А. Е. Аствацатуров. Инженерная экология 1 страница

А.Е. Аствацатуров. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Учебное пособие Ростов-на-Дону 2006 УДК 504.05/06(075)

А 91 А 91 Аствацатуров А.Е. Инженерная экология: Учеб. пособие. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ. 2006 – с.

ISBN 5-7890-0186-6

Книга представляет собой одно из основополагающих учебных пособий по инженерной экологии для технических университетов и колледжей. В соответствии с программой всеобщего экологического образования инженеров излагаются основные концепции биосферы, экологии, процессов деградации и загрязнения природы, дается представление о методах, задачах и средствах инженерной экологии и защиты окружающей среды.

Разделы "Философские предпосылки и методологические принципыгии для технических университетов и колледж…" и "Философский подход к проектированию природозащитной техники" написаны с участием к.ф.н. Басилаиа М.А., раздел "Экономика и очистка вод" написан совместно с Дангадзе М.К.

Предназначено для инженеров-экологов, специалистов по инженерной защите окружающей среды, безопасности жизнедеятельности, технологов, проектировщиков и конструкторов, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов, учителей школ, для всех интересующихся проблемами инженерной экологии и охраны среды.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Донского государственного технического университета

Научный редактор д-р техн. наук, проф. З.Г. Гиоев (РГУПС)

Рецензенты: проф. О.Н. Русак, засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук, зав. кафедрой "Безопасность жизнедеятельности" Санкт-Петербургской лесотехнической академии, президент международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности;

проф. Страхова Н.А., д-р. техн. наук, кафедра "Инженерная защита окружающей среды" РГСУ

Издательский центр ДГТУ, 2006

Оглавление

Предисловие………………………………………………………….

Часть I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИОСФЕРЕ И ЭКОЛОГИИ

Глава 1.

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ…………………………………9

Техносфера……………………………………………….13

Ноосфера………………………………………………….14

Космосфера………………………………………………17

Глава 2.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИИ…………19

2.1. Предмет экологии……………………………………19

2.2. Экосистема. Концепция, классификация, основные понятия…………………22

Биогеохимические циклы……………………………….27

Круговорот кислорода……………………………….. 29

2.3.2. Круговорот воды………………………………………30

2.3.3. Круговорот углерода…………………………………34

2.3.4. Круговорот азота……………………………………...38

2.3.5. Круговорот фосфора………………………………….41

2.4. Экология человека………………………………………42

Глава 3.

ЛИМИТИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ………………………………………………50

3.1. “Закон минимума” Ю.Либиха…………………………..50

3.2. Температура……………………………………………...52

3.3. Излучение………………………………………………...54

3.4. Почва как лимитирующий фактор…………………….57

3.5. Вода как лимитирующий фактор………………………60

3.6. Антропогенный стресс как лимитирующий фактор индустриальной цивилизации………………………….71

Часть II. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Глава 4.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ………………76

4.1. Основные источники загрязнения атмосферы………………………………..78

4.2. Вредные последствия загрязнений……………………..87

4.3. Регламент загрязнения атмосферы……………………..95

Глава 5.

ГИДРОСФЕРА И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД……………………………………97

5.1. Водные ресурсы Земли………………………………….97

5.2. Источники загрязнения воды……………………………107

5.3. Экономика и очистка вод………………………………..120

Глава 6.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ…………………………………………….128

6.1. Источники шума и вибрации……………………128

6.2. Источники электромагнитных излучений…………….132

6.3. Ионизирующие загрязнения окружающей среды…….137

6.4. Почва и ее загрязнения………………………………….143

Часть III. ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Глава 7.

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ………………………………………………………………147

7.1. Основные термины и определения………………………………………………………………………………147

7.2. Задачи инженерной экологии…………………………....................................................................153

7.3. Методологическая основа создания средств инженерной экологии…………………………………... 157

7.3.1. Философия техники и оценка экологичности инженерных средств…………………………………………..157

7.3.2. Философский подход к проектированию природозащитной техники………………………..………………160

7.3.3. Методология исследования системы…………….………………………………………….162

7.4. Принципы инженерной экологии……………………………………………………….166

7.5. Методы инженерной экологии……………………………………………………………….170

7.6. Связь инженерной экологии с другими науками…………………………………………………...174

Глава 8.

ЧЕЛОВЕК В ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ…………………………………………………………180

8.1. Роль человека в решении экологических задач………. …………………………………………………..180

8.2. Человек – управляющее звено системы “человек – техника”………………………………………………….182

8.3. Примеры катастроф и аварий с тяжелыми экологическими последствиями……………………….185

8.4. Повышение надежности системы…………………………………………………….189

8.5. Инженерно-эргономические требования к системе "человек-машина среда" (СЧМС)……………………… ………………………………………192

8.6. Философские предпосылки и методологические принципы при системном подходе……………………..…………………………………………………….195

8.7. Контроль за качеством инженерной продукции……………………………………….197

Глава 9.

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ………………………………. 201

9.1. Средства защиты человека в условиях развития техносферы………………………………………………201

9.2. Очистка промышленных газов………………………….203

9.3. Очистка сточных вод……………………………………. 208

9.3.1. Методы очистки сточных вод………………………..210

9.3.2. Рациональное водопотребление в промышленности……………………………………..214

9.3.3. Технические средства очистки сточных вод………. 219

9.3.4. Инженерно-экологический подход к строительству сооружений……………………………………225

9.4. Примеры инженерной защиты от шума……………….. 228

9.5. Безотходная и малоотходная технологии………………230

9.5.1. Ресурсосберегающие производства………………….230

9.5.2. Рекуперация и утилизация твердых отходов………..234

Постскриптум……………………………………………………….. 240

Приложение………………………………………………………….243

Литература…………………………………………………………..247

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методология творческой инженерно-экологической деятельности еще недостаточно хорошо разработана и описана, несмотря на значительное повышение во всем мире интереса к этой области науки. Он объясняется тем, что полноценная инженерная деятельность в наше время может быть обеспечена лишь на базе широкого образования, включающего не только фундаментальную физико-математическую, но и столь же основательную методологическую подготовку в области, находящейся на стыке технических и естественных наук.

Последнее десятилетие в деятельности вузов и научных учреждений наблюдается значительный сдвиг в сторону углубления экологических знаний. В процессе обмена опытом, будучи в вузах США, Европы и Азии, нам неоднократно приходилось убеждаться в активной заинтересованности преподавателей в улучшении экологического образования студентов.

Сейчас все очевиднее происходит слияние производственных и природных процессов в единые системы, развивающиеся по своеобразным, еще недостаточно изученным законам. Для изучения состояния, прогнозирования и управления развитием таких систем возникли новые направления в науке, одно из которых – инженерная экология.

В образовательных процессах технических университетов экологические знания, в известной мере, связаны с техническими, инженерными, и в этой связи особая роль отводится учебной и учебно-методической литературе по инженерной экологии и защите окружающей среды.

Предлагаемая вниманию читателей книга профессора ДГТУ А.Е. Аствацатурова – одна из первых работ такого направления, вызвавшая интерес и студентов и специалистов по защите окружающей среды, выходящая в свет во втором издании с некоторыми новыми дополнениями.

Она основана на цикле лекций, читаемых в течение ряда лет автором, имеющим многолетний опыт научной, производственной, педагогической деятельности, и на работах, опубликованных им раннее. Предлагаемое учебное издание выгодно отличается от других учебников и руководств тем, что в нем в значительной мере реализовано стремление изложить закономерности экологии, защиты окружающей среды в связи с прикладными направлениями инженерных наук. Учебник отличают ясность и логичность изложения, объединяющие несколько самостоятельных областей исследования, которые автор соподчинил одной задаче; и еще - четкая практическая направленность: везде, где только можно, автор обращается к нашим повседневным реалиям и современным, актуальным для общества, проблемам.

Книга характеризуется рядом особенностей, первая из которых - тщательно разработанный комплекс основных терминов и понятий. Вторая особенность – постоянная ориентация на системный подход как методологическую основу создания любых технических средств, взаимодействующих с человеком и окружающей средой, третья – рассмотрение морально-этических аспектов инженерной деятельности с акцентом на ответственность инженера-эколога перед обществом и природой. И четвертая – дидактическая направленность с подробным описанием и повторением в различных формах основных положений.

Учебное пособие будет интересно и полезно студентам практически всех инженерных специальностей, изучающих дисциплины, связанные с инженерной защитой окружающей среды, аспирантам и преподавателям вузов, широкому кругу специалистов, а также всем тем, кто интересуется современным состоянием этой дисциплины с целью профессионального совершенствования. Этим читателям сведения по экологии, инженерной защите окружающей среды не просто полезны, а настоятельно необходимы.

В заключение хотелось бы выразить глубокое удовлетворение тем, что коллективы ученых и профессорско-преподавательского состава технического университета стали проявлять больше интереса и внимания к экологическому воспитанию и образованию молодых специалистов. Это существенные шаги на подступах к решению важной задачи: добиться качественного сдвига в процессе формирования экологической культуры и массового ее включения в реализацию экологической политики.

Председатель совета ректоров вузов

Ростовской области, ректор ДГТУ,

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ,

академик Российской академии технических наук,

почетный академик Международной академии

наук экологии и безопасности жизнедеятельности,

ассоциированной в ООН А.А. Рыжкин

ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О БИОСФЕРЕ И ЭКОЛОГИИ

Глава 1. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

Биосфера - (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - это оболочка Земли, включающая область распространения жизни и часть вещества планеты, которое состоит в постоянном обмене с живыми организмами. Впервые представление о биосфере как наружной оболочке нашей планеты было предложено Ж.Б. Ламарком(1744-1829) в начале 19-го века. В научный обиход термин "биосфера" ввел австрийский ученый Э. Зюсс (1875), выделивший ее как одну из земных оболочек.

Основы научного понимания биосферы заложил русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). По Вернадскому биосфера - область существования живого вещества, которая включает нижние слои атмосферы (до озонового пояса - на высоте около 25 км), всю гидросферу (до максимальных глубин) и верхнюю часть литосферы. Однако определение биосферы, отмечал В.И. Вернадский, только как области жизни неполно. Биосфера включает:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество, т.е. органоминеральные или органические продукты, созданные живым веществом (каменный уголь, нефть, торф, известняк, гумус и т.д.);

3) биокосное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой природой (вода, атмосфера, осадочные породы).

Чем же отличаются живые организмы от остальных (косных) природных веществ? Отвечая на этот вопрос, обычно говорят, что живые существа - это те, которые могут размножаться, двигаться и т.д. Это утверждение не полностью отражает суть отличия живого вещества. Основной отличительной способностью живого от неживого вещества является способ использования энергии.

Живое вещество - это уникальный природный объект, обладающий способностью принимать и использовать энергию, идущую из Космоса. Улавливая энергию, прежде всего в виде солнечного света, живой организм может удерживать ее в качестве энергии сложных органических соединений, передавать или трансформировать в механическую, химическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) вещества не обладают возможностями столь сложных преобразований энергии. Обычно они принимают энергию и рассеивают ее в окружающую среду. Вторая особенность живых организмов - их уникальная способность к самовоспроизведению. Производство новых, идентичных по структуре и функционированию поколений является не только копированием, но и характеризуется изменчивостью признаков из поколения в поколение. А это приводит к гибкой адаптивности и способности приспособления живых организмов к условиям обитания в процессе эволюции. Таким образом, можно отметить особые отличия живого вещества по сравнению с косной природой. Они заключаются в присутствии в живом организме химических соединений, обладающих: способностью к самовоспроизведению; способностью создавать полимерные оболочки, служащие защитой и ограждением живого вещества от косного; способностью осуществлять химические реакции в условиях обычных параметров среды и способностью передавать химическую энергию с высокой скоростью.

Живые организмы различаются по массе - от микробов весом тысячные доли грамма до кашалотов весом 100 т и более; по продолжительности жизни - от нескольких часов у бактерий, до 5000 лет и более у японской криптомерии. Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, стимулируемая солнечной энергией. "При этом организмы связаны, - отмечал В.И.Вернадский, - с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением".

Биосфера является мощной геологической силой, формирующей равновесие газов, жидкой и твердой фаз Земли и поставляющей огромную часть свободной энергии для усиления техносферы.

Пределы биосферы ограничиваются физическими условиями существования живых организмов. По современным представлениям, существование жизни обусловлено границами температур от +160 до –250С и давлением от 0,001 до 3000 атм. Нижняя граница жизни в водной среде проходит на глубине 11500 м, в литосфере (в земной коре) - на глубине более 3000 м (на глубине 4500 м в нефтеносных водах обнаружены микроорганизмы). Верхняя граница распространения жизни в атмосфере обусловлена высотой озонового слоя, служащего для живых организмов защитной средой от смертоносного ультрафиолетового излучения Солнца и расположенного на высоте 25-45 км над уровнем моря.

Последнее время в атмосфере обнаружены некоторые виды жизнеспособных микроорганизмов в состоянии покоя на высоте около 80 км. Жизнь встречается и на вершинах высочайших в мире гор на высоте 8839 м выше уровня моря.

Биомасса современной биосферы составляет около 2,5 трлн. т сухого вещества (около 99% этой массы приходится на зеленые растения). Образование нового органического материала, т.е. чистая ежегодная продуктивность биосферы, составляет около 10% (150-200 млрд. т сухого вещества). При этом примерно 1/3 от годового суммарного показателя производства биомассы составляют морские фотосинтезирующие растения и микроорганизмы (хотя они имеют вес примерно в 100 раз меньше, чем наземные виды).

Каков же общий объем биосферы? Жизнь в биосфере сосредоточена примерно в диапазоне нескольких десятков километров выше и ниже поверхности Земли. Поскольку радиус нашей планеты составляет около 6400 км (4000 миль), а толщина слоя атмосферы 288 км (180миль), можно подсчитать, что слой биосферы (тонкий) составляет менее 1% общего объема планеты. А геологический объем биосферы, который определяется с учетом непрерывного отложения части объема производимой ею биомассы, находящейся вне цикла пищевой цепи, составляет, по современным данным, более 4% от общего объема нашей планеты.

Энергия биосферы характеризуется следующим показателем: в умеренных и тропических широтах величина солнечной радиации, достигающей Земли, составляет около 700 Вт/м2. Часть этой энергии теряется при прохождении через атмосферу, облака и т.д. Растениям и микроорганизмам, существующим за счет фотосинтеза, остается энергии примерно 150-200 Вт/м2, из которых они усваивают 0,2-1%, т.е. 0,5-3 Вт/м2. Общая величина энергии за год, получаемой путем биосинтеза в биосфере, составляет 401012 Вт. В.И.Вернадский считал наличие фотосинтезирующих организмов решающим фактором активной жизни биосферы, так как именно они осуществляют постоянную связь между нашей планетой и космосом, используя солнечную энергию для получения различных химических элементов. "К сожалению, - писал В.И.Вернадский, - наши современные знания не позволяют учесть, какую часть всего живого вещества составляет зеленый мир растений".

В наше время учеными составлены мировые карты растительности и почв, установлено, что в живом веществе Земли основная роль принадлежит растительным фотосинтезирующим организмам, которые составляют 95-99% всей массы живого вещества. Суммарные запасы фитомассы Земли, по данным ученных, оцениваются в 2402,5109 т (количества органического вещества измеряется в единицах сухого веса); суммарная годичная продукция фитомассы суши оценивается в 171,54109 т.

1.1. Техносфера

Под влиянием цивилизованного человечества биосфера претерпевает существенные изменения. В настоящее время преобразующей силой на нашей планете стала техносфера, приводимая в действие человеком.

Промышленная революция ознаменовала приход технической культуры, которая с возрастающей силой захватывала не только производство, но и быт. Превосходство технического прогресса над эволюционными процессами природы дало возможность техносфере соперничать с биосферой в перемещении биомассы на планете. С развитием техносферы биосфера столкнулась с быстро распространяющимися новыми видами биомов: сельскохозяйственным и городским. (Биом – крупная биосистема (региональная, континентальная), характеризующаяся каким-либо типом растительности, например, биом лиственных лесов умеренного пояса. Самая крупная биосистема, близкая к идеалу, – это биосфера). Достижение технического прогресса и неразумное использование человечеством ресурсов биосферы создало реальную опасность, связанную с последствиями загрязнения природной среды промышленными отходами. В наше время техносфера начала свое независимое существование, вышла из повиновения эволюционных тенденций биосферы. Развиваясь по своим собственным законам, техносфера чаще создает противоречие, чем сотрудничество с биосферой. Грозными примерами противостояния служат накопленные арсеналы ядерного оружия и нейтронная бомба - печальные плоды творческих амбиций "не вполне психически уравновешенных представителей техносферы". Это свидетельствует о том, что коэволюция, т.е. совместная эволюция человека и биосферы - процесс мучительный и небыстрый, связанный, прежде всего, с выработкой новых принципов согласования действий общества с природой, перестройкой нашего бытия и мышления, сменой стандартов и идеалов.