемость невозобновимых ресурсов определяется их резервами
в природе и интенсивностью использования человеческим обществом.
В соответствии с данными ООН население Земли в феврале 2006 г.
составило 6,5 млрд. Демографы счита ют, что численность к 2110 г.
достигнет 10,5 млрд. чел. При этом средняя плотность населения планеты
составит 70 человек на 1 км
2 суши.
Плотность населения на планете весьма неравномерна - 
европейских странах она выше, чем в других и составляет в среднем
95 чел./км
2. В России плотность населения - 8 чел./км 2, причем 4/5
населения сосредоточено в Европейской части. В Молдове плотность
населения составляет 120 чел./км
2, в Грузии - 74 чел./км 2, в Азии –
55 чел./км 2, в Индии - 130 чел./км 2, в Китае - 110 чел. /км 2, в Африке –
14 чел./км 2, в Северной Америке - 14 чел./км 2, в Южной Америке –
13 чел./км 2, в Австралии и Океании - 3 чел./км 2, в Нидерландах и Японии -
300 чел./км 2.
В обозримом будущем возникновения проблемы исчерпаемости
пространства обитания не ожидается. Оптимизация использования суши

103
может осуществляться за счёт освоения необжитых и малообжитых
регионов с искусственным улучшением на них условий жизни человека.
Исчерпаемость энергетических ресурсов рек определяется
рентабельностью сооружения и эксп луатации гидроэнергетических
устройств на реках, каналах и водохранилищах. Каскад ГЭС, возведенных
на Ангаре, Волге и других крупных реках, существенно замедляет
скорость течения воды. Например, до строительства ГЭС на Волге вода
«добегала» от Рыбинска до Волгограда за 1,5 месяца, сейчас - за 1,5 года
[24].
Ресурсы полезных ископаемых возобновимы в процессе эволюции
литосферы, однако время их возобновления, измеряемое сотнями тысяч и
миллионами лет, несопоставимо со временем разработки месторождений и
расхо дованием минеральных богатств. Интенсивная разработка
месторождений приведёт к прогрессирующему истощению земных недр.
Содержание главных химических элементов в верхнем слое земной
коры показывает, что только 9 элементов составляют 99 % всей её
массы [46]:

Элементы Содержание, % Элементы Содержание, %
Кислород 45,2 Магний 2,8
Кремний 27,2 Натрий 2,3
Алюминий 8,0 Калий 1,7
Железо 5,8 Титан 0,9
Кальций 5,1 Другие 1,0

Остальные известные элементы представлены в малых и очень
малых количествах.
Потребление многих минеральных ресурсов растёт по
экспоненциальному закону. На рис. 4.4 показано мировое потребление на
душу населения трёх важных минеральных продуктов: цин ка, алюминия,
хромита (хромит - источник металлического хрома в стальных сплавах,
используется также в качестве термоизолятора печей и в производстве
химических продуктов). Представленные данные позволяют убедиться, что
мы действительно имеем дело с экспон енциальным темпом роста, а не с
кратковременными флуктуациями.
В настоящее время имеются довольно разноречивые данные о
мировых запасах полезных ископаемых, называются различные сроки
«обеспеченности» ими человечества [6, 31, 46]. Но приводимые результаты
не внушают чрезмерного оптимизма, особенно по запасам цветных
металлов. Запасы меди, свинца, цинка, олова, по прогнозам иссякнут в ХХI
столетии, то же самое ожидает драгоценные металлы, а также кобальт,

104
вольфрам, молибден, марганец, а до 2500 г. будут израсходованы запасы
всех металлов.

Кг
Рис. 4.4. Мировое потребление на душу населения трех минеральных продуктов [46]

По оценкам, приведённым в [22], в России стоимость разведанных и
предварительно оцененных запасов минерального сырья н а 1994 г.
составля ла 28 трлн. долларов, что эквивалентно по стоимости 2 млн. т
золота или валовому национальному продукту страны за 20 лет. Доля
России в мировой добыче угля, нефти и газа составляет от 10 до 30 %, по
металлам - 10 - 15 %.
С распадом СССР месторождения марганца, свинца, хрома, сурьмы,
титана и ртути оказались на территориях бывших союзных республик, у
которых Россия вынуждена закупать их на сумму 2 млрд. долл. в год.
Разведанных запасов нефти России хватит на 35 лет. Золота,
добываемого на россыпных месторождениях (70 % всей добычи), хватит
на 3 -5 лет. В Якутии в ближайшее время будут исчерпаны запасы алмазов,
добываемых открытым способом.
С 1992 г. прирост разведанных запасов полезных ископаемых не
покрывает их добычи. В то же время экспорт сырья в 1993 г. по сравнению
с экспортом в 1992 г. возрос на 20,9 %. Это следует расценивать как
результат «предпринимательской» деятельности государственных и
частных структур - от природы взять всё, что можно, чтобы выжить
сегодня. Между тем, ресурсонасы щенность России, которая измеряется
0 1 2
3
4 5 6 7 8
9
1910 1930195019701980Года
Цинк
Хромит
Алюминий

105
количеством потребляемых ресурсов на душу населения, в 1,5 - 3 раза
ниже, чем в промышленно развитых странах.
Ожидается, что к 20 20 г. будет исчерпана сырьевая база на 50 %
добывающих предприятий, и Россия из экспортёра минерального сырья
может превратиться в его импортёра.

4.4. Пути решения проблемы ресурсов полезных ископаемых

Проблема истощения минеральных ресурсов на нашей планете
является весьма актуальной. В связи с этим приобретают особую важность
задачи увеличен ия запасов полезных ископаемых путём изыскания
месторождений на новых территориях, в частности, использование вод и
шельфов Мирового океана, горных пород континентальной коры; охрана и
рациональное использование недр; развитие малоотходного производства с
использованием вторичных материальных ресурсов.

4.4.1. Использование вод и шельфов Мирового океана, горных пород континентальной коры

Вода сама по себе является главным богатством гидросферы, но
кроме неё в этой оболочке Земли есть ещё много других не менее важных
ресурсов. Океаны, которые покрывают 70,8 % земной поверхности и
имеют среднюю глубину 3,96 км, представляют собой резервуар для
многих растворимых веществ, вынесенных из горных пород и почв
континентов, а также содержащихся в газах подводных вул канов.
Солёность морской воды составляет 3,5 %. Натрий и хлор, образующие
обычную соль, являются самыми распространёнными; вместе с магнием,
серой, кальцием и калием они составляют 99,5 % всех растворённых
веществ [46]:

Элементы Содержание, % Элементы Содержание, %
Хлор 55,07 Бром 0,19
Натрий 30,62 Углерод 0,08
Магний 3,68 Стронций 0,02
Сера 2,73 Бор 0,01
Кальций 1,18 Калий 1,10
Каждый кубический километр морской воды содержит значительные
количества ещё 64 э лементов, например, в одном таком кубе содержится в
среднем по 2000 кг цинка и меди, 800 кг олова, 280 кг серебра и 11 кг
золота. Вся масса золота, содержащегося в водах Мирового океана,
составляет 10 млрд. т - в несколько раз больше исчисляемых запасов всех

106
цветных металлов на континентах; урана в морских и океанических водах
содержится около 4 млрд. т [31].
Несмотря на то, что в морской воде содержатся все элементы, из
которых состоят горные породы, только четыре из них могут добываться с
экономической вы годой в значительных количествах: это натрий и хлор
(извлекаемые в виде поваренной соли), магний и бром. В настоящее время
из морской воды получают треть мирового производства соли, 61 %
металлического магния, 70 % брома. Полезные ископаемые мирового океан а могут также располагаться в
прибрежных россыпях, на морском дне и в морских недрах. Особое
значение сейчас приобретают запасы полезных ископаемых,
расположенные на шельфе - мелководной платформе или террасе,
окаймляющей континенты и занимающей 7,5 % водной поверхности
Мирового океана. На шельфе скапливается огромная масса осадочных
пород и происходит концентрация различных полезных ископаемых.
Начиная с 60 -х годов прошлого столетия, ведется интенсивное изучение и
освоение минеральных богатств шельфа. На шельфе открыто и
эксплуатируется значительное число месторождений нефти и газа; ведутся
разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых - магнетитовых
и титаномагнетитовых песков, россыпного золота и платины,
редкоземельных элементов, меди, серы, марганца, олова, никеля, кобальта,
фосфоритов, алмазов и др. В Японии подводная разработка угольных
месторождений обеспечивает более 20 % всей добычи угля, в Англии –
10 %.
На больших глубинах огромные территории дна Тихого, Индийского
и Атлантического океанов покрыты железомарганцевыми конкрециями
(рудными скоплениями), общая их масса ориентировочно только в Тихом
океане определена в 1500 млрд. т; прогнозные запасы меди, никеля и
кобальта составляют 20 -25 млрд. т. Разведанные скопления конкреций
содержат в 20 раз больше кобальта, в 90 - никеля и в 42 раза - марганца,
чем во всех известных месторождениях континентов. Японские
исследователи утверждают, что уже в начал е ХХI столетия добыча
конкреций может удовлетворить потребности в кобальте на 50, а в
марганце на 18 %, а также то, что за счёт конкреций морских
месторождений человечество может удовлетворить свои потребности в
меди на 3, никеля на 70, марганца на 140, кобальта на 420 тыс. лет [31]. В глубоководных зонах на дне океанов залегают диатомовые и
глобигерин овые илы и красная глина; первые содержат огромные
количества кальция и кремнезёма, красная глина на 25 % состоит из оксида
алюминия. На дне Красного моря в глубоких разломах обнаружены
скопления ила, богатого серебром, цинком, медью и др. металлами; у

107
берегов Судан а и Саудовской Аравии на глубине до 2000 м открыт ы
десятки таких месторождений.
Таблица 4.1
Содержание некоторых химических элементов в 1 км
3 средней
континентальной коры и в средней морской воде (в тоннах)

Элемент
В средней континентальной
коре В средней морской воде
Натрий 69000000 11020000
Калий 51000000 396000
Хлор 5700000 19800000
Марганец 1809000 1,9
Цинк 170000 2,0
Хром 130000 0,2
Бром 120000 68000
Никель 100000 2,0
Медь 86000 2,0
Кобальт 32000 0,05
Уран 7800 3,3
Олово 5700 0,8
Серебро 160 0,3
Золото 5 0,01

Потенциальные ресурсы морей и океанов огромны, но не могут
интенсивно использоваться пока не будут найдены специфические
реакции, позволяющие выделять только определенный элемент или группу
элементов. В противном случае т ехнологический процесс будет
дорогостоящим из -за его высокой энергоёмкости и нецелесообразным,
если не смогут рационально использоваться те большие объёмы попутных
материалов, которые получатся в результате. Кроме того, низкие
концентрации большинства элем ентов в морской воде делают задачу их
извлечения слишком трудной из -за необходимости перерабатывать
больш ие массы воды.
В табл. 4.1. приведены данные о содержании некоторых химических
элементов в континентальной коре и в морской воде. Континентальная
кора - твёрдая оболочка Земли, выступающая над уровнем океана [46].
Практически все элементы более широко распространены в
континентальной коре. Данные таблицы позволяют предполагать, что если
когда -нибудь мы действительно исчерпаем месторождения суши и должны
будем перейти на ресурсы либо в обычных горных породах, либо в

108
морской воде, то выбор, вероятно, будет сделан в пользу извлечения
элементов из горных пород суши.

4.4.2. Охрана и рациональное использование недр

Можно выделить следующие направления охраны и рационального
использования недр:
1. Комплексное использование природных ресурсов. Под
комплексным использованием природных ресурсов понимается добыча не
только основных, но и сопутствующих полезных ископаемых, а также
переработка отходов горного произв одства. Возможность такого
использования природных ресурсов закладывается на этапе геологических
изысканий и проектирования предприятий горнодобывающих отраслей
промышленности [22].
Практически все месторождения твёрдых полезных ископаемых
являются комплексными: они содержат, как правило, несколько различных
минералов и химических элементов, одни из которых считаются
основными, другие - попутными (сопутствующими или совместно
залегающими) полезными ископаемыми.
В угольной промышленности наряду с добычей угл я комплексно
должны использоваться все сопутствующие минеральные ресурсы недр:
шахтные породы, вода, метан.
В связи с недостаточной проработанностью применяемой
технологии на некоторых месторождениях в железорудной
промышленности теряются медь, кобальт, св инец, цинк, золото и сера.
Руды цветных металлов, как правило, содержат несколько
процентов, а иногда и доли процентов основного металла. Поэтому в
цветной металлургии приходится извлекать из недр намного больше
горной массы на единицу продукции, чем в чёр ной металлургии, что
вызывает увеличение объёма работ по добыче и обогащению руд. В то же
время руды цветных и редких металлов имеют сложный состав, причём
многие спутники по ценности значительно превосходят основные
компоненты.
Комплексное использование сырья даёт возможность получать около
40 элементов в виде металлов высокой чистоты и химических соединений
и организовать промышленное производство многих необходимых видов
продукции. По комплексности использования сырья отечественная цветная
металлургия находится на уровне наиболее технически развитых стран.
Например, медная промышленность наряду с медью извлекает попутно 13
ценных компонентов и на их основе производит дополнительно более 20
видов продукции; свинцово -цинковая - 18 компонентов; из медно -

109
никелевых руд кроме никеля, меди и кобальта извлекают металлы
платиновой группы, золото, серебро, серу, селен и теллур.
Но комплексное использование всё же пока недостаточно - при
переработке теряется 15 % меди, 50 % цинка, 45 % свинца и 14 %
благородных метал лов.
2. Исключение потерь минерального сырья при добыче, переработке
и транспортировке. Добыча и переработка полезных ископаемых связаны
со значительными потерями минерального сырья. Меньшие потери бывают
при открытом способе разработки месторождений: 10 % составляют
потери угля; 3 -5 % - вольфрамо -молибденовых руд; 3,0 - 3,5 % - медных
руд; 5- 7 % сbgphо -цинковых руд. При подземной разработке
месторождений потери более значительны: потери угля составляют 30 -40
%; hevnjZfh -молибденовых руд - 10- 12 %; мед ных руд - 10- 13 %;
свинцово -цинковых - 12- 16 % [11].
Потери нефти в отдельных случаях составляют 70- 80 % разведанных
запасов. В газовых факелах порой годами сжигаются миллиарды
кубометров попутного нефтяного газа.
Велики потери при перевозке минерального с ырья. Так, при
транспортировке угля от Новокузнецка до Магнитогорска потери в
среднем достигают 1,2 т на каждый полувагон за счёт «выдувания»
угольной пыли. Между тем, устранение подобных потерь возможно за счёт
устройства на пунктах отправки продукции установок для поливки угля
водомазутными эмульсиями, образующими устойчивую защитную плёнку.
Для этих целей может использоваться не только мазут, но и другие
продукты нефтепереработки, да и просто вода, даже загрязнённая
шлаками.
Одним из путей решения пробле мы снижения запасов полезных
ископаемых, а также уменьшения загрязнения окружающей среды является
снижение разубоживания полезных ископаемых, т.е. их обеднения в
результате смешивания с породами при добыче и транспортировке.
Вследствие разубоживания руд в последующие процессы переработки и
складирования хвостов обогащения вовлекаются на 20- 25 % больше
горной массы, чем это могло бы быть при «чистой» выемке. Помимо
экономического ущерба это наносит существенный урон окружающей
среде, поскольку требуется выделение более значительных площадей для
размещения хвостохранилищ.
Ещё один путь решения обсуждаемой проблемы - создание
прогрессивных технологий в области обогащения сырья, что позволяет
использовать для переработки сырье худшего качества. Так, в начале ХХ
века промышленными считались руды, содержащие 5 -6 % меди, а сейчас -
0,5 - 0,6 %.

110
Глубина переработки нефти (отбор светлых нефтепродуктов) в
нашей стране на 30 % ниже, чем в США. А светлые нефтепродукты - это
дизельное топливо, бензин, сырьё для химии. Остальное уходит в мазут,
гудрон, асфальт. Повышение глубины переработки нефти позволило бы
сократить добычу её на миллионы тонн. 3. Использование современных методов геологического изучения
недр для выявления и оценки месторождений полезных ископаемых,
и сследования закономерностей их формирования и размещения,
выяснения условий разработки месторождений.
Использование геофизических, аэрокосмических методов,
современных способов бурения позволяет создавать карты всё более
глубоких горизонтов земной коры. Эф фективность исследований
позволяет повысить современная вычислительная техника, с помощью
которой ведётся обработка полученной информации.
4. Охрана месторождений от обводнения. Осуществляя
геологическое изучение территорий, геологи обязаны обращать вниман ие
на площади, намечаемые к затоплению водохранилищами или отводу под
сооружения. Необходимо давать заключение о перспективности таких
территорий на различные виды минерального сырья. Игнорирование этого
приводит к ситуациям, подобным той, которая произошл а на Иркутской
ГЭС, когда создание водохранилища привело к потере крупного
месторождения свинцово -цинковых руд.

4.4.3. Использование вторичных ресурсов

В результате хозяйственной деятельности образуются отходы,
являющиеся потенциальным сырьём. В зависимости от источника
образования их делят на две группы: отходы производства и отходы
потребления [50,51].
В результате деятельности человека образуется несколько сотен
видов отходов, а традиционно используется несколько видов, среди
которых металлы, пластмассы, бумага, стекло. Вторичное использование
материалов решает целый комплекс вопросов по защите окружающей
среды: сокращается потребность в первичном сырье, уменьшается
загрязнение вод и земли, сокращаются энергетические и другие затраты на
переработку сырья, что оказывается и экономически выгодным.
Истощение запасов первичного сырья потребовало перевода технологий
многих стран на использование вторичного сырья, а также создания
безотходных и малоотходных производств, основой которых является
рациональное использование всех компонентов сырья в замкнутом цикле
(первичные сырьевые ресурсы - производство - потребление - вторичные
сырьевые ресурсы).

111
Экономическая и экологическая целесообразность использования
отходов доказана практической работой многих предприя тий в разных
странах.
Использование макулатуры позволяет при производстве тонны
бумаги и картона экономить 4,5 м
3 древесины, 200 м 3 воды и в 2 раза
снизить затраты электроэнергии. К тому же в 2 -3 раза снижается
себестоимость продукции. Для изготовления тог о же количества бумаги
требуется 15- 16 взрослых деревьев.
Сталь из металлолома на 70 % дешевле получаемой из руд. При этом
экономится на каждой тонне стали 1,5 т руды и 0,2 т кокса. При переплавке
1 т металлолома (вместо обычного сырья) на 86 % уменьшается
загрязнение атмосферы, на 76 % - воды, на 97 % сокращается объём
отходов.
Большую экономическую выгоду даёт использование отходов
цветных металлов, так, для получения 1 т меди из руды необходимо
добыть из недр и переработать 700- 800 т рудоносных пород [51]. На
получение 1т алюминия из натурального сырья приходится затрачивать 18 -
20 тыс. кВт/ч электроэнергии, а на получение алюминия из
использованных алюминиевых банок необходимо затратить лишь 5 % от
указанного выше количества электроэнергии.
Степень утилиз ации алюминиевых жестяных банок различна в
промышленно развитых странах: в Великобритании она составляет 3,5 %, в
странах Западной Европы - 13 %, а в США - 55 %. Кроме того, при
предварительной обработке банок собирается значительное количество
олова [50].
Тонна бытового и промышленного стеклобоя высвобождает 1,25 т
сырья, в том числе около 250 кг дефицитной кальцинированной соды. Стеклянные банки утилизируются двумя путями: повторным
использованием, либо отправлением на переплавку на заводы по
производству стеклянной тары, основная масса стеклянной тары
используется однократно, после чего её направляют на переплавку.
Швейцария, Нидерланды, Австрия и Бельгия утилизировали более
половины использованной стеклянной тары. В Швейцарии в настоящее
время изготовляю тся бутылки и банки с использованием
утилизированного стекла для 75 % продукции. При этом зеленые бутылки
почти полностью изготовляются из стеклянного боя. Пластмассы в виде отходов естественным путём разлагаются очень
медленно, либо вообще не разлагаются. При их сжигании атмосфера
загрязняется ядовитыми веществами.
В настоящее время в мире утилизируется лишь небольшая часть из
ежегодно выпускаемых 80 млн. т пластмасс. Между тем, из 1 т отходов

112
полиэтилена получается 860 кг новых изделий. Тонна использованных
полимеров экономит 5 т нефти.
Наиболее эффективными способами предотвращения накопления
пластмассовых отходов является их вторичная переработка (рециклинг) и
разработка биодеградальных быстроразрушающихся в природе
полимерных материалов.
Рециклинг пластмассовых отходов осуществляется в США, Японии
и 16 промышленно развитых странах Европы. По оценке Управления по
охране окружающей среды общее количество отходов пластмасс к 1992 г.
в США достигло более 23 млн.т. Согласно данным компании «Бизнес
комьюникейш н» количество рециклируемых пластмасс в США возросло
со 103,4 тыс. т в 1989 г. до 406 тыс. т в 1994 г. В целом , только в 2000 г,
рециклинг пластмасс в США состави л 50- 60 %. В Японии ещё в 1988г. при
общем объёме полимерного производства 11 млн. т объём продукции по
вторичной переработке достиг 4,87 млн. т. В странах ЕС по данным
английской фирмы «Фрост Салливан» количество отработанной
пластмассы, включенной в рециклинг, увеличи лся с 914 тыс. т в 1991 г. до
2,4 млн. т к 1996 г. Наибольшее количество рециклированной пластмассы
среди стран ЕС приходится на Германию: в 1996 г объём пластмассовых
отходов в Германии состав ил около 2,5 млн. т, из которого 500 тыс. т
подверглось рециклингу. Количество образующихся отходов пластмасс в
Великобритании оценива лось  1 260 тыс. т в год. Ежегодно из отходов
регенерир овалось и haраща лось в цикл 150 тыс. т пластмасс [50].
К сожалению, в России данные по объёму образования отходов
производства и потребления, а также их использования не могут
рассматриваться как вполне дост оверные, так как государственная
статистическая отчётность практически отсутствует. Согласно
ориентировочным оценкам вторичное использование отходов
производства составляет не более 28 %.
Рассмотрение различных аспектов проблемы сырьевых ресурсов не
внушает большого оптимизма, но и не даёт основания для безысходности,
поскольку человечество уже имеет на вооружении достаточно много
достижений направленных на разрешение минерально -сырьевого кризиса
и, будем надеяться, не остановится на достигнутом.

Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ

Для всех народов земли одна из наиболее актуальных задач -
решительное пресечение природоразрушающих форм любого вида
деятельности, замена их экологизированными.
Обсуждение проблем энергетики и связанного с этим загрязнения
окружающей среды (ОС), борьба мнений вокруг их социальных и

113
экономических аспектов имеют место практически во всех государствах
мира. Прошедшая в 1992г. в Рио-де Жанейро Конференция ООН по
окружающей среде и развитию в качестве основы стратегии мирового
развития приня ла концепцию устойчивого развития, которое возможно
только при устойчивом энергоснабжении.
Давление на энергетику, особенно ядерную, усилилось после аварии
на Чернобыльской АЭС. Озабоченность всех здравомыслящих людей проблемами энергетики
настоящего и будущего естественны, поскольку энергия обеспечивает
развитие цивилизации, да и просто жизнь каждого человека. Но "... не
существуют простые способы выбора источника энергии... Все они
требуют компромиссных решений. Однако имеются решения и
компромиссы, которые представляются несомненно лучшими, они
обеспечивают больший прогресс в развитии и меньший ущерб для
ОС" [28].
В этой главе мы попытаемся, используя фактический материал,
проследить воздействие известных способов получения энергии на ОС.
Теоретически все источники энергии: невозобновляемые (уголь,
ядерное топливо и др.) и возобновляемые (энергия Солнца, приливов,
волн, ветра и др.) - смогут способствовать в будущем созданию
смешанной глобальной системы энергетических ресурсов. Но каждый
источник характе ризуется присущими ему факторами: экологическими,
экономическими, выгодой, риском. Выбор данной энергетической
стратегии неизбежно означает и выбор определен ной экологической
стратегии. [28].
Рост спроса на энергию привел к крайне неравномерному
глобальн ому распределению потребления первичной энергии [28].
Например, потребление энергии на душу населения в индустриальных
странах более чем в 80 раз превышает потребление в странах Центральной
Африки. Пятерка стран - лидеров по этому показателю (1985 г., кВт. ч):
Норвегия - 24777, Канада - 16522, Швеция - 16165, США - 10781, СССР -
5445. Примерно четвертая часть мирового населения потребляет 75 %
энергии и потребление неуклонно растет, из чего следует, что
экологические проблемы энергетики имеют существенный
г еополитический аспект.

114

Основные факторы воздействия энергетики на ОС схематично
представлены на рис. 5.1 [29].

115
5.1. Тепловые электростанции

В настоящее время основная часть энергии во многих странах
вырабатывается при сжигании органического топлива. Роль различных
источников в производстве электроэнергии в США и СНГ приведены на
д и аграммах (рис. 5.2.), по состоянию на 1993 г. [30].
В числе первых факторов воздействия ТЭС на окружающую среду
можно назвать потребление природных ресурсов, прогнозные запа сы
которых составляют согласно [31]:
1. Уголь - 11240 млрд. т.
2. Нефть - 743 млрд. т.
3. Газ - 229 млрд. т.
Как видим, уголь является наиболее конкурентноспособным среди
других органических энергоресурсов. Специалисты считают, что запасов
его, дост упных для разработки, сегодня впятеро больше, чем сожжено
всеми цивилизациями до наших дней. Однако в 1955 -72 годах доля нефти в
удовлетворении энергетических потребностей стран Западной Европы и
США увеличилась с 10 до 60 %, доля угля сократилась с 75 до 20 %.

а б
1. ТЭС на угле 55%; 1. ТЭС 70%;
2. АЭС 20,6 %; 2. ГЭС 17,97 %;
3. ТЭС на газе 9,4 %; 3. АЭС 12 %;
4. ТЭС на нефти 4,2 %; 4. Прочие 0,03 %;
5. ГЭС 10 %;
6. Прочие 0,8 %. Рис. 5.2. Роль различных источников в производстве
электроэнергии: а) в США; б) в СНГ

Правда, после того, как в 1973 г. в мире разразился нефтяной кризис,
США стали резервировать основные запасы нефти на территории своей
страны и выплачивать владельцам этих земель компенсацию за
неразработку месторождений. В СНГ добыча нефти и газа составляет
более 70 % добычи природных видов топлива и только 25 % приходится на

116
долю угля, хотя прогнозные его запасы в 20-30 раз превышают запасы
нефти и в 30 -50 раз - природного газа.
К роме того, нефть, газ, да и уголь являются ценным сырьем для
других отраслей промышленности, например, химической. Еще
Д.И. Менделеев приравнивал использование нефти как топлива к
сжиганию денежных знаков.
При сжигании твердого, жидкого и газообразного топ лив на ТЭС вся
их масса превращается в отходы, причем продукты сгорания в несколько
раз превышают массу использованного топлива за счет включения
кислорода и азота воздуха (в 5 раз - при сжигании газа и в 4 раза - при
сжигании угля).
Все топливосжигающие у становки ежегодно выбрасывают в
атмосферу Земли более 200 млн. т окиси углерода, 50 млн. т различных
углеводородов, почти 150 млн. т двуокиси серы, свыше 50 млн. т окислов
азота, 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. В общем загрязнении
атмосферы отходами производства теплоэнерге тические выбросы вредных
веществ составляют по пыли 20 -35 %, диоксиду серы - до 50 %, по окислам
азота - 30- 35 %. [32].
Можно выделить следующие виды загрязнения окружающей среды
объектами теплоэнергетики:
1. Выбросы Zlfhkn еру в виде пыли, окислов серы, азота, углерода.
Пыль или летучая зола содержит алюмосиликаты, сульфаты кальция,
щелочных металлов, магния, железа, некоторые микроэлементы, двуокись
кремния, количество которых в золе колеблется от 10 до 82 %. Ее
биологическ ая активность при попадании в дыхательные пути и легкие
зависит от дисперсного состава частичек пыли. Частицы с размерами более
12 мкм практически полностью задерживаются при дыхании в верхних
дыхательных путях и плохо удаляются из организма. Более мелкие
частицы проникают в нижние дыхательные пути и частично
задерживаются там.
Выбросы углекислого газа способствуют возникновению
"парникового" эффекта, который в перспективе может привести к
изменению климата на планете.
Окислы серы и азота являются причиной кислотных осадков.
Окислы азота к тому же являются одним из разрушителей озонового слоя,
поглощающего жесткое ультрафиолетовое космическое излучение. Одна
т онна окислов азота способна разрушить до 1 тыс. т озона.
При сжигании топлива образуются продукты не полного сгорания:
окись углерода, сажа, смолистые вещества, содержащие полициклические
ароматические углеводороды (ПАУ), в частности, относящиеся к классу
чрезвычайно опасных - бенз(а)пирен, являющийся канцерогенным
веществом.

117
2. Твердые нелетучие от ходы (зола, шлак).
Удаление золошлаковых отходов связано с отторжением территорий.
Если сама ТЭС средней мощности занимает 200 -300 га, то площадь
золоотвала через 10 лет эксплуатации ТЭС достигает 800 -1500 га. ТЭС
средней мощности, работающая на экибастузских углях, сжигает до 2500 т
топлива в час, при этом образуется до 1000 т золы. Содержание ряда
токсичных микроэлементов в золе ТЭС значительно превышает их среднее
содержание в земной коре - например, мышьяка - в 100 раз, бериллия - в 60
раз [33]. В ряде случаев поступление в окружающую среду металлов за
счет сжигания ископаемого топлива значительно превосходит их
производство, например, мировое производство урана в 1971 г. составило
30 тыс. т, а его поступление в биосферу за счет сжигания каменного и
бурых углей - 204 тыс. т [32]. Вследствие этого ТЭС (особенно на угле)
являются серьезным источником внешнего и внутреннего облучения:
например, вблизи ТЭС мощностью 1000 МВт (электрическая) годовые
дозы облучения составляют 6 - 60 мкЗв [30] (предел дозы - 5000 мкЗв/год).
3. Сброс отработанной воды, содержащей нефтепродукты, взвеси,
растворимые соединения металлов и др.
Более 85 % поступающей на ТЭС воды используется для охлаждения
конденсаторов турбин. Вода нагревается в конденсаторах на 8 - 10
°С и
haра щается в водоем практически без изменения химического состава,
исключая уменьшение содержания кислорода.
К сточным водам относятся воды после охлаждения различных
аппаратов, сбросные воды из систем гидрозолоудаления,
водоподготовительных установок, стоки п осле обмывок и химических
промывок теплосилового оборудования. Эти сточные воды содержат
мышьяк, ванадий, минеральные и органические кислоты, соли кальция,
магния и натрия, а также загрязнены нефтепродуктами.
4. Тепловое загрязнение
Низкопотенциальные тепловые выбросы возрастают почти
пропорционально росту производства электроэнергии. Величина тепловых
выбросов, которая может представлять опасность для планеты,
оценивается в 1 - 5 % от количества солнечной энергии, воспринимаемой
поверхностью Земли. Е сли учесть, что в настоящее время по данным
разных авторов, суммарное антропогенное выделение низкопотенцильного
тепла составляет 0,006 - 0,02 % солнечной радиации, а темпы прироста
производства энергии в год составляют в среднем 3,5 %, то минимальное
знач ение опасной величины тепловых выбросов, равных 1 % может быть
достигнуто за пределами ХХ1 в..[32].
5. Воздействие электромагнитных полей (ЭМП) линий
электропередачи (ЛЭП).

118
Интенсивное электромагнитное поле промышленной частоты
вызывает у человека н арушение функционального состояния центральной
нервной системы, сердечной деятельности и системы кровообращения.
При этом наблюдается повышенная утомляемость, изменение кровяного
давления и пульса, возникновение болей в сердце. В результате развития электр оэнергетики и систем связи суммарная
напряженность антропогенных ЭМП в различных точках земной
поверхности увеличилась по сравнению с естественным фоном на 2 - 5
порядков. Особенно резко она возросла вблизи энергетических и
энергоемких установок. В масштаб ах эволюционного процесса этот рост
напряженности ЭМП может рассматриваться как одномоментный скачок с
неясными пока биологическими последствиями.[34].
6. Шумовое загрязнение.
Рост единичной мощности основного и вспомогательного
энергетического оборудования, как правило, сопровождается увеличением
звуковой мощности агрегатов, проблема снижения уровня шума особенно
актуальна на крупных ТЭЦ, которые находятся в черте города.
Справедливости ради надо отметить, что шум в условиях ТЭС оказывает
основное вли яние на людей, находящихся в рабочей зоне.[32].
7. Отчуждение земель при строительстве энергоблоков.
Этот фактор воздействия энергетики на окружающую среду присущ всем
способам получения энергии в большей или меньшей степени, что
иллюстрируют цифры, приведенные в табл. 5.1. [30]. Таблица 5.1.
Площадь земель, занимаемая различными типами электростанций

Тип электростанции Удельная занимаемая площадь, м 2/МВт
1. ТЭС:
на жидком топливе 870
на газе 1500
на угле 2400
2. ГЭС 26500
3. АЭС 630
4. ЭС:
на солнечной энергии 100000
на ветровой энергии 1700000

5.2. Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции (ГЭС) второй по общему объему мощности
источник электроэнергии в России (~18 %). На ГЭС производится

119
четвертая часть электроэнергии в мире, причем в некоторых странах
гидроэнергетика играет основную роль в энергообеспечении, например, на
ГЭС Норвегии вырабатывается 99 %, а в Бразилии - 87 % производимой
электроэнергии.
В 1991 г. за счет эксплуатации ГЭС в СНГ было сэкономлено
70 млн. тут (тонн условного топлива), что предотвратило выброс в
атмосферу 1,2 млн. т золы и 2,2 млн. т SO
2 и NO Х. Однако ГЭС оказывает
негативное воздействие на природу из -за затопления земель и нарушения
водного и экологического равновесия источников гидроэнергии.[30].
В 1991 г. в СНГ работало 200 ГЭС, при их строительстве было
затоплено 12 млн. га сельскохозяйственных угодий (из 22 млн. га,
утраченных за последнее десятилетие). ГЭС и создаваемые при их
строительстве водохранилища - это наиболее крупные техногенные
объекты , расположенные в густонаселенных районах страны. Площадь
Куйбышевского водохранилища 6450 км
2, Братского - 5470 км 2,
Рыбинского - 4550 км 2, Волгоградского - 3120 км 2, Цимлянского -
2900 км 2, Кременчугского - 2250 км 2. [24].
Недавно стали всерьез изучаться экологические явления,
характерные только для водохранилищ. Изменение уровня воды в
водохранилищах происходит не по законом природы, а по командам
диспетчера. Колебания различных параметров, определяющих условия
обитания живых организмов, совершаются в виде скачков и вне
зависимости от жизненных циклов населяющих водоем организмов.
Снижается биопродукционный потенциал организмов. Масса сине -зеленых
водорослей в отдельных местах начинает превышать 50 кг/м
2, при их
отмирании и разложении резко уме ньшается содержание кислорода в воде,
выделяются токсические вещества. Гибнет рыба, вода становится
непригодной для питья, ее практически невозможно использовать в
технических целях, нарушаются рекреационные условия на побережье.
Уменьшается самоочищающая способность водоемов, в отдельных зонах
возникают заморные условия.
Зарегулирование рек позволило направить воду на орошаемые поля,
заводы, электростанции. Гидроузлы ликвидировали во многих районах
опасность весенних наводнений. Но в это же время водохранилища
привели к постоянному затоплению лесов и лугов, многих населенных
мест, памятников культуры, месторождений полезных ископаемых и
других ценных объектов. Просачиваясь в грунт, вода подтапливает и
заболачивает обширные прибрежные территории, изменяет их ландшафт и
микроклимат. В результате близости Цимлянского водохранилища к г.
Волгограду происходит подтопление грунтовыми водами фундаментов
цехов завода "Атоммаш". [35].

120
Водохранилища могут повышать сейсмичность районов их
расположения. Разрушение плотины крупной ГЭС способно вызвать
катастрофическое наводнение.
Пристрастие к гигантомании и пагубность такого подхода в
природопользовании особенно отчетливо видна на примере ГЭС.
В 1963 г. были введены в действие первые агрегаты Братской ГЭС,
полная мощность которых 4,5 млн. кВт. Оказалось, что такая станция
фактически не нужна, так как рядом не было промышленного комплекса.
Тогда ударными темпами строится ЛЭП -500 для передачи мощности ГЭС
в Иркутск и Западную Сибирь через Красноярск. Это привело к
десятилетн ему застою (1964- 1974 гг.) на сибирских ТЭС. Мощность их
снизилась до 50 %. Оказалось, что в регионах с высоким удельным весом ГЭС больше
половины их мощности не используется. Хотя зимой (особенно в
маловодные годы) спрос на энергию удовлетворяется еле -еле и вводятся
всевозможные ограничения потребителей, а летом мощность ГЭС на 50 %
не нужна.
Во всем мире сейчас отказываются от строительства крупных
равнинных электростанций и переходят на мелкие, бесплотинные, которые
лет 40 назад были придуманы в России. В настоящее время на Кольском
полуострове 17 небольших электростанций, стоящих на малых реках,
незначительно нарушают своей работой окружающую среду, а регион и
ближайших соседей обеспечивают энергией.
В недавние времена в районах создания крупных водохран илищ
затоплялись большие участки леса. По мнению ведомственных
чиновников, его вырубка приносила "копейки" и к тому же отодвигала
сроки ввода ГЭС на несколько лет. Поэтому считалось "экономичным"
оставлять лес под водой. Только при строительстве Богучанской ГЭС на
Ангаре на корню перед затоплением оставлено около 2 млн. м
3 древесины.
Потом приходится расплачиваться за "экономию": лес гниет, водоемы
становятся непригодными для всего живого. Член - корреспондент РАН Г.
Галадий перечисляет адреса экологических преступлений: "При
строительстве Братской ГЭС затоплено 40млн. м
3 древесины. Ими можно
было покрыть все нужды строительства и в определенной мере - заh^h
по ее переработке. Есть заливы на Братском море, в которые нельзя зайти
катером - кругом торчат верхушки деревьев. На Усть -Илимской ГЭС под
водой оказалось 20 млн. м
3. На Енисее все повторилось. Знакомая картина
на Вилюйской, Саяно -Шушенской ГЭС" [24].
После перекрытия Оби плотиной Новосибирской ГЭС и образования
Новосибирского водохранилища изменились гидрологические условия
Оби. В зоне основного водохранилища и Бердского залива
активизировалось загрязнение воды и дна, так как водоем лишен

121
возможности самоочищения в период ледохода и паводка. Уменьшился
видовой и количественный состав рыб: стали преобладать лещ и судак -
если первый пожирает икру других рыб, то второй поедает молодь.
После пуска первой ГЭС Енисей перестал замерзать на десятки км
ниже плотины, следовательно, изменились и условия обитания в этом
районе. Другим стал климат: сухой и здоровый воздух сменился влажным,
туманным. Не вырубленный на дне Красноярского моря лес постепенно
превращает водохранилище в зеленое цветущее мес сиво.
При строительстве Красноярской ГЭС энергетики не построили
рыбоприемники и рыбоходы в плотине, что привело к прекращению
нереста рыбы ценных пород в верхнем течении Енисея.
Несмотря на уже проявившие себя отрицательные экологические
последствия идут дискуссии по проектам строительства Туруханской ГЭС
на Нижней Тунгуске, Катунской ГЭС в Горном Алтае. Мнение
большинс тва ученых: строить эти ГЭС нецелесообразно. Анализ проекта
строительства Туруханской ГЭС показал, что остается, например,
неясным, что будет с подземными солеными озерами, которые попадают в
район ложа водохранилища. Сейчас они скрыты вечной мерзлотой,
ко торая после заполнения водохранилища может растаять, и соленые воды
потекут в Енисей, убивая все живое. Для передачи энергии на дальние
расстояния потребуются сверхмощные линии электропередачи, прокладка
которых сложна и дорога. И таких проблем много.
Стро ительство Катунской ГЭС предполагается в одном из
экологически чистых уголков Земли. Горный Алтай знаменит своими
ландшафтами, кедровыми лесами, альпийскими лугами. Здесь обнаружено
множество археологических памятников - стоянки древних людей,
наскальная ж ивопись. Ртутьсодержащие породы, попадающие в зону
затопления, могут привести к превышению допустимых норм содержания
ртути в воде, а также к нарушению водного баланса Оби. В 1989 г. проект
Катунской ГЭС был отклонен. Однако сейчас этот вопрос вновь стоит 
повестке дня, хотя ясно, что для энергообеспечения таких уникальных
районов должны рассматриваться альтернативные варианты.

122
5.3. Атомные станции

Ядерная энергетика занимает прочное место в энергетическом
обеспечении ведущих стран мира. К концу 1995 г. в 30 странах
действовало 438 ядерных энергоблоков, что обеспечивало выработку 17 %
всей электроэнергии, производимой в мире.
По данным за 1992 г. доля АЭС в общей выработке электроэнергии
составила, %: Франция - 72,9; Бельгия - 59,9; Швеция - 43,2; Япония - 27,2;
США - 22,3; Великобритания - 23,2; СНГ - 12,6; Россия - 11,1. [30].
В 1993 г. АЭС России выработали 119,2 млрд. кВт/час (12,48 %
электроэнергии, полученной в России).
В 1988 г. средняя стоимость киловатт -часа электроэнергии
составила: ТЭС - 0,966 коп., АЭС - 1 коп., ГЭС - 0,15 коп.. [24].
По данным [36] соотношение издержек производства электроэнергии
ТЭС/АЭС для некоторых стран в 1991 г. составило: Бельгия - 1,33;
Франция - 1,44; Япония - 1,24; Испания - 0,95 (все ТЭС на импортируемом
угле).
Несмо тря на значительно более высокие капитальные затраты
издержки производства электроэнергии на АЭС сопоставимы с таковыми
на ТЭС [36]. Для стран, не обладающих значительными ресурсами
органического топлива или практически не имеющих их, единственной
реальной альтернативой ископаемым источникам является атомная
энергия. Так, Япония намеча ла увеличить к 2005 г. не только абсолютную
величину мощности АЭС, но и их удельный вес в общем объеме
электроэнергетической мощности страны. [30].
Справедливости ради нужно о тметить некоторые достоинства АЭС,
работающей в нормальном режиме, по сравнению с уже рассмотренными
выше способами производства электроэнергии.
Главное достоинство атомной энергии - ее высокая энергоемкость.
Например, в 1985 г. четыре блока Ленинградской АЭС выработали
28,5 млрд. КВт/ч электроэнергии. Для производства такого же количества
энергии на ТЭС потребовалось бы 200 тыс. вагонов угля вместо 3- 4
вагонов ядерного топлива, так как 1 т урана по выделяемой теплоте
эквивалентна 2,5 -3 млн. т каменного угля.
При сжигании 1 т угля уничтожается 2,3 т атмосферного кислорода,
в то время как АЭС производит энергию, не потребляя кислорода. При
эксплуатации АЭС не вырабатываются вещества, создающие парниковый
эффект и разрушающие озоновый слой. Экологические после дствия
эксплуатации ТЭС с разными видами топлива и АЭС с реактором типа
ВВЭР мощностью 1000 МВт (эл.) иллюстрирует табл. 5.2. [37]. Табл. 5.1. иллюстрирует преимущество АЭС с точки зрения
отчуждения земель при строительстве энергоблоков.

123
Таблица 5.2.
Экологические последствия эксплуатации ТЭС и АЭС

Потребление топлива Тепловая ЭС Атомная
и выбросы Угольная Мазутная Газовая ЭС
Потребление топлива,
т/год
3,9 ⋅10 6 2,2 ⋅10 6 2,6 ⋅10 6
м3/год
∼200
Потребление атмосфер -
ного кислорода, м 3/год
5,5 ⋅10 9 3,4 ⋅10 9 4,4 ⋅10 9 -
Газовые выбросы, т/год:
углекислый газ 1⋅10 7 6⋅10 6 2⋅10 6 -
окислы серы 124400 84000 - -
окислы азота 34200 21900 23600 -
Канцерогенные
вещества, т/год:

бенз(а)пирен 0,012 0,013 - -
пятиокись ванадия 37 550 - -
Твердые отх оды, т/год 830000 - - ∼25 -30
Еще одно из преимуществ АЭС - возможность приблизить станцию к
потребителю энергии. На каждой тысяче километров линии
электропередачи теряется до 10 % вырабатываемой энергии. Перевозка
органического топлива из восточных район ов в западные составляет более
40 % грузооборота железных дорог.
Несмотря на указанные преимущества даже в условиях безаварийной
работы АЭС ее технология и отходы представляют исключительную
опасность для жизни. На некоторых АЭС при определенных режимах
ра боты ядерных реакторов может образовываться плутоний (с
содержанием изотопа - 239 свыше 90 %), который может быть использован
для ядерного оружия. «Оружейный» уран содержит более 90 % изотопа -
уран 235, а слабо обогащенный уран для АЭС - до 5 % этого изотопа урана,
что не уменьшает его опасности для организма. Если при дыхании в
организм человека попадает 10 мкг плутония - 239, то человек неизбежно
заболевает раком легких. Плутониевый шар величиной с грейпфрут
потенциально содержит такое количество радиоактивного излучения, что
его достаточно, чтобы уничтожить почти все население планеты без
всякого взрыва. [24].
По оценкам, приведенным в [30], средние годовые дозы облучения
от выбросов АЭС составляют от 0,004- 0,008 мкЗв (ВВЭР) до 0,015-
0,13 мкЗв (РБМК). Пр едел дозы по НРБ -99 составляет 5000 мкЗв за год.

124
Для сравнения, радиационная нагрузка на человечество от
искусственных источников такова [38]: Медицина Доза (мЗв/год)
диагностика 0,4
терапия 0,05
ядерная медицина 0,05
Техника (светящиеся
циферб латы, излучение в сумме около 0,6
от телевизоров и т.д.)
Необходимо отметить, что облучению от естественных источников
радиации подвергается любой житель Земли, причем одни из них
получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где
о ни живут. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ,
Италии, Японии и США, примерно 95 % населения этих стран живет в
местах где мощность дозы облучения, в среднем, составляет от 0,3 до 0,6
мЗв, но некоторые группы населения получают значительно большие дозы
облучения: около 3 % получает в среднем 1 мЗв в год, а около 1,5 % - более
1,4 мЗв в год. [39].
Есть, такие места, где уровни земной радиации намного выше.
Неподалеку от города Посус -ди -Калдас в Бразилии уровень радиации
достигает 250 м Зв в год. На пляжах города Гуарапари в той же Бразилии
зарегистрирован уровень радиации 175 мЗв в год. На юго- западе Индии на
узкой прибрежной полосе уровень радиации достигает 17 мЗв в год.
Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации ,
например, в Ираке, Нигерии, во Франции, на Мадагаскаре. Таким образом,
по утверждению ученых при нормальной работе ядерных установок
выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду очень невелики
[39]. Более того, как уверяет тот же источник, для гра жданина какой-либо
промышленно развитой страны, получающего сполна всю среднюю
индивидуальную дозу облучения как от естественных, так и от
техногенных источников радиации, вероятность погибнуть в
автомобильной катастрофе в 5 раз, а вероятность преждевремен ной смерти
из -за курения (при выкуривании 20 сигарет в день) более чем в 100 раз
превышает вероятность умереть от рака вследствие облучения.
В расчете на единицу производимой энергии АЭС сбрасывает в
окружающую среду больше теплоты, чем ТЭС при аналогичных условиях.
Расход воды на охлаждение такой крупнейшей тепловой станции как
Конаковская ГРЭС составляет 70 -90 м
3/с, что соответствует стоку Южного
Буга. Для мощных АЭС этот расход достигает 180 м 3/с [29]. В связи с этим
возникает проблема разработки замкнут ых циклов охлаждения, новых
способов отвода тепла, использования "сбросного топлива". Все это
должно преследовать цель не только повышения общей эффективности

125
использования установки, но прежде всего снижения величины
рассеиваемой в окружающую среду энергии.
Атомные электростанции являются лишь частью ядерного
топливного цикла, который начинается с добычи и обогащения урановой
руды. Следующий этап - производство ядерного топлива. Отработанное на
АЭС ядерное топливо иногда подвергается вторичной обработке, ч тобы
извлечь из него уран и плутоний. Заканчивается цикл, как правило,
захоронением радиоактивных отходов.
На каждой стадии ядерного топливного цикла в окружающую среду
попадают радиоактивные вещества.
Примерно половина всей урановой руды добывается открыт ым
способом, другая половина - шахтным. Добытая руда отправляется на
обогатительную фабрику. И рудники, и особенно обогатительные фабрики
создают проблему долговременного загрязнения: в процессе переработки
руды образуется огромное количество отходов - "хвосто Вблизи
действующих обогатительных фабрик уже скопилось несколько сотен млн.
т и если положение не изменится в 2010-2020 гг. эта величина возрастет до
500 млн. т отходов [39]. Эти отходы будут оставаться радиоактивными в
течение миллионов лет. Таким образом, отходы являются главным
долгоживущим источником облучения населения, связанным с атомной
энергетикой.
Урановый концентрат на специальных заводах подвергается
дальнейшей переработке и очистке и превращается в ядерное топливо. В
результате такой пе реработки образуются газообразные и жидкие
радиоактивные отходы, однако, дозы облучения от них намного меньше,
чем на других стадиях ядерного топливного цикла.
В мире примерно 10 % использованного на АЭС ядерного топлива
направляется на переработку для изв лечения урана и плутония с целью
повторного их использования. При этом, например, отходы заводов в Ла -
Аге (Франция) и Уиндскейле (Великобритания) попадают в море.
Со времени пуска в 1954 г. в Обнинске первой в мире АЭС, атомная
энергетика накопила много тр удных вопросов. Один из них связан с
последней стадией ядерного топливного цикла - захоронением
высокоактивных отходов АЭС.
Для каждого из нескольких видов радиоактивных отходов
существует своя технология захоронения. Жидкие отходы после
"упариZgby и "за ключения" в битумную или бетонную (в настоящее
время в стекольную) массу помещают в наземные или подземные
хранилища из бетона, расположенные при АЭС. Твердые отходы
загружают в железобетонные емкости для длительного хранения. Могут
создаваться специальные могильники для захоронения отходов.
Радиоактивные отходы герметически изолируются в бетонных

126
контейнерах или в железных бочках и укладываются в бетонные
саркофаги.
Контейнеры могут разрушаться, и тогда отходы проникают в почву и
грунтовые воды. Иногда в н ашей стране жидкие отходы "закачивают"
глубоко под землю (Сибирский химический комбинат), при этом
существует опасность их проникновения в грунтовые воды (в особенности,
если геологи при выборе глубины захоронения допустили ошибки).
Современная технология предусматривает возможность захоронения
твердых радиоактивных отходов вместе с жидкими, их "связывают"
цементом (в отношении 2 -7 долей цемента на одну долю отходов).
Единственно верный способ - переработка радиоактивных отходов.
Как это делают, например, в о Франции: отходы извлекают из реактора
АЭС, в течение года их хранят в изоляции на территории АЭС (за это
время отходы утрачивают часть своей радиоактивности), затем их
доставляют на опытный завод, где они выдерживаются на складе еще два
года, после чего механическим или химическим путем освобождают
отходы от изолирующей оболочки и растворяют в азотной кислоте:
азотнокислые соли урана и плутония выделяют в виде твердого вещества и
в дальнейшем используют вновь. [24]. К сожалению, на АЭС и предприятиях, на которых осуществляется
ядерный топливный цикл, случаются аварии и даже катастрофы, подобные
Чернобыльской.
Трагедия Чернобыля - ужасное событие! Но она - только еще одно
звено в длинной цепи реализации возрастающих вероятностей технико -
экологического риска , связанного с использованием ядерных сил. По
данным мировой печати и оценкам ученых, с 50 -х гг. по настоящее время
произошли сотни и сотни рискованных эпизодов с участием атомной
энергии как в "военном мундире", так и в "цивильном платье". Только на
400 А ЭС в мире произошло 27 более или менее крупных аварий и среди
них наиболее значительные - в Уиндскейле (1957, Великобритания),
"Тримайл -Айленд" (штат Пенсильвания, США, 1979 г.), Чернобыль (СССР,
1986). Нельзя не вспомнить, в связи с этим, и о событии, которое
непосредственно коснулось каждого томича - аварии на СХК в апреле 1993
г.
У истоков всех аварий лежит сложный комплекс воздействия
разнопорядковых факторов. Печальный опыт показал, что современная
технология требует, прежде всего, максимального вниман ия, дисциплины,
ответственности каждого.
О трагедиях забывать нельзя, но и жить с этим комплексом
невозможно. Абсолютно надежной техники не бывает. Достичь нулевой
безопасности в атомной энергетике не удастся, но исключить возможность
катастроф типа Черноб ыльской - дело реальное. Работы такие ведутся. В

127
плане повышения безопасности АЭС идет ускоренная разработка
реакторов с внутренне присущей безопасностью, у которых имеется так
называемый отрицательный температурный коэффициент реактивности.
Этим качеством обладают: высокотемпературный реактор на гелии,
жидкосолевой реактор. Продолжается освоение быстрого реактора -
размножителя на тории, запасы которого гораздо больше, чем урана. К
тому же торий, в отличие от плутония, не может быть эффектиgh
использован в атомном оружии.
Основным техническим решением для обеспечения радиационной
безопасности АЭС является надежная многобарьерная защита на пути
возможного аварийного выхода радиоактивных веществ. Обеспечение
безопасности АЭС - дело всех стран, развивающих ат омную энергетику,
уровень научно- технического прогресса в состоянии обеспечить
требуемую безопасность развития атомной энергетики. Эксперты по
анализу причин аварий на АЭС сходятся в одном, что роль человеческого
фактора в них является решающей. [40].

5.4. Альтернативные источники энергии

Есть виды энергии, которые издавна использовались человеком:
солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная. Сегодня они называются
нетрадиционными или альтернативными.
Неиссякаемым источником тепловой энергии является Солнце.
Однако солнечная радиация относится к рассеянному виду энергии - с 1 м
2
земной поверхности можно получить лишь десятые доли киловатта. Кроме
того, ее интенсивность непостоянна, она меняется в течение суток и
времени года. Необходимость сбора с зем ной поверхности, концентрации
и аккумулирования солнечной энергии делают ее неконкурентоспособной
для централизованной выработки электроэнергии. С учетом потерь
эффективная потребная площадь гелиостатов на 100 МВт
производственной мощности составит около 5 км
2, к тому же солнечные
батареи имеют коэффициент полезного действия немногим более 10 %, на
них расходуется металл, они очень дороги. Хотя вопросы использования
солнечной радиации в локальных масштабах - для отопления, опреснения,
нагревания воды, а так же развития гелиоэлектростанций в регионах
России, где продолжительность солнечного сияния достигает 2200 - 1700
часов в год (Кавказ, Алтай) становятся все более актуальными. Один из старых источников энергии - ветер. Лучшие условия для
работы ветровой ста нции обеспечиваются при скорости ветра 10 - 14 м/с.
Первая в мире ВЭС мощностью 8 кВт была построен в Курске в 1930 г.
Работы по созданию современных ВЭС ведутся в Англии, Франции,
Германии, Канаде, Швеции.

128
Одна из самых крупн ых в мире ветровая электростан ция мощностью
3 МВт сооруж ена в Швеции; ветроэлектрический агрегат размещен на
высоте более 80 м и работа ет при скорости ветра от 6 до 21 м/с.
Наиболее перспективными для эксплуатации ветроэлектрических
установок в России являются районы Дальневосточного Приморья и
Мурманской обл.
Несмотря на бытующее мнение об экологической чистоте
ветроэлектрических установок, при работе их возникает инфразвук, гибнут
птицы, попадающие во вращающиеся лопасти.
Велики ресурсы геотермальной энергии. По приближенным
подсчетам они эквивалентны 100 млн. т условного топлива в год. Россия
обладает весьма большими запасами термальных вод - разведаны
подземные бассейны горячих и подогретых вод в Западной Сибири, на
крайнем Севере, Камчатке и на Кавказе. Тюменское подземное "море"
т ермальных вод превосходит по своей площади Черное море, температура
воды в нем колеблется от 60 до 300° С. Наиболее перспективной для
использования тепловой энергии недр является Камчатка, ее
электроэнергетический потенциал оценивается в 300 МВт.
Сейчас эти ресурсы используются мало, так как для получения
водяного пара с высокой температурой и давлением необходимо бурить
скважины на большую глубину. В некоторых районах земного шара
(Исландия, Калифорния, Япония) имеется доступ к водяному пару с
температурой 200-400°С. Такой пар можно использовать для получения
электроэнергии. Однако большинство термальных вод дает пароводяную
смесь с температурой 100 -120° С. Такую смесь применяют, в основном, для
систем теплоснабжения.
Однако современная технология получения электроэнергии на
геотермальных станциях не является экологически чистой. Технология
сводится, в основном, к приему из скважины паровоздушной смеси,
отделение пара от воды и подачи его в паровые турбины энергоблоков.
При этом отдавшие тепловую энергию воды (количество их весьма велико)
являются отходами производства. Эти воды в большей или меньшей
степени минерализованы (до 30 % и более). Подсчитано, что
геотермальная электростанция мощностью, например, 100 МВт расходует
за год около 100 млн. т воды, содержащей огромное количество
соединений серы, мышьяка, бора, свинца и фтора. Сточные воды этих
электростанций загрязняют поверхностные и грунтовые воды, а также
почву. Так, в воды реки Уайкато (Новая Зеландия) 75 % содержащегося в
ней мышьяка и значительное к оличество ртути попадают со сточными
водами геотермальной электростанции. Чтобы избежать загрязнения почв
кофейных плантаций в Сальвадоре соединениями бора, сточные воды

129
геотермальной электростанции отводятся по специальному каналу в Тихий
океан [31].
Кром е того, при работе геотермальных станций в атмосферу
выделяются различные сернистые и другие газообразные соединения.
Еще один вид альтернативной энергетики - приливные
электростанции. Мощность морских приливов планеты в 100 раз
превосходит мощность сущест вующих ГЭС. Однако удобных мест для
строительства и эксплуатации крупных приливных электростанций (ПЭС)
относительно немного. Затраты на сооружение и работу ПЭС в основном
определяются параметрами плотин. Так, в Пенжинском заливе Охотского
моря проектирует ся сооружение ПЭС мощностью до 100 МВт при длине
отсекающей плотины 75 км.
В 1967 г. во Франции на берегу Ла -Манша в устье реки Ранс была
построена первая крупная ПЭС, спустя один год в СССР была введена в
эксплуатацию Кислогубская приливная электростанция на побережье
Баренцова моря.
ПЭС "Ранс" ежегодно выдает в систему 500 млн. кВт/ч
электроэнергии независимо от времени года и наносит минимальный
ущерб окружающей среде [41]. Хотя абсолютно чистым этот источник не
является, поскольку любое вмешательство че ловека в естественный поток
энергии ведет к тем или иным нарушениям экосистемы. В результате
снижения мощности приливных течений произошло сильное заиление
морского дна, что лишило водоросли необходимого для них твердого
субстрата. Это привело к снижению р азнообразия многих водорослей,
сокращению зоны распространения морских водорослей в нижнем течении
реки Ранс. В районах строительства ПЭС происходит осушение болот на
территории строительства и усложняется охрана некоторых видов
животных и птиц.
Таким обра зом, считать экологически чистыми альтернативные
источники энергии можно лишь сравнительно с другими источниками. И
как не привлекательна идея использования нетрадиционных
энергоносителей, в ближайшем будущем они не смогут серьезно повлиять
на уровень энер говооруженности человечества, тем более, что
себестоимость производства электроэнергии на них, как минимум, на
порядок выше, чем на традиционных.
По прогнозам, по крайней мере, до середины следующего столетия,
уголь и ядерная энергетика будут основой для крупномасштабного
производства энергии и оба не без последствий для окружающей среды,
как и любые другие, к сожалению. Сложность решения проблем экологии и безопасности
энергетических установок вызвали к жизни общественные движения, часть
из которых стоит на крайних позициях: запретить строительство атомных

130
и тепловых электростанций. Следование этим требованиям может
привести к непредсказуемым кризисным последствиям. Современный
человек настолько зависит от энергетики, что остановка сразу даже не всех
электростанций по своим последствиям явится тяжелейшей экологической
катастрофой [42].
В числе аргументов против развития энергетики высказывается
сомнение, нужно ли нам такое количество энергии? Стоит ли возводить
новые электростанции? Не лучше ли научиться бе речь энергию? По этому
пути идет сейчас весь мир. По оценкам экспертов энергосбережение
позволит понизить темпы роста производства электроэнергии на 35 - 40 %
[43].
Значение слова "энергосбережение" иллюстрирует график,
составленный американским исследоват елем А. Розенфельдом (рис.
5.3) [44].
По форме кривых легко судить об истории страны за эти годы. Для
передовых в промышленном отношении государств линии графика идут
слева направо почти без повышения. Это значит, что национальный доход
рос без увеличения затрат энергоресурсов, только за счет их экономии.
Особенно впечатляет линия Японии, впрочем и в государствах Западной
Европы дела идут неплохо. Для бывшего СССР, при малом душевом
доходе, линия затрат энергоресурсов круто взлетает вверх, что является
резу льтатом экстенсивного метода развития народного хозяйства. В связи
с этим нам предстоит в ближайшем будущем усвоить этический принцип
Бенджамина Франклина: не расточай природу и умеряй желания. И здесь в
значительной мере могут помочь усилия "зеленых". Спр аведливости ради
заметим, что из представленных на рис. 5.3 стран бывший СССР – самая
«холодная». Поэтому удельный расход энергии на производство и
жизнеобеспечение в РФ априорно выше чем в «теплых» странах [96].
И еще один вывод очевиден, если посмотреть на рис. 5.3. Снижение
кривых, если и встречается кое- где, то лишь на небольшом протяжении.
Значит надежды на то, что сбережение может стать главным рычагом для
достижения баланса энергии, к сожалению, иллюзорны.

131


Следовательно, если мы хотим жить достойной цивилизованной
жизнью, возрастающую потребность в электроэнергии нужно разумно
удовлетворять при условии экономичного и экологически чистого ее
производства, энергосбережения, с учетом бережного отношения к
природным ресурсам.

Глава 6. ОХРАНА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Благодаря специфическому газовому составу, способности
поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором
задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца,
благоприятному температурному режи му и присутствию водяного пара,
атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле.

6.1. Строение и состав газовой оболочки Земли

Атмосфера – газовая оболочка Земли, масса которой около 5,9 ⋅10
15т.
В зависимости от температуры в газовой оболочке различают
несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли.
В тропосфере, простирающейся на высоте от 7 до 18 км над уровнем
моря (минимум над полюсами и максимум над экватором), происходит
интенсивное вертикальное перемещение воздуха и здесь находится
основная его масса (до 80 %). Именно здесь происходят все те явления,
которые мы именуем погодой – образуются все осадки, облака, грозы и

132
штормы. С увеличением высоты температура в тропосфере понижается
до - 50° С.
Выше тропосферы находится стратосфера, протяжённость которой
около 50 км. Температура в ней вначале остаётся постоянной, а с высотой
повышается до уровня, близкого к 0° С из-за поглощения озоном
ультрафиолетового излучения. Над стратосферой лежит мезосфера, выше
которой распол ожена термосфера, где температура с увеличением высоты
непрерывно повышается на уровне 400 км может достигать 7 00– 1500° С.
С высотой уменьшается атмосферное давление. Газовый состав
атмосферы представлен в табл. 6.1. [10] .
Таблица 6.1.
Газовый состав атмосферы

Компоненты Содержание,
% по объёму
Компоненты Содержание,
% по объёму
1. Азот
2. Кислород
3. Аргон
4. Диоксид углерода
5. Неон
6. Гелий
7. Криптон
8. Ксенон
78,09
20,94
0,93
0,033
1,8⋅10
-3
5,2 ⋅10
-4
1 ⋅10
-4
8 ⋅10
-6
9. Оксид азота
10. Водород
11. Метан
12. Диоксид азота
13. Озон
14. Диоксид серы
15. Оксид углерода
16. Аммиак
2,5 ⋅10 -4
5 ⋅10 -5
1,5 ⋅10
-4
1,5 ⋅10
-4
2 ⋅10
-6
2 ⋅10
-8
1 ⋅10
-5
1⋅10 -6

Атмосфера состоит в основном из кислорода и азота. Кислородно-
азотный состав сохраняется примерно до высоты 400- 600 км. Выше 600 км
в атмосфере до высоты 1600 км преобладает гелий. Далее преобладает
водород.

6.2. Источники загрязнения атмосферы

Огромная масса воздушной оболочки Земли и сбалансированность
естественного круговорота в биосфере её газовых компонентов создают
иллюзию неисчерпаемости ресурсов атмосферного воздуха. Однако, если
учесть, что кроме исчерпаемости атмосфера должна сохранять природные
качества, эта иллюзия исчезает.
Уже начиная с XIX столетия, по мере развития промышленности, а
затем энергетики и транспорта г азовое равновесие в атмосфере начинает
нарушаться: в круговорот естественный начинает вмешиваться
социальный обмен веществ (см. главу 2).
Сегодня загрязнение атмосферы достигло колоссальных масштабов.

133
Главные источники загрязнения атмосферы: естественны й и
антропогенный [53] :
I. Естественное загрязнение:
1. Внеземное (космическая пыль);
2. Земное:
а) морское;
б) континентальное:
- дым;
- неорганическое (выветривания, вулканизм);
- органическое (растения, животные).
II. Антропогенное загрязнение:
1. Радиоактивное: 2. Прочие:
а) урановая руда: а) промышленность
- добыча; б) транспорт
- транспортировка; в) жилища
- переработка; г) сельское хозяйство.
б) эксплуатация реакторов;
в) атомные взрывы;
г) отходы ТЭЦ.
Космическая пыль образуется из остатков сгор евших метеоритов при
их прохождении в атмосфере. Ежегодно её выпадает на Землю 2 –5 млн.т.
Природная пыль является составной частью земной атмосферы. Она
представляет собой мельчайшие твёрдые взвешенные в воздухе частицы и
ядра конденсации. Частицы приро дной пыли имеют органическое и
неорганическое происхождение и образуются в результате разрушения и
выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений, лесных,
степных и торфяных пожаров, испарения с поверхности морей. Одним из
источников пыли в нижних слоях атмосферы являются безводные пустыни
и степи. Кроме того, пыль образуется аэропланктоном, спорами растений,
плесневыми и другими грибами, продуктами гниения, брожения и
разложения растений и животных.
Атмосферный воздух над океаном включает мел ьчайшие кристаллы
солей магния, натрия, калия, кальция, которые образуются в результате
высыхания в воздухе брызг воды.
Как правило, естественное загрязнение не угрожает отрицательными
последствиями для экосистем и обитающих в них живых организмов.
Источ никами антропогенного загрязнения атмосферы являются
транспорт, теплоэнергетика, предприятия ядерно -топливного цикла (ЯТЦ),
промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Несмотря на
многообразие веществ, выбрасываемых в атмосферу этими источниками,
можн о указать наиболее распространённые выбросы: зола, пыль, оксиды
серы, азота, сероводород, углеводороды, аммиак, оксиды углерода и

134
т.д. [54] За год в атмосферу Земли выбрасывается 200 млн.т. оксида
углерода, более 20 млрд.т. диоксида углерода, 150 млн.т. ди оксида серы, 53
млн.т. оксидов азота, свыше 250 млн.т. пыли, 120 млн.т. золы, более 50
млн.т. углеводородов [10] .

6.3. Последствия загрязнения атмосферы

Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не
только на человека, но и на флору, фа уну, на различного рода сооружения.
Рассмотрим несколько наиболее важных последствий загрязнения
воздушной среды.

6.3.1. Парниковый эффект

С 1880 г. содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось с
0,027 % до 0,033 %. Учёные считают, что содержан ие СО
2 в атмосфере
будет удваиваться каждые 23 года.
Повышение концентрации СО
2 в атмосфере может, по мнению
многих учёных, вызвать глобальные изменения климата Земли в связи с
так называемым парниковым эффектом.
Сущность этого эффекта состоит в том, что слой воздуха,
обогащённого СО
2, хорошо пропускает солнечную радиацию, но
задерживает длинноволновое тепловое излучение Земли. Отражённый
земной поверхностью солнечный свет в инфракрасной области
поглощается в тропосфере и нижних слоях стратосферы, приводя к
повышению их температуры.
Прошедший в 1997 г. Всемирный экологический форум в Киото
констатировал, что через двадцать лет на Земле станет теплее на 3 градуса.
Такого не наблюдалось за всю предыдущую историю человечества. Ночи
будут теплее, летом станет больше жарких дней, а зимой – холодных.
Проливные дожди будет сменять продолжительная засуха. Самый
стремительный рост средней температуры на Земле за последние 50 лет
наблюдается в районе Антарктиды. Здесь потеплело на 2,5 градуса, что
вызвало обрушение ледников площадью в несколько тысяч квадратных
километров и повышение уровня Мирового океана. Уровень воды в морях
и океанах за последнее время поднялся на 10 -15 сантиметров. К 2100 году,
по прогнозам специалистов, он увеличится ещё на метр. Это приведёт к
затоплению береговой линии и необходимости эвакуировать сотни
миллионов человек. Увеличение температуры воздуха может привести к
увеличению смертности среди лиц старше 65 лет. Однако Земле грозит не
только большой потоп. По мнению американского эколога Уолленса
Бороскера из Колумбийского университета, увеличение концентрации

135
промышленных газов может изменить океанические течения. Например,
обогревающий Европу Гольфстрим. И тогда температура в Дублине упадёт
на 10 градусов.
Итоговый протокол форума в Киото зафиксировал обязательства
стран Европейского союза сократить к 2010 году загрязнение атмосферы
на 8 % по сравнению с 1990 годом.

6.3.2. Разрушение озонового слоя

От перераспределения и содержания озона, количество которого в
атмосфере невелико (2 ⋅10
-6 % по объёму) зависит не только
метеообстановка, но и жизнедеятельность всей биосферы. Озон не
пропускает на Землю опасное ультрафиолетовое излучение с длиной
волны меньше 0,2 мкм. Вместе с тем, озон не пропускает около 20 %
земного излучения – это препятс твует охлаждению планеты.
В 1975 году сотрудники Калифорнийского университета Молина и
Роуленд опубликовали результаты теоретических исследований, где
предсказали, что накопление хлорфторуглеродов, в частности фреонов, в
атмосфере может стать причиной раз рушения озонового слоя и вызвать в
ближайшем будущем ряд проблем, ставящих под угрозу жизнь
человечества.
Фреоны, или, хладоны, находят широкое применение в холодильных
установках, в аэрозольных огнетушителях, в бытовых аэрозольных
упаковках, при производстве пластмасс, компьютерных микросхем.
В начале 80 -х годов английские учёные на станции Халли- Бей в
Антарктиде заметили уменьшение концентрации озона над континентом.
Исследования показали, что в 1980г. содержание озона в атмосфере над
станцией уменьшил ось на 20 % по сравнению с нормой, в 1983 г. – на
30 %, в 1984 г. – на 35 %, в 1985 г. – на 40 %. В 1987 г. озоновая дыра
занимала площадь 8 млн. км
2, причём количество озона в этой области
сократилось почти на 50 %. Местами дыра вышла за пределы Антар ктиды,
захватив Мельбурн. При этом в Австралии значительно возросла
заболеваемость меланомой – раком кожи.
В чём угроза накопления фреонов в атмосфере для озонового слоя?
Предполагается, что диффундируя в стратосферу, молекулы фреонов под
действием солнеч ного излучения в ходе химического разложения
выделяют атомы хлора, которые катализируют распад озона, особенно при
низких температурах. Производные хлора попадают в стратосферу и с
продуктами сгорания топлива космических ракет.
Слой озона уменьшается не т олько над Антарктидой. В 1994 году
гигантская озоновая аномалия захватила территории Западной, Восточной
Европы, бывшего СССР, США, над которыми – на протяжении 12 месяцев

136
– озоновый слой уменьшался на 10 -15 %, а в отдельные месяцы – на 20 -30
%. В феjZ ле 1995 года над рядом районов Восточной Сибири
зарегистрировано снижение озона на 40%.
В 1985 г. была принята Венская конвенция по охране озонового слоя,
в 1987 г. – Монреальский протокол к конвенции по веществам,
разрушающим озоновый слой. Предусмотрено поэтапное сокращение
производства и потребления хлорфторуглеродов.

6.3.3. Кислотные осадки

Диоксиды серы и азота, главным источником которых являются
мощные теплоэлектростанции, путешествуя на высоте несколько сотен
метров, за счёт соединения с атмосферной влагой образуют серную и
азотную кислоты, выпадающие с осадками, часто в десятках километров от
источника выделения. Так, Норвегия, выбрасывая в атмосферу двуокиси
серы меньше других стран (табл. 6.2.), более других страдает от Таблица
кислотных осадк ов. В Швеции и Норвегии рыба погибла в 6500 озёрах и 7
реках [27] . Ущерб не ограничивается гибелью водных обитателей. По
пищевой цепи гибнут птицы и животные. Выбросы попадают в Норвегию,
которая вытянута вдоль направления миграции загрязнений атмосферы.
Т аблица 6.2.
Динамика выбросов двуокиси серы (1985г.)
N п/п Страна Выбросы, тыс. т. в год
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Норвегия
Ш_pby
Финляндия
СССР (европейская часть)
ФРГ
ГДР
Дания
Великобритания
Франция
48
189
185
5900
1375
2000 185
1845
1088

Кислотн ые осадки разрушают хлорофилл в листьях растений. Листья
темнеют, краснеет хвоя. К кислотным осадкам очень чувствительны злаки,
фасоль, свёкла, редис, помидоры. Происходит закисление почв и
подземных вод, что делает непригодной для употребления колодезную
воду.
Диоксид серы и другие её соединения раздражают слизистую
оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых

137
концентраций SO 2 ведёт к возникновению хронического гастрита,
бронхита, ларингита, рака лёгких [ 10].

6.3.4. Смог

Промышленны е предприятия, городской транспорт и
теплогенерирующие установки являются причиной смога - колоссального
загрязнения воздушной среды над городами. Способствуют смогу и
неблагоприятные погодные условия – отсутствие ветра, температурная
инверсия.
При обычных условиях температура воздуха над воздушным
бассейном населённого пункта значительно ниже той температуры,
которую имеет приземный воздух. Поэтому даже при отсутствии ветра
происходит вентилирование воздушного бассейна: имеющий меньшую
массу тёплый загряз нённый воздух поднимается вверх, а чистый воздух,
большей массы, поступает вниз. В некоторых местах Земли (Лондон, Лос-
Анджелес, Кемерово, Нижний –Тагил и т.д.) часто возникает
температурная инверсия, когда воздух над воздушным бассейном имеет
более высокую температуру, чем в приземном слое, и, следовательно,
меньшую массу. Поэтому чистый воздух не может опуститься вниз и
вентилировать воздушный бассейн. Ситуация ещё более усугубляется
отсутствием ветра – все вредные вещества, поступающие в воздушный
бассейн , остаются над городом.
В 1952 году смог в Лондоне за 5 дней погубил 5000 человек, а 10000
получили тяжёлые заболевания.
Различают два типа смогов:
1) восстановительный (дым, сажа, SO
2)
Максимальные уровни загрязнений наблюдаются утром при t = O °C.
Раздража ет дыхательные пути.
2) фотохимический
Образуется при взаимодействии окислов азота с углеводородами
выхлопных газов. Это белёсый туман, иногда желтовато- коричневого
оттенка, вызывающий резкую боль в глазах и слезотечение. Образование
фотохимического смога уск оряется в присутствии солнечных лучей,
поэтому максимальные уровни его приходятся на полдень.
Если вдуматься в сложившуюся ситуацию, то можно прийти к
выводу о том, что наблюдается процесс медленного самоубийства
человечества. По сравнению с 1900 годом в мире в несколько раз
увеличилась заболеваемость, связанная со злокачественными
новообразованиями. Медики и экологи считают, что практически 40 %

138
заболеваний (онкологические, инфекционные заболевания, сахарный
диабет, бронхиальная астма и т.п.) вызваны экологическими причинами.
Иногда именно загрязнение воздуха приводит к смертельным
исходам. Чаще умирают люди, уже страдавшие тяжёлыми заболеваниями
органов дыхания и сердечно- сосудистой системы. Однако есть фактор,
бесспорно коррелирующий с числом серьёзных лёгочных и сердечно-
сосудистых заболеваний – это курение. Курильщики в загрязнённом
воздухе больше подвержены заболеваниям лёгких, чем в отсутствии
загрязнения. [19] . Курение и загрязнение воздуха обладает сильным
синерг етическим эффектом.
Таким образом, увеличение загрязнения атмосферы приводит к росту
числа различных заболеваний и преждевременных смертей.

6.4. Нормирование атмосферных загрязнений

Основной физической характеристикой примесей атмосферы
является концентрация (мг/м
3). Концентрация примесе й определяет
физическое, химическое и другие виды воздействия вещества на
окружающую среду и является основным параметром при нормировании
атмосферных загрязнений.
Нормативы содержания загрязняющих веществ в воздухе
представля ют собой предельно допустимые концентрации (ПДК).
ПДК – это концентрация вредного вещества в окружающей среде,
которая при постоянном контакте или при воздействии в определённый
промежуток времени практически не оказывает влияния на здоровье
человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства
[ 2 ].
С позиций экологии ПДК вредных веществ имеют смысл верхнего
предела устойчивости организма, при превышении которого то или иное
вещество (т.е. фактор) становится лимитирующим [10] .
Наиболее характерными воздействиями вредных веществ на
организм являются токсические и рефлекторные воздействия. Это
обстоятельство вызвало необходимость установления для загрязняющих
веществ двух видов ПДК: максимальную разовую и среднесуточную.
Максимальная разовая величина ПДК не должна допускать
рефлекторных реакций человека (насморк, ощущение запаха и т.п.).
Среднесуточная ПДК не должна допускать токсичного, канцерогенного,
мутагенного воздействия.
При проектировании предприятий в районах, где атмосферный
воздух уже загрязнён выбросам и от других действующих предприятий,

139
необходимо нормировать их выбросы с учётом уже присутствующих в
воздухе примесей (фоновой концентрации).
Если имеется несколько источников выбросов, требование к
качеству воздуха населённого пункта выглядит следующим образом:
ф
N
i i С
ПДК
C −
≤ ∑
= 1 max
,
(6.1)
где С
mах i - наибольшая концентрация вредного вещества в воздухе
населённого пункта от i– го источника; С
ф – значение фоновой
концентрации; N – число источников, от которых данное вещество
поступает в воздух.
При н аличии выбросов нескольких веществ, обладающих эффектом
суммации, условия санитарных норм будут выполнены, если
()
1
C
ПДК C
K
1
i
ф
i i
i

− ∑
=
. (6.2)
Для регулирования выбросов вредных веществ в атмосферу
используются индивидуальные для каждого вещества и пре дприятия
нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ), которые учитывают
количество источников, их высоту, распределение выбросов во времени и
пространстве и другие факторы.
Предельно допустимые выбросы – предельное количество вредного
вещества, разрешаемое к выбросу от данного источника, которое не
создаёт приземную концентрацию, опасную для людей, животного и
растительного мира. ПДВ – расчётная величина, определяемая по
формулам и с помощью специальных программ на ЭВМ. Каждое
предприятие должно иметь соглас ованный с местным органом охраны
природы перечень (том) ПДВ.

6.5. Уменьшение загрязнения воздушной среды

6.5.1. Уменьшение загрязнения от промышленных предприятий

Существует ряд мероприятий, направленных одновременно на
уменьшение загрязнения внутренне й и наружной среды. Рассмотрим
некоторые из них [52] .
I. Уменьшение загрязнения внутренней производственной среды.
Может достигаться:
1) заменой токсичных веществ, обращающихся в технологическом
процессе, нетоксичными или малотоксичными, т.е.
совершенствованием технологического процесса;

140
2) использованием выбросов для других процессов и производств,
т.е. созданием малоотходных технологий;
3) герметизацией аппаратуры и коммуникаций, проведением
технологических процессов в вакууме.
При невозможности герметизации в места х выделения вредных
веществ устраивают вентиляционные укрытия и отсосы.
4) гидроподавлением – разбрызгиванием на источник пыли воды;
5) проведением технологических процессов с выделением особо
токсичных веществ в изолированных помещениях с
применением роботов и манипуляторов.
II. Очистка технологических и вентиляционных выбросов [97] .
1. Улавливание взвешенных частиц
Для улавливания взвешенных частиц применяются сухие и мокрые
пылеуловители.
В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные,
инерционные, центробе жные или фильтрационные механизмы осаждения.
В основе работы электрофильтров – сообщение взвешенным
частицам электрического заряда и их осаждение на электроде.
В мокрых пылеуловителях используется контакт запылённых газов с
жидкостью. На рис. 6.1. предста влена схема циклона. Газопылевая смесь
подводится к корпусу циклона тангенциально, поэтому частички пыли,
вращаясь около внутренней поверхности корпуса, осаждаются под
действием центробежных сил и удаляются снизу, а очищенный газ через
расположенную в центре трубу уходит в атмосферу. Для повышения
эффективности пылеулавливания применяют гидроциклоны, в которых
внутренняя поверхность корпуса смачивается водой.
Распространёнными пылеуловителями являются матерчатые
рукавные фильтры, где пыль задерживается на в орсистом материале
(рис.6.2.). Корпус фильтра представляет собой металлический шкаф,
разделённый вертикальными перегородками на секции, в каждой из
которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов
заглушены и по двешены к раме, соединённо й со встряхивающим
механизмом, внизу имеется бункер для пыли. Более эффективными аппаратами для улавливания пыли являются
электрофильтры, устанавливаемые, например, в котельных
теплоэлектростанций для улавливания сажи и золы. Схема простейшего
электрофильт ра, иллюстрирующая принцип его действия, представлена на
рис. 6.3. Под действием соответствующей разности потенциалов между
электродами 2 и 3 создаётся коронный разряд, поставляющий в
междуэлектродное пространство электроны. Очищаемый поток газов
проходит через пространство между электродами, где частицы пыли

141
заряжаются (посредством "прилипания" к ним электронов), и основная их
масса оседает на осадительном электроде.


Большое распространение для очистки воздуха от взвешенных
частиц получили мокрые пылеуловители: ротоклоны, барботеры,
скрубберы. На рис. 6.4. представлена схема полого форсуночного
скруббера [55] . Он представляет собой колонну круглого или
прямоугольного сечения, в которой осуществляется контакт между газом и
каплями жидкости. В большо м числе случаев очистке газов от взвешенных частиц
предшествуют подготовительные мероприятия, которые обеспечивают
возможность применения аппаратов с меньшей удельной стоимостью
очистки и, в целом, повышают эффективность газоочистки [97]:
охлаждение запыленных газов, укрупнение частиц путем коагуляции,
предварительная очистка в простых аппаратах, увлажнение запыленных
газов, подогрев газов для исключения конденсации паров воды и кислот,
введение в газовый поток специальных добавок (аммиак, сернистый
ангидри д), повышающих эффективность пылеулавливания в
электрофильтрах.

142


2. Очистка от газообразных примесей
2.1. Метод ы а дсорбции и абсорбции
Для очистки технологических и вентиляционных выбросов от
газообразных примесей применяются адсорберы и абсорберы.
Главный элемент адсорбера – слой адсорбента, рис.65. адсорбент
состоит из частиц (гранул) вещества (например: активированный уголь)
размером до нескольких миллиметров. За счет свободных связей атомов
адсорбента на поверхности гранул молекулы газовой приме си (адсорбтива)
ассоциируются с поверхностными атомами адсорбента и остаются
(поглощаются) в адсорбере (физическая адсорбция). Вслучае химического
взаимодействия между адсорбентом и адсорбтивом имеет место
химическая адсорбция, или хемосорбция. Наибольшее значение для
очистки газов имеет физическая адсорбция.

143


Важнейшая характеристика адсорбента – его адсорбционная емкость,
выражаемая, например, в граммах поглощенного вещества на килограмм
адсорбента, г/кг, или моль на грамм, моль/г, сантиметр кубический на
грамм, см
3/г, и др. Ёмкость возрастает с увеличением поверхности гранул и
давления в системе. Увеличение поверхности от 500 до 1000 м 2/г и более
достигается увеличением пористости гранулы. Разработаны методы
производства адсорбентов, при которых изм енением параметров обработки
исходного материала получают адсорбенты с заранее заданными
адсорбционными ёмкостью и селективностью. Селективность –
избирательная способность поглощать определенную примесь
(определенный класс примесей).
Существуют адсорберы с неподвижным слоем адсорбента и с так
называемым «кипящем» (псевдоожиженным) слоем, где адсорбент
поддерживается во взвешенном состоянии.
В условиях повышенных температур и пониженного давления
молекулы примеси десорбируются из адсорбента, адсорбент
восст анавливает свои свойства, т.е. регенерируется, и поэтому может быть
использован многократно.
Абсорбционная газоочистка основана на способности жидкостей
растворять газы или химически взаимодействовать с ними, поэтому

144
различают физическую и химическую абсорбцию (хемосорбцию).
В первом случае абсорбция происходит, если парциальное давление
абсорбируемой примеси в газе больше равновесного парциального
давления над жидкостью (раствором). Для многократного использования
жидкость подвергают регенерации, т.е. из нее извлекают абсорбированную
примесь.
При хемосорбции возможны два варианта: протекание либо
обратимой, либо необратимой реакций. Регенерацию поглотительных
растворов при обратимых реакциях осуществляют так же, как при
физической абсорбции, например, увеличением температуры. При
необратимых реакциях – химическими методами.
Пример использование физической абсорбции – очистка отходящих
газов водой от диоксида серы, аммиака, оксида и диоксида азота, смеси
диоксида серы и оксидов азота, ксилола, толуола, хлорводорода, фтора,
фторводорода, рис. 6.6.
Примером обратимой хемосорбции является один из вариантов
очистки отходящих газов от диоксида серы хемосорбентами на основе
натрия. Очищаемый газ орошается водным раствором сульфита натрия
Na
2SO 3, при температуре 40 ° С. Присутствующий в очищаемом газе
диоксид серы SO
2 взаимодействует с раствором по реакции:
Na
2SO 3 + Н 2О + SO 2 ↔ 2N аHSO 3.
После этого «отработанный» абсорбент, в котором часть Na
2SO 3
трансформировалась в бисульфит натрия N аHSO
3, направляется в аппарат
реге нерации абсорбента – испаритель –кристаллизатор. Здесь при
темпертуре 110 °С протекает обратная реакция, и бисульфит натрия
разлагается на исходные компоненты. Сульфит натрия возвращается в
процесс, а смесь H
2O и S О 2 – сернистая кислота, товарный продукт.
2 .2. Каталитическая очистка газов
При очистке больших объемов отходящих газов со сравнительно
малыми концентрациями вредных примесей широко используется
каталитическая очистка, основанная на гетерогенном катализе. Процесс
протеакет на поверхности твердых те л – катализаторов. Роль
катализаторов с энергетической точки зрения заключается в снижении
энергии активации химической реакции, ведущей к обезвреживанию
примеси в очищаемом отходящем газе. Снижение энергии активации
приводит к возрастанию скорости химичес кой реакции, что в конечном
итоге приводит к значимому увеличению степени обезвреживания
примесей или уменьшению энергетических издержек очистки. Так, при
высокотемпературном каталитическом восстановлении оксидов азота на
катализаторах из металлов платинов ой группы (палладий, платина,
рутений, родий), при использовании в качестве восстановителей метана ,
оксида углерода, водорода и др. остаточные содержания NO
х достигают

145
значений 0,0005…0,05 % объемных. Примеры химических реакций
каталитического восстановления оксидов азота:
4 NO
x+2 CH 4→N 2+CO 2+2 H 2O
2NO
2+4H 2→N 2+4H 2O
Каталитические методы являются наиболее перспективными в
области очистки отходящих газов.
Катализатор представляет собой смесь нескольких веществ
(контактная масса) каталитически активного вещества ( КАВ), активатора и
носителя. В качестве КАВ используются чистые металлы (платина,
палладий, рутений, родий), оксиды металлов, сплавы, содержащие никель,
хром, медь, цинк, ванадий. Активаторы – вещества, способные усиливать
действие КАВ в сотни и тысячи раз . Подбор активаторов осуществляется
эмпирическим путем. Носители – основание, на которое наносится КАВ,
чаще всего это металлы и оксиды металлов, а так же инертные пористые
вещества, обладающие развитой поверхностью: силикагели, цеолиты,
алюмосиликаты. В к ачестве контактной массы чаще всего используют:
1. Активный металлический катализатор на металлическом носителе,
например, платина вместе с активатором наносится на стружку из
никелевого сплава. 2. Активный металлический катализатор на носителе из
оксида металла. Например, платина на обожженном α -оксиде алюминия,
носитель изготавливается в виде цилиндрических гранул, расположенных
рядами. 3. Активный катализатор – оксид металла на оксиде металла,
например, γ -Al
2O 3 с высокой удельной поверхностью, нанесенный на γ -
Al
2O 3. К этому классу относятся катализаторы, состоящие из одного
активного материала, такие катализаторы называют «безподложечными»,
например, смесь оксидов меди и марганца.
Катализаторы изготавливают в виде сеток, гофрированной ленты,
керамических блоков, таблеток, шариков, колец и др.
В настоящее время для удаления диоксида серы из дымовыз газов,
очистки выбросов от оксида углерода, органических веществ используется
каталитическое окисление, а каталитическое восстановлние – для
обезj_`bания газов от окислов азота (см. выше).
2.3. Термическое обезвреживание газов
Оно используется в отношении и газовых и дисперсных горючих
примесей в отходящих газах. Процесс сводится к нагреву смеси до
температуры 800- 1000 °С и смешиванию горючих компонентов с
окисл ителем.
При описании процесса сжигания (термического окисления)
примесей может быть использовано эмпирическое уравнение
( ) в
зT
T
At −
=
− 2
1
1 ln ϕ ,

146
где φ – степень обезвреживания газа; t – длительность процесса; А –
коэффициент, завис ящий от аэродинамических условий горения; Т
з и Т в –
температуры в зоне горения и воспламенения обезвреживаемой примеси.
При неизменной величине Т, степень обезвреживания φ может быть
увеличена за счет увеличения времени t протекания процесса и степени
турбулизации газа, учитываемой коэффициентом А. при фиксированных А
и t увеличение степени обезвреживания можно достигнуть путем
повышения величины Т
з.
Применяют два метода термического обезвреживания: в печах
(топках) и факельных устройствах. Первый метод исп ользуется если
обезвреживаемых горючих примесей в газах недостаточно для горения. В
этом случае к потоку отходящих газов добавляют топливо или поток
нагревается до температуры воспламенения. Аппараты термического
обезвреживания с печами можно разбить на т ри основных группы: печи с
разным типом смешения газов; системы обезвреживания посредством
подачи выбросов в технологические топки; регенеративные установки
термического обезвреживания выбросов, в которы выбросы
предварительно подогреваются в регенеративных теплообменниках после
чего выброс может стать горючим: известно, что подогрев горючей с меси
на каждые 100 °С дает уменьшение предела воспламеняемости смеси на
≈ 10 %. Если возможности подогрева органичен ы, то в печи подается
дополнительное топливо, но по требность в нем значимо меньше, чем без
подог рева.
На факельных установках обычно сжигают попутные газы, метан,
пропан и другие углеводороды. Используются три типа факелов: факелы, в
которых сжигаемый газ и воздух предварительно смешиваются вне зоны
горен ия; факелы, в которых кислород соединяется с жигаемым газом в
момент горения; комбинированные факелы, в которых часть кислорода
предварительно смешивается с горючим газом, а недостающий кислород
поступает из окружающей среды.
Сбрасываемые газы направляются в факельную трубу, на выходе
которой располагаются запальная и дежурная горелки, запитываемые
«штатным» топливом. В случае сжигания попутных газов зажигание
запальной горелки вызывает зажигание дежурной горелки и пождиг
собственно факела – пламени горения сбрасываемого газа. После этого
запальная горелка может быть погашена. Кислород для горения факела при
этом поступает из окружающей среды, дежурная горелка подстраховывает
горение факела, например, на случай кратковременного прекращения
подачи газа в факе льную трубу.
При факельном сжигании примесей в выбросах, последние могут
быть обогащены газовым топливом, после чего факел организуется одним
из трех указанных методов.

147
III. Строительство предприятий в районах с отсутствием температурных
инверсий (см. раздел 6. 3.4.)

6.5.2. Уменьшение загрязнения от теплогенерирующих установок

Перечислим некоторые мероприятия по уменьшению загрязнения
атмосферы от теплогенерирующих установок:
1. Сжигание угля с известняком –SO
2 + CaCO 3 → CaSO 4 + CO 2 ;
2. Барботирование через известк овое молочко (гашёную известь)
SO
2 + Ca(OH) 2 → CaSO 4 + H 2O;
3. Облагораживание топлива: обогащение угля, обработка нефти методом
каталитической гидрогенизации с целью извлечения серы;
4. Применение мазута с малым содержанием серы или газа;
5. Использование вторичны х энергетических ресурсов: выбросного пара,
горячих газов от котлов, печей, вентиляционных выбросов;
6. Ликвидация малых отопительных установок благодаря развитию
централизованного теплоснабжения, что упрощает очистку дымовых
газо.
7. Применение инженерных комм уникаций глубокого заложения;
8. Транспортировка углей в затаренном виде, с противопылевой
обработкой поверхности.

6.5.3. Уменьшение загрязнения от автотранспорта

Увеличение численности автомобильного транспорта ухудшает
состояние воздушной среды в населён ных пунктах, поэтому возникла
необходимость разработки ряда мероприятий, уменьшающих загрязнение
атмосферы выбросами автотранспорта.
1. применение электромобилей, работающих от подзаряжаемых на
станциях батарей -аккумуляторов;
2. применение электромобилей гибридного типа с топливным и
электроаккумуляторным двигателями: на топливном двигателе машины
эксплуатируются за городом, при этом подзаряжается батарея -
аккумулятор, на котором машина работает в городе;
3. улавливание из выхлопных газов дизельных автомобилей сажи с
помощью механических и электрических сажеуловителей;
4. использование неэтилированного бензина;
5. использование автотранспорта на сжиженном (баллонном) газе;
6. введение ограничений на движение индивидуального автотранспорта и
использование электротранспорта (тро ллейбусов);

148
7. улучшение состояния городских дорог, так как остановки, торможения,
изменение скорости, дополнительное маневрирование увеличивают
выделение в воздух вредных веществ.
Рассеивание загрязнений достигается:
1. устройством высоких труб – при выбросе на большую высоту вредные
вещества, достигая приземного пространства, рассеиваются, их
концентрации снижаются до предельно допустимых;
2. использование факельных выбросов: через конические насадки на
выхлопном отверстии загрязнённые газы выбрасываются вентилятором
со скоростью 20- 30 м/с;
3. устройство санитарно -защитных зон – территорий определённой
протяжённости и ширины, располагающихся между предприятиями или
источниками загрязнения и границами зон жилой застройки;
4. расположение предприятий с подветренной стороны по отношению к
жилым массивам с учётом местной розы ветров.

6.5.4. Использование зелёных насаждений

Зелёные насаждения обогащают воздух кислородом, способствуют
рассеиванию вредных веществ и поглощают их.
По характеру защитного действия посадки раздел яют на
изолирующие и фильтрующие. Изолирующими называют посадки плотной
структуры, которые создают на пути загрязнённого воздушного потока
механическую преграду. При нормальных метеоусловиях они снижают
газо - и парообразные примеси (сернистый ангидрид, оки сь углерода,
фенол) на 25- 35 % вследствие рассеивания и отклонения загрязнённого
воздушного потока, а также поглощающего действия зелёных насаждений.
Фильтрующими называют посадки, продуваемые и ажурные по
структуре, выполняющие роль механического и биологического фильтра
при прохождении загрязнённого воздуха сквозь зелёный массив. Эти
посадки являются основными для санитарно -защитных зон, они занимают
около 90 % всей озеленённой площади, под которую рекомендуется
отводить 60- 75 % общей площади санитарно -защитной зоны [52] .
Ассортимент растений рекомендуется выбирать дифференцированно
для каждой зоны территории в зависимости от степени загрязнения
воздуха. При этом в [10] указывается на ошибочную тенденцию
использования при озеленении территорий жилой застройки, предприятий,
санитарно -защитных зон таких растений, которые наиболее устойчивы к
загрязняющим веществам: устойчивость растений может создать иллюзию
относительной чистоты воздуха, в то время как фактически он будет

149
загрязнён. Наименее устойчивые древесно-кустарниковые породы могут
служить индикаторами опасных уровней загрязнения атмосферы.

Глава 7. ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

7.1. Характеристика водных ресурсов Земли

В гидросфере Земли, как уже отмечалось, происходит круговорот
воды. Перемещение воды происходит во всех направлениях.
Распределение воды в гидросфере, в том числе, в разных агрегатных
состояниях представлено в табл. 7.1.
Площадь водной поверхности 360,8⋅ 10
6 км 2, средняя глубина
мирового океана 3,8 км.
Химический состав вод разн ообразен.
Растворённые вещества определяют солёность – массу
растворённого вещества, в граммах, в 1000 г морской воды. Так, например,
определяется хлорность морской воды. Согласно формуле Кнудсена
S = 0,03 + 1,805С,
где S – солёность воды, С – хлорность в оды.
Солёность вод океана определяется несколькими химическими
элементами – ионами. Это катионы
+
+
+ 2
2 Ca
,
Mg
,
Na , анионы



3
2
4 HCO
,
SO
,
Cl . На остальные элементы приходится 4,2 %. Солёность S
воды в океане изменяется в пределах 34 – 36 %. Важн ое з_gh 
круговороте воды – ледники. Они фомируются в полярных и
высокогорных районах и характеризуются малой минерализацией.
Континентальные воды – реки, озёра, болота – образуются в соответствии
с климатом данной местности и по составу растворённых сол ей также
разнообразны. При этом соотношения концентрации ионов достаточно
постоянны и обратны морской воде:
в морской воде:
+
+
+ 2
2 Ca
Mg
Na >
> , −


3
2
4 HCO
SO
Cl >
> ,
в материковых водах:
+
+
+ 2
2 Ca
Na
Mg <
< , −


3
2
4 HCO
SO
Cl <
< .
Подзем ные воды различно минерализованы, отличаются отсутствием
кислорода. Их верхние слои – грунтовые воды – участвуют в круговороте
воды. К подземным водам относятся и термальные воды – гейзеры.
Поскольку воды Земли минерализованы и постоянно мигрируют,
гидросф ера участвует в круговороте веществ (микроэлементов) в
биосфере.
Таблица 7.1
Распределение водных масс в гидросфере (по М.И. Львовичу, 1986)

150

Форма нахождения Объём, 10 3 км 3 Процент
Мировой океан 1370000 94,0
Подземные воды,
в том числе активного водооб мена
60000
4000
4,0
0,3
Ледники 24000 1,7
Озёра 280 ∼0,02
Почвенная влага 80 ∼0,01
Пары атмосферы 14 ∼0,001
Речные воды 1,2 ∼0,0001
Всего 1454000 100,00

Пресные воды составляют 3 % массы всех вод Земли. Реально
доступной или пригодной для использо вания людьми является 0,001 часть
пресных вод.

7.2. Потребители пресной воды

Пресная вода расходуется на удовлетворение хозяйственно- бытовых
нужд населения, промышленностью, сельским хозяйством. Различают
возвратное потребление – с возвращением забранно й воды в источник
(коммунальное хозяйство, промышленность, водохранилища) и
безвозвратное водопотребление – с расходом её на фильтрацию, испарение
и т.п. (в основном, в сельском хозяйстве). Хотя запасы речных вод
невелики (1200 км
3 или 0,0001 % объёма всей гидросферы), именно речная
вода обеспечивает основной объём потребляемой воды в быту и народном
хозяйстве, так как речные воды обладают значительной способностью к
возобновлению и самоочищению.
Процесс урбанизации, интенсивное развитие промышленности,
сельского хозяйства ведут к непрерывному возрастанию водопотребления
(в течение 20 -го века оно возросло более чем в 7 раз). На рис. 7.1. показана
динамика водопотребления в мире по видам хозяйственной деятельности.
На 2000 г 63 % полного водопотребления (или 86 % безвозвратного) в
мире приходится на сельское хозяйство. Так, за 20 -й век площадь
орошаемых земель возросла с 47 млн. га до 347 млн. га. Примерно такая же
ситуация к 1991 -92 г.г. сложилась в бывшем СССР: потребление воды на
промышленные нужды составл яло около 30 %, в сельском хозяйстве – 57
%, в коммунальном хозяйстве – 8 %. Существенно иная ситуация в
Российской Федерации: в 1991 г. из потреблённых 117 км
3 на нужды
промышленности ушло 53%, на сельское хозяйство – более 20 %, на
хозяйственно -питьевые нужды – 15 %.

151

На многих реках России водозабор превысил все допустимые нормы
и составляет более 50 % от среднего многолетнего стока (р. Кубань, Урал,
Миасс и др.). На реке Дон водозабор составил 64 %. Это говорит о том, что
наблюдающаяся деградация вод ных объектов, особенно в европейской
части России, на Урале, в Кузбассе связана с большим забором воды.

7.3. Потери пресной воды. Экологические последствия

Как отмечено выше (разд. 7.2), объём речных вод составляет
ничтожную часть (0,0001 %) объёма гидросферы. Между тем до
настоящего времени потребление человеком пресной воды
осуществляется, главным образом, за счёт вод речного стока. Это понятно:
речная сеть наиболее доступна для изъятия пресной воды как по
распространённости по земной поверхности (по сравнению, например, с
озёрами, в которых пресной воды содержится больше на два порядка
величины, но распределены озёра крайне неравномерно), так и по
энергетическим и другим издержкам на изъятие (по сравнению, например,
с забором воды из подземных источни ков). Кроме того, воды речной сети
наиболее динамичны и способны к возобновлению и самоочищению.
Годовой сток речной сети в мировой океан составляет, по разным оценкам,
в среднем (15 -16)⋅ 10
3 км 3/год. Если отнести достигнутое на 2000 г.
водопотребление в ми ре (5190 км 3/год, рис. 7.1.) к среднему многолетнему
стоку мировой речной сети (15- 16) ⋅10
3 км 3/год, то окажется, что
усреднённый общемировой водозабор приближается к 30% от
общемирового усреднённого стока речной сети. Конечно, в такой оценке
не учтён водо забор из подземных источников, из озёр (этот водозабор
учтён в прогнозной величине водопотребленья 5190 км
3/год). Поэтому
реальное отношение годового водозабора к годовому стоку будет
несколько меньше 30%, но дело идёт к этому.

152
В этой ситуации чрезвычайно важно предельно минимизировать
безвозвратное водопотребление. То есть такое водопотребление, при
котором определённая доля воды, забираемая водопользователем,
например, из речной сети, в речную сеть не возвращается. К сожалению,
сегодняшние технологии в промышленности, сельском хозяйстве,
коммунальном хозяйстве предопределяют значительные потери пресной
воды. В табл. 7.2. для указанных видов хозяйственной деятельности
приведены данные по полному водопотреблению и безвозвратным потерям
(в знаменателе, здесь же – процентное содержание потерь) на рерритории
бывшего СССР в 1900, 1980 и 2000 г.
Как следует из табл. 7.2., в 2000 г. на территории бывшего СССР из
440 км
3 потреблённых пресных вод 270 км 3 (или 61,4 %) безвозвратно
изъято, прежде всего, из речного ст ока. Если положить, что на территории
бывшего СССР, как и в среднем в мире, водозабор составляет ∼30 % от
стока, то с учётом того, что безвозвратные потери пресных вод в 2000 г.
оценены в 61,4 %, получается, что речная сеть данной территории сегодня
безh~вратно теряет 0,614·30 % ≈ 18,5 % своего стока. Эту же цифру
можно, в первом приближении, отнести и к миру в целом.
Таблица 7.2.
Полное водопотребление и безвозвратные потери, в км
3/год по видам
хозяйственной деятельности на территории бывшего СССР
(по И.А. Шикломанову, 1988)
Водопотребитель 1900г. 1970г. 2000г.
Сельское
хозяйстh
41,6
26,4(63,5%)
130,5
60,2(46,1%)
250,5
205,2(81,9%)
Промышленность 1
0,1 (10%)
70
5(7.1%)
130
34 (26,15%)
Коммунальное
хозяйстh
1,6
0,6 (37,5%)
9,7
2 (20,6%)
34
7 (20,5%)
Водохранилища 0
0
14,6
14,6 (100%)
23,4
23,4 (100%)
Общее
(округлено)
44
28 (63,6%)
225
107 (47,5%)
440
270 (61,4%)

Разумеется, данные потери не абсолютно безвозвратны для
биосферы. Фактически в процессе водопользования часть воды из речной
сети перево дится в атмосферную влагу за счёт испарения (как, например, в
устройствах охлаждения нагретых вод ТЭС и АЭС) или в почвенную и
атмосферную влагу (как при орошении в сельском хозяйстве) и, таким
образом, остаётся в биосфере. Но водоёмам, точнее биоте водоёмов,

153
прежде всего рек, от этого не легче: уменьшение практически на 20 %
массы воды в реках приводит к резкому изменению условий обитания всех
участников экологических процессов в водоемах. Интенсивное одновре -
менное загрязнение речных вод коммунальными, промышленными и
сельскохозяйственными стоками ведёт к деградации рек речной системы
территории бывшего СССР. Характерные п римеры: реки Средней Азии –
Аму -Дарья и Сыр -Дарья, практически «разобранные» на орошение
хлопковых плантаций и другие хозяйственные ну жды по пути их
следования к Аральскому озеру -морю, и предопределившие, таким
образом, начавшуюся гибель Аральского моря; река Дон, водозабор
которой составил 64 %, что соответствует безвозвратным потерям его вод
в 40 %, а в июне -августе, на которые приходи тся более 60 % водозабора,
легендарный тихий Дон вообще дышит на ладан.
При безвозвратном отводе воды экологические последствия
затрагивают не только собственно реку. Пересыхают или уже пересохли
болота вдоль множества рек, так как болота в гораздо меньше й степени
подпитываются периодическими паводками. Это приводит к исчезновению
большого количества водной дичи и многих видов животных и растений,
ранее обитавших в этих местах. Это касается и эстуариев -залиh, 
которых пресная вода, выходящая из устьев рек в мировой океан,
постепенно смешивается с морской. Эстуарии – одни из самых
продуктивных экосистем в биосфере: прекрасные места размножения
многих видов рыб, моллюсков, водяных птиц. При уменьшении речного
стока солёность воды в эстуариях возрастает, чт о резко изменяет экологию
данных вод. Так, экологическая обстановка в северной части
Калифорнийского залива (Мексика) заметно изменяется в связи со
значительным уменьшением притока пресной воды из реки Колорадо:
забор воды на орошение и водоснабжение города Лос- Анджелеса
стремительно приближается к 100 % её среднегодового стока, и то место,
где река впадает в Калифорнийский залив, теперь часто представляет
собой её сухое русло [19] .

7.4. Источники загрязнения воды.
Экологические последствия загрязнения природных вод

Согласно рекомендациям Всемирной организации здоровья (ВОЗ)
вода в водоёме (водотоке) считается загрязнённой, если в результате
изменения её состава или состояния вода становится менее пригодной для
любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она
соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается
физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде
посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых веществ.

154
В настоящее время все источн ики загрязнения гидросферы принято
делить на четыре большие группы.
1. Атмосферные воды. Во- первых, они приносят в гидросферу массу
загрязнителей промышленного происхождения. Так, атмосферные воды
вымывают из воздуха оксиды серы и азота, образуя упомянутые выше
(разд. 2.6.4.) кислотные дожди. При стекании по склонам атмосферные и
талые воды увлекают с собой массы веществ с городских улиц,
промышленных предприятий: мусор, нефтепродукты, кислоты, фенолы и
др.
2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бы товые
стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты),
микроорганизмы, в том числе патогенные.
3. Промышленные сточные воды, образующиеся в самых
разнообразных отраслях промышленности, среди которых наиболее
активно потребляют (и загрязняют) воду: чёрная металлургия, химическая,
лесохимическая, нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и
др.
Внутри предприятий сточные воды, как правило, подразделяются на
сильно загрязнённые стоки, слабо загрязнённые воды, условно чистые
воды (охлаждающие воды), специфические чрезвычайно
концентрированные стоки (например, кубовые остатки и маточные
растворы), бытовые и хозяйственно- фекальные стоки, направляемые на
биологическую очистку. Очевидно, что по химическому составу
промышленные стоки наиболее разнообразны, поскольку именно здесь
производятся или обращаются практически все известные сегодня
вещества.
4. Сельскохозяйственные стоки, содержащие смытые в процессе эрозии
частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды
(химические средства для защиты сельскохозяйственных растений и
животных соответственно от сорняков, паразитов, насекомых), помёт
сельскохозяйственных животных и ассоциированные с ним бактерии и др.
Все эти загрязнения, так или иначе, являются полностью или в
основном побочным результат ом деятельности человека, всей
человеческой популяции. Напомним, что каждый организм, каждая
популяция в естественной экосистеме производит отходы, потенциально
загрязняющие биосферу. Однако в естественных экосистемах отходы
одних организмов становятся пищ ей или «сырьём» для других и не
накапливаются до уровня, вызывающего неблагоприятные изменения в
окружающей среде, разлагаются и рециклизуются.
На протяжении своей истории человек избавлялся от отходов за счёт
таких же природных процессов. Демографический aju и hajZklZxsbc
расход сырья и энергии привели к поступлению в биосферу (в том числе в

155
гидросферу) столь больших количеств отходов, что естественные
экосистемы уже не способны ассимилировать и рециклизовать их. Мало
того, производится всё больше небиодеградирующих материалов, что
усугубляет проблему.
В настоящее время нет единой классификации сточных вод,
узаконенной правилами или нормами. Ряд классификаций сточных вод и
их примесей приводятся в работах по очистке сточных вод. В качестве
критериев используется и характер воздействия примесей на водоёмы. Так,
широко распространена классификация сточных вод, в основе которой
лежит различие характера примесей с точки зрения их физико -
химического состава. Согласно этой классификации примеси в сточных
водах делятся на две группы [ 61,62].
Первая представляет собой примеси, образующие с водой стоков
гетерогенные системы. Сюда входят, во -первых, нерастворимые в воде
примеси с величиной частиц 100 нм и более (грубодисперсные примеси,
ГДП). Грубодисперсные частиц ы распределяются в воде механически и
практически не способны к диффузии. В зависимости от разницы
плотности вещества частицы и воды, ∆ρ, частицы могут быть тонущими,
∆ ρ > 0, взвешенными, ∆ρ = 0, всплывающими, ∆ρ < 0. Такая гетерогенная
система образует эмульсию, если грубодисперсная примесь – жидкость,
или суспензию, если примесь – твёрдое тело. В области нижней границы
дисперсного спектра (ближе к 100 нм) грубодисперсные примеси
выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать в ней
значительное время, вызывая мутность воды. К этим примесям относится
широко распространённый термин: взвешенные вещества.
В первую группу входят также коллоидно- дисперсные примеси с
величиной коллоидных частиц от 1 до 100 нм. Эти частицы участвуют в
броуновском движении (способны к диффузии). Коллоидные примеси
обладают большой седиментационной устойчивостью (равномерным
распределением по объёму воды), а также агрегативной устойчивостью
(неизменностью дисперсного состава в течение длительного времени).
Последнему способств ует то обстоятельство, что коллоидные частицы
имеют одинаковые (отрицательные) электрические заряды, и
электрическое поле зарядов частиц затрудняет их коагуляцию
(укрупнение) и седиментацию (оседание).
Примеси второй группы относятся к истинно растворенным
примесям, представляющим собой отдельные ионы, молекулы или
комплексы, состоящие из нескольких молекул. Частицы таких примесей
имеют размеры менее 1 нм. Они не имеют поверхности раздела, поэтому
вместе с водой они составляют гомогенную систему.

156
По химическому характеру примеси разделяются на газовые,
минеральные и органические.
В табл. 7.3 представлена классификация сточных вод по их действию
на водоёмы.
Таблица 7.3
Классификация сточных вод по их действию на водоёмы

Груп -па

Характер
примесей Характер дей ствия
примесей на водоёмы
и водные организмы
Источник сточных вод
1 Неорганические
со специфичес-
кими токсичес-
кими свойства -
ми
Изменение органо -
лептических и физико -
химических свойств
воды; отравление вод-
ных организмов,
жаберные заболевания
рыб и т.д.
П роизводства химичес -
кой промышленности,
электрохимические
производства, тепловые
электрические станции
и др.
2 Неорганические
без специфичес-
ких токсических
свойств
Содержат взвешенные
вещества
Производство керами -
ческой, силикатной
промышленности,
углеобогатительные
фабрики, тепловые
электрические станции
и др..
3 Органические со
специфическими
свойствами
Отравляют водные
организмы, ухудшают
качество воды, созда -
ют дефицит кислорода
Химические и нефте -
химические производ -
ства, тепловые электри -
ческие ста нции и др..
4 Органические
без специфичес-
ких токсических
свойств
Создают дефицит
кислорода
Пищевая промышлен -
ность, тепловые элект -
рические станции и др..

Как следует из Главы 2, водоёмы представляют собой сложные
экосистемы существования сообщества (б иоценоза) живых организмов
(гидробионтов): растений, животных, микроорганизмов. Экосистемы
формировались в течение длительного времени эволюции. В них постоянно
идут процессы поддержания гомеостаза экосистемы, то есть процессы
адаптации биоценоза к изменяю щимся условиям существования, в том числе
и процессы изменения состава примесей, направленные на достижение
равновесия в экосистеме. Состояние равновесия может быть нарушено в
результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод.

157
Отклонение экосистемы от равновесного состояния, вызванное сбросом
сточных вод, может привести к отравлению и гибели определённых
популяций гидробионтов, что приводит к угнетению всего биоценоза.
Отклонение от равновесия интенсифицирует процессы, приводящие водоём
в оптимальное (равновесное) для него состояние и называемые процессами
самоочищения водоёма. Важнейшие из них [61,62] : осаждение
грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей; окисление
(минерализация) органических примесей; окисление минеральных примес ей
кислородом; нейтрализация кислот и оснований; гидролиз ионов тяжёлых
металлов, приводящий к образованию их малорастворимых гидроокисей и
выделению их из воды.
Процессы самоочищения зависят от температуры воды, состава
примесей, концентрации кислорода, р Н воды, концентрации вредных
примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов
самоочищения водоёмов.
Особенно значим в процессах самоочищения кислородный режим
водоёмов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ
определяется через биохимическое потребление кислорода (БПК), которое
выражается количеством О
2 , использованного в биохимических (при
помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за
определённое время инкубации пробы (мгО
2 /сутки). Пользуются или
пятисуточной (БПК
5) или полной (БПК п) биохимической потребностью
кислорода. При большом сбросе органических веществ наступает дефицит
кислорода, дестабилизируется биоценоз, развивается анаэробная
(бескислородная) минерализация органических веществ, что вызывает
значительное ухудшение качества воды.
Заметим, что, таким образом, нарушение и даже разрушение
биоценоза в водоёме возможно при значительном сбросе в него
органических веществ, совершенно не относящихся к вредным веществам.
Столь же тяжёлые экологические последствия наступают в водоёме при
сбросе в него других веществ, не относящихся к вредным или ядовитым –
биогенов, то есть веществ, необходимых для существования живых
организмов: соединения (соли) фосф ора, азота, калия, кальция, серы,
магния. Биогены во всё уве личивающихся объёмах поступают в
гидросферу из всех вышеназванных источников, особенно – из стоко
сельского хозяйства и коммунальных стоков. Попадая в водоёмы и
водостоки, которые в естественном состоянии олиготрофны, то есть,
бедны биогенами, биогены выз ывают бурный рост фитопланктона –
множества видов водорослей, представляющих собой отдельные клетки,
их скопления или «нити», которые держатся вблизи поверхности (на
поверхности) воды, не связаны с дном и получают биогены из воды.

158
Вместе с частицами почвы, выносимыми в водоёмы из -за эрозии поч
фитопланктон препятствует прохождению солнечного света в толщу воды,
вследствие чего нарушаются процессы фотосинтеза водных растений,
погружённых в воду (бентоса) и укоренённых в дне водоёма, откуда они
получают био гены. В результате резко уменьшается поступление
кислорода, производимого бентосными растениями при фотосинтезе.
Кислород, выделяемый фитопланктоном при фотосинтезе, пересыщает
верхний слой воды и улетучивается с её поверхности. У фитопланктона
короткий жизненный цикл, он быстро отмирает, что ведёт к накоплению
большой массы отмершего фитопланктона – детрита. Питаясь детритом,
редуценты, в основном, бактерии, потребляют кислород, уменьшая его
содержание в воде. В результате бентосные растения вытесняются
фи топланктоном, рыбы, и другие обитатели водоёмов задыхаются и
гибнут. Эти процессы, усиливающиеся во всём мире, получили название
эljhnb кации. Сhx лепту  эjhljhnb кацию вносят и взвешенные
частицы, попадающие в водоём в результате эрозии почв. Вещество э тих
частиц не отнесено к разряду химически вредных. Но они уменьшают
прохождение света в толщу воды, засоряют жабры и пищедобывающие
органы, обволакивают икринки рыб и других водных организмов.
Эвтрофизация сопровождается наносами, изменяющими донный ландш афт
водоёмов, что ухудшает условия обитания рыб и моллюсков. Водоёмы
мелеют, возникают необходимость их постоянной очистки и проблема
размещения извлечённого со дна материала. Ущерб от наносов обходится,
например, для США в 6 -7 млрд. долларов [19] . Какие и з перечисленных
источников загрязнения гидросферы наиболее важны в этом отношении,
очевидно, определяется соотношением населённых пунктов и
сельскохозяйственных предприятий (ферм). Так, для водосборного
бассейна Чесапикского залива (восточное побережье США ) рассчитано,
что с ферм, с городских территорий и из водоочистных сооружений в
гидросферу поступает приблизительно равное число биогенов [19]
(системы водоочистки, существующие в большинстве городов мира, не
предусматривают устранения биогенов).
Бытовые и сельскохозяйственные стоки вызывают не только
эjhnb кацию и обеднение воды кислородом, но и создают угрозу
инфекционных заболеваний. Люди и животные, заражённые
болезнетворными бактериями, вирусами и другими паразитами, могут
выделять в стоки большое коли чество таких патогенов или их яиц. Именно
по этой причине в 19 и даже в 20 веках случались опустошительные
эпидемии холеры, брюшного тифа – до тех пор, пока во всём мире не были
приняты санитарно -гигиенические правила, предотвращающие

159
распространение патогенов. Это, прежде всего, дезинфекция запасов воды
для населения хлорированием или другими методами.
Действие ядовитых (токсичных) соединений на гидробионты
проявляется в зависимости от их концентрации. При больших
концентрациях наступает гибель гидробионто в, при меньших –
изменяются обмен веществ, темп развития, мутагенез, потеря способности
к размножению и др. Заметим, что особенно чувствительны к вредным
веществам гидробионты, находящиеся на начальных стадиях своего
развития: икринки и т.п. Так, при водор одном показателе рН = 5,7 и менее
из икринок перестают выводиться молодь лососевых, форели, плотвы, хотя
взрослые особи этих рыб могут существовать в подобных водах ещё
длительное время. Наиболее благоприятные (для гидробионтов) значения
рН = 6,5 – 8,5. От дельные популяции, например, зоопланктон, чрезвычайно
чувствительны к вредным веществам. Уже небольшие концентрации
вредных веществ вызывают их гибель, и это влияет на биоценоз в целом. Особую опасность для гидросферы несут ядохимикаты,
загрязняющие как гр унтовые воды, так и водоёмы. Наиболее
распространены ядохимикаты на основе соединений тяжёлых металлов
(свинец, олово, мышьяк, кадмий, ртуть, хром, медь, цинк) и синтетических
органических соединений. Ионы тяжёлых металлов, попадая в организм,
подавляют ак тивность ряда ферментов, что приводит к крайне тяжёлым
физиологическим и неврологическим последствиям, например, умственная
отсталость при свинцовом отравлении, психические аномалии и
врождённые уродства при ртутных отравлениях. Синтетические
органические соединения, прежде всего, галогенированные и, в частности,
хлорированные углеводороды (используются для производства пластмасс,
синтетических волокон, искусственного каучука, лакокрасочных
покрытий, растворителей, пестицидов и т.д.), попадая в организм,
на рушают его функционирование. Даже небольшие дозы приводят к
крайне тяжёлым эффектам, например, канцерогенному (развитие рака),
мутагенному (появление мутаций) и тератогенному (врождённые дефекты
у детей). При определённых дозах возможны острое отравление и смерть.
Ядохимикаты особенно опасны в связи с их способностью накапливаться в
организмах (биоаккумуляция) и с возможностью биоконцентрирования. В
последнем случае животные последующих трофических уровней, питаясь
организмами, накопившими ядохимикат, получ ают исходно более высокие
концентрации. В результате на вершине данной пищевой цепи
концентрация химиката в организме может стать в 10
5 раз выше, чем во
внешней водной среде [19] . Классический пример биоаккумуляции и
биоконцентрации, известный как болезнь Минаматы, произошёл в 1950-х
г.г. в рыбачьем посёлке Минамата в Японии. Химическое предприятие,

160
расположенное неподалёку, сбрасывало содержавшие ртуть отходы в реку,
впадавшую в залив, где рыбачили жители Минаматы. Ртуть сначала
поглощали бактерии и другие редуценты, разлагавшие детрит, затем она
концентрировалась в пищевой цепи, попадая через рыб к людям. До сих
пор о трагедии напоминают уродливые тела и умственная отсталость части
жителей Минаматы [19] .

7.5. Нормирование и регулирование качества воды в в одоёмах

Охрана водоёмов от загрязнений осуществляется в соответствии с
«Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от
загрязнения» ( Сан П и Н 4630- 88) и «Гигиеническими требованиями к
охране поверхностных вод» (Сан П и Н 2.1.5.980- 00). Правила включают в
себя общие требования к водопользователям в части сброса сточных вод в
водоёмы. Правилами установлены две категории водоёмов: 1 – водоёмы
питьевого и культурно -бытового назначения; 2 – водоёмы
рыбохозяйственного назначения. Состав и свойства воды водных объектов
первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в
водотоках на расстоянии не менее одного километра выше ближайшего по
течению пункта водопользования, а в непроточных водоёмах – в радиусе
не менее одного километра от пункта водопользования. Состав и свойства
воды в водоёмах II типа должны соответствовать нормам в месте выпуска
сточных вод при рассеивающем выпуске (при наличии течений), а при
отсутствии рассеивающего выпуска – не далее чем в 500 м от места
выпуска.
Правилами установлены нормируемые значения для следующих
параметров воды водоёмов: содержание плавающих примесей и
взвешенных частиц, запах, привкус, окраска и температура воды, значение
рН, состав и концентрация минеральных примесей и растворённого в воде
кислорода, биологическая потребность воды в кислороде, состав и
предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ и
болезнетворных бактерий. Под предельно допустимой концентрацией
понимается концентрация вредного (ядовитого) вещества с воде водоёма,
которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на
организм человека не вызывает каких -либо патологических изменений и
заболеваний, в том числе у последующих поколений, обнаруживаемых
современными методами исследований и диагно стики, а также не
нарушает биологического оптимума в водоёме.
Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в
связи с чем их нормируют по принципу лимитирующего показателя
вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное

161
неблагоприятное воздействие данного вещества. Для водоёмов первого
типа используют три типа ЛПВ: санитарно -токсикологический,
общесанитарный и органолептический, для водоёмов второго типа – ещё
два вида: токсикологический и рыбохозяйственный.
Санитарное состояние вод оёма отвечает требования норм при
выполнении неравенства
1
ПДК C
n
1
i m
i
i
≤ ∑
=
,
(7.1)
для каждой из трёх (для водоёмов второго типа – для каждой из пяти)
групп вредных веществ, ПДК которых установлены соответственно по
санитарно -токсикологическому ЛПВ, общесанитарному ЛПВ, органо -
лептическому ЛПВ, а для рыбохозяйственных водоёмов – ещё и по
токсикологическому ЛПВ и рыбохозяйственному ЛПВ. Здесь n – число
вредных веществ в водоёме, относящихся, положим, к «санитарно -
токсикологической» группе вредных веществ, C
i – концентрация i- го
вещества из данной группы вредных веществ; m – номер группы вредных
веществ, например, m = 1 – для «санитарно -токсикологической» группы
вредных веществ, m = 2 – для «общесанитарной» группы вредных веществ
и т.д. – всего пя ть групп. При этом должны учитываться фоновые
концентрации C
ф вредных веществ, содержащихся в воде водоёма до
сброса сточных вод. При преобладании одного вредного вещества с
концентрацией С в группе вредных веществ данного ЛПВ должно
выполняться требование
ПДК
C
C ф ≤
+ . (7.2)
Использование соотношения (7.1) основано на допущении
применимости принципа аддитивности вредностей разных веществ,
относящихся, например, к четвёртой, «токсикологической» группе
вредных веществ. То есть допускается, что интегральная «вредность»
многокомпонентной системы вредных веществ может быть определена как
арифметическая сумма «вредностей» отдельных компонент. Между тем
известно явление синергизма, когда два или более вредных (ядовитых)
веществ могут дать эффект вредного действия на организм, во много раз
превосходящий сумму действия каждого из них. Так недавно установлено,
что галогенированные углеводороды и, возможно, другие химикаты
(первый фактор) ослабляют иммунную систему, в результате чего
организм становится более подверженным действию инфекций и
паразитов (второй фактор). Есть предположение, что именно это
обстоятельство стало причиной катастрофического вымирания тюленей в
Северном море в 70
х – 80 х годах [19] . Однако количественно эффект
синергизма изучен ещё недостаточно, поэтому сегодня допускается

162
использование принципа аддитивности вредных компонент, относящихся к
какому-либо ЛПВ.
Установлены ПДК для более 400 вредных основных веществ в
водоёмах питьевого и культурно- бытового назначения, а также более 1 00
вредных основных веществ в водоёмах рыбохозяйственного назначения. В
табл. 7.4 приведены ПДК некоторых веществ в воде водоёмов.
Таблица 7.4.
Предельно допустимые концентрации
некоторых вредных веществ в водоёмах

Вещество
Водоёмы I категории Водоёмы II категории
ЛПВ ПДК,
г/м 3 ЛПВ ПДК,
г/м 3
Бензол Санитарно -
токсикологический 0,5 Токсикологический 0,5
Фенолы Органо -лептический 0,001 Рыбохозяйственный 0,001
Бензин,
керосин То же 0,1 То же 0,05
Сd 2+ Санитарно -
токсикологический 0,01 Токсикологический 0,005
Cu 2+ Органо -лептический 1 То же 0,01
Zn 2+ Общесанитарный 1 - « - 0,0 1
Цианиды Санитарно -
токсикологический 0,1 - « - 0,05
Cr 6+ Органо -лептический 0,1 - 0

Для самих сточных вод ПДК не нормируются, а определяются
предельно допустимые количества сброса вредных примесей, ПДС.
Поэтому минимально необходимая степень очистки сточных вод перед
сбросом их в водоём определяется состоянием водоёма, а именно -
фоновыми концентрациями вредных веществ в водоёме, расходом воды
водоёма и др., то есть способностью водоёма к разбавлению вредных
примесей.
Запрещено сбрасывать в водоёмы сточные воды, если существует
возможность использовать более рациональную технологию, безводные
процессы и системы повторного и оборотного водоснабжения – повторное
или постоянное (многократное) использование одной и той же воды в
технологическом процессе; если стоки содержат ценные отходы, которые
возможно утилизировать; если стоки содержат сырьё, реагенты и
продукцию производства в количествах, превышающих технологические

163
потери; если сточные воды содержат вещества, для которых не
установлены ПДК.
Режим сброса может быть единовременным, периодическим,
непрерывным с переменным расходом, случайным. При этом необходимо
учитывать, что расход воды в водоёме (дебит реки) изменяется и п о
сезонам, и по годам. В любом случае должны удовлетворяться требование
условия (7.2).
Большое значение имеет метод сброса сточных вод. При
сосредоточенных выпусках смешение стоков с водой водоёма минимально,
и загрязнённая струя может иметь большое протя жение в водоёме.
Наиболее эффективно применение рассеивающих выпусков в глубине (на
дне) водоёма в виде перфорированных труб.
В соответствии с изложенным одной из задач регулирования
качества вод в водоёмах является задача определения допустимого состава
сточных вод, то есть того максимального содержания вредного вещества
(веществ) в стоках, которое после сброса ещё не даст превышения
концентрации вредного вещества в водах водоёма над ПДК данного
вредного вещества.
Уравнение баланса растворённой примеси п ри сбросе её в водоток
(реку) с учётом начального разбавления в створе выпуска, [ 61]:
ф
ф
c
p
c
p
cm С
C
С
n
n
C +

= )]
(
[ .
.
.
.
0 , (7.3)
Здесь С
сm , С р.с. , С ф – концентрации примеси в сточных водах до выпуска в
водоём, в расчётном створе и фоновая концентрация примеси, мг/к г; n
o и
n
р.с. – кратность разбавления сточных вод в створе выпуска (начальное
разбавление) и в расчётном створе.
Начальное разбавление сточных вод в створе их выпуска
qq
Q
n
o
o+
= , (7.4)
где Q
o = LH ⋅V – часть расхода водотока, протекающая н ад рассеивающим
выпуском, имеющим, положим, вид перфорированной трубы, уложенной
на дно, м
3/с; q – расход сточных вод, м 3/с; L – длина рассеивающего
выпуска (перфорированной трубы), м; H, V – средние глубина и скорость
потока над выпуском, м и м/с.
После подстановки (7.4) в (7.3)
ф
ф
c
p
c
p
cmС
C
C
n
q q
V
LH
C +


+

= )]
(
[ .
.
.
. , (7.5)
При LH V >> q
ф
ф
c
p
c
p
cm С
C
C
n
q V
LH
C +



= )]
(
[ .
.
.
. , (7.6)

164
По ходу водостока струя сточной воды расширяется (за счёт
диффузии, турбулентной и молекулярной), вследствие чего в струе
происходит перемешивание сточной воды с водой водотока, возрастание
кратности разбавления вредной примеси и постоянное уменьшение её
концентрации в струе сточной, точнее, теперь уже перемешенной воды. В
конечном счете, створ (сечение) струи расширится до створа водотока. В
этом месте водотока (где створ загрязнённой струи совпал со створом
водотока) достигается максимально возможное для данного водотока
разбавление вредной примеси. В зависимости от величин кратности
начального разбавления, ширины, скорости, извилистости и других
характеристик водотока концентрация вредной примеси (С
р.с. ) может
достигнуть значения её ПДК в разных створах загрязнённой струи. Чем
раньше это произойдёт, тем меньший участок (объём) водотока будет
загрязнён вредной примесью выше нормы (выше ПДК). Понятно, что
самый подходящий вариант – когда условие (7.2) обеспечивается уже в
самом месте выпуска, и, таким образ ом, размеры загрязнённого участка
водотока будут сведены к нулю. Напомним, что этот вариант
соответствует условию выпуска стоков в водоток второго типа.
Нормативное разбавление до ПДК в створе выпуска требуется и для
водотоков первого типа, если выпуск осуществляется в черте населённого
пункта. Этот вариант можно обеспечить, увеличивая длину
перфорированной трубы выпуска. В пределе, перегородив весь водосток
трубой выпуска и включив , таким образом , в процесс разбавления стоков
весь расход водотока, учитывая , что для створа выпуска n
р.с. = 1, а также
положив в (7.5)
ПДК
C .
c
.
p= V и С ф = 0 получим
ПДК
q q
Q ПДК
q q
BHV C cm ⋅ + =
⋅ + = , (7.7)
где В и Н – эффективные ширина и глубина водотока,
BHV
Q = – расход
воды водотока.
Уравнение (7.7) означ ает, что при максимальном использовании
разбавительной способности водотока (расхода водотока) максимально
возможную концентрацию вредного вещества в сбрасываемых сточных
водах можно допустить равной
ПДК
q
Q
ПДК
q q
Q



+ . Если для целей
разбавления сток ов возможно использование только части расхода воды
водотока, например, 0,2Q, то требования к очистке стоков от данного
вредного вещества повышаются, так как максимально допустимая
концентрация вредности в стоках уменьшается при этом в 5 раз:
ПДК
q Q
2
,
0
⋅ . При этом величина qC cm , равная в первом случае

165
ПДК
Q
ПДК
q
Q
q

=
⋅⋅ , а во втором ПДК
Q
2
,
0
ПДК
q Q
2
, 0
q ⋅
=

⋅ , должна
рассматриваться как предельно допустимый сброс (ПДС) данной
вредности в водоток, г/с. При превышении данных величин ПДС (Q ⋅ ПД К
и 0,2Q ⋅ ПДК, г/с) концентрация вредного вещества в водах водотока
превысит ПДК. В первом случае (ПДС = Q ПДК) турбулентная (и
молекулярная) диффузия уже не уменьшит концентрацию вредности по
ходу водотока, так как створ начального разбавления совпадает со створом
всего водотока – струе загрязнённой воды некуда диффундировать. Во
втором случае по ходу водотока будут иметь место дальнейшее
разбавление стоков и уменьшение концентрации вредности в воде водоёма
ниже ПДК , и на некотором расстоянии S от выпуска концентрация
вредного вещества может уменьшиться до 0,2 ПДК.
В общем случае расстояние S от створа выпуска до расчётного
створа, то есть до створа с заданной величиной кратности разбавления, n
р.с ,
или – что фактически то`же – с заданной концентрацией вр едной примеси,
например, равной её ПДК,
.
c
.
p
д n
lg
Re
lg
H
φ
)
L
B
(
x
A S ⋅
⋅ −

⋅ = , (7.8)
где А = 0,9 – 2,0 – коэффициент пропорциональности, зависящий от
категории русла и среднегодового расхода воды водотока; В – ширина
водотока, м; х – ширина части русла, в которой не производится выпуск
(труба не перекрывает всю ширину русла), м; ϕ - коэффициент
извилистости русла: отношение расстояния между створами по фарватеру
к расстоянию по прямой; Re
д = VH/D – диффузионный критерий
Рейнольдса.
Расширение загрязнённой струи по ход у водотока происходит, в
основном, за счёт турбулентной диффузии, её коэффициент
mC H
g
V
D
2⋅

= , (7.9)
где g – ускорение свободного падения, м
2/с; 2m = 0,7С – 6; С –
коэффициент Шези,
с
м 5
,
0 .
После потенцирования (7.8) получа ется значение n
р.с. в явном виде
( ) д L
B
x
A H
S
c
p n Re
lg
.
. 10 ⋅


⋅ ⋅ =
φ
,
(7.10)
Подставив выражение для n
р.с. в (7.6) и полагая С р.с. = ПДК, получаем
() ( ) ф
ф
L
B
x
A H
S
cmС
С
ПДК
q
LVH
C д +


= ⋅


⋅ ⋅ ]
10
[ Re
lg
φ
. (7.11)

166
Уравнение (7.11) означает: если при начальном разбавлении,
определяемом величинами L, H, V, и при известных характеристиках
водотока ϕ, А, В, х, Re
д, С ф необходимо, чтобы на расстоянии S от выпуска
стоков концентрация вредного вещества была на уровне ПДК и меньше, то
концентрация вредного вещества в стоках перед сбросом не должна быт ь
больше величины (C
cm ), вычисляемой по (7.11). Перемножив обе части
(7.11) на величину q, приходим к тому же условию, но уже через
предельно -допустимый сброс C
cm ⋅ q = ПДС
() ( ) ф
ф
L
B
x
A H

С
ПДК
LVH
ПДС д +


= ⋅


⋅ ⋅ ]
10
[ Re
lg
φ
, (7.12)
Из общего решения (7.12) следует тот же результат , который получен
выше на основе простых соображений. В самом деле, положим, что
решается задача: каким может быть максимальный (предельно
допустимый) сброс сточной воды в водоток, чтобы уже в месте выпуска (S
= 0) концентрация вредного вещества была равна ПДК, а для начального
разбавления используется только пятая часть расхода водотока (дебита
реки), то есть L H V = 0,2 Q.
Поскольку при S = 0 n
р.с. = 1, из (7.12) получаем
ПДС = 0,2 ⋅ ПДК
На изложенных принципах, в целом, основывается регулирование
каче ства воды в водотоках при сбросе в них взвешенных,
органических веществ, а так же вод, нагретых в системах охлаждения
предприятий [59, 61, 63] .
Условия смешения сточных вод с водой озёр и водохранилищ
значительно отличаются от условий их смешения в водотоках – реках и
каналах. В частности, полное перемешивание стоков и вод водоёма
достигается на существенно больших расстояниях от места выпуска, чем в
водотоках. Методы расчёта разбавления стоков в водохранилищах и озёрах
приведены в [64] .

7.6. Ме тоды и приборы ко нтроля качестZоды одоёмах

Контроль качества воды водоёмов осуществляется периодическим
отбором и анализом проб воды из поверхностных водоёмов: не реже
одного раза в месяц. Количество проб и места их отбора определяют в
соответствии с гидрологическими и санитарными характеристиками
водоёма. При этом обязателен отбор проб непосредственно в месте
водозабора и на расстоянии 1 км выше по течению для рек и каналов; для
озёр и водохранилищ – на расстоянии 1 км от водозабора в двух
диаметрально расположенных точках. Наряду с анализом проб воды в
лабораториях используют автоматические станции контроля качества

167
воды, которые могут одновременно измерять до 10 и более показателей
качества воды. Так, отечественные передвижные автомтические
станции контроля качества воды измеряют концентрацию растворённого в
воде кислорода (до 0,025 кг/м
3), электропроводность воды (от 4 10 − до 2 10 −
Ом/см), водородный показатель рН (от 4 до 10), температуру (от 0 до
40° С), уровень воды (от 0 до 12м). Содержание взвешенных веществ (от 0
до 2 кг/м
3). В табл. 7.5 приведены качественные характеристики некоторых
отечественных типовых систем для контроля качества поверхностных и
сточных вод.
На очистных сооружениях предприятий ос уществляют контроль
состава исходных и очищенных сточных вод, а также контроль
эффективности работы очистных сооружений, контроль, как правило,
осуществляется один раз в 10 дней.
Таблица 7.5
Качественные характеристики некоторых отечественных типовых систе м
для контроля качества поверхностных и сточных вод

Система (лаборатория,
комплекс) Область применения
1. Гидрохимическая
лаборатория ГХЛ – 66
Физико -химический анализ состава и
свойств природных и сточных вод.
2. Лаборатория анализа воды
ЛАВ – 1
Опреде ление качества питьевой
воды, воды водоёмов, состава
сточных вод и содержания в них
примесей.
3. Комплекс технических
средств автоматизированной
системы контроля загрязнения
поверхностных вод типа
АНКОС – ВГ.
Автоматическое определение и
запись физико-хи мических
параметров поверхностных вод, в их
числе концентрации Cl
2, F 2, Cu, Ca,
Na, фосфатов, нитридов.

Пробы сточной воды отбираются в чистую посуду из
боросиликатного стекла или полиэтилена. Анализ проводится не позже
чем через 12 часов после отбора п робы. Для сточных вод измеряются
органо- лептические показатели, рН, содержание взвешенных веществ,
химическое потребление кислорода (ХПК), количество растворённого в
воде кислорода, биохимическое потребление кислорода (БПК),
концентрации вредных веществ, д ля которых существуют нормируемые
значения ПДК.
Контролируются два органо- лептических показателя воды при
анализе сточных вод: запах и цвет, который устанавливается измерением

168
оптической плотности пробы на спектрофотометре на различных длинах
волн проходящего света.
Величина рН в сточных водах определяется электрометрическим
способом. Он основан на том, что при измерении рН в жидкости на
единицу потенциал стеклянного электрода, опущенного в жидкость,
изменяется на постоянную для данной температуры величину (например,
на 59,1 мВ при температуре 298
° К, на 58,1 мВ при 293 ° К и т.д.).
Отечественные марки рН -метров: КП -5, МТ -58, ЛПУ -01 и др.
При определении грубодисперсных примесей в стоках измеряется
массовая концентрация механических примесей и фракционный состав
частиц. Для этого применяют специальные фильтроэлементы и измерение
массы «сухого» осадка. Также периодически определяются скорости
всплывания (осаждения) механических примесей, что актуально при
отладке очистных сооружений.
Величина ХПК характериз ует содержание в воде восстановителей,
реагирующих с сильными окислителями, и выражается количеством
кислорода, необходимым для окисления всех содержащихся в воде
восстановителей. Окисление пробы сточной воды производится раствором
бихромата калия в серной кислоте. Собственно измерение ХПК
осуществляется либо арбитражными методами, производимыми с большой
точностью за длительный период времени, и ускоренными методами
применяемыми для ежедневных анализов с целью контроля работы
очистных сооружений или состоя ния воды в водоёме при стабильных
расходе и составе вод.
Концентрацию растворённого кислорода измеряют после очистки
сточных вод перед их сбросом в водоём. Это необходимо для оценки
коррозионных свойств стоков и для определения БПК. Чаще всего
используетс я йодометрический метод Винклера для обнаружения
растворённого кислорода с концентрациями больше 0,0002 кг/м
3, меньшие
концентрации измеряются колориметрическими методами, основанными
на изменении интенсивности цвета соединений, образовавшихся в
результате реакции между специальными красителями и сточной водой.
Для автоматического измерения концентрации растворённого кислорода
используют приборы ЭГ – 152 – 003 с пределами измерений 0 ... 0,1 кг/м
3,
«Оксиметр» с пределами измерения 0...0,01 и 0,01...0,02 кг/ м 3.
БПК – количество кислорода (в миллиграммах), необходимое для
окисления в аэробных условиях в результате происходящих в воде
биологических процессов органических веществ, содержащихся в 1л
сточной воды, определяется по результатам анализа изменения кол ичества
растворённого кислорода с течением времени при 20 °С. Чаще всего
используют пятисуточное биохимическое потребление кислорода – БПК
5.

169
Измерение концентрации вредных веществ, для которых
установлены ПДК, проводят на различных ступенях очистки, в том числе
перед выпуском воды в водоём.

7.7. Очистка сточных вод

Очистка сточных вод – лишь одно из направлений защиты
гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных
загрязнений. Главный путь защиты гидросферы, так же, как и атмосферы и
литосф еры – поиск технологий, исключающих образование значимых
количеств вредных твёрдых и жидких отходов, вредных примесей в
сточных водах и отходящих (в атмосферу) газов, что входит составной
частью в главное направление деятельности сегодняшней техносферы –
с оздание безотходных и малоотходных технологий. Такие технологии
предполагают [63] комплексную переработку сырья с использованием всех
его компонентов на базе безотходных процессов, создание продукции с
учётом требований её повторного использования, переработку отходов
производства и потребления с получением товарной продукции или любое
полезное их использование без нарушения экологического равновесия,
использование замкнутых систем промышленного водоснабжения и др.
Число таких технологий непрерывно возраста ет. Так, для угольных
тепловых станций (ТЭС) разработаны "сухие", без использования воды,
системы золошлакоудаления, что полностью исключает проблему очистки
стоков из систем гидрозолоудаления современных угольных ТЭС [65] .
Разработаны и успешно реализуютс я бессточные системы водоподготовки
на ТЭС [65] . В машиностроении английская фирма «Бут» внедрила новую
технологию производства литейных форм: увлажнённый песок
формируется, затем быстро замораживается жидким азотом. Отказ от
традиционных формовочных смесе й привёл к резкому уменьшению
пылеобразования в литейном цехе и затрат на очистку вентиляционных
выбросов [63] .
Можно подумать, что разработка и совершенствование принципов,
методов и средств очистки сточных вод от вредных примесей – временное
явление, ко торое прекратится с разработкой безотходных и малоотходных
технологий. Это справедливо лишь отчасти.
В большом числе случаев принципы, методы, средства очистки
сточных вод (равно как и отходящих газов) могут быть использованы в
новых технологиях, так что прогресс в области средств очистки
способствует созданию малоотходных и безотходных технологий.
Методы очистки сточных вод весьма разнообразны и
предопределяются физико -механическими, физическими, химическими и

170
микробиологическими (биологическими) характеристиками содержащихся
в них примесей [66] . Существует несколько видов классификации методов
очистки. Наиболее распространена следующая классификация.
1. Методы механической очистки (от взвешенных – в виде суспензий и
эмульсий – веществ).
2. Физико -химические методы очистки (от коллоидно- дисперсных и
истинно растворенных примесей).
3. Химические методы очистки (от истинно растворенных примесей).
4. Биологические методы очистки (от органических веществ).
Как правило, системы очистки сточных вод строятся на основе
исполь зования комплекса методов очистки. Состав методов определяется
характером технологических процессов данного производства.
Эффективность и надёжность работы любого очистного устройства
обеспечиваются в определённом диапазоне значений концентрации
примесей и расхода сточной воды.
Во временном графике технологических процессов могут быть
значительные изменения, сопровождаемые изменением расхода сточных
вод, состава и концентрации примесей. В таких случаях необходимо
усреднение концентрации примесей и расхода сточной воды. С этой целью
на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и
расчёт которых определяется характером изменения во времени расхода
стоков, состава и концентрации примесей.
В самом общем виде последовательность этапов очистки стоков
можно представить следующим образом.
1. Усреднение стоков. Оно может осуществляться не только на самом
начальном этапе – при очистке от грубодисперсных примесей, но и на
всех последующих этапах – там, где имеется неравномерность состава и
расхода сток ов и где целесообразно слияние близких по составу стоков
(с разных участков производства) перед очередным этапом очистки.
2. Очистка от грубодисперсных веществ: решётки, песколовки,
отстойники, аппараты, основанные на отделении твёрдых примесей в
поле действи я инерционных сил (напорные гидроциклоны,
центрифуги), флотация.
3. Очистка от коллоидно -дисперсных примесей (коагуляция,
электрокоагуляция).
4. Регулирование кислотности (щёлочности) стоков, например, с
помощью известкования (нейтрализация).
5. Фильтрование на зер нистых насыпных, например, песчано -гравийных
фильтрах – для очистки от тонкодисперсных примесей (частиц),
имевшихся в исходных стоках или образовавшихся на предыдущих
этапах очистки.

171
Совокупность предыдущих этапов очистки стоков в отечественной
специальной литературе часто называют предочисткой. Она важна и сама
по себе, и для осуществления последующих этапов очистки (если они
необходимы) – от истинно растворенных примесей в виде отдельных
ионов, молекул или комплексов молекул. Аппаратные средства для их
удаления чрезвычайно чувствительны к водным гетерогенным системам и
быстро выходят из строя при появлении в стоках эмульсий, суспензий,
коллоидных примесей.
6. Очистка стоков от молекулярных примесей, например, путём дегазации,
адсорбции, экстракции.
7. Очистка от вредных веществ, находящихся в стоках в ионном
состоянии: перевод ионов в малодиссоциирующие соединения;
нейтрализация; окисление; образование комплексных ионов и перевод
их в малорастворимое состояние; ионитная фильтрация (ионный
обмен); сепарация ионов при изменении фазового состояния воды
например, дистилляция; ультрафильтрация; электродиализ; воздействие
магнитных и акустических полей и др.
8. На заключительном этапе очистки может быть предусмотрено
повторное фильтрование – для очистки стоков от дисперсны х примесей,
образовавшихся на этапах очистки от истинно растворенных примесей,
а также обезвреживание (дезинфекция) очищенных стоков от
патогенных организмов (микроорганизмов), особенно в тех случаях,
когда в системе очистки стоков производства имеются уст ройства
биологической очистки, могущие быть очагом распространения
патогенных микроорганизмов.
9. Биологическая очистка применяется для очистки стоков от
органических примесей: сточные воды пропускаются через устройства
(аэротенки, например), насыщенные мощны ми колониями специально
подобранных микроорганизмов, которые извлекают органические
вещества из стоков для питания и, таким образом, минерализуют
органические примеси. Для интенсификации процессов стоки
обогащаются кислородом (окситенки). Минерализация органических
примесей могла бы произойти естественным образом в самом водоёме.
Но это привело бы к резкому уменьшению содержания кислорода в
воде и к дестабилизации (гибели) экосистемы водоёма. С помощью
устройств и сооружений биологической очистки процесс
ми нерализации выносится, таким образом, за пределы водоёма.

7.7.1. Основы процессов и принципы
механической очистки стоков

172
Механическая очистка сточных вод – технологический процесс
очистки сточных вод механическими и физическими методами [71]. Она
примен яется с целью выделения из стоков грубодисперсных минеральных
и органических загрязнителей и в большинстве случаев является
предварительным этапом перед последующими, более тонкими методами
очистки. Очистка сточных вод от твёрдых частиц грубодисперсных
веществ в зависимости от их свойств, концентрации, фракционного
состава осуществляется методами процеживания, отстаивания, отделения в
поле инерционных сил и фильтрования.
7.7.1.1. Процеживание – первичная очистка посредством
пропускания стоков через решётки и волокноуловители – для выделения
крупных примесей размером 25 мм и более, а также более мелких
волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки
стоков препятствуют нормальной работе оборудования. Металлические
решётки с зазором 5 -25 мм у станавливаются в коллекторах сточных вод,
размеры поперечного сечения решёток выбираются по минимуму потерь
давления потока на решётке. Скорость потока в зазоре между стержнями
не должна превышать 0,8 -1 м/с при максимальном расходе сточных вод.
Расчёт решёток сводится к определению числа зазоров n, ширины решётки
В и потерь напора ∆р сточной воды [61] .
Решётки периодически очищаются от задерживаемых примесей
механически с помощью вертикальных и поворотных граблей, примеси
измельчают на специальных дробилка х и направляют в поток за решётку
или на переработку, что усложняет технологию очистки. Поэтому
применяют решётки -дробилки, измельчающие примеси без извлечения их
из воды. Средний размер измельчения не превышает 10 мм.
7.7.1.2. Отстаивание основано на особенностях процесса осаждения
твёрдых частиц в жидкости. Осаждение может быть свободным, без
слипания частиц, и при параллельно протекающем коагулировании
осаждающихся частиц. Механизм свободного осаждения сохраняется при
объёмной концентрации частиц до 1 % (до массовой концентрации ∼ 2,6
кг/м
3).
Скорость осаждения – основа для проектирования устройств
отстаивания – определена для сферических частиц с учётом сил
гидравлического сопротивления, массовых сил и силы Архимеда
()
μ
18 ρ
ρ
d
g
ω
ч
2
ч
o−

= , (7.13)
где µ, ρ - вязкость и плотность воды, g – ускорение свободного падения, d
ч,
ρ
ч – диаметр и плотность вещества частиц.
Для d
ч > 1 мм при нарушении ламинарного движения осаждения

173
μρ
ρ
d
g
K
ω
ч
ч
o−



= , (7.14)
где К – коэффициент формы частиц, К = 1,2 – 2,3 [66] .
На основе принципа отстаивания построены песколовки и
отстойники.
Существует несколько типов песколовок. В горизонтальной
песколовке, рис. 7.2 сточная вода движется горизонтально с оптимальной
скоростью ω = 0,15···0,30 м /с. За время движения в песколовке частица,
осаждаясь со скоростью ω
о, должна достичь дна (шламосборника), поэтому
отношение глубины h к ω
о должно быть меньше времени τ движения
стоков в песколовке, τ = 30···100с, которым определяется и длина
песколовки L. Ширина песколовки В определяется максимальным
расходом сточных вод (Q), В = Q/hω .


В вертикальных песколовках сточная вода получает вертикальную
(вниз, к шламосборнику) составляющую скорости движения, что облегчает
осаждение частиц.
В аэрируемых пе сколовках крупные частицы осаждаются, как и в
горизонтальных песколовках, а мелкие обволакиваются пузырьками
воздуха, нагнетаемого в сточную воду, всплывают на поверхность и
удаляются с неё с помощью скребковых механизмов.
С помощью отстойников из сточных вод выделяются частицы с
размером менее 0,25 мм. По направлению движения воды в отстойниках их
делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные, комбинированные.
Особенности отстойников: меньшие по сравнению с песколовками
скорости движения стоков – в св язи с меньшими значениями ω
о данных
частиц – и (или) развитие элементов конструкции, способствующих
увеличению вертикальной составляющей скорости сточной воды по
направлению к шламосборнику. На рис. 7.3 приведена схема
вертикального отстойника. Сточная вод а поступает в кольцевую зону

174
между перегородкой 1 и корпусом 2 и движется вниз. Отразившись от
отражательного кольца 3, вода (очищенная) уходит во внутреннюю
полость перегородки и через кольцевой водосборник 4 выводится из
отстойника, а твёрдые частицы, приобретя скорость движения вниз, (она
не должна превосходить скорость оседания частиц) достигают
шламосборника 5. Осадок из шламосборника 5 периодически удаляется
через трубопровод 6.
7.7.1.3. Отделение твёрдых частиц в поле действия инерционных сил
произhдится в гидроциклонах, открытых и напорных, и центрифугах.
Гидроциклоны по принципу действия, а напорные – и по конструкции
аналогичны циклонам для очистки газов от твёрдых, см. гл. 6.
7.7.1.4. Фильтрованием обеспечивается очистка сточных вод от
тонкодис персных твёрдых примесей с небольшой концентрацией, в том
числе, после физико -химических, химических, биологических методов
очистки. Известны два основных класса фильтров: зернистые,
представляющие собой однослойные или многослойные насадки пористых
несвяз анных материалов (кварцевый песок, дроблёный шлак, гравий,
антрацит), и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из
связанных пористых материалов.
На рис. 7.4 представлен многослойный зернистый каркасно -
насыпной фильтр. Сточная вода поступает по коллектору 1, через
отверстия в нём равномерно распределяется по сечению фильтра. Она
проходит через слои гравия 2 и песка 3, через перфорированное днище 4,
установленное на слое гравия 5 , и через трубопровод 6 отводится из
фильтра. Регенерация (очистка) ф ильтра производится продувкой сжатого
газа через трубопровод 7 с последующей обратной промывкой водой через
вентиль 8. Скорость фильтрования составляет 0,0014 -0,0028 м/с.

175

Известны [63] электромагнитные фильтры для очистки стоков от
ферромагнитных примес ей. В них используются пондерматорные силы
взаимодействия между намагниченной фильтровальной загрузкой из
ферромагнитных частиц и ферромагнитными примесями сточной воды.

7.7.2. Очистка сточных вод от нефтепродуктов

Методы очистки сточных вод от нефтепродуктов можно отнести к
группе методов механической очистки от суспензий и эмульсий. В
настоящее время такая очистка производится, в основном, отстаиванием,
обработкой в гидроциклонах, флотацией, фильтрованием.
Примеси нефтепродуктов относятся к всплывающи м, см. раздел 7.4.
Отстаивание основано на закономерностях всплывания примесных частиц
нефтепродуктов по тем же законам, по которым происходит осаждение
твёрдых частиц. Отстаивание осуществляется в отстойниках и ловушках,
при этом, как правило, предусматри вается использование отстойников, как
для осаждения твёрдых частиц, так и для всплывания нефтепродуктов,
расчёт длины отстойника производится по скорости осаждения твёрдых
частиц и по скорости всплывания маслопродуктов, принимается
наибольшее из двух значе ний.

176
Маслоловушки (ловушки примесей нефтепродуктов) по конструкции
аналогичны горизонтальным отстойникам, при скорости движения стоков
в ловушке 0,003 ... 0,008 м/с сточные воды находятся в ловушке около двух
часов, всплывшие на поверхность нефтепродукты удаляются
маслосборным устройством.
При концентрированных маслосодержащих стоках применяют
обработку сточных вод реагентами, способствующими быстрой
коагуляции примесей: Na
2CO 3, H 2SO 4, NaCl, Al 2(SO 4)3 и др.
Отделение нефтепродуктов в поле действия инерционных сил
осуществляется в напорных гидроциклонах. На рис. 7.5 представлена
схема напорного гидроциклона, предназначенного для очистки стоков от
металлической окалины и масла [63] . Стоки через установленный
тангенциально по отношению к
корпусу гидроциклон а трубопр-
овод 1 поступают в гидроциклон.
Твёрдые частицы отбрасываются к
стенкам гидроциклона и стекают в
шламосборник 2. Сточная вода с
примесью нефтепродуктов
движется вверх, при этом из -за
меньшей плотности нефтепродук -
тов они концентрируются в ядре
за крученного потока, который
поступает в приёмную камеру 3 и
через трубопровод 4 выводится из
гидроциклона для последующей
утилизации. Очищенная сточная
вода скапливается в камере 5, откуда через трубопровод 6 отводится для
дальнейшей очистки. Выход 7 с регулируемым гидравлическим
сопротивлением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося
в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.
Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в
интенсификации процесса всплывания нефтепродуктов при обволакивании
их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду. Образование
агрегатов «частица - пузырьки воздуха» зависит от интенсивности их
столкновения друг с другом, химического взаимодействия находящихся в
стоках веществ, давления воздуха и т.д.
По способу образования пузырьков различают несколько видов
флотации: напорного, пневматическую, пенную, химическую,
биологическую, электрофлотацию и др.

177
При пневматической флотации сточные воды очищаются от
нефтепродуктов, поверхностно- активных и органических веществ и от
взвешенных частиц малых размеров. Сжатый воздух в виде мельчайших
пузырьков поступает в сточную воду через насадки из пористого
материала. При всплывании пузырьки воздуха обволакивают частицы
нефтепродуктов, поверхностно- активных веществ и мелких твёрдых
частиц, увеличивая скорость их всплывания. Образующаяся на
поверхности очищаемой воды пена отсасывается центробежным насосом в
пеносборник для последующего извлечения из неё нефтепродуктов.
Одновременно кислородом, содержащимся в п узырьках воздуха,
окисляются органические примеси. Происходит также насыщение
очищаемой воды кислородом.
При электрофлотации происходящие в сточной воде
электрохимические процессы обеспечивают дополнительное
обеззараживание сточных вод. При использовании электродов из
алюминия или железа происходит коагулирование и осаждение
мельчайших коллоидных частиц (электрокоагуляция).
Очистка стоков от примесей нефтепродуктов фильтрованием -
необходимый заключительный этап очистки: концентрация
нефтепродуктов на выходе отстойников или гидроциклонов достигает
0,01 - 0,2 кг/м
3, что значительно превышает ПДК нефтепродуктов в
водоёмах (0,0005 кг/м 3 – для водоёмов первой категории и 0,00005 кг/м –
для водоёмов второй категории). Очень низкого содержания
нефтепродуктов в воде требуют и условия многократного использования
сточных вод при оборотном водоснабжении предприятий.
Структура аппаратов очистки сточных вод от нефтепродуктов
аналогична структуре аппаратов очистки от твёрдых частиц: зернистые
насыпные фильтры. Наибол ее распространённые фильтроматериалы:
кварцевый песок, доломит, керамзит, глауконит, эффективность очистки
повышается при добавлении волокнистых материалов (асбест и отходы его
производства). В настоящее время в качестве фильтроматериала всё шире
применяются частицы пенолиуретана. Главное достоинство фильтров из
пенополиуретана – простая регенерация путём механического отжимания
нефтепродуктов [63] .

7.7.3. Физико -химические методы очистки сточных вод

Физико -химическая очистка – одн о из наиболее распрост ранённых
направлений очистки сточных вод. Она применяется самостоятельно или в
сочетании с химическими, механическими, биологическими методами.
Основные физико -химические методы: коагуляция и электрокоагуляция,

178
флокуляция, сорбция, флотация и электрофлотация, экстракция, ионный
обмен, гипер - и ультра фильтрация, магнитная обработка.

7.7.3.1. Коагуляция, флокуляция и электрокоагуляция

В практике очистки сточных вод метод коагуляции часто
применяется после удаления грубодисперсных примесей – для удаления
ко ллоидных частиц. Коагуляция – процесс слипания коллоидных частиц и
образования грубодисперсной макрофазы (флокул) с последующим её
выделением из воды.
Один из видов коагуляции – флокуляция, при которой мелкие
взвешенные частицы под влиянием специально доб авляемых веществ
(флокулянтов) образуют интенсивно оседающие хлопьевидные
образования.
Основной процесс коагуляционной очистки сточных вод –
гетерокоагуляция, при которой коллоидные (и мелкодисперсные частицы)
взаимодействуют с агрегатами, образующимися п ри введении в стоки
коагулянтов.
Основные коагулянты:
а) соли алюминия: глинозём Al
2(SO 4)3 ⋅18H 2O; алюминат натрия
NaAlO
2; оксихлорид алюминия Al 2(OH) 5Cl; полихлорид алюминия
[ Al
2(OH) nCl 6-n ]m ⋅(SO 4)x, где 1 ≤ n ≤ 5m ≤ 10; б) соли железа: железный
купо рос FeSO
4⋅7H 2O; хлорид железа FeCl 3⋅6H 2O; сульфат железа
Fe
2(SO 4)3⋅ 9H 2; в) соли магния: хлорид магния MgCl 2⋅6H 2O; сульфат магния
MgSO
4⋅ 7H 2O; г) известь; д) шламовые отходы и отработанные растворы
отдельных производств.
Сточные воды смешивают с коагулянто м в специальных
устройствах – смесителях в течение 1 -3 мин., хлопьеобразование
происходит в камерах хлопьеобразования, например, с механическим
перемешиванием. Осаждение хлопьев и частиц, образовавшихся в
результате коагуляции, производится в отстойниках, этот процесс часто
называют осветлением стоков, а соответствующие отстойники –
осветлителями [68- 70].
Согласно современным представлениям [62] основная масса
коллоидных частиц имеет одинаковый отрицательный заряд и потому
имеют высокую агрегативную устой чивость. Появление в сточной воде
положительных ионов способствует нейтрализации электрических полей
отрицательных зарядов коллоидных частиц, и они теряют свою
агрегативную устойчивость. В наибольшей степени агрегативную
устойчивость частиц понижают ионы
+
3 Al и +
3 Fe , и это обстоятельство
предопределило применение в качестве коагулянтов именно солей железа

179
и алюминия. В последующем практика и теория коагуляции привели к
заключению, что в стоки достаточно ввести не соли алюминия или железа,
а только ионы
+
3 Al и +
3 Fe . Это достигается анодным растворением Al или
Fe в воде при прохождении через воду электрического тока. Такой процесс
коагуляции называется электрокоагуляцией, а соответству ющие аппараты
– электрокоагуляторами.

7.7.3.2. Сорбция

Сорбция – процесс поглощения вещества (сорбата) из очищаемой
среды твёрдым телом или жидкостью (сорбентом). Поглощение вещества
массой жидкого сорбента – абсобция, поверхностным слоем твёрдого
сор бента – адсорбция. Если при поглощении происходит химическое
взаимодействие сорбента и сорбата, процесс называют хемосорбцией.
При очистке сточных вод в качестве сорбентов применяют
искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь,
торф , силикагели, алюмогели, активные глины. Наиболее эффективны
активированные угли, пористость которых достигает 75 %, а удельная
площадь поверхности – 900 м
2/кг. Расход сорбента определяют из
соотношения.
()
aC
C
Q
m
к −
=0 , (7.15)
где Q – расход сточной воды, C
o и C к – концентрации примесей до и после
прохождения стоками сорбционной установки, а – активность сорбента –
количество поглощаемого вещества на единицу массы сорбента.
целесообразно использовать для очистки сточных вод от примесей,
которые можно использовать повторно в технологическом процессе.

На рис. 7.6 представлена схема сорбционной установки. Сточная
вода поступает в адсорбер 1 по трубопроводу 2. По трубопроводу 3
подаётся адсорбент, перемешиваемый со стоками импеллером 4.
Адсорбен т с поглощёнными примесями оседает на дно адсорбера, откуда

180
удаляется через трубопровод 5. Сточная вода со взвешенными частицами
сорбента поступает в отстойник 6, в котором частицы сорбента оседают на
дно и удаляются по трубопроводу 7, а очищенная сточная вода
направляется по трубопроводу 8 для последующей обработки.
Обычно сорбционная установка представляет собой несколько
параллельно работающих секций, каждая из которых состоит из трёх- пяти
последовательно расположенных фильтров, схема которых представле на
на рис. 7.6.
Регенерацию сорбентов производят экстрагированием
органическими растворителями; отгонкой водяным паром; испарением
адсорбированного вещества током инертного газообразного
теплоносителя. Вследствие обратимости процессов сорбции их

7.7.3.3. Экстракция

Метод применяется для удаления из стоков примесей,
представляющих техническую ценность (фенолы, жирные кислоты),
основан на распределении примеси в смеси двух взаимонерастворимых
жидкостей (сточной воды и экстрагента) соответственно коэффицие нту
экстракции (распределения) К
э = С э/С в, где С э и С в – концентрации
примеси в экстрагенте и в воде при установившемся равновесии. Так, для
бутилацетата, который широко используется для удаления из стоков
фенола, коэффициент экстракции составляет 8 …12. Экстрагент должен
иметь следующие свойства: высокий К
э ; селективность – способность
экстрагировать из стоков одно вещество или определённую их группу;
малую растворимость в воде; плотность, отличающуюся от плотности
воды; нетокс ичность; низкую стоимость и др.
Конечная концентрация С
в экстрагируемого вещества в стоках
определяется из соотношения
() n
з
o
в ВК
C
C
+
=
1 , (7.16)
где С
о – начальная концентрация вещества в стоках, n – число экстракций,
В – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м 3/м 3, равный
Q
n W
В

= ,
(7.17)
где W – общий объём экстагента, затрачиваемого на экстракцию, м
3; Q –
объём стоков, подвергающихся экстаркции, м 3. Регенерация экстрагента из
сточных вод и из экстракта (раствор приме си, удаляемой из стоков, в
экстрагенте) осуществляется водяным паром.

181
7.7.3.4. Ионный обмен

Метод (гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция)
основан на процессе обмена между ионами, находящимися в растворе (в
сточных водах), и ионами, присутст вующими на поверхности твёрдой
фазы – ионита. Молекулярная структура ионита содержит матрицу –
молекулу нерастворимого органического вещества – и еденную 
матрицу функциональную группу, способную обмениваться ионами с
очищаемым раствором. Наиболее распр остранены синтетические
органические иониты – ионообменные смолы. Иониты разделяются на
катиониты и аниониты.
Катиониты – материалы, способные обмениваться катионами, то есть
положительными ионами. Их функциональные группы, например, SO
3H –
сульфогруппа, СООН – карбоксильная группа. При контакте с водой
функциональная группа диссоциирует с отщеплением иона водорода.
Последний легко может быть вытеснен другим положительным ионом,
который, положим, необходимо удалить из сточной воды. Реакция ионного
обмена может быть записана в виде
RH
++ Na +↔ R 1Na ++H + , (7.18)
2 RH ++ С a 2+↔ R 1Сa 2++2H + . (7.18a)
Здесь R обозначает комплекс катионитной матрицы и катионитной
функциональной группы без обменного иона (одновалентного), R
1 – новый
комплекс, образовавшийся в резуль тате объединения двух комплексов R
двухвалентным ионом кальция. Значит, подобный ионообменный фильтр
поглощает из раствора ионы Na
+, Ca 2+ и т.д., а раствору передаёт ионы
водорода.
Аниониты – материалы, способные обмениваться с раствором
анионами, то есть отрицательными ионами. По аналогии с катионитами,
структура анионита может быть обозначена как ROH, где R – комплекс
анионитной матрицы и а нионитной функциональной группы без
обменного иона.
Примеры реакций обмена:
ROH
ˉ+ Cl ˉ↔R 1Cl ˉ+OH ˉ, (7.19)



− +

+ OH
SO
R
SO
ROH 2
2 2
4
1
2
4 , (7.20)
р егенерация катион итов производится слабыми растворами кислот,
например, 1 …1,5 %-ным раствором серной кислоты:
() +
+
+
+
+ −
+
+

+ H
n
Na
RH
nH
RNa 1 , (7.21)
() +
+
+
+
+ −
+
+

+ H
n
Сa
RH
nH
Сa
R 2
2 2
2
1 , (7.22)
р егенерация анионитных фильтров производится обычно 4 % -ным
раствором NaOH.

182
Ионный обмен производится в ионообменных фильтрах, которые в
общих конструктивных чертах подобны механическим зернистым
насыпным фильтрам. При пропускании сточной воды (прошедшей
предочистку) через ионообменный фильтр частицы (зё рна) ионитного
фильтроматериала расходуют свой ионообменный ресурс, и фронт
насыщения ионами, удаляемыми из сточной воды, постепенно
перемещается от входа фильтра к его выходу. При «крутом» фронте
насыщения имеет место наиболее полное использование ионитно го
фильтроматериала. При подходе фронта насыщения к выходу насыпного
ионообменного фильтра подача сточной воды прекращается, чтобы не
допустить проскока через насыщенный фильтр ионов, удаляемых из
сточной воды. Насыщенный фильтр подлежит регенерации, а очищаемые
сточные воды пропускаются через свежий ионообменный фильтр.

7.7.3.5. Электродиализ

Этот метод – вариант ионного обмена. Но в нём ионитный слой
заменён специальными ионообменными мембранами, а движущая сила –
внешнее электрическое поле.
При налож ении постоянного электрического поля на раствор в
последнем возникает движение ионов растворённых солей, а также Н
+ и
ОНˉ . При достижении катода катионы, а также молекулы воды
восстанавливаются, например
OH
2
H
e
2
O
H
2 2
2 +


+ ˉ , (7.23)


+ +
2 H
e
2
H
2 , (7.24)
н а аноде происходит окисление анионов

+

− −
2
2 O
O
H
2
e
4
OH
4 , (7.25)


− −
2 Cl
e
2
Cl
2 . (7.26)
Если в электродную ячейку поместить ионообменные мембраны:
катионообменную, пропускающую только катионы, - около катода, а ок оло
анода – анионообменную пропускающую только анионы, то объём ячейки
разделится на три камеры, рис. 7.7. В этом случае в катодную камеру из
средней могут проходить лишь катионы, мигрирующие к катоду, а в
анодную – анионы, мигрирующие к аноду. Значит, концентрация ионов в
средней (второй по счёту, чётной) камере будут уменьшаться, в
приэлектродных камерах – увеличиваться.
Если электродную ячейку разделить на множество камер, то
половина из них будет обессоливаться (чётные камеры), другая (нечётные
камеры) – наоборот, насыщаться. Значит. очищенной от солей является
вода (сточная вода) из чётных камер электродиализатора.

183


Мембраны для аппаратов производят в виде гибких листов
прямоугольной формы или рулонов полимерного связующего с порошком
ионообменных с мол. Наиболее эффективное использование
электродиализаторов – при концентрации солей в сточной воде 3 …8 г/л.

7.7.3.6. Гиперфильтрация (обратный осмос) и ультрафильтрация

Гиперфильтрация – процесс непрерывного молекулярного
разделения растворов путём их фильтрования под давлением через
полунепроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично
молекулы либо ионы растворённого вещества. При этом размеры
отделяемых частиц (молекул, гидратированных ионов) сопоставимы с
размерами молекул растворителя ( воды). Необходимое давление,
превышающее осмотическое давление растворённого вещества в растворе,
может достигать 5 …10 Мпа. Гиперфильтрация производится в случае
относительно высокого осмотического давления растворённого вещества в
растворе.
В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с
максимальным диаметром частиц 0,5 мкм, осмотическое давление
пренебрежимо мало. Для их разделения применяют процесс
ультрафильтрации на специальных мембранах, пропускающих лишь воду,
ионы и молекулы низкомолекулярных соединений. В этом случае рабочее
давление в аппарате не превышает 0,5 Мпа. Ультрафильтрацией также

184
отделяют коллоидные частицы и мелкодисперсные фракции
грубодисперсных веществ.
Наибольшей удельной площадью поверхности (на один кубический
метр объёма аппарата, м
2/м 3) обладают аппараты из полых волокон малого,
(45…200 мкм), диаметра, 20000 м 2/м 3. Производительность – до
1000 м 3/сут.

7.7.3.7. Другие методы физико -химической очистки сточных вод

Эвапорация . Этот метод строится, в основном, либо на паро -
циркуляционном процессе, либо на азеотропной ректификации. В первом
случае загрязнения отгоняются с циркулирующим водяным паром. При
этом сточные воды движутся через колонку с насадкой (загрузкой)
навстречу острому пару, нагреваются до 100° С, при этом находящиеся в
них летучие примеси переходят в паровую фазу. Затем пар отмывается от
загрязнений раствором щелочи.
Азеотропная ректификация основана на свойстве ряда летучих
органических соединений образовывать нераздельнокипящие смеси с
водой. В колоннах, обогреваемых паром, часть воды отгоняется в виде
азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части
колонны выходят очищенные стоки, а из верхней части отводится пар и
поступает в конденсатор. Конденсат после охлаждения направляется на
сепарацию, гд е разделяется на два слоя - водный и органический. Водный
слой сбрасывается в ёмкость исходной сточной воды, загрязняющий
компонент – на переработку или использование.
Выпаривание . Применяется для увеличения концентрации солей,
содержащихся в сточных вода х, и ускорения их последующей
кристаллизации, а также для обезвреживания небольших количеств,
например, радиоактивных сточных вод. Требует очень больших
энергетических затрат.
Испарение осуществляется с открытой поверхности сточных вод на
открытых испарит ельных площадках, площадь которых рассчитывается в
зависимости от климатических условий и состояния грунтов.
Кристаллизация основана на различной растворимости веществ,
содержащихся в сточных водах, при разных температурах. При изменении
температуры получа ются пересыщенные растворы находящихся в них
веществ, затем их кристаллы. Метод применяется при очистке
высококонцентрированных сточных вод.
Термоокислительные методы – парофазное окисление («огневой
метод»), жидкофазное окисление («мокрое сжигание»), парофазное
каталитическое окисление.

185
При «огневом методе» сточные воды в распылённом состоянии
вводятся в высокотемпературные продукты горения топлива и испаряются,
при этом органические примеси сгорают. Минеральные примеси образуют
твёрдые или расплавленные частицы, они выводятся из рабочей камеры
печи или уносятся с дымовыми газами.
Жидкофазное окисление органических примесей сточной воды
кислородом воздуха производится при повышенных температурах (до
350° С) и давлении.
Термокаталитическое окисление. Сточные воды подаются в
выпарной аппарат, где пары воды и органических веществ, воздух и газы
нагреваются до 300° С, затем смесь идёт в контактный аппарат,
загруженный катализатором. Обезвреженная смесь охлаждается, конденсат
используется в производстве.

7.7.4. Х имическая очистка сточных вод

К химической очистке сточных вод относятся, как правило, очистку
от загрязнений при использовании химических реагентов. Она широко
применяется при локальной очистке сточных вод предприятия. В целом,
химочистка стоков может б ыть использована и как доочистка
промышленных сточных вод, например, их дезинфекция. Основные
методы: нейтрализация и окисление

7.7.4.1. Нейтрализация

Типичная реакция нейтрализации
O
H
OH
H2 =
+ −
+ , (7.27)
При подборе соответствующей концентр ации нейтрализующего иона,
например, ОН
-, вводимого в стоки с гашёной известью, концентрация
каждого из ионов становится приблизительно равной, то есть значение рН
приближается к 7. К нейтральным относятся воды с рН = 6,5···8,5.
Чаще всего стоки загрязнен ы кислотами: серной Н
2SO 4, азотной
НNO
3, соляной HCl или их смесями, реже - азотистой HNO 2, фосфорной
H
3PO 4, сернистой H 2SO 3, сероводородной H 2S и органическими, например,
уксусной CH
3COOH, пикриновой HOC 6H 2(NO 2)3, угольной H 2CO 3 и др.
Способы нейтрализац ии:
а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных стоков;
б) нейтрализация реагентами;
в) фильтрование через нейтрализующие материалы
Взаимная нейтрализация кислых и щелочных стоков . Кислые стоки в
промышленности обычно сбрасываются равномерно в течение сут ок,

186
щелочные – по мере отработки щелочных растворов, для которых
необходимо устраивать регулирующий резервуар. Из резервуара щелочные
стоки равномерно выпускаются в камеру реакции, где и происходит
взаимная нейтрализация. Метод особенно распространён в хим ической
промышленности.
Нейтрализация стоков реагентами. В качестве реагентов
используются растворы кислот, негашёной СаО и гашёной извести,
кальцинированной соды Na
2CO 3, каустической соды NaOH, аммиака
NH
3OH. Реагентная нейтрализация используется в случ аях, когда на
предприятии образуются только или кислые или щелочные стоки или если
невозможно произвести взаимную нейтрализацию кислых и щелочных
стоков.
Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой
щелочной реагент, чаще известь, а также карбонат ы кальция или магния,
например:
() O
H
2
CaSO
OH
Ca
SO
H2
4
2
4
2 +
=
+ , (7.28)
2
2
4
3
4
2 CO
O
H
CaSO
CaCO
SO
H +
+
=
+ , (7.29)
Образующийся гипс кристаллизуется из разбавленных растворов
(таковыми являются сточные воды) в виде CaSO
4 ⋅ 2H 2O.
Для нейтрализации органических жирных к ислот используют
известь, содержащую 25···30 % активного оксида кальция или смесь
извести с 25% технической аммиачной водой.
Нейтрализация стоков фильтрованием через нейтрализующие
материалы . Обычно применяется для нейтрализации кислых сточных вод,
в каче стве нейтрализующих материалов используются известь, известняк,
доломит CaCO
3⋅ MgCO 3, магнезит MgCO 3, обожжённый магнезит MgO, мел
CaCO
3. Крупность фракций фильтроматериала – 3···8 см, скорость
фильтрования – до 5 м/ч, продолжительность контакта – не менее 10 мин.
Конструктивно фильтры выполняются с вертикальным движением
кислых стоков.
При нейтрализации кислых стоков предусматривается надёжная
изоляция оборудования или изготовление его из кислотоупорного
материала. Методы расчёта нейтрализационных установок приведены в
[ 67, 72] .

7.7.4.2. Окисление

Метод используется для обезвреживания стоков, содержащих
токсичные соединения (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или
соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод или
очищать другими методами: стоки участков гальванических покрытий в

187
машиностроении и приборостроении, стоки производств переработки
свинцово-цинковых и медных руд в горнодобывающей промышленности,
стоки цехов варки целлюлозы в целлюлозобумажной промышленности и
т. п.
При очистке стоков используют окислители: хлор, гипохлорат
кальция и натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, кислород воздуха
и технический кислород. Реже применяют пероксид водорода, оксиды
марганца, перманганат и бихромат калия.
Окисление активным хлором – один из наиболее распространйнных
способов очистки стоков от ядовитых цианидов, сероводорода, содержание
цианидов в стоках может достигать 100 мг/л и более, и это требует их
очистки перед подачей на биологическую очистку или перед выпуском в
водоём.
Так, окисление ядовитых цианид –ионов СN
- производится
переводом их в нетоксичные цианиты CNO -, которые гидролизуются с
образованием ионов аммония и карбонатов
O
H
2
CNO
e
2
OH
2
CN2 +


+−

− , (7.30)

+
− +

+ 2
3
4
2 CO
NH
O
H
2
CNO , (7.31)
Окисление цианидов хлором можно проводить только в щелочной среде,
рН ≥ 9···10, образующиеся цианиты можно окислить до элементарного
азота и диоксида углерода
O
H
2
Cl
2
CNO
Cl
OH
2
CN2
2 +
+


+−


− , (7.32)
O
H
2
N
Cl
6
CO
2
Cl
3
OH
4
CNO
22
2
2
2 +

+
+


+
+ −

− , (7.33)
При снижении рН происходит прямое хлорирование цианида с
образованием токсического хлорциана

− +

+ Cl
CNCl
Cl
CN 2 , (7.34)
При наличии в стоках аммиака, аммонийных солей или органических
веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая кислота и
гипохлориты вступают с ними в реакцию, образуя моно- и дихлорамины и
трёххлористый азот
O
H
Cl
NH
HOCl
NH2
2
3 +

+ , (7.35)
O
H
NHCl
HOCl
Cl
NH2
2
2 +

+ , (7.36)
O
H
NCl
HOCl
NHCl2
3
2 +

+ , (7.37)
Окисление кислородом воздуха используется для окисления
сульфидных стоков и стоков нефтеперерабатывающих и неф техимических
заводов. Окисление гидросульфидной и сульфидной серы протекает через
ряд стадий




− →



→ 2
4
2
3
2
3
2
2
8
n
2 SO
SO
O
S
O
S
S
S , (7.38)

188
При этом сера изменяет свою валентность с –2 до +6. Если рН = 7···13,75,
то продуктом окисления сероводорода, гидросульфида сульф ита является
тиосульфат.
Разрушение сульфидных соединений можно осуществлять
диоксидом углерода, содержащимся в дымовых газах, при этом
образование карбонатов происходит следующим образом
S
H
CO
Na
O
H
CO
S
Na2
3
2
2
2
2 +

+
+ , (7.39)
S
H
2
CO
Na
O
H
CO
NaHS
22
3
2
2
2 +

+
+ , (7.40)
Выделяющийся сероводород – сырьё для получения серной кислоты.
Озонирование . Озон способен разрушить (обезвредить) в водных
растворах при нормальной температуре многие органические
(неорганические) вещества, его преимущество в том, что его можно
получ ить непосредственно на очистной станции (посредством тихого
электрического разряда в газовой среде) из технического кислорода или
кислорода атмосферного воздуха.
Так, уже упомянутые ядовитые цианид -ионы под воздействием озона
окисляются в нетоксичные циан ит-ионы
2
3 O
CNO
O
CN +
=
+ −
− . (7.41)
Принципиальная технологическая схема озонирования стоков
состоит из двух основных узлов: получение озона и очистка сточных вод.
Озон и его водные растворы чрезвычайно коррозионны. Наиболее
устойчивые материалы: нержавеющая сталь и алюминий.
Озонирование эффективно при очистке стоков от фенолов,
циклопентана, циклогексана, тетраэтилсвинца, цианидов, крезолов,
поверхностно -активных веществ. Процесс озонирования можно
интенсифицировать совместным воздействием озона и ультразвука или
озона и УФ -излучения.
Электрохимическое окисление . В его основе лежат анодное
окисление и катодное восстановление , см. раздел 7.7.3.5. На аноде (графит,
магнетит, диоксиды свинца, магния, рутения, нанесённые на титановую
осноm  заb симости от солевого состава стоков и условий электролиза
выделяются кислород и галогены, окисляются некоторые органические
вещества. На катоде (свинец, цинк, легированная сталь) происходит
выделение газообразного водорода и восстановление некоторых
органич еских веществ.
Опыт применения электрохимических методов для очистки стоков
показал их высокую эффективность при удалении фенолов, цианидов,
н итросоединений, сульфидов, аминов, кетонов, альдегидов, спиртов.
Для снижения расхода электроэнергии и интенсификации окисления
в сточные воды добавляют минеральные соли, обычно NаCl, который

189
разлагается с выделением на аноде атомов хлора, участвующих в процессе
окисления, например
2 Cl
e
2
Cl
2 →
− − , (7.42)
O
H
2
Cl
2
CNO
OH
2
CN
Cl2
2 −


− +

+
+ . (7.43)
Основные параметры процесса: плотность тока до 100 А/м
2;
объёмная плотность тока до 3 А/л; количество вводимого хлорида натрия
5···10 г/л.
Радиационное окисление органических и минеральных веществ в
сточных водах происходит за счёт реакции этих веществ с продуктами
ра диолиза воды:


2 HO
,
OH (в присутствии кислорода), Н 2О 2, Н +. В
качестве источников излучения могут быть использованы радиоактивные
кобальт и цезий, тепловыделяющие элементы (твэлы), радиационные
контуры, ускорители электронов. Имеется лаборат орный опыт очистки
стоков от фенолов, цианидов, красителей, инсектицидов, поверхностно -
активных веществ.
Радиационное окисление примесей в стоках – перспективный метод.
В практике очистк и стоков пока широко не используется из -за сложного
аппаратурного оформления и больших затрат.

7.7.5. Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод – технологический процесс
очистки сточных вод, основанный на способности биологических
организмов (редуцентов) разлагать загрязняющие вещества [7 3].
Биологическое разрушение (окисление) загрязняющих органических
веществ производит биоценоз, включающий в себя в общем случае
бактерий, простейших, водорослей, грибов, коловраток, червей и т.д.,
потребляющих органическое вещество и в процессе дыхания
превращающих его в воду и углекислый газ. Пирамида массы данного
биоценоза представлена на рис. 7.8.
Общая схема окисления загрязняющих органических веществ в
аэробных условиях:
1) Органические вещества + О
2 + N (азот) + P (фосфор) →
микроорганизмы + CO
2 + H 2O + би ологически неокисляемые
растворённые вещества;
2) Микроорганизмы + О 2 → CO 2 + H 2O + N + P + биологически не
разрушаемая часть клеточного вещества.
Реакция (1) отображает окисление исходных органических
загрязнений и образование новой биомассы; реакция (2) пре дставляет
процесс эндогенного (внутреннего) окисления клеточного вещества,

190
происходящий после использования внешнего источника питания
(органических загрязнений стоков).


Ферментативные реакции окисления загрязняющих органических
веществ, содержащихся в сточных водах, происходят внутри
бактериальной клетки, куда элементы питания должны попадать сквозь её
оболочку. Поэтому важная роль в общем процессе окисления принадлежит
внеклеточному ферментативному гидролитическому расщеплению частиц
и крупных молекул на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки.

7.7.5.1. Влияние факторов на биологическую очистку стоков

Температура. Как правило, оптимальные температуры для аэробных
процессов – 20···30° С; существуют группы бактерий, функционирующих в
других темпера турных интервалах: психофилы – 10···15° С, термофилы –
50···60° С и др. Роль температуры связана, в частности, с температурной
зависимостью растворимости кислорода в воде.
Величина рН . Биологическая очистка эффективна при рН = 5···9,
оптимальная – при рН = 6,5···7,5, есть бактерии, склонные к кислой
(грибы, дрожжи, рН = 4···6) или к слабощелочной среде (актиномицеты).
Содержание биогенов . Биогенные элементы N и Р необходимы
бактериальной клетке как «строительный» (N) и энергетический (Р)
материал, необходи мы также (в незначительных количествах) элементы
Mn, Zn, Cu, Mo и др. [ 67].
Сбалансированность элементов питания для бактерий в сточных
водах определяется соотношением БПК
п: N: Р (N – азот аммонийных солей
и Р – фосфор в виде растворённых фосфатов). Оптим альным для

191
биоочистки стоков считается соотношение 100 : 5 : 1, характерное для
нефтеперерабатывающих заводов; для производства поливинилацетатных
пластмасс, например, оно составляет 100 : 3,9 : 0,8.
Уровень питания : величина суточной нагрузки по загрязне ниям в
пересчёте на 1 м
3 очистного сооружения, выражаемая через БПК п,
приходящаяся на 1г беззольной части биомассы. Оптимальная
(классическая) суточная нагрузка – 150···400 мг БПК
п/г ⋅сут.
Токсичные вещества. Ими могут быть органические и
неорганические вещества, их действие может быть микробостатическим
(задерживается рост и развитие микроорганизмов) и убивающим
(микробоцидным). Существует ПДК токсичных веществ для сооружений
биологической очистки.

7.7.5.2. Методы и сооружения биологической очистки

Естественные методы : почвенная очистка на полях фильтрации
(орошения) и очистка в биологических прудах.
Биологическая очистка на полях орошения заключается в том, что
при прохождении стоков через слой почвы в последней адсорбируются
взвешенные и коллоидные вещества, образующие микробиологическую
плёнку. Эта плёнка окисляет задержанные органические вещества и
минерализует их. Такие поля оснащены системой подводящих,
распределительных и отводящих сооружений. Простейший вариант поля
орошения для очистки непромышл енных стоков описан в [19] .
Неочищенные стоки города Эммитсберга (США) сначала поступают в
пруд, где оседает мусор и самые крупные частицы. Это – первичная
очистка, характерная практически для всех методов биоочистки. Часто
вместо пруда используются больш ие баки, называемые первичными
отстойниками. Затем стоки подаются на поля с пахотным слоем около 30
см. Здесь выращивается канареечник – кормовой злак, активно
поглощающий из почвы азот и другие биогены. Глинистая
водонепроницаемая подпочва образует плавный уклон в направлении от
оросительной трубы: сточные воды просачиваются сквозь пахотный слой и
стекают в дренажную канаву на другой стороне поля. По мере
прохождения стоков сквозь почву обитающий в ней биоценоз (рис. 7. 8)
разлагает и усваивает органические отходы и обогащает почву биогенами.
Канареечник поглощает питательные элементы, поэтому вода на выходе
поля весьма чистая и почти лишена их. Эту воду используют для полива
кормовых культур, канареечник скашивают и скармливают скоту. Таким
образом, биоген ы совершают полный круговорот, попадая из сточных вод
в траву, в мясо животных, в человека, затем опять в стоки и в почву.

192
Серьёзным препятствием для подобной очистки и использования
промышленных стоков является частое содержание в них ядовитых
веществ – свинца, ртути, хрома, не разлагаемой органики. Между тем
промышленность часто сбрасывает свои отходы в коммунальные очистные
системы, эти отходы подавляют организмы, участвующие в системах
биоочистки и серьёзно снижают её эффективность. Предварительная
очи стка промышленных стоков от ядовитых отходов позволит шире
использовать сточные воды для орошения.
Биологические пруды - искусственные водоёмы с использованием
естественных процессов – применяются для очистки промышленных и
коммунальных стоков. Здесь культивируют биоценозы, аналогичные
рассмотренным для случая полей орошения. Различают биологические
пруды с естественной и искусственной аэрацией. Последняя позволяет
значительно уменьшить требуемую площадь прудов.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях
производится в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
В биофильтрах сточная вода из отстойников (первичных)
разбрызгивается и стекает струйками по слою щебня, гравия и т.п.
загрузочного фильтроматериала, толщина которого может достигать 2···3
м. При разбрызгивании сточная вода обогащается кислородом. Как и в
естественных ручьях, в этих условиях функционирует сложная экосистема
из бактерий, простейших, мелких червей и других микро -и
макроорганизмов, прикреплённых к элементам ф ильтроматериала. Они
“выедают” из протекающей воды органическое вещество, включая
патогенов. Случайно смытые с биофильтров организмы устраняются во
вторичных отстойниках. В биофильтрах сточные воды теряют до 90 %
органических веществ. Интенсивность биоокис ления органического
вещества в биофильтре повышается при подаче сжатого воздух через
фильтр в направлении, противоположном фильтрованию.
Аэротенки представляют собой, в сущности, отстойники, в которые
помещают активный ил – смесь микро - и макроорганизмов – детритофагов,
то есть пожирателей неживого органического вещества, образующих
специфический водный биоценоз, рис.7.8, с водой, органическим
веществом, биологически неокисляемыми растворёнными веществами и
биологически неокисляемой частью клеточного вещества. По мере
движения воды по аэротенку она интенсивно аэрируется сжатым воздухом,
то есть создаётся идеальная среда для развития указанных организмов.
Окситенки - модификация аэротенков, в которые вместо сжатого
воздуха поступает газообразный кислород, ч то приводит к
интенсификации процессов окисления.
Сточная вода после аэро - и окситенков направляется во вторичные
отстойники, осадок которого – тот же активный ил, который снова

193
направляют в аэрационный резервуар. Излишки активного ила вместе с
илом – сыр цом (осадком и всплывшим грубодисперсным веществом в
первичном отстойнике) направляют на переработку – сбраживание или
компостирование. В результате получают метан и качественное удобрение
(гумус) для сельскохозяйственных полей и газонов.
До трёх последни х десятилетий острой необходимости в
дополнительной очистке сточных вод после вторичной (после вторичных
отстойников) не ощущалось [19] . Воду дезинфицировали хлоркой и
сбрасывали в естественные водоёмы. Однако по мере развития
эljhnb кации всё более значимой становится проблема введения ещё
одного этапа очистки – доочистки, устраняющей биогены. Например,
фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы кальция).
Образуется нерастворимый фосфат кальция, который можно удалить
фильтрованием. Если избыток фосфата – главная причина эвтрофик ации,
этого уже достаточно.
При соответствующей доочистке можно добиться того, что
получится вода, пригодная для питья. В обозримом будущем предстоит всё
чаще решать вопрос о том, оправданно ли направление такой воды в сеть
муниципального водоснабжения. Если вопрос нехватки воды обострится
(разделы 7.3, 7.4), то, повидимому, ответ всё чаще будет положительным.
Многие из нас бледнеют при мысли о подобном вторичном использовании
сточных вод, в частности, городских канализаци онных стоков. Однако,
вероятнее всего, с этим придётся смириться: ведь и в природе в любом
случае вода совершает круговорот. Между тем подходящая доочитска
может обеспечить воду гораздо лучшего качества, чем получаемая из
многих рек и озёр, в которые сбрас ываются практически неочищенные
канализационные стоки [19] .
Перед сточными водами, прошедшими вторичную биоочистку, есть
альтернативный путь: на орошение сельскохозяйственных полей и газонов
– в случаях, когда это предотвращает забор таких же количеств чи стой
воды из естественных водоёмов.

7.7.6. Глубокая очистка и обеззараживание сточных вод

Содержащиеся в биологически очищенных сточных водах биомасса,
растворённые органические загрязнения, поверхностно -активные вещества
(ПАВ), биогены (N,P), препятств уют сбросу их в водоёмы или повторному
использованию на предприятии. Задачи завершающей, глубокой очистки:
снижение содержания взвешенных веществ; снижение БПК и ХПК,
содержания ПАВ, N, P; обеззараживание сточных вод и насыщение их
кислородом.

194
Снижение БП К (ХПК), содержания взвешенных веществ и ПАВ
обеспечивается, как правило использованием уже рассмотренных
(разд.7.7.1.) зернистых фильтров. Это достигается задержанием
суспензированной биомассы и минерализацией растворённых в воде
органических веществ с по мощью биомассы, накапливающейся в
фильтровальной загрузке – как в биофильтре ( разд. 7.7.5). Так, эффект
удаления взвешенного активного ила на каркасно -насыпном фильтре
достигает 80 % при исходной концентрации 20 мг/л, эффект снижения
БПК
п – 70 % при исх одной концентрации 10···15 мг/л, снижение ПАВ в
виде грубодисперсной фазы – 80 % при исходной концентрации 2,5 мг/л;
на фильтрах Оксипор обеспечивают снижение концентрации взвешенных
веществ, БПК
5, ПАВ, ХПК и содержания нефтепродуктов на,
соответственно, 9 0, 80, 70, 70 и 80 % при концентрациях поступающих
загрязнений в пределах ПДК для биологической очистки.
Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде
свободного аммиака, солей амммония и нитритов используются методы:
отдувка аммиака; удаление н итратов методами ионного обмена,
хлорирования, озонирования, гиперфильтрации, электролиза;
восстановление нитратов до молекулярного азота химическим и
биологическим методом (денитрификация).
При очистке некоторых категорий сточных вод биогены удаляются
уж е на второй стадии биоочистки – в сооружениях с активным илом,
обогащённым микроводорослями. Последние активно усваивают биогены
азота, фосфора, калия, углерода в процессе фотосинтеза.
Глубокая очистка сточных вод от соединений фосфора производится
в хими ко-биологическом процессе очистки с введением солей железа или
алюминия на ступени очистки перед аэротенками, в активный ил или в
поток иловой смеси, поступающей во вторичные отстойники.
Образующиеся нерастворимые соединения фосфора соосаждаются с
активным илом и удаляются вместе с избыточным илом. Удаление
фосфато также hafh`gh при едении  сточные h^u из_klb
например, после вторичного отстойника или во вторичный отстойник [19] .
Для глубокой доочистки сточных вод от растворённых органических
загряз нений используются также биологические пруды.
Глубокая очистка сточных вод от СПАВ, нефтепродуктов,
соединений азота, сернистых соединений, красителей и других
трудноокисляемых веществ производится методом сорбции активными
углеродосодержащими сорбентами в комплексе с другими методами
очистки.
Обеззараживание очищенных сточных вод осуществляется для
возможно полного уничтожения оставшихся патогенных бактерий. Из

195
четырёх направлений обезвреживания: термический; с помощью сильных
окислителей; воздействием ионов благородных металлов; с помощью
ультразвука, УФ- и радиоактивного излучений – наиболее распространено
второе. В качестве окислителей используются хлор, диоксид хлора, озон,
марганцевокислый калий, пероксид водорода, гипохлорид натрия и
кальция.

7.8. Оборотные системы водоснабжения промышленных предприятий

Большинство промышленных предприятий являются крупными
потребителями воды, что обусловлено универсальностью её свойств и
распространённостью на Земле.
Так, в энергетической отрасли, на тепловых и атомных
электростанциях (ТЭС и АЭС) рабочим телом являются вода и водяной
пар. В зависимости от того, для каких целей используется вода на
электростанции, к качеству воды предъявляются различные требования. На
ТЭС и АЭС различают: воду и пар, используемые как рабочее тело (пар,
кондесат, питательная вода); добавочную воду (для восполнения потерь
рабочего тела в цикле электростанции); сетевую и подпиточную воду
теплосетей и техническую воду. Последняя используется для отвода
теплоты от отработавшего пара в конденсаторах турбин, в системе
гидрозолошлакоудаления, для охлаждения масла и газа турбин и
электрогенераторов, охлаждения подшипников вспомогательных
механизмов), для отвода тепла из бассейнов выдержки тепловыделяющих
элементов АЭС и для ряда других целе й. Незначительная часть
технической воды, поступающей на электростанцию, является исходной
для подготовки добавочной воды основного цикла и подпиточный воды.
Значит, в процессах использования технической (природной) воды
на электростанции образуются: зол ошлаковая пульпа (для ТЭС на твёрдом
топливе), замасленные и замазученные (для ТЭС на мазуте) воды, стоки
химцехов, в которых подготавливается вода для использования в цикле в
качестве рабочего тела (засоленные воды), стоки химических промывок и
консерваци и оборудования, обмывок поверхностей нагрева котлов и
воздухоподогревателей и подогретая (в сравнении с источником) сбросная
вода конденсаторов турбин (тепловое загрязнение).
Как и для других промышленных предприятий, для ТЭС и АЭС
принципиально возможны два варианта водопользования , [74] . По первому
техническая вода забирается из природного источника (река, озеро) и
после использования на электрической станции и соответствующей
очистки сбрасывается в тот же источник. Эта система технического
водоснабжения – прямоточная .

196
По второму варианту на электростанции применяется замкнутое
водопользование, а из природных источников техническая вода на ТЭС и
АЭС подаётся лишь в количествах, необходимых для восполнения
естественных её потерь на электростанции. Этому в арианту соответствуют
оборотные системы технического водоснабжения. Они снабжены прудами
– охладителями или градирнями.
По варианту прмоточной системы водоснабжения электростанция
должна располагаться вблизи крупного природного водного источника, во
втором варианте это требование необязательно.
“Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от
загрязнения” регламентируют преимущественное использование
оборотных систем водоснабжения, в которых сточные воды после очистки
вновь используют в технологиче ских процессах.
Анализ изложенного в настоящей главе позволяет сделать вывод:
уже в обозримом будущем общество должно прийти к такому режиму
водопользования, когда сброс вод, использованных на промышленных
предприятиях, будет исключён: технологической схе мой предприятия
будет предусмотрено многократное использование некоторого количества
воды в тех или иных технологических процессах. То есть повсеместно
утвердится высокоэффективное оборотное водоснабжение.
В ряде технологий (фрагментов технологий) это име ет место уже
сегодня или планируется на недалёкое будущее. Так, в энергетике реально
стоит вопрос о создании бесточных систем ВПУ (водоподготовительных
установок, обессоливающих природную воду для пароводяного цикла), об
отказе от систем гидрозолошлакоудал ения на ТЭС, работающих на
твёрдом топливе и переходе к “сухому”, бессточному удалению золы и
шлака и т.п. [65] . Очень перспективной и, повидимому, ещё до конца не
оценённой сегодня является разработка оборотной системы водоснабжения
ТЭС с воздушно -конденс ационной установкой Геллера, рис. 7.9. [62] .
Такая установка включает в себя конденсатор смешивающего типа,
циркуляционный насос и радиаторно -охладительную башню (РОБ).
Последняя состоит из корпуса, подобного корпусу градирни, в нижней
части которого устан овлены алюминиевые радиаторы.
Вода (конденсат турбины) циркуляционными насосами
прокачивается через радиаторы, в которых она охлаждается потоками
воздуха, поступающими в вытяжную башню через боковые окна,
имеющиеся в её нижней части. Охлаждённая вода посл е РОБ используется
в конденсаторе смешивающего типа для конденсации отработавшего в
турбине пара. Небольшая часть конденсата, в количестве, равном расходу
пара, поступающего в конденсатор, после циркуляционных насосов
отводится к конденсатному насосу и дал ее к паровому котлу. Основной

197
поток вновь поступает в РОБ. Воздух через РОБ движется под
воздействием естественной тяги. Для увеличения теплообмена радиаторы
выполняют оребрёнными. Интенсивность теплообмена сильно зависит от
высоты башни. Поэтому высота РОБ для мощных установок достигает 150
м.

Установка Геллера замечательна тем, что исключает испарение или
капельный унос воды из конденсатора в процессе её охлаждения, как это
имеет место в прудах – охладителях или в градирне. Это значительно
уменьшает [65] безвозвратные потери воды по сравнению с прямоточной
и, особенно, оборотной (с прудами – охладителями или градирнями)
системами водоснабжения – до 1 % и 2 % от валового водопотребления,
соответственно. Валовое потребление – сумма расходов (м
3/с) воды,
находящейся в обороте, и поступающей на станцию свежей воды.

198
Например, по [62] для ТЭС мощностью 5 млн. КВт при прямоточной
системе водоснабжения для целей конденсации пара в конденсаторе
необходим постоянный забор свежей воды ∼ 140 м
3/с. Это – валовое
п отребление, в котором есть только поступление свежей воды и нет
оборотной воды. Безвозвратные потери воды при этом составляют 1 %, или
1,4 м
3/с. При оборотной системе, например, с градирнями, для конденсации
пара в конденсаторе необходимо примерно такое же количество воды (140
м
3/с), но здесь свежая вода составляет ∼ 5 % от валового водопотребления,
то есть ∼ 7 м
3/с, оборотная – 95 %, или 2,8 м 3/с.
Внедрение установок Геллера может снизить норму забора свежей
воды на электростанциях в 17(!) раз, а норму бе звозвратных потерь –  4
раза.
Конечно, в бессточных технологических процессах в разных
отраслях индустрии есть и будут расходы воды на собственно
производство продукции и безвозвратные потери, которые будут
компенсироваться в соответствии с уравнением Q
ист = Q потребл. + Q потерь (7.44)
При этом тарифная политика в области водопотребления в
соответствии с концепцией устойчивого развития (постоянное
ужесточение тарифов) с неизбежностью будет вести к уменьшению как
Q
потребл. , так и Q потерь , поскольку потре битель воды должен будет
оплачивать и то, и другое. И если сегодня существует известная
сдержанность в части внедрения воздушно -конденсационной системы
Геллера (из -за необходимости больших расходов на это) [65] , то в рамках
осуществления концепции устойчив ого развития владельцы
электростанций будут вынуждены пойти на большие расходы по
внедрению установок Геллера, и этим будет внесён вклад в защиту
гидросферы.
В том, что техносфера придёт к бессточным технологиям,
сомневаться не приходится: ещё 40 -50 лет н азад господствовали
прямоточные системы водоснабжения предприятий; сегодня в
большинстве стран прямоточное водоснабжение просто немыслимо. Если,
положим, всё та же ТЭС 5 млн. КВт стоит на берегу реки с дебитом
140 м
3/с (это средняя река, напомним, ч то дебит реки Урал составляет 360
м 3/с, Днестра – 340 м 3/с, Эльбы (Лабы) – 690 м 3/с), то при прямоточной
системе водоснабжения ТЭС водозабор составляет 140 м 3/с, и вся вода
реки должна прокачиваться через теплообменники ТЭС. То есть весь
водоток реки пре вратится в стоки, а русло между водозабором и
водосбросом будет осушено. В то же время при утвердившейся сегодня
оборотной системе водоснабжения для целей конденсации пара в
конденсаторе должен производиться забор свежей воды ∼ 7 м
3/с, а сброс

199
сточной воды составит 4,2 м 3/с - с учётом безвозвратных потерь в 2% от
валового водопотребления, 2,8 м 3/с. То есть прогресс в уменьшении доли
стоков в валовом водопотреблении большой энергетики очевиден.
Следующий шаг в направлении уменьшения стоков в энергетике –
исп ользование воздушно- конденсационных установок Геллера.
Что касается замасленных и замазученных вод и вод обмывок
поверхностей нагрева, то здесь формируются высокоэффективные
локальные замкнутые системы, в которых очищенные и охлаждённые до
приемлемого уровня сточные воды будут снова направляться на
охлаждение масла и газа, подшипников, на обмывку поверхностей нагрева
и др.
В части уменьшения стоков химпромывок и консервации
оборудования стратегическим для энергетики остаётся вопрос разработки
материалов д ля внутренних поверхностей элементов пароводяного цикла,
способных противостоять коррозии и связанному с ней образованию
отложений. Решение этого вопроса приведёт к исключению данных стоков
вообще. Это – вопрос совершенствования технологии энергетического
производства, направленного на исключение самих причин возникновения
стоков химических промывок и консервации оборудования пароводяного
цикла, являющийся одной из компонент общей проблематики создания
малоотходных и безотходных технологий (см. разд. 7.7.).
Такие же тенденции – развитие оборотного водоснабжения и
уменьшение объёма сточных вод – наблюдается в других отраслях
индустрии. Так, в машиностроении в большом числе случаев используют
оборотные системы водоснабжения отдельных цехов и участков, стоки
к оторых стабильны по составу. Используются также двухступенчатые
схемы очистки, при которых в локальных очистных сооружениях сточные
воды предварительно очищаются от специфических (для данных цехов,
участков) примесей, а доочистка от других примесей осущест вляется на
общезаводских очистных сооружениях. Выбор схем очистки стоков и,
соответственно, схем оборотного водоснабжения определяется типом и
мощностью предприятия, степенью “безотходности” используемых
технологий, характеристиками источников водоснабжения [ 63].
На рис. 7.10. представлена схема типичной оборотной системы
водоснабжения крупного машиностроительного предприятия [63] . В
основные и вспомогательные цехи поступает питьевая 2, техническая 3,
техническая деминерализованная 4 вода и сточные воды 1 и 17. Состав
сточных вод: маслосодержащие 5 – 60,6 %; с преобладающим
содержанием твёрдых примесей 9 – 23,7 %; концентрированные
маслосодержащие сточные воды, в том числе: отработанные моющие и
обезжиривающие растворы 8 и отработанные смазочно- охлаждающие

200
жидкости 6 – 1,6 %; стоки окрасочных камер 7 – 1,2 %; стоки с
преобладающим содержанием растворимых примесей, в том числе:
цианосодержащие 10, кислотно -щелочные 11, никельсодержащие 12 и
хромосодержащие 13 – 12,8 %. Маслосодержащие стоки очищают в
очис тных сооружениях 23 и очищенные воды 1 возвращают в
технологический процесс; отделённые маслопродукты идут в сборник 22,
откуда часть поступает на установку 20 регенерации масел, остальные – на
термическую утилизацию 21. На очистные сооружения одновременно
поступают и предварительно очищенные в установке 24 отработанные
смазочно -охлаждающие жидкости 6. В очистных сооружениях 25- 27
производится очистка соответственно стоков окрасочных камер 7,
отработанных моющих и обезжиривающих растворов 8 и стоков с
преобладанием твёрдых частиц 9, которые после очистки вновь
используются в технологическом процессе, а выделенные масла и твёрдые
частицы направляют в сборник маслопродуктов 22 и шламосборник 19.
Цианосодержащие 10, кислотно -щелочные 11 и никельсодержащие 12
с точные воды после нейтрализации в нейтрализаторе 15 направляют в
очистные сооружения 16, из которых очищенную сточную воду вновь
подают в технологический процесс или сбрасывают в водоём по
трубопроводу 18. Хромосодержащие сточные воды 13 после выделения из
них хрома в очистных сооружениях 14 направляют 28 для дальнейшей
очистки на городскую станцию очистки стоков.

Как следует из рис. 7.10, данная схема оборотного водоснабжения
одноступенчатая, кроме той её части, которая относится к очистке
хромосодержащ их стоков: последняя имеет две ступени, правда, вторая

201
ступень – не общезаводские (их нет), но коммунальные очистные
сооружения. И ешё: рассматриваемая система водоснабжения, можно
сказать, малосточная, так как за пределы предприятия передаются только
сточ ные воды 13, очищенные от хрома. Думается, что по мере ужесточения
тарифов на водопотребление предприятие найдёт возможным доочистить
эти стоки собственными силами и направить очищенную воду повторно в
технологический процесс. В последующем предприятие, скорее всего,
будет воздерживаться и от сброса в водоём очищенных вод после
очистных сооружений 16. Этот сброс и соответственно забор свежей воды
могут стать гораздо дороже доочистки (если доочистка требуется) и
повторного использования данных сточных вод. Если это осуществится
(прекращение сбросов 18 и 28), то рассмотренная оборотная система
водоснабжения станет фактически идеальной, бессточной. Тогда на
повестку дня встанет другой вопрос: как сократить потери воды в
технологическом процессе и тем самым мин имизировать забор всё более
дорожающей свежей воды.


На рис. 7.11 приведена также схема локального оборотного и
бессточного водоснабжения окрасочных камер (поз. 25 на рис. 7.10) [63] .
Сточные воды из окрасочных ванн 1 поступают в ёмкость 9 и насосом 2
п одаются в электрокоагулятор 3 с растворяемыми алюминиевыми
электродами, питающимися от выпрямителя 4. В электрокоагуляторе
образующиеся хлопья гидроксида алюминия поглощают частицы краски и
твёрдые частицы, в отстойнике 5 указанные хлопьеобразные образован ия
оседают и подаются в шламонакопитель 8. Очищенная сточная вода
насосом 2 подаётся в электрокоагулятор 6 с нерастворимыми

202
алюминиевыми элект-родами, в котором при протекании тока вода
обеззараживается и направляется в накопитель 7, а затем - в окрасочные
ванны для повторного использования.

Глава 8. УМЕНЬШЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТВЁРДЫМИ ОТХОДАМИ

Всё то, что человек добывает, производит, выращивает, потребляет, в
конце концов, превращается в отходы. Часть из них удаляется вместе со
сточными во дами, другая часть в виде газов, паров и пыли попадает в
атмосферу, но большая часть выбрасывается в виде твёрдых отходов.
Каждый житель планеты «производит» ежедневно до 1,5 килограммов
мусора.
Гора твёрдых бытовых отходов (ТБО) растёт с каждым днём – за год
у нас в стране их собирается примерно 60 млн. тонн. Объём бытового
мусора в США в конце 1980-х годов составлял 140 млн. т . в год, для
уборки мусора ежедневно требовалось 63 тыс. мусоровозов [19] . Объём
бытовых отходов в расчёте на одного человека увел ичивается примерно на
1 -4 %, а по массе на 0,2 -0,4 % в год [52] . В состав БО (мусора) входят зола,
шлак, бумага, пластмасса, пищевые отходы, металл, стекло и пр. Ещё более
разнообразны составляющие промышленных отходов: древесина, бумага,
текстиль, кожа, р езина, гипс, соли, шлаки, зола, формовочная земля,
металл, отходы животного происхождения, строительный мусор.
Как утверждают специалисты, с начала двадцатого века в России
накопилось до 180 миллиардов тонн только твёрдых отходов и ежегодно к
ним добавляе тся ещё по 7 миллиардов тонн [ 56].

8.1. Классификация твёрдых отходов. Транспортировка твёрдых отходов

Итак, из крат кого вступления к главе 8, ясно, что отходы, прежде
всего, делятся на бытовые и промышленные. Нужно отметить, что в
настоящее время отсутствует общая научная классификация твёрдых
промышленных отходов, охватывающая всё их разнообразие по тем или
иным принципам. Существующие классификации твёрдых отходов весьма
многообразны и в большинстве своём односторонни. Так, твёрдые отходы
классифицирую т по отраслям промышленности, по конкретным
производствам, по тоннажности. степени использования, способности к
возгоранию, коррозионному воздействию на оборудование и т.п. С точки
зрения воздействия на окружающую среду, на наш взгляд, наибольший
интерес п редставляет классификация отходов по токсичности, приведённая

203
в «Методических рекомендациях по определению класса токсичности
промышленных отходов».
Поскольку твёрдые отходы размещают на почве (свалки, полигоны и
т.п.) или захоранивают в почву, важное знач ение имеют нормативы
предельно допустимых количеств (концентраций ) токсичных веществ в
почве (ПДК
п). ПДК п – предельно допустимые количества химического
вещества в пахотном слое почвы, мг/кг. Это количество не должно
вызывать прямого или отрицательного косв енного влияния на
соприкасающуюся с почвой среду и здоровье человека, а также на
самоочищающую способность почвы. Выделяют четыре класса
токсичности отходов: I – чрезвычайно опасные, II – высокоопасные, III –
умеренно опасные и IV – малоопасные.
При извест ных ПДК
i, растворимостях S i и содержаниях С Вi вредных
компонентов в отходах основой для отнесения последних к определённому
классу токсичности является индекс токсичности – К
i, определяемый по
ujZ`_gbx
() i Bi
i C
S
ПДК K
+
= ,
(8.1)
где ПДК
i – преде льно допустимая концентрация  поч_ химического
вещества, содержащегося в отходе; S – безразмерный коэффициент,
характеризующий растворимость веществ в воде; C
В – содержимое
данного компонента в общей массе отходов, т/т (в долях единицы ≤ 1,0); i –
порядк овый номер данного компонента;
Рассчитав К
i для отдельных компонентов отхода, выбирают от 1 до n
ведущих компонентов, имеющих минимальное значение К
i. Суммарный
индекс токсичности (опасности) К
Σ определяют по формуле

=
Σ
=
n
i i
K
K
1
, (8.2)
где n ≤ 3. После чего устанавливают класс токсичности с помощью
табл. 8.1
Вывоз промышленных отходов производится самими предприятиями
в специальные места захоронения или на общие свалки, куда вывозятся
твёрдые бытовые отходы из городов.
Основные способы сбора бытовых отходов:
1. По мусоропроводам отходы собираются в мусороприёмные камеры и
далее перегружаются в мусорово зы.
2. Отходы собираются в специальные контейнеры, затем перегружаются в
мусоровозы.
3. Отходы собираются непосредственно в мусороh~ы, которые
приезж ают в установленное время.

204
Таблица 8.1
Зависимость степени опасности промышленных отходов
от суммарного индекса токсичности

К
Σ Класс токсичности
(опасности) Степень опасности
< 2
2...16
16, 1...30
> 30
I
II
III
IV
Чрезвычайно опасные
Высокоопасные
Умеренн о опасные
Малоопасные

Перечисленные методы несовершенны и негигиеничны, так как
мусороприёмные камеры и контейнеры являются источником неприятных
запахов и рассадником насекомых и грызунов.
4. Применение пневматического транспорта для удаления мусора из
мусоропроводов по горизонтальным подземным каналам до станции,
обслуживающей несколько зданий, или целый микрорайон. На этих
станциях после прессования мусор перегружается в мусорово зы.
5. Сплав в канализацию дробленых отходов из квартир, гостиниц,
ресторанов и других объектов. С этой целью у раковин
устанавливаются механические дробилки, из которых измельчённый
мусор вместе со сточной водой удаляется в канализацию, где он
обезвреживается в очистных сооружениях.
6. Системы удаления отходов, в которых его пневматичес кая
транспортировка сочетается с дроблением и сплавом в канализацию.

8.2. Полигоны для твёрдых отходов

В подавляющем большинстве случаев твёрдые отходы удаляются
вывозным путём в основном на неконтролируемые свалки – специально
отведённые в пригородах от гороженные участки. Отходы на них
разлагаются, часто загораются, в результате загрязняется воздушная среда,
часто токсичными веществами. Кроме того, вредные вещества могут
вымываться дождевыми, талыми, поверхностными и грунтовыми водами и
загрязнять водоём ы и подземные воды.
В качестве альтернативы используются полигоны для твёрдых
отходов. Для такого полигона выбирают место по возможности в
глинистом грунте, в котором можно складировать отходы в течение 20- 25
и более лет. Основание выбранной площади делаю т в виде огромного
« корыта » глубиной примерно 1,5 м. При невозможности выбрать место в
глинистом грунте водоупорное основание создаётся искусственно, причём

205
на уплотнённый слой глины толщиной 0,5 м иногда наносится слой щебня,
что облегчает отвод фильтрата и метана. Фильтрат, остающийся в пределах
полигона, не загрязняет водоёмы и подземные воды. В случае большого
количества осадков фильтрат откачивают со дна «корыта » насосами и
разбрызгивают по поверхности укладываемых отходов. Одна часть
фильтрата испаряе тся, другая проникает внутрь, где вызывает медленный
биотермический процесс с повышением температуры до 30 °С. До дна,
таким образом, доходит не более 5 % жидкости.
В течение суток вывозят отходы на одну площадку полигона и
уплотняют бульдозерами послойно до 2-х метровой высоты. На
следующие сутки отходы вывозят на другую площадку, а предыдущую
укрывают изолирующим слоем грунта толщиной 0,25 м. Изоляция грунтом
и его последующее уплотнение препятству ют загрязнению воздушной
среды и распространению грызунов и насекомых.

Для сокращения площади полигон загружают многослойно
(рис.8.1.). Конструктивные схемы допускают высоту 60 м. После
заполнения полигона поверхность его покрывают растительным грунтом.
Полигон окружается скважинами, с помощью которых ведётся мониторинг
загрязнения грунтовых вод.
Полигоны могут иметь различные соотношение длины и ширины.
Площадь их зависит от численности жителей города и высоты
складирования.
Для размещения полигонов твёрдых отходов можно использовать
овраги и другие неудобные земли. После полной загрузки полигона и

206
закрытия его растительным грунтом поверхность последнего можно
использовать для устройства парков, садов, игровых площадок и т.п.
В закрытых от соприкосновения с воздухом бытовых и пищевых
промышленных отходах, на ходящихся в насыпях полигона, возникает
анаэробный процесс, при котором выделяется биогаз (смесь метана и
углекислого газа), который можно использовать как топливо.
Рассмотренные полигоны твёрдых отходов предназначены, 
основном , для бытовых отходов. Одн ако исследованиями установлено, что
часть промышленных отходов может быть принята на полигоны твёрдых
бытовых отходов – это инертные, биологически окисляемые легко
разлагающиеся органические вещества, слаботоксичные, малорастворимые
в воде (всего более 10 тысяч видов). Промышленные отходы
используются, как правило, для устройства слоёв промежуточной
изоляции.

8.3. Хранение и нейтрализация токсичных промышленных отходов

Главным направлением в устранении вредного воздействия на
окружающую среду токсичных промышленных отходов является их
использование в производственных циклах, т.е. организация малоотходных
производств. Однако в ряде случаев для нейтрализации промышленных
отходов приходится устраивать специальные сооружения.
Эти сооружения могут быть в ведени и предприятия, создающего
токсичные отходы, и даже зачастую располагаются на его территории.
Токсичные промышленные отходы могут складироваться,
перерабатываться и нейтрализоваться централизованно на полигонах и
станциях переработки и нейтрализации. Сущестmxl дZ b^Z
специальных полигонов: для обезвреживания одного вида отходов
захоронением или химическим способом, либо комплексные – для
обезвреживания различных видов отходов. Территорию комплексных
полигонов разделяют на зоны приёма и захоронения твёрдых несгораемых
отходов, приёма и захоронения жидких химических отходов и осадков
сточных вод, не подлежащих утилизации, захоронения особо вредных
отходов, огневого уничтожения горючих отходов. На территориях
полигонов и за их пределами ведётся контроль состояния поверхностных и
грунтовых вод, а также чистоты воздушной среды.
Захоронения промышленных отходов производят в котлованах
глубиной до 10- 12 м в специальной таре, например, в железобетонных
резервуарах. Котлованы располагают в водонепроницаемых грунтах.
Радиоактивные отходы собираются в местах их образования
отдельно от других отходов в специальные сборники, внутренние
поверхности которых изготовляются из гладкого мало сорбирующего

207
материала. Транспортировка к местам захоронения производится на
специально оборудованных автомашинах. Автомашины и сменные
сборники после каждого рейса должны дезактивироваться.
Проблема обезвреживания и захоронения радиоактивных отходов –
одна из наиболее жгучих проблем атомной энергетики.
Рассмотрим вопрос, связанный с захоро нением радиоактивных
отходов [57, 58 ]. Отходы образуются на всех стадиях ЯТЦ: добычи,
переработки сырья, изготовлении тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов).
Кроме того, радиоактивные изотопы применяются в медицине, биологии,
промышленности. В силу высокой кон центрации энергии в ядерном
топливе, количество образующихся отходов, по сравнению с другими
отраслями, сравнительно невелико, но, тем не менее, проблем здесь
довольно много.
Сама технология выделения отходов, их концентрирование,
прессование, заключение в цементные, битумные или стеклянные блоки –
это целая отрасль атомной промышленности. Ещё более сложной и
дорогостоящей является технология сжигания. Отходящие дымовые газы
очищаются методами адсорбции и фильтрации, а зола загрязнённая
радионуклидами, подв ергается цементированию, битумированию или
остекловыванию.
Главный вклад вносят, конечно, атомные электростанции. Особое
место занимают отработавшие рабочие каналы – ТВЭЛы, которые
содержат высокоактивные осколки деления, а также недовыгоревший уран
и нако пившийся плутоний. Они представляют собой наиболее активный
тип отходов и потому требуют к себе особого отношения. Сегодня
тепловыделяющие элементы подвергают захоронению, чаще всего прямо
на территории АЭС. Хранят их в водной среде на достаточно большом
у далении друг от друга. Таким образом, достигаются две цели: отводится
тепло, выделяющееся при продолжающемся радиоактивном распаде, и
исключается возникновение критического ансамбля, способного привести
к ajuу.
Ещё одна технология захоронения. Рабочий ка нал освобождают от
конструктивных элементов, не имеющих столь высокой активности, как
ядерное горючее: от кожухов, крышек, колпаков и пр. Остаются только
ТВЭЛы. Чтобы они занимали меньше места их, например, скручивают в
жгуты, помещают в медный контейнер, залиZxl сbgphf закрыZxl
крышкой и заваривают. Медь слабо подвергается коррозии, поэтому
контейнер может простоять без изменений сотни и даже тысячи лет.
Правда, в металле могут со временем образоваться свищи и герметичность
может нарушиться. Хранят эти контейнеры на дне океана, в глубинных
геологических формациях, в соляных шахтах. Соль обладает пластической

208
текучестью. Под действием теплоты, выделяемой радиоактивными
отходами, соль оплавляет контейнер, что является дополнительной
защитой. Выбором места захоронения проблема не ограничивается,
поскольку захоронение – инженерное сооружение, требующее наличия
систем контроля, вентиляции, оснащения инженерно -техническими
коммуникациями и т.д.
В целом, вопрос, где хранить отходы, которые в течение многих
тыся челетий будут радиоактивными, пока далёк от решения.

8.4. Переработка и утилизация твёрдых отходов

8.4.1. Переработка твёрдых отходов на компост

Более совершенным приёмом обезвреживания и использования
твёрдых отходов является их переработка на компост. Компостирование
заключается в естественном биологическом разложении органического
вещества в присутствии воздуха. Конечный продукт – гумусоподобное
вещество, которое можно использовать как органическое удобрение.
Поскольку бытовые отходы на 60- 80 % состоят из органики (бумага,
пищевые отбросы), их также можно компостировать. В настоящее время
применяются два способа компостирования: полевые и переработка на
специальных заводах.
При полевом компостировании мусор выдерживается во влажном, но
хорошо аэрируемом состоянии, что ведёт к разложению органического
мусора до гумусоподобной массы. Ряды мусора разрыхляются и
переворачиваются специальной машиной для ускорения компостирования.
В заводских условиях происходит непрерывный процесс
компостирования с аэробным окислением во вращающемся наклонном
барабане. Из приёмного бункера мусор с помощью дозирующего
устройства подаётся ровным слоем на транспортёр, откуда магнитом и
вручную из него извлекается металлический лом. Далее масса поступает во
вращающиеся барабаны, сделанные на основе обжиговых цементных
печей, в которых и происходит процесс переработки мусора в компост.
Барабан заполняется массой на 2/3 объёма, специальным вентилятором в
него подаётся воздух. Отходы находятся в барабане трое суток, за это
время он д елает до 2000 оборотов. Процесс происходит с выделением
тепла, из -за чего компостируемая масса обезвреживается. После
дополнительной сепарации металла масса попадает на специальное
устройство (грохот), где происходит отделение не компостируемых
отходов: ре зины, кожи, текстиля, цветных металлов, полимерных
материалов. В процессе окисления отходов в барабане происходит

209
выделение газообразных продуктов распада и дурнопахнущих веществ,
которые отводятся в топку котельной. Компостируемый материал поступает в измельчитель, размер частиц
доводится до 25 мм, стекла – до 3 мм. В таком виде компост можно
использовать в сельском хозяйстве. В нём (в расчёте на сухое вещество)
содержится около 1 % азота и по 0,3 % фосфора и калия, а также
необходимые для подкормки растен ий микроэлементы.
Не компостируемые отходы поступают в печь пиролиза, в которой
без доступа воздуха происходит их термическое разложение. В результате
получается смола, газ и твёрдый углеродистый остаток – пирокарбон. Газ и
смола используются в качестве эн ергетического топлива, а пирокарбон – 
металлургической промышленности.

8.4.2. Рециклизация

Даже при достаточных площадях под новые полигоны сама их
система неустойчива. В итоге человечество может получить покрытый
«пирамидами» отходов ландшафт и сотни тысяч людей, обслуживающих
полигоны.
Выходом из положения может стать вторичная переработка отходов
– рециклизация. Существует множество способов вторичной переработки
различных типов отходов. Назовём наиболее широко применяемые
технологии [19] :
- макулату ру измельчают в бумажную массу, из которой изготовляют
различную бумажную продукцию;
- стекло дробят, плавят и делают из него новую тару или дробят и
используют вместо гравия или песка при производстве бетона и асфальта;
- пластмассу переплавляют и изготов ляют из неё «синтетическую
древесину», устойчивую к биодеградации и обладающую громадным
потенциалом как материал для различных ограждений, настилов, столбов,
перил и других сооружений под открытым небом;
- металлы плавят и перерабатывают в различные детал и – это позhey_l
экономить до 90 % электроэнергии, необходимой для выплавления
металлов из руды;
- пищевые отходы и садовый мусор компостируют с получением
органического удобрения;
- текстиль измельчают и используют для придания прочности
макулатурной бум ажной продукции;
- старые покрышки переплавляют с изготовлением новых резиновых
изделий.

210
Кроме этих, имеются сотни других промышленных методов
переработки отходов.

8.4.3. Обработка осадка сточных вод

Практически от 30 до 50 % присутствующего в канализаци онных
стоках органического вещества входит в ил -сырец, оседающий в
отстойниках и на других стадиях очистки. Он представляет собой густую,
чёрную, зловонную массу, состоящую примерно на 98 % из воды и на
2 % из органики, включающей множество патогенных организмов. После
соответствующей обработки из него можно получить гумус и использовать
его как удобрение.
Обработка ила основана на питании им бактерий и других
детритофагов. Это может происходить двумя способами:
- в отсутствие воздуха – анаэробное сбра живание.
- в присутствии воздуха – компостирование;
I. Анаэробное сбраживание.
Ил- сырец помещают в крупные герметичные баки. В отсутстви и
кислорода бактерии питаются илом (анаэробное сбраживание), в качестве
побочного продукта вырабатывая биогаз. Он содержит углекислый газ и
вещества, придающие стокам дурной запах, но практически на 60 %
состоит из метана. Последнее обстоятельство даёт возможность
использовать биогаз как топливо. На практике его используют для
нагревания самих баков с целью поддержания в них опт имальной для
организмов температуры около 38° С.
Сбраживание завершается через 4 -6 недель , и в баках остаётся
обработанный ил – водный раствор гумуса. Этим раствором можно
удобрять сельскохозяйственные поля и газоны прямо в жидком виде, так
как полезны и гу мус, и богатая биогенами вода. Обработанный ил можно
отфильтровать и получить полутвёрдый гумусовый кек, правда, вместе с
отфильтрованной водой пропадает основная часть биогенов, что снижает
питательную ценность кека.
II. Компостирование.
Для компостирования ил-сырец отфильтровывают, смешивают с
древесиной стружкой или другим материалом для улучшения аэрации и
складывают в кучи или компостные ряды. Аэрацию повышают,
дополнительно подавая воздух или механически перемешивая. В
компостных кучах бактерии и другие редуценты и детритофаги
перерабатывают органику в гумус оподобную массу. Тепла, выделяемого
при дыхании, оказывается достаточно для гибели патогенных организмов.

211
После шести или восьми недель компостирования от древесной стружки
отделяют гумус, готовый для применения на полях.
В последние годы всё большее развитие получает совместное
компостирование твёрдых бытовых отходов и осадка сточных вод. Эта
технология способствует насыщению компоста микрофлорой и
микроэлементами и позволяет в оптимальном режиме поддержиZlv
биотермический процесс. Он сопровождается нагреванием массы до 60 -
70° С. При этом гибнет большинство болезнетворных микроорганизмов,
яйца гельминтов, личинки мух.

8.4.4. Отходы как источник энергии

Сжигание твёрдых отходов целесообразно в случае и спользования
тепловой энергии и очистки отходящих газов. Этот процесс происходит на
мусоросжигательных станциях, имеющих паровые котлы со специальными
топками. Температура в топке должна быть не менее 1000 °С для того,
чтобы сгорали все дурнопахнущие примес и газов и не происходило бы
зашлаковывания колосников. Перед выходом в дымовую трубу газы
очищаются, например, с помощью электрических фильтров.
Металлический лом отделяется от шлака электромагнитным сепаратором.
Другие негорючие остатки требуют захоронени я, но они составляют лишь
10- 20 % от исходного объёма мусора.

8.4.5. Безотходное и малоотходное производства

Использование всех рассмотренных в этой главе способов
уменьшения загрязнения окружающей среды не позволяет решить
проблему в полной мере и сопря жено с ростом затрат на их реализацию.
Альтернативой является внедрение безотходных и малоотходных
производств.
Под безотходными производствами можно понимать совокупность
технологических процессов, в которых отходы одних используются в
качестве сырья для других, что обеспечивает практически их полную
утилизацию. Например, зола, образующаяся при сжигании органического
топлива, может быть использована при производстве силикатного кирпича,
как наполнитель бетонов и т.п. Создание безотходных производств являет ся весьма сложным и
длительным процессом, промежуточным этапом которого является
малоотходное производство. При малоотходном производстве воздействие
на окружающую среду не превышает уровня, установленного санитарно-
гигиеническими нормами. При этом по разл ичным причинам

212
(техническим, экономическим, организационным и др.) часть сырья и
материалов может переходить в отходы и направляться на хранение или
захоронение.
Малоотходная и безотходная технологии должны обеспечить:
- комплексную переработку сырья с испол ьзованием всех его
компонентов;
- создание и выпуск новых видов продукции с учётом требований
повторного её использования;
- переработку отходов производства и потребления с получением
товарной продукции или любое полезное их использование без
нарушения эколог ического равновесия;
- использование замкнутых систем промышленного водоснабжения;
- создание безотходных комплексов.
Этапы развития малоотходных и безотходных производств:
1) малая ресурсоёмкость и незначительные выбросы в окружающую
среду;
2) создание цикличности производств – отходы одних являются сырьём
для других;
3) организация разумного захоронения неминуемых остатков и
нейтрализация энергетических отходов.
Все этапы могут быть одновременными. В результате сокращаются
экономические издержки производства, достига ется комплексность
использования сырья, и более эффективно решаются проблемы
уменьшения загрязнения окружающей среды отходами.

Глава 9. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Производственная и другая деятельность человека приводит не
тол ько к химическому загрязнению биосферы, рассмотренному в
предыдущих главах. Всё возрастающую роль в общем потоке негативных
антропогенных воздействий на биосферу приобретает её физическое
загрязнение. Последнее связано с изменением физических параметров
g ешней (окружающей) среды, то есть с их отклонением от параметров
естественного фона.
В настоящее время наибольшее внимание привлекают изменения
электромагнитных и вибро -акустических параметров (условий)
окружающей среды. Как правило, в литературе они рассматриваются как
волновые или энергетические загрязнения.
Спектр частот известных сегодня электромагнитных колебаний
чрезвычайно широк: от близких к нулю до 3·10
22 Гц (рентгеновское
излучение). В связи с этим обстоятельством и различием способов

213
получения и регистрации, а также в связи с многообразием проявлений
электромагнитных колебаний весь спектр разбит на несколько диапазонов. 1.Радиоволны, возбуждаются при движении электрических зарядов в
системах, образованных телами макроскопических (надмолекулярных )
размеров, частоты 0 < f < 6·10
12 Гц, λ > 5·10 -5 м, согласно международному
регламенту радиосвязи длины (частоты) радиоволн делятся на 12
диапазонов, начиная с крайне низких частот 3···30Гц, кончая
гипервысокими частотами 0,3···3 ТГц.
2.Оптические волны ( излучения), возбуждаются при движении
электрических зарядов в системах атомно -молекулярных размеров. Спектр
частот, f = 3 ⋅10
11···3⋅ 10 16 Гц (границы условные), λ = 10 -3···10 -8 м. Весь
спектр оптического излучения разделён на три диапазона:
- инфракрасное, f = 3⋅10
11···3,9·10 14 Гц , λ = 10 -3 ... 0,77·10 -6 м, или
тепловое излучение;
- видимое, f = 3,9⋅ 10
14···∼7,9⋅10 14 Гц, λ = 0,77⋅ 10 -6···0,38⋅10 -6 м, или
световое излучение;
- ультрафиолетовое излучение, f = 7,9 ⋅10
14···3⋅ 10 16 Гц, λ = 0,38⋅ 10 -6···10 -8 м.
3.Ре нгеновское излучение, возникает при взаимодействии
заряженных частиц и фотонов с атомами вещества, f = 3 ⋅10
15···3⋅ 10 22 Гц ,
λ = 10
-8···10 -14 м.
4.Гамма- излучение, генерируется возбуждёнными ядрами атомов
при радиоактивных превращениях и ядерных реакциях, при распаде частиц
и т.п., f > 3⋅10
18 Гц , λ < 10 -10 м .
Общепризнано, что в настоящее время наибольший вклад в
энергетическое загрязнение окружающей среды вносят изменения её
электромагнитных параметров в диапазонах частот, соответству -ющих
областям ради оволн (собственно электромагнитное загрязнение),
инфракрасного, или теплового излучения ( тепловое загрязнение),
рентгеновского и гамма -излучения, которые вместе с α - и β - частицами
(испускаются радионуклидами – нестабильными ядрами радиоактивных
элементо в: уран, торий, полоний, радий и др.) являются причиной
радиоактивного загрязнения биосферы, а также изменение вибро -
акустических параметров ( b[jh–акустическое загрязнение).
Одной из основополагающих компонент комплекса мер по защите
окружающей среды от э нергетических загрязнений является их
нормирование, то есть установление того уровня энергетического
загрязнения, превышение которого недопустимо при организации в
данном месте нового производства (завод, ТЭС и т.п.) или реконструкции
прежнего. Если при химическом загрязнении этим предельным уровнем
является предельно допустимая концентрация, ПДК (см. разд. 7.5.), то при
энергетическом загрязнении введён предельно допустимый уровень, ПДУ,

214
энергетического загрязнения. Его смысл соответствует смыслу ПДК. Как и
в случае ПДК, ПДУ устанавливается отдельно для рабочей зоны и для
окружающей среды (населённой местности). Последний всегда меньше,
чем ПДУ для рабочей зоны. В большом числе случаев это различие
составляет 10 раз, что можно объяснить двумя обстоятельства ми. Во-
первых, в рабочей зоне, то есть на производстве, заняты, выражаясь
эколого- биологическим языком, оформившиеся (физически и
биологически) человеческие особи.Их устойчивость к воздействию
вредных факторов (диапазон толерантности) выше, чем у другой ча сти
населения: детей, пожилых и престарелых людей, а также просто
физически слабых людей. Во -вторых, в значительной мере это различие
предопределено тем, что в большинстве случаев вредный фактор
формируется именно в рабочей зоне, где он имеет максимальные значения;
по мере распространения в окружающем пространстве он уменьшает свою
интенсивность, так что вне производственной территории его
интенсивность априорно меньше, чем в рабочей зоне. Получается, что в
определённой степени это двойное нормирование лишь фиксирует
объективное распределение интенсивности вредного фактора в
пространстве (речь идёт и о химическом, и об энергетическом
загрязнении).
Конечно, в глубинной основе сегодняшнего нормирования вредных
экологических факторов лежат и экономические соображения. Читатель
сейчас же согласится с тем, что лучше всего – сделать так, чтобы и
концентрация вредных веществ, и интенсивность энергетических факторов
были пренебрежимо малыми. Увы, в том -то и состоит обратная сторона
"медали" технического прогресса и в этом -то и заключены истоки
Глобального экологического кризиса, что не всегда удаётся оформить
технологию производства так, чтобы полностью исключить её вредные
ha^_cklия.
Рынок в принципе антиэкологичен. Рыночному производителю надо
либо вкладывать бол ьшие средства в доводку технологии до устранения
вредных воздействий, и тогда его “поезд может уйти”, либо он
прорывается в рынок со своим товаром (услугой), неся за ним шлейф
экологических издержек. Но этот шлейф экологических издержек (явно
вредных, их п о всем человеческим меркам надо устранять!) согласуется (!)
с надзорно- контрольными экологическими органами на основе
компромиссной концепции ПДК и ПДУ, и вот уже товар пошёл гулять по
свету, внося свой вклад в тот планетарный феномен, который мы сегодня
н азываем Глобальным экологическим кризисом.
В принципе, тем не менее, компромиссная концепция ПДК и ПДУ
сегодня – реальный и действенный инструментарий защиты окружающей
среды. И он найдёт свое место в процессе реализации концепции

215
устойчивого развития. Но свои конструктивные приложения он найдёт
лишь в развитии. Направленность его развития: уровни ПДК и ПДУ
должны снижаться. Жизнь, то есть практика реализации крнцепции
устойчивого развития, подскажет, каким должен быть темп ужесточения
экологических нормати вов. Разумеется, он должен быть оптимальным: ни
излишне быстрым, ни слишком медленным. Он будет таким, каким его
определит Коллективный Разум мирового сообщества – с постоянным
учётом темпа развития Глобального экологического кризиса. Но, повидимому, дело будет заключаться не только в постоянном
ужесточении экологических нормативов в их сегодняшнем виде. Скорее
всего, будет изменяться и философия (критерии) самих экологических
нормативов, в частности, нормативов для энергетических загрязнений.
В соответстви и с современными представлениями о взаимодействии
энергетического фактора с организмом [34] можно обозначить следующую
логику определения (поиска) ПДУ. Например, применительно к
акустическому (шумовому) фактору.
Пройдя длительный эволюционный процесс, чело век адаптировался к
реальному спектру акустических воздействий. В ходе эволюции оказалось
нецелесообразным для слухового аппарата человека регистрировать
звуковые сигналы с плотностью потока энергии акустических колебаний
воздушной среды, меньшей чем 10
-12 Вт/м 2 (зона превентивного торможения
[ 34] : повидимому все явления окружающего мира, сопровождаемые
эмиссией звуковых сигналов с плотностью потока энергии, меньшей, чем
10
-12 Вт/м 2 (пороговая чувствительность), не играли значимой роли в
жизнедеятельност и наших доисторических предков и поэтому инстиктивно
“обрезались”.
Более энергоёмкие сигналы несли более значимую информацию, в
итоге наш слуховой аппарат воспринимает звуковые сигналы в
чрезвычайно широком диапазоне плотностей потока энергии, который
образует информационную зону. Все звуки в этой зоне помогали
доисторическому человеку (и помогают нам) ориентироваться в
окружающем мире. Правая (верхняя) граница этого диапазона плотностей
потока звуковой энергии, и более высокие её значения повидимому
соотв етствовали тем реальным звуковым сигналам, которые также реально
не несли значимую информацию (иначе слуховой аппарат приспособился
бы к ним). Это – зона запредельного торможения, поскольку данные
сигналы специфически восприниматься не могут, так как наруш ают
нормальную саморегуляцию организма, и последний вынужден
защищаться от их действия охранительным торможением.
В качестве верхней границы информационной зоны естественно
принять величину, сопоставимую с энергией основного обмена организма,

216
пересчитанную на эквивалент плотности потока энергии [34] . Энергия
основного обмена, практически одинаковая для всех теплокровных
животных, составляет 1000 кал/м
2 в сутки (постоянная Рутберга), или
5 ⋅10
-2 Вт/м 2. Если выразить эту величину в децибелах по отношению к
порогу чувствительности
дБ
107
10 10
5
Lg
10
L 12 2 ≅

= − −
, (9.1)
то получим усреднённый уровень звукового давления на верхней границе
информационной зоны. Она соответствует энергии основного обмена в
состоянии организма между покоем и интенсивной мышечной работо й. В
последнем случае энергия основного обмена может возрасти в 5 -8 раз [34] ,
то есть примерно на порядок величины. Для этого случая L = 117 дБ ≅ 120
дБ. Соответственно, для состояния покоя L ≅ 100 дБ. Одновременно это
нижняя граница зоны запредельного тор можения, или зоны
энергетического воздействия.
Таким образом, величина энергии основного обмена, точнее спектр
величин этой энергии, соответствующий спектру состояний организма
между покоем и интенсивной мышечной работой (в децибелах этот спектр
выражается как 100···120 дБ), может рассматриваться как исходная
величина при установлении теоретических ПДУ энергетических
загрязнений (воздействий). Причём это может быть отнесено к каждому
энергетическому воздействию: в ходе эволюции организмы
адаптировались ко всем энергетическим воздействиям, по каждому из них
организмы имеют информационную зону и, соответственно, верхнюю
границу этой зоны, сопоставимую с энергией основного обмена.
Естественно поэтому в качестве некоторого приближения ПДУ тго или
иного энергети ческого воздействия рассматривать его параметры,
соответствующие энергетике основного обмена.
Приведённая логика установления ПДУ энергетических загрязнений
– один из вариантов подхода, в основу которого кладётся идея о
существовании некоторого энергетиче ского порога подобных воздействий,
при превышении которого биосистемы претерпевают необратимые
изменения, ведущие к ущербу их жизнедеятельности. Речь идёт об
изменениях на разных уровнях: на организменно -надорганизменном
уровне – изменения (реакции) поведе нческие, роста, развития; на
клеточно -субклеточном уровне – реакции обмена, роста, развития.
Разумеется, вопрос о ПДУ энергетических воздействиях весьма
сложен, как сложно всё, что связано с жизнедеятельностью организмов. В
сущности, работы по эколого- гигиеническому нормированию
энергетических воздействий на биосферу представляют собой фрагмент
общего фронта исследований взаимодействия физических полей с живым

217
веществом. Однозначных решений в части ПДУ в настоящее время не
существует. Можно сказать, что в результате исследований в этой области
сформировалась определённая методология, позволяющая практике
экологического нормирования (а таковая есть в каждой стране, так как
всесторонние экологические нормативы являются насущной потребностью
общества) развиваться в рамках современных научных представлений в
данной области.

9.1.Защита окружающей среды от ионизирующих излучений

9.1.1.Некоторые понятия, термины, величины, единицы измерения
Радиоактивность – самопроизвольное превращение (распад)
атомных ядер. П ри этом изменение атомного номера приводит к
превращению одного химического элемента в другой, изменение
массового числа – к превращению изотопов данного элемента. Каждый акт
распада сопровождается испусканием α - или β - частицы или нейтрона
или γ - квант а (фотона) или определённым их сочетанием. Данные частицы
способны прямо или косвенно ионизировать среду.
Нуклид - общее название атомов, различающихся числом нуклонов в
ядре или, при одинаковом числе нуклонов, содержащих разное число
протонов или нейтроно .
Радионуклид – нуклид, обладающий радиоактивностью.
Радиоактивное вещество (РВ) - вещество, имеющее в своём составе
радионуклиды, следовательно РВ – источник ионизирующего излучения
(ИИ) . Ионизировать вещество могут также частицы (фотоны),
испускаемые специальными аппаратами, например, ренгеновские
аппараты.
Активность радионуклида А в источнике – мера радиоактивности.
Она равна числу спонтанных ядерных превращений в источнике, за одну
секунду. Единица активности – беккерель , Бк. 1 Бк равен одному ядерному
превращению (распаду) за 1 секунду: 1 Бк = 1 расп./с. Внесистемная
единица – кюри , Ки, 1 Ки = 3,7 ⋅10
10 Бк. Часто используется удельная
активность, Бк/кг, Ки/кг, объёмная активность, Бк/л, Ки/л, поверхностная
активность, Бк/м
2, Ки/м 2.
Внешнее облучение - облучение тела от находящихся вне его
источников ИИ, внутреннее облучение тела – от находящихся внутри него
источников ИИ.

218
Поглощённая доза Д – отношение энергии, которую ионизирующее
излучение передало веществу, к массе данного вещества. Единица
измерени я – грэй , Гр, 1 Гр = 1 Дж/кг.
Доза эквивалентная – поглощенная доза в органе или ткани,
умноженное на соответствующий взвешивающий коэффициент для
данного вида излучения
H
T,R = Д T,R · W R,
где Д
T ,R – средняя поглощенная доза в органе или ткани; W R –
aеш ивающий коэффициент для излучения R; R – индеск вида и энергии
излучения.
Единица дозы эквивалентной – зи_jlA.
Взвешивающий коэффициент W
R учитывает относительную
эффективность различных видов излучений в индуцировании
биологических эффектов. Значени я его составляют:
• 1 – для электронного, позитронного, рентгеновского, гамма - и бета -
излучений;
• 20 – для альфа излучений;
• 5 – для протонов с энергией более 2 МэВ;
• 5-20 – для нейтронов с энергией от менее 10 КэВ до и более 20 МэВ.
Доза эффективная – величин а, используемая как мера риска
возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и
отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности:
∑ ⋅
=
Τ Τ
Τ
W
Η
Ε ,
где Н
Т - эквивалентная доза в органе или ткани, Т; W T – взеши вающий
коэффициент для органа или ткани Т для учета различной
чувствительности разных органов и тканей в возникновении
стохастических эффектоф радиации.
Единица дозы эффективной – зи_jlA.
Значения W
T составляют:
• 0,2 – для гонад;
• 0,12 – для красного к остного мозга, толстого кишечника, легких и
желудка;
• 0,05 – для мочевого пузыря, грудной железы, печени, пищевода,
щитовидной железы;
• 0,01 – для кожи и клеток костных поверхностей;
• 0,05 – для остальных органов.
Если просуммировать индивидуальные эффективные эквивалентные
дозы группы людей, то получится коллективная эффективная
эквивалентная доза, на основе которой возможна оценка стохастического
эффекта воздействия ионизирующих излучений на группы людей.

219
Предел дозы (ПД) – величина годовой эффективности или
эквивалентной дозы техногенного облучения, которая не должна
превышаться в условиях нормальной работы.
Предел годового поступления (ПГП) – допустимый уровень
поступления данного радионуклида в организм в течение года, который
при многофакторном воздейс твии приводит к облучению условного
человека ожидаемой дозой, равной соответствующему пределу годовой
дозы.
Для фотонного (рентгеновского и гамма – излучений) излучения
существует экспозиционная доза Д
х – отношение заряда одного знака,
образовавшегося в данном объёме воздуха, к массе воздуха в данном
объёме. Единица измерения – кулон/кг, Кл/кг. Внесистемная единица –
рентген, Р, 1Р = 2,58 ⋅10
-4 Кл/кг.
Мощность дозы излучения Р – отношение приращения дозы за
некоторый интервал времени к этому интервалу време ни, единицы
мощности дозы: Гр/с, Зв/с, Р/с.
Естественный радиационный фон - мощность эквивалентной дозы
ИИ, создаваемая космическим излучением и излучением природных
радионуклидов, естественным образом распределённых в биосфере, в том
числе, в живом веществе и в организме человека. Для России он составляет
0,1 ⋅⋅⋅0,2 мкЗв/ч, что примерно соответствует годовой эквивалентной дозе
0,9 мЗв.
Технологически изменённый естественный радиационный фон -
связан с использованием материалов с повышенным содержанием
ест ественных радионуклидов, сжиганием ископаемого топлива,
применением сельскохозяйственных удобрений и т.п.
Техногенный или искусственный радиационный фон -
сформировавшийся из радионуклидов, возникших при испытаниях
ядерного оружия и ядерных авариях и пост упающих в биосферу при
работе предприятий ядерно -топливного цикла (ЯТЦ) и атомной
промышленности.
Значит, люди подвергаются облучению за счёт естественного и
искусственного радиационных фонов, а также за счёт медицинских
процедур.
Категории облучаемых ли ц включают:
- персонал (группы А и Б): А – лица, работающие с техногенными
источниками излучения; Б – находящиеся по условиям работы в сфере
их воздействия;
- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их
производственной деятельности.

220
Санитарно–защитная зона (СЗЗ) – территория вокруг источника
ИИ, на которой уровень облучения людей в условиях нормального
(штатного) режима работы источника ИИ может превысить установленный
предел дозы (ПД). В СЗЗ устанавливается режим ограничений и
проводится радиационный контроль дозиметрической службой
предприятия.
Зона наблюдения - территория вокруг источника ИИ, где возможно
влияние радиоактивных сбросов и выбросов источника ИИ, и облучение
проживающего населения может достигать ПД. Радиационный контроль
про водится радиологическими службами СЭС.
Уровни воздействия источников ИИ регламентируются основным
документом – “Нормы радиационной безопасности (НРБ)- 99”. Согласно
НРБ -99, дозовые пределы не включают в себя дозу, вызванную
естественным радиационным фоном и дозу, получаемую человеком при
медицинских процедурах.
Таблица 9.1.
Основные пределы доз

Нормируемые
величины
Пределы доз
Персонал (группа А) Население
ЭффектиgZy^haZ 20 мЗв в год в среднем за
любые последовательные
5 лет, но не более 50 мЗв в
год (1000 мЗв за 50 лет
трудовой деятельности)
1 мЗв в год в
среднем за любые
последовательные 5
лет, но не более 5
мЗв в год (70 мЗв за
70 лет жизни)
Эквивалентная
доза за год:
в хрусталике глаза
коже
кистях и стопах


150 мЗв
500 мЗв
500 мЗв


15 мЗв
50 мЗв
50 мЗв

Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса
нормативов:
- основные пределы доз (ПД), приведенные в табл. 9.1.
- допустимые уровни многофакторного воздействия (для одного
радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения)
являющиеся производными от основных пределов доз: пределы
годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные
активности (ДОА), среднегодовые удельные активности (ДУА) и др.;

221
- контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и
др.). Их значения должны учитывать достигнутый в организации
уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия, при
которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.
Основные пределы доз для персонала группы Б равны 1/4 значений
для персонала груп пы А.
Порядок и правила работы с источниками ИИ регламентирует
основной документ «Основные санитарные правила обеспечения
радиа ционной безопасности (ОСПОРБ)-99» . Согласно ОСП ОРБ-99, к
непосредственной работе с источниками ИИ допускаются лица не моложе
18 лет, без медицинских противопоказаний; женщины должны
освобождаться от работы с источниками ИИ с момента установления
беременности и на период вскармливания ребёнка.
Нарушение НРБ -99 и ОСП ОРБ-99 влечёт дисциплинарную,
административную и уголовную ответств енность.

9.1.2. Биологическое действие ионизирующего излучения

Согласно современным представлениям механизм биологического
действия ИИ можно рассматривать как совокупность первичных физико -
химических процессов в молекулах клеток и окружающего их субстрат а и
последующего нарушения функций целого организма.
Первичные процессы во многом определяются ионизацией молекул
воды (на 75 % организм состоит из воды) с образованием химически
высокоактивных радикалов Н* и ОН*, гидратированных электронов и
последующими цепными реакциями, в основном, окисления радикалами
молекул белка. Помимо этого косвенного воздействия ИИ через продукты
радиолиза воды ИИ воздействует и непосредственно - через расщепление
молекул белка, разрыв связей, отрыв радикалов и др.
Под действи ем первичных, физико -химических процессов в клетках
возникают функциональные, биохимические изменения. Они могут
произойти как непосредственно после акта воздействия ИИ, так и через
длительный период времени после облучения и явиться причиной
немедленной г ибели клеток или таких изменений, которые могут привести
к раку. [ 88].
Наиболее радиочувствительны клетки постоянно обновляющихся
тканей: костного мозга, половых желёз, селезёнки и др. Изменения на
клеточном уровне и гибель клеток приводят к таким нарушен иям в тканях,
в функциях отдельных органов и в межорганных процессах, которые
вызывают самые различные последствия для организма вплоть до его
гибели.

222
Возможные последствия: соматические эффекты, соматико–
стохастические эффекты; генетические эффекты.
Соматические (телесные) эффекты – последствия облучения для
самого облучённого, а не для его потомства. Это эффекты могут быть
нестохастическими и стохастическими (вероятностными). Первые:
поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растут
с увеличением дозы и для которых существует дозовый порог, например,
острая лучевая болезнь, локальное незлокачественное поражение кожи
(лучевой ожог) и т.п. Вторые (соматико- стохастические): сокращение
продолжительности жизни, злокачественные новообразова ния и опухоли;
считается, что эффекты не имеют дозового порога.
Основные стохастические эффекты – генетические: хромосомные
аберрации (изменение числа и структуры генов); доминантные и
рецессивные мутации генов (соответственно, проявляются в первом
поколе нии потомков и могут не проявиться на протяжении многих
поколений). Типичное проявление радиационного стохастического
эффекта: врождённые уродства. Эти эффекты не исключаются при малых
дозах облучения и условно не имеют порога. Так, статистически надёжно
у становлено повышенное содержание клеток крови с хромосомными
нарушениями у людей, получающих малые дозы облучения. Выход
соматико -стохастических эффектов определяется суммарной накопленной
дозой независимо от того, получена она за 1 сутки или за 50 лет.
В связи с радиационным загрязнением важно ответить на ещё не
решённые вопросы:
1. Какова зависимость эффекта от дозы при постоянном облучении
малыми дозами?
2. Каким образом суммируются для биосистем разного уровня
организации малые дозы?
3. Какова вероятность эффек тов (рака, стерильности и др.) при уровне
радиации, принятом в качестве допустимого?
Лучше изучены последствия облучения сублетальными дозами, то
есть не приводящими к смертельному исходу в течение определённого
срока наблюдения. Установлено, в частности, повышение частоты
сублетальных мутаций, проявляющихся во 2- м и 3-м поколениях; разные
виды организмов, а также органы и ткани особей обладают неодинаковой
радиорезистентностью. Так, смертельная (50 % -я) доза для бактерий
достигает 10 кГр, растений – 1 кГр, членистоногих – 500 Гр. для
млекопитающих – от 0,5 до 4 Гр. Минимальная абсолютно смертельная
доза для человека составляет 6 Гр. Красный костный мозг и другие
элементы кроветворной системы теряют способность нормально
функционировать при 0,5 -1 Гр, облучен ия семенников дозой свыше 2 Гр
приводят к постоянной стерильности, облучения яичников однократной

223
дозой более 3 Гр – также; почки выдерживают без особого вреда
суммарную дозу в 23 Гр, полученную дробно в течение 5 недель, печень –
40 Гр за месяц.
Крайне чу вствительны к радиации дети. Небольшие дозы при
облучении хрящевой ткани могут замедлить или совсем остановить рост
костей, облучение мозга – к потере памяти, а у очень маленьких детей – к
слабоумею и идиотии.

9.1.3. Естественный радиационный фон Земли

Источники ионизирующих излучений в биосфере: космическое
излучение; излучения естественных радионуклидов, рассеянных в воздухе,
воде, почве, земной коре и других объектах окружающей среды; излучения
от радионуклидов, образовавшихся при испытаниях ядерного оружия,
поступающих в окружающую среду при нештатных режимах работы
предприятий и учреждений, в которых обращаются радиоактивные
вещества, а также при удалении, сборе, хранении, переработке и
захоронении радиоактивных отходов теми же предприятиями.
9.1.3.1. Космическое излучение состоит, в основном, из протонов высоких
энергий, приходящих из межзвёздного пространства; солнечного
космического излучения, обусловленного солнечными вспышками, при
которых возникают излучения в области УФ – и рентгеновского спектр ов,
а также испускаются заряженные частицы, в основном протоны и альфа-
частицы; вторичное космическое излучение, образующееся в результате
взаимодействия космического излучения с ядрами атомов воздуха
(нейтроны, протоны, мезоны, электроны и т.п.).
Суммар ная годовая эффективная эквивалентная доза космического
излучения на уровне моря составляет 0,3 мЗв, при этом на ионизирующий
компонент приходится 93 % дозы, на нейтронный – 7 %.
Эффективная эквивалентная доза, Н
эф – сумма средних эквивалент -
ных доз Н в р азличных органах, взвешенных с коэффициентами W.
∑ ⋅
= H
W
H эф . (9.2)
Коэффициенты W характеризуют отношение риска стохастического
эффекта облучения данного органа к суммарному риску стохастического
эффекта при равномерном облучении всего тел а. В табл. 9.2. приведены
значения коэффициентов W.
Если просуммировать индивидуальные эффективные эквивалентные
дозы группы людей, то получится коллективная эффективная
эквивалентная доза, на основе которой возможна оценка стохастического
эффекта ha^_ckl вия ионизирующих излучения на группы людей.
Таблица 9.2.

224
Значения взвешивающих коэффициентов

Орган (ткань) Коэффициент W
Гонады 0,25
Молочная железа 0,15
Красный костный мозг 0,12
Лёгкие 0,12
Щитоb^gZy`_e_aZ 0,03
Костные поверхности 0,03
Остальны е органы и ткани 0,30

9.1.3.2. Ионизирующие излучения естественных радионуклидов . Их в
биосфере содержится более 60, они подразделяются на космогенные и
первичные.
Космогенные радионуклиды образуются в атмосфере и поступают на
поверхность Земли с осадками (Ве- 7, Na-22 и др.), их вклад (в виде гамма -
излучения) в суммарную дозу излучения незначителен ( ∼в 200 раз меньше
вклада первичных радионуклидов).
Первичные радионуклиды делятся на радионуклиды уранового и
ториевого семейств и радионуклиды вне этих сем ейств. Главные
источники гамма -излучений первой группы: торий- 228, астатий-228,
свинец -214 и висмут -214. Средняя годовая эквивалентная доза первичных
радионуклидов составляет ∼ 0,39 м Зв. Это – за счёт внешнего облучения:
от радионуклидов, находящихся во вн ешней (по отношению к человеку)
среде. Поступая внутрь организма с воздухом, пищей и водой,
радионуклиды вызывают внутреннее облучение. Установлено, что
внутренее облучение человека за счёт всех естественных радионуклидов
составляет 1 ,3 м Зв, из которых 1 м Зв приходится на радон -222. Таким
образом, эффективная средняя годовая эквивалентная доза облучения от
всех естественных источников радиации (они образуют естественный
радиационный фон) примерно 2 м Зв.

9.1.4. Радиационное загрязнение биосферы

Одной из е го составляющих является технологически изменённый
естественный радиационный фон – за счёт поступления в природную среду
естественных радионуклидов, извлекаемых из глубин земли вместе с
углём, газом, нефтью, минеральными удобрениями, строительными
материал ами и др.. К нему также относят дополнительное облучение при
полётах в самолётах, радионуклиды радий -226, прометий -147, тритий,
используемые для светосоставов постоянного действия, цветные

225
телевизоры и другие устройства, содержащие радионуклиды или
излучающие рентгеновское излучение, радионуклид Ро- 210, используемый
для снятия статического электрического заряда в некоторых
производствах, некоторые пожарные дымовые детекторы, керамическая и
стеклянная посуда, содержащая уран и торий и др.
Ряд радионуклидов содержится в сжигаемых углях. Удельная
активность угольной золы достигает следующих величин, Бк/кг: 265 –
40К,
200 – 238 U, 240 - 226 Ra, 930 - 210 Pb, 1700 – 210 Ро и т.д. Индивидуальная
средняя годовая доза облучения в районе ТЭС мощностью 1 млн.кВт
(район радиусом 20 км) может достигать 0, 005 мЗв. Эта доза зависит от
зольности угля и эффективности очистки дымовых газов от твёрдых
частиц (летучей золы).
Значительное количество радионуклидов содержится в удобрениях,
применяемых в сельском хозяйстве. После внесения удобрений в почву
радионуклиды по пищевым цепям поступают в живые организмы. Так,
тройной суперфосфат (производства США имеет удельную активность,
Бк/кг: 2100 –
238 U, 1800 – 230 Th, 780 - 226 Ra, азотно -фосфорно- калиевые
удобрения (Бельгия): 470 – 238 U , 210 - 226 Ra, 5900 – 40К.
Предметы широкого потребления – дополнительные источники
облучения человека. Так, часы с циферблатом, содержащим радий – 226,
создают мощность дозы 0,074 мкГр/час, цветной телевизор - 0,003 мкГр/ч
(на расстоянии 2,5 м от экрана) .
Огромное количество радионуклидов поступило в биосферу при
испытаниях ядерного оружия в 1945- 1980г.г. Установлено. что основной
deZ^  ожидаемую эффектиgmx экbалентную дозу ghkyl 21
радионуклид, образовавшихся при испытаниях:
14С, 137 Cs, 95Zr, 106 R u, 90Sr, 144 Cl, 3H, 131 I и др. Полная ожидаемая доза от всех этих радионуклидов
составляет 4 мЗв .
Радиоактивные вещества поступают в биосферу на всех стадиях
ядерно- топливного цикла (ЯТЦ): добыча и переработка урановых и
ториевых руд, обогащение урана изотопом U -235, изготовление ТВЭЛов,
получение энергии в ядерных реакторах, переработка отработавшего
ядерного топлива, переработка, хранение и захоронение радиоактивных
отходов, на всех стадиях необходима транспортировка радиоактивных
материалов.
Основные и сточники потенциальной ядерной опасности – ядерные
реакторы. Несмотря на очень высокие требования по безопасной
эксплуатации ядерных реакторов, количество нарушений правил
эксплуатации весьма высоко, и целый ряд таких нарушений привёл к
авариям с катастроф ическими последствиями для биосферы: взрыв на
предприятии «Маяк» на Северном Урале (1957 г.), аварии на
Ленинградской АЭС (1974- 1975 г.г.), пожар на Белоярской АЭС (1978 г.),

226
катастрофа на Чернобыльской АЭС (1986 г.), при которой выброс
радиоактивных веществ составил более 10 15 Бк по 131 I, авария на
Сибирском химическом комбинате (1993 г.). Аналогичные аварии
происходили и в зарубежных странах: Тримайл –Айленд, США, 1979 г.,
выброс до 5⋅ 10
13 Бк; Виндскейл, Великобритания, 1957 г., выброс до
5 ⋅10
14 Бк. Ав арии и катастрофы на ядерных объектах – основной аргумент
противников развития ядерной энергетики.
При добыче ураносодержащей руды образуются газообразные,
жидкие и твёрдые радиоактивные отходы (РАО). Газообразные – 
основном за счёт радона- 222, до 8⋅10
9 Бк на 1 т добытой руды. Жидкие
отходы определяются шахтными водами, образующимися при дренаже, и
водой для технологических целей. Твёрдые отходы – горная порода и руды
с низким содержанием урана.
Руда обогащается в процессах грохочения, дробления, измель чения и
перевода в растворимый в воде диоксид урана UО
2. Отходы обогащения в
виде суспензии с 50 % - твёрдой фракцией содержат радий и его дочерние
радионуклиды, причём до 85 % активности содержится в илистой фракции.
Хвостохранилища - источник радиоактивных выбросов и долговременного
облучения населения. Облучение можно ограничить, покрыв отвалы,
например, асфальтом.
После обогащения урановый концентрат перерабатывают на
химических и аффинажно -металлургических заводах с целью извлечения
урана и очитске ег о от примесей. При этом образуются газообразные и
жидкие отходы (альфа - и бета -излучатели), но доза облучения от них
намногоменьше, чем на других стадиях ЯТЦ. Обогащённый уран (в виде
оксида урана) – исходное сырьё для производства ядерного топлива в виде
таблеток массой до 15 г. Последние размещаются в оболочках из
термостойких сплавов. Это – тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы).
Твэлами загружают активную зону (ядерную «топку») ядерного реактора.
Безопасность работы реактора обеспечивается регулированием цепн ой
реакции, охлаждением активной зоны и радиационной защитой.
Регулирование цепной реакции осуществляется путём погружения в
активную зону стержней из материалов, поглощающих нейтроны (графит,
бор, кадмий).
В активной зоне реактора выделяет огромное коли чество тепла,
отводимое теплоносителем (вода, газ, жидкие металлы) на производство
пара. Прекращение подачи теплоносителя в активную зону может
привести к расплавлению топлива и серьёзной аварии. В конструкции
реакторов предусмотрены решения, исключающие н арушения подачи
теплоносителя. Реактор снабжается также аварийным запасом воды для
аварийного охлаждения.

227
По мере работы реактора в топливе накапливаются высокоактивные
продукты деления. Для защиты персонала активная зона реактора и
коммуникации выгрузки отработанного топлива окружены мощным
защитным экраном, имеется также система радиоактивных выбросов в
штатных и аварийных режимах.
Современные реакторы разделяются на два основных типа: на
тепловых нейтронах и на быстрых нейтронах.
Реакторы первого типа : водо-водяные (ВВЭР), паро- водяные (ПВР),
водо- графитовые (ВГР, РБМК), графито- газовые (ГГР). В них
теплоноситель – вода (пар) или газ (гелий, углекислый газ), замедлитель –
вода или графит, топливо – таблетки оксида урана – 238,
слабообогащённого ураном -235, способным на самопроиз -вольную
цепную реакцию. Теплоноситель прокачивается через активную зону
(первый контур) и полученное в ней тепло передаёт на парогенератор
(второй контур). Из него пар подаётся на турбину электрогенератора.
В реакторах второго типа теплоноситель – жидкий натрий, он
прокачивается через активную зону и отводит тепло в теплообменник, в
котором отдаёт тепло натрию второго контура. Натрий второго контура
проходит в парогенератор, испаряя воду третьего контура, пар поступает в
турбину электрогенератора. Топливо – уран, обеднённый ураном – 235
(практически чистый уран- 238), не «работающий» в тепловых реакторах.
При работе АЭС образуются РАО, часть которых поступает в
окружающую среду, поскольку системы очистки не дают 100 % -го
эффекта.
Газообразные РАО: радиоактивные благородные газы (РБГ),
например, около десяти радионуклидов Кr и Хе – продуктов деления,
41Ar
– продукт нейтронной активации 40Ar, содежащегося в воздухе и в
теплоносителе. Более 50 биологически значимых радионуклидов
со держится в аэрозольных выбросах АЭС.
Жидкие РАО: пульпа ионо -обменных смол, фильтроматериалы,
кубовые остатки выпарных аппаратов, в которые поступает загрязнённая
радионуклидами вода при эксплуатации или ремонте реактора,
дебалансные воды, активность которых создаётся в основном за счёт
трития, т.к. система очистки не позволят извлекать тяжёлую воду из воды.
Твёрдые РАО: отвердённые жидкие концентрированные РАО, детали
оборудования реактора, снятые с эксплуатации, отработавшие материалы.
Доза облучения н аселения зависит от времени, расстояния и типа
реактора. Например, расчётная индивидуальная средняя эффективная
эквивалентная годовая доза облучения населения от газоаэрозольных
выбросов составляет на расстоянии 10 и 100 км. соответственно, для ББМК
– 0, 0013 и 0,000013 м Зв/ГВт; для ВВЭР – 0, 000079 и 0,0000036 м Зв/ГВт.

228
Значимый вклад в загрязнение биосферы вносят долгоживущие
радионуклиды 3Н, 14С, 35Kr, 90Sr, 106 Ru, 129 I, 134 Cs, 137 Cs и изотопы
трансурановых элементов, присутствующие в выбросах и сбросах за водов
по переработке облучённого ядерного топлива, Такой завод,
перерабатывающий 1500 тонн отработанного топлива, создаёт на
расстоянии до 100 км индивидуальную годовую эффективную
эквивалентную дозу до 0,25 м Зв. Кроме того, в окружающую среду могут
поступать отходы кислот, химреагентов для обработки жидких РАО,
органических растворителей, могущие отравить грунтовые воды на
больших территориях.
На конечной стадии ЯТЦ производится захоронение
высокоактивных РАО. До сих пор не определены оптимальные способы
захоронений. Есть проекты захоронений в глубоких подземных
выработках, например, в соляных шахтах, в герметичных ёмкостях глубоко
под землёй или на дне океана и т.д. – каждый способ имеет свои
недостатки, создающие угрозу глобального загрязнения в будущем.
Оптимистические оценки лучших вариантов, например, отвердение
отходов с последующим захоронением в геологически стабильных
районах, показывают, что заметные количества радиоактивных веществ
достигнут биосферы через 10
5- 10 6 лет.
Облучение человека при мед ицинских обследованиях и
радиационной терапии превышает воздействие всех других искусственных
источников. Дозы облучения создаются при ренгеновской диагностике
человека и диагностике состояния отдельных органов с помощью
радиоактивных фармацевтических преп аратов, а также при радиотерапии с
использованием радиоактивных источников (Кобальт- 60, цезий-137),
бетатронов, линейных ускорителей и радиофармпрепаратов.
Максимальная средняя годовая доза от рен тгенодиагностических
процедур приходится на костный мозг, ж елудочно-кишечный тракт и всё
тело: 1310, 860 и 1386 мкГр, в то же время средняя эффективная
эквивалентная годовая доза облучения человека, проживающего в районе с
“нормальным” природным радиационн ым фоном. составляет 2000 мкЗв.
При радиотерапии поглощённые дозы составляют 20- 60 Гр за
несколько сеансов.

9.1.5. Экологические последствия
радиационного загрязнения биосферы

Радиоактивные вещества, попадая в воду, воздух, почву, включаются
в биосферный круговорот. Они представляют опасность как источники
g_ шнего и особенно внутреннего облучения. Наиболее интенсивно в
биологический круговорот включаются тритий, С -14, Р- 32, S-35, K-40,

229
Fe-55, Sr- 90, Cs- 137, радиоизотопы иода, радионуклиды семейства урана и
тория. Накапливаясь в растениях, они по пищевым це пям поступают в
ткани и органы животных и человека, вызывая внутреннее облучение,
особенно опасное для растущих организмов. Многие радионуклиды
обладают свойством избирательного накопления в различных органах и
тканях в силу совпадения или близости их химических свойств свойствам
элементов, которые естественным образом входят в живые организмы. Так,
Sr- 90, сходный по химическим свойствам с кальцием, переходит из
растений в организм сельскохозяйственных животных, затем с мясной или
молочной пищей поступает в организм человека и накапливается в костной
ткани и костном мозге, вызывая опухоли костей и лейкозы. Близкий к
калию Cs -137 накапливается в печени и половых железах, вызывая
наследственные изменения в потомстве. В водных экосистемах
преимущественную роль играет процесс биоаккумуляции. Например,
установлено, что в тканях рыб реки Колумбия концентрация
радиоактивного фосфора в 5000 раз выше, чем в самой реке, морской
фитопланктон аккумулирует радионуклиды с коэффициентом накопления
10
4. Последнее говорит о т ом, что необходимо вводить некоторый
коэффициент безопасности по отношению к нормативам загрязнения,
установленным на основе представления о пассивном разбавлении
сбросов.
В вопросе экологических последствий радиационного загрязнения
биосферы ключевым мо ментом является Чернобыльская катастрофа.
Случилось то, что случилось: радионуклидным загрязнением (пусть и
неравномерным – пятнистым) охвачена территория радиусом более
2000 км, на которой проживают десятки миллионов человек. Практически
навсегда пот еряны огромные площади сельскохозяйственных угодий,
обширная сеть водных источников. С 1986 г. резко возросло число детей с
врождёнными пороками развития, возросла патология пищеварительной,
мочевыделительной и эндокринной систем, заболеваемость только рак ом
щитовидной железы у детей в Гомельской области Белоруссии с 1986 по
1992 г.г. возросла в 48 раз, по данным Всемирной организации
здравоохранения уже на 2000 г. у каждого 4-го жител я только Белоруссии
прогнозировалась образование злокачественн ой опухол и. Эта катастрофа,
в сущности, - крупномасштабная модель Глобального экологического
кризиса, после которой образ всепланетной экологической бифуркации
приобрёл, к сожалению, вполне реалистические черты. Цивилизация
действительно ввела себя в состояние смертельного эксперимента над
самой собой, развитиекоторого практически уже невозможно остановить, и
теперь ей остаётся, вновь и вновь , перебирая оценки, гипотезы, концепции,
как лепестки пресловутой ромашки, шептаь и шептать – с нарастающим

230
привкусом горечи во рту: будет, не будет, будет, не будет, будет, не
будет...

9.1.6. Защита окружающей среды от ионизирующих излучений

Защитить окружающую среду от ИИ – обеспечить непревышение
предела дозы (ПД) облучения для лиц категории Б, установленного в НРБ -
9 9 (разд. 9.1.1.), и выполнение требований по защите лиц категории В,
также установленных в НРБ -96 (разд. 9.1.1.).
Соблюдение ПД достигается регламентацией и контролем
допустимых уровней ИИ, установленных в НРБ -96.
При внутреннем облучении: предел годового поступл ения (ПГП)
радионуклида через органы дыхания и пищеварения, допустимая объёмная
концентрация (ДК
Б) радионуклида в атмосферном воздухе и в воде. При
внешнем облучении: допустимая мощность дозы (ДМД
Б), допустимая
плотность потока частиц (ДПП
Б), допустимое за грязнение поверхностей
(ДЗ
Б).
Величину ДК
Б вычисляют как отношение ПГП радионуклида к
объёму воды или воздуха, с которыми он поступает в организм человека в
течение года. Для лиц категории Б объём воздуха – 7,3 ⋅10
6 л/год, воды –
800 л/год. В табл. 9.3. пр иведены значения ПГП и ДК
Б для 89Sr.
Таблица 9.3.
Значения ПГП и ДК
Б для 89Sr

ПГП, Бк/год ДК Б, Бк/л
Через органы
дыхания
через органы
пищеварения в атмосфере оде
2,55 ⋅10 5 3,55 ⋅10 5 3,48 ⋅10 -2 4,44 ⋅10 2

Значения ПГП через органы дыхания и ДК
Б в атмосфере смеси
радионуклидов неизвестного состава составляют 3,7 Бк/год и 3,7 ⋅ 10
-7 Бк/л;
для воды аналогичные величины: 1,11 ⋅10
3Бк/год и 1,11 Бк/л.
Величина ДМД
Б составляет 2,4 мкЗв/ч – для помещений
предприятия и на территории С33 и 0,6 мкЗв/ч – для жилы х помещений на
территории зоны наблюдения. В расчётах время пребывания в С33
принимается 2000 ч/год, в зоне наблюдения – 8000 ч/год.
Величина ДПП
Б, при которой достигается допустимая мощность
дозы ДМД
Б равна ДПП Б = 2,8 ⋅ 10 -7 ДМД Б / h м частиц / (см 2⋅с ),
где h
м – удельная максимальная эквивалентная доза (Зв ⋅см 2/частиц),
значения которой для различных видов излучений приведены в НРБ -96.

231
На человека могут воздействовать несколько радионуклидов и
источников ИИ, создавая внешнее и внутреннее облучение. В э том случае
для каждого критического органа должно соблюдаться условие
∑∑ ≤
+ + ∑
j к
к
к
j
j
M 1
ПГП П
ПГП П
ПД
H,
(9.3)
где Н
М Σ - мксимальная эквивалентная доза внешнего источника облучения;
П
j, П к – среднегодовые поступления соответственно j -го радионуклида в
органы дыха ния и к-го радионуклида с рационом (пищевым), а также
аналогичное условие для среднегодовой мощности максимальной дозы


M H и среднегодовых концентраций C j, C k радионуклидов в воздухе и в
рационе.
∑∑ ≤
+
+ ∑

j к
Бк
к
Бj
j
Б
M
ДК
С
ДК C
ДМД H
1 , (9.4)
При ав арийных ситуациях однократное внешнее переоблучение
человека при дозе свыше 5ПДД или однократное поступление в организм
радионуклидов свыше 5ПДП (предел допустимого поступления)
рассматривается как потенциально опасное и должно быть медицински
освидетельст hано.
Основные мероприятия по защите персонала группы Б и населения:
всемерное ограничение поступления в окружающую атмосферу, воду,
почву отходов, содержащих радионуклиды и зонирование территории за
пределами промышленного предприятия введением С33 и з оны
наблюдения.
Для предприятий атомной промышленности и ядерной энергетики
СС3 устанавливается специальными нормативными актами. Минимальное
расстояние АЭС от города с населением 300 тыс. чел. и более должно
составлять не менее 25 км, 500 тыс. чел. и более – не менее 40 км.
Если по результатам длительного наблюдения установлено, что
облучение критических групп органов у лиц группы Б не превышает 0,1
ПД, то радиационный контроль за облучением населения может быть
сокращён при обязательном сохранении радиационного контроля за
источниками выбросов и сбросов со стороны дозиметрической службы
предприятия.
Защита населения и окружающей среды от действия источников ИИ
достигается соблюдением требований ОСП ОРБ-99. Здесь
регламентированы сбор, удаление и обезвре живание твёрдых и жидких
радиоактивных отходов (РАО) и основные требования к проектированию и
применению пылегазоочистки выбросов в атмосферу от радионуклидов.

232
Жидкие, газообразные и твёрдые РАО делятся на слабо - , средне – и
высокоактивные.
Слабоактивн ые (удельная активность А < 3,7⋅10
5 Бк/л) и
среднеактивные (3,7 ⋅10
5 Бк/л <А<3,7 ⋅10 10 Бк/л) жидкие РАО подвергаются
очистке и сбрасываются в окружающую среду, высокоактивные
(А ≥3,7 ⋅10
10 Бк/л) – направляются на хранение, а после переработки н а
захоронение.
На предприятиях допускается сброс радиоактивных сточных вод с
концентрацией радионуклидов, превышающей ДК
Б. Но это превышение не
должно быть больше десятикратного и при условии, что в коллекторе
стоков предприятия обеспечивается десятикратное, по меньшей мере, их
разбавление нерадиоактивными стоками предприятия, а суммарный сброс
радиоактивных веществ в водоём не превышает установленного предельно
допустимого сброса. Допустимые сбросы жидких РАО в водоёмы
согласуются с органами Госсаннадзора.
Запрещено удаление жидких РАО всех категорий в колодцы,
скважины, поглощающие ямы, поля орошения и фильтрации, системы
подземного орошения, а также в пруды, озёра и водохранилища,
предназначенные для разведения рыбы и водоплавающей птицы.
При неhafh`g ости разбавления, а также при малых количествах
(менее 200 л/сут.) жидкие РАО собираются в специальные ёмкости для
последующего удаления на пункт захоронения РАО. Если образуется более
200 л/сут., необходима специальная канализация с очистными
сооружениями и с возможным повторным использованием в
технологических целях. Очистка основывается на известных методах. но
во многих случаях представляет самостоятельную задачу [91] . Так,
сбросные воды установок для облучения резины, фторопластов, древесины
и т.п., гд е применяется
60Со, содержащийся в воде, очищают по следующей
схеме: осветление воды (от микродисперсной взвеси) производится на
механических фильтрах, имеющих целлюлозно -тканевую насадку;
дезактивация осуществляется ионообменными фильтрами: катионитовыми
(КУ -2 -8) и анионитовыми (АН -2ФГ, АН- 18-16, АН- 31).
Твёрдые РАО по ОСП ОРБ-99 считаются радиоактивными, если их
удельная активность больше 7,4 ⋅10
3 Бк/кг для источников α-излучения (для
трансурановых элементов 3,7⋅ 10
2 Бк/кг); 7,4⋅10 4 Бк/кг для источников β-
и злучения; 1 ⋅10
-7 г -экв.радия/кг для источников γ -излучения.
Если удельная активность твёрдых отходов ниже приведённых
значений, то их удаляют с обычным мусором на захоронение. Если
твёрдые РАО имеют повышенную удельную активность и содержат
короткоживущие нуклиды с периодом полураспада менее 15 сут., то перед

233
захоронением их необходимо выдерживать в специальных контейнерах до
необходимого снижения активности.
Сбор твёрдых РАО должен производиться на местах их образования
отдельно от обычного мусора и раздельно, с учётом их природы (неорга -
нические, органические, биологические), периода полураспада (до 15 сут.,
более 15 сут.), взрывопожароопасности, методов переработки РАО.
Остатки от переработки облучённого топлива, источники излучения,
ионитные смолы, ис пользованное оборудование и т.п. подлежат
захоронению.Фильтры и обтирочный материал предварительно сжигаются,
остатки от сжигания подвергаются захоронению. Удаление РАО
производится на специальных пунктах захоронения в контейнерах.
Мощность дозы излучения на расстоянии 1м от сборника с РАО не должна
превосходить 0,1 мЗв/ч. Уровни загрязнения наружных поверхностей
транспортных контейнеров и их тары β - частицами не должны
превосходить, соответственно 2000 и 200 частиц/(см
2⋅ мин.).
Транспортировка РАО к местам захоронения осуществляется на
специально оборудованных автомашинах с крытым кузовом или
цистерной (для жидких РАО), автомашины и сменные сборники после
каждого рейса должны быть дезактивированы.
Если для захоронения низкоактивных РАО допускается
использ ование резервуаров и траншей, то для средне - и высокоактивных
РАО предусматривается их захоронение в отверженном состоянии в
подземных хранилищах на глубине 300- 1000 м. Из-за больших
тепловыделений РАО и опасности взрывов такое захоронение не всегда
hafh`но. Проблема захоронения РАО ещё не нашла своего надёжного
решения.
По рекомендациям МАГАТЭ низкоактивные радиоактивные
пылегазовые выбросы (А ≤ 3,7 Бк/м
3) могут не подвергаться очистке и
рассеиваются в окружающей среде через трубы, высота которых обеспе -
чивает соблюдение ДК
Б. Среднеактивные (3,7 Бк/м 3 < А < 3,7 ⋅10 4 Бк/м 3) и
высокоактивные РАО (А > 3,7⋅10
4 Бк/м 3) подвергаются очистке
пылеуловителями всех типов. Для улавливания высокодисперсных частиц
используются фильтры различных конструкций с фильтроэлем ентами из
материала ФПП – фильтры Петрянова [91] . Шламы пылеочистки средне- и
высокоактивных выбросов направляют на захоронение.
Для очистки вентиляционных выбросов и технологических сдувок от
радиоактивных инертных газов (изотопы криптона, ксенона, аргон -41)
используют адсорбционные колонны или газгольдеры. В последних
короткоживущие радионуклиды (как правило, период их полураспада
измеряется несколькими часами) снижают свою активность за счёт
радиоактивного распада.

234
Таблица 9.4.
Основные характеристики приборов контроля
за радиационной обстановкой

Тип
при-
бора Измеряемая величина,
пределы измерений Диапазон
энергий
излучения,
МэВ
Основная
погрешность измерения,
%
Питание прибора
ДРГ3
-04






ДРГ -
05

ДКС- 04
Экспозиционная доза,
мкР ......................... 10 ... 3⋅10 4
Поглощённая доза,
мкрад ..................... 10 ... 3⋅10
4
Мощность экспозиционной дозы,
мкР/с ..............1 ... 3⋅10
4
Мощность поглощённой дозы,
мкрад/с ....................1 ... 3⋅10
3
Мощность экспозиционной дозы,
мкР/с ........... 0,1 ... 1⋅10
4
Экспозиционная доза,
мР .......................... 0,1 ... 1⋅10
4
Мощность экспозиционной дозы,
мР/ч ............ 0,1 ... 150
Экспозиционная доза,
мР ......................... 1,0 ... 1024
0,03 ... 3

1 ... 25
0,03 ... 3
1 ... 25
0,04 ... 10

-
0,05 ... 3,0
-

± 15

± 15

± 10

± 10

± 15


-
± 25

-

Сетеh_

- «-

- «-

- «-

Акку -
муля -
торное
-
То же

-

В табл. 9.5. приведены основные характеристики приборов
индивидуального дозиметрического контроля
Таблица 9.5.
Основные характеристик и
приборов индивидуального дозиметрического контроля

Тип
дозиметра Пределы
измерений, Р Диапазон энергий
измеряемого
излучения, МэВ
Основная
погреш-
ность, %
Размеры
детектора,
мм
ДК – 02
КИД – 2
КИД – 1
ИФК – 2,3
ИФКУ – 1
ИКС - А
0,01 ... 0,2
0,005 ... 1,0
0,02 ... 0,2
0,02 ... 2,0
0,05 ... 2,0
0,5 ... 1 ⋅10
3
0,15 ... 2,0
0,15 ... 3,0
0,1 ... 3,0
0,1 ... 3,0
0,1 ... 1,25
0,05 ... 1,25
± 15
± 15
± 10
± 20
± 25
± 10
∅ 13 х 114
∅ 17 х 111
∅ 15 х 113
60 х 40 х 6
67 х 33 х 16
∅ 20 х 10
Методы ради ационного контроля основаны на измерениях
параметров ИИ с помощью дозиметрических приборов. Типы и параметры
дозиметров устанавливают в зависимости от измеряемой величины и вида
ИИ. В табл. 9.4. приведены основные характеристики приборов контроля
за радиац ионной обстановкой [63] .

235
9.2.Защита окружающей среды
от электромагнитных загрязнений

9.2.1. Естественный электромагнитный фон
и связанные с ним процессы в живом веществе.
Электромагнитное (радиочастотно е) загрязнение биосферы

Многолетние наблюдения и р езультаты специальных экспериментов
показывают, что электромагнитные поля (ЭМП) космического
происхождения (например, ЭМП, возбуждаемые в земной атмосфере
«солнечным ветром» – потоками заряженных частиц от Солнца),
околоземного происхождения (например, воз буждаемые движением
зарядов атмосферного электричества, в том числе при грозовых
электрических разрядах), литосферного происхождения (например,
постоянное магнитное поле Земли, объясняемое наличием электрических
токов в проводящей жидкости земного ядра; ЭМ П, возбуждаемые
динамическими процессами в земной коре), составляющие естественный
электромагнитный фон Земли, играют важную роль в формировании
жизненных процессов на Земле. Так, известно влияние солнечной
активности, например, магнитных бурь, на биологич ескую деятельность
всех организмов, на рост эпидемий инфекционных заболеваний.
Изменение геомагнитного поля значимо коррелирует с годовым приростом
деревьев, урожаем сельхозкультур, обострением психических, сердечно -
сосудистых заболеваний, числом дорожных катастроф. Это
неудивительно: живые организмы постоянно находятся в сфере влияния
естественных ЭМП, более того, они функционируют на основе действия
очень слабых биоэлектрических токов и потенциалов (микроамперы,
милливольты) и биомагнитных полей (нано -и п икотесла).
ЭМП, в частности, ЭМП радиоволновых частот, 0 < f > 6 ⋅ 10
12 Гц,
сформированные человеком в 19- м – 20 веках в ходе промышленно-
технической деятельности, по энергетическим (напряжённости
электрической и магнитной составляющих ЭМП, плотность пото ка
энергии ЭМП), и информационным (частотным и временным)
характеристикам могут существенно отличаться от ЭМП естественного
фона, к которым человек адаптировался в течение длительного периода
эволюции. Так, суммарная напряжённость ЭМП во многих местах земн ой
поверхности возросла по сравнению с естественным фоном на 2 -5
порядков. В масштабах эволюционного процесса возникновение
инстенсивных техногенных ЭМП можно рассматривать как
одномоментный скачок с пока неясными биологическими последствиями

236
[34] . Ряд исс ледователей относят ЭМП к числу сильнодействующих
экологических факторов, предполагая что скачкообразный рост их
напряжённости может вызвать существенные, даже катастрофические
последствия для всего живого. Другие относят ЭМП к мягкодействующим
факторам, к оторые можно устранить путём рационального эколого-
гигиенического нормирования [34] . Во всяком случае установлено, что
техногенные ЭМП могут вызвать функциональные нарушения, иногда
перерастающие в заболевания. Поэтому неизбежна и справедлива
постановка во проса об оптимизации электромагнитных условий в
окружающей среде.
В связи с особенностями взаимодействия ЭМП с биологическими
объектами диапазон частот радиоволн можно разделить на три
поддиапазона:
1) 0 ... 10
6Гц – влияние магнитной и электрической составля ющих ЭМП на
биосферу можно рассматривать отдельно;
2) 10
6 ... 10 9Гц – влияние магнитной и электрической составляющих ЭМП
на биообъекты разделить невозможно;
3) 10
9 ... 10 12Гц – указанное влияние разделить также невозможно; в
данной области частот на биообъекты в сегда действует сформировавшаяся
электромагнитная волна.
Эти особенности электрических, магнитных и электромагнитных
полей определяют мезанизмы влияния ЭМП на биообъекты. Так,
постоянное магнитное поле приводит к проявлению диа – и
парамагнитных эффектов, постоянное электрическое поле –
поляризационных эффектов, переменное магнитное поле индуцирует
электрический ток в биообъектах, переменное электрическое поле
вызывает токи смещения в живом веществе биообъектов.
Основные искусственные источники ЭМП: радиоло кационные,
радио- и телепередающие станции, электростанции и трансформаторные
подстанции, энергосиловые установки, воздушные линии электропередачи
(ЛЭП), наконец, телеприёмники, СВЧ -печи, радиотелефоны, компьютеры,
широко разветвлённые электрические, в том числе, кабельные сети и др.
Как отмечалось, напряжённость техногенных ЭМП на значительных
территориях на 2 -5 порядков превышает естественный ЭМП -фон
населённой местности – по крайней мере, в отдельных областях
радиоволнового диапазона. Суточные колебания техногенного ЭМП
изменяют электром