CC BY
31
ДОКЛАД
НАН КОНФЕРЕНЦИИ «ЭКОЛОГИЖСКЙЁ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА,
ПЕРЕРАБОТКА И РАЗМЕЩЕНИЕ ОТХОДОВ»
ДАНИЕ
Москва, мгту
30 января • 3 феврале
1995
г.
• • • • •
Г.В.КАЛАБИН
Институт проблем промышленной
экологии Севера КНЦ РАН
Введение в экологию и охрану окружающей среды в
промышленно развитых регионах
Как известно, каждая новая ступень научно-технического прогресса увеличивает масштабы вмешательства человека в природную среду.
При этом потребление энергии является непременным условием всех технологических процессов, а в любом продукте заключено определенное количество овеществленной энергии. Как следствие, рост энергоемкости конечной продукции ведет к нарастающему загрязнению природной среды.
Трофическая (пищевая) цепь в экосистеме представляет собой также энергетическую систему, т.е. имеет место непрерывный поток энергии от продуцентов (производителей) ко всем остальным звеньям. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием (диссипацией) энергии на каждом последующем звене, т.е. ее потерями и возрастанием энтропии (мера упорядочности системы). Понятно, что это рассеивание постоянно компенсируется естественным поступлением энергии от Солнца.
Выбросы вредных веществ в окружающую природную среду, размещение в ней отходов производства вносят искусственные помехи в механизмы реализации обратных связей между звеньями. Эти помехи по энергетическим показателям, как правило, превосходят естественные энергопотоки, что ведет к превышению пределов, отвечающих нормам реакции биоты (совокупность живых организмов).
Вполне понятно, что влияние этих помех без негативных последствий не может быть беспредельным.
Поэтому принято считать, что практически все процессы в природе приводят к
росту энтропии, т.е. являются деградаци-онными.
Таким образом происходит взаимодействие двух различных по генезису энергопотоков, соотношение которых и определяет состояние как отдельных экосистем, так и природной среды в целом.
Несовершенство наших знаний в этой области ограничивает возможности управления энергопотоками, что приводит к нарастающему валу экологических проблем.
Как правило, в экосистемах за счет диссипации энергии вначале идет количественное накопление последствий загрязнения, которое, внешне не проявляется. Затем при достижении критической массы искусственны помех, происходит скачкообразное изменение состояния системы, которое может перерасти в необратимый процесс, развивающийся по экспоненте.
Именно поэтому актуальной проблемой в экологии, является поиск способов ранней диагностики степени поражения системы, путем обоснования косвенной индикации загрязнения. Здесь перспективным направлением является выявление специфических для различных природных зон и сред биоиндикаторов. Например, для условий Кольского Севера исследованиями Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН определены такие виды растений и животных для лесных и пресноводных экосистем.
При анализе состояния тех или иных экосистем используются не только факт присутствия-отсутствия индикатора, его вниманий и морфологические особенности, но и способность аккумулировать загрязняющие вещества.
Процессы деградации в равной степени развиваются на экосистемном и межэкоси-стемном уровнях, которые затем переходят на региональный и глобальных уровни. Причем существует строгая иерархия от низших звеньев к более сложным системам. Известно, например, что глобальные процессы изменения климата связаны с накоплением загрязняющих веществ (СО, озона, фтористых соединений) в отдельных промышленных регионах и последующими трансграничными и трансконтинентальными переносами загрязненных воздушных масс за счет крупномасштабных воздушных течений в атмосфере Земли (3 км и выше). Однако последним процессам предшествуют многочисленные местные циркуляции, за счет которых происходит первичное усреднение состава основных компонентов воздуха (турбулентный перенос). Часть загрязняющих веществ при определенных синоптических ситуациях (инверсиях, штилях) выпадает непосредственно вблизи источника загрязнения (например, по сере 15% в локальных зонах, 30% на территории области), остальная - вовлекается в систему воздушных течений над землей.
Деградация экосистем, активно развивающаяся вблизи источников мощного техногенного воздействия (техногенеза) приводит к цепной реакции уже на межэко-системном уровне, что в конечном счете предопределяет разрушение биосферы локальных территорий. Поэтому картина различной степени нарушенности экосистем (например почвенных, лесных, пресноводных) носит мозаичный характер.
Если величина воздействия остается постоянной и не уменьшается, локальные территории постоянно расширяются, соединяясь между собой.
Результаты исследований ИПЭС по накоплению сульфатов в снежном покрове в районах расположения двух медно-никелевых металлургических комбинатов на Кольском полуострове показали, что за 4 года, зона локального загрязнения (более 1 г/м2) увеличивалась с 17,9 до 24,7 тыс. км2, а зона регионального загрязнения (менее 1 г/м2) соответственно уменьшилась с 127,0 до 120,2 тыс. км2. В очагах высоких концентраций сульфатов (10-30 г/м2) и тяжелых
металлов (Г& - 20 мкг/ л) происходит формирование техногенных пустошей [ 1 ] .
Таким образом происходит рост энтропии по мере заполнения системой доступных ей состояний. Максимальная энтропия (предельно большой хаос) соответствует термодинамическому равновесному состоянию - тепловой смерти. Однако по мнению основоположников статистической физики, перспектива тепловой смерти невообразима далека. Вместе с тем деграда-ционные процессы являются не только внутренним свойством систем, сколько привносятся извне. Поэтому вышеупомянутый оптимистичный прогноз сделан без учета влияния на эволюцию Земли результатов человеческой деятельности.
При таких процессах энергия объекта (системы), хотя и не уменьшается, но становится как бы хуже качеством. Например, в зонах сильного разрушения вначале погибают наиболее ценные виды: хвойные древостой, мхи, особенно сфагновые, на месте которых появляются пушицево- осоковые ценозы, лесные фитоценозы трансформируются в тундровые и болотные погибают лососевые рыбы, сокращается цикл воспроизводства ихтиофауны.
Ухудшение качества воздушной среды за счет увеличения концентрации оксидов серы, азота, углекислого газа, углеводородов, аэрозолей тяжелых металлов и др. вредных примесей ведет к увеличению нагрузок на окружающую среду, что способствует интенсификации процессов диссипации энергии во всех экосистемах.
Подсчитано, что в окружающей среде рассеянно около 14,5 млрд. т железа объем рассеивания ртути и свинца составляет 80-90% их годового производства. Особую опасность представляют соединения тяжелых металлов.
С этих позиций техногенное влияние нельзя считать безопасным до тех пор, пока не будут оценены последствия его. Для этого нужны новые знания о реакции биоты и среды обитания на различные виды мощности воздействия. При этом в зависимости от специфики конкретного региона потенциал природы в условиях той или иной инфраструктуры хозяйственной деятельности будет различным.
Значимость сектора по удельному выбросу загрязнителей
(кг/ст.продукции)
Значимость сектора по ис пользованию ресурсов м /стп
Сектор экономики
воздух
вода
пыль
тверд.
отходы
электро
энергии
Сельское хозяйство
Химическое
производство
и нефти
Переработка немет сырья
промышленность
Деревообр.
промышленность
Общее машиностр
промышлен
ность
Строительство
отходов
Обслуживающий сектор
Таблица 1
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ СЕКТОРОВ ЭКОНОМИКИ
х - 1 - максимальное воздействие сектора экономики для различных загрязнителей хх -14 - минимальное воздействие сектора экономики для различных загрязнителей
Используя известные подходы [2], можно показать способ предварительной экологической оценки основных секторов экономики по удельному выбросу загрязнителей в воздух и воду (кг/стоимость одной тонны продукции) и удельному использованию ресурсов: земля ^/стоимость одной тонны продукции, вода (м3/стоимость одной тонных продукции) (табл.1).
Анализ табл. 1 показывает, чем выше уровень развития промышленной инфраструктуры в регионе, тем многократнее усиливается процесс воздействия. Причем, как правило, интегральное воздействие характеризуется нелинейными эффектами.
Используя данные табл. 1, появляется возможность проводить качественную оценку экологической ситуации того или иного промышленного региона в целом, исходя из существующей структуры экономики, а также принимать обоснованные решения о перспективах развития хозяйственной деятельности или приостановке, или реконструкции отдельных ее секторов.
Экологический анализ деятельности горно-металлургического комплекса, который включает горнообогатительные предприятия, металлургические производства, энергетические предприятия, показывает, что основное негативное воздействие на окружающую природную среду связано:
Значе-
ний
(3-12)
1. С пространственно-временной деформацией (удаление почвенного слоя, образование пустотных пространств, размещение отвалов горных пород, шлаков, золы и т.д.) различных элементов природных структур (ландшафты, климат).
2. С загрязнением грунтовых и поверхностных водных экосистем за счет сброса шахтных, карьерных вод и отходов металлургического и обогатительного производства, подогретых вод контура охлаждения энергетических предприятий.
3. С загрязнением территорий (леса, почвы, водоемы), значительно удаленных от промышленных зон за счет отмосферно-го переноса и последующего выпадения вредных веществ (газы, пыль, включая тяжелые металлы), в результате выброса пыли и газов металлургическими производствами и тепловыми электростанциями, раю-боты карьерного автотранспорта и применения взрывных веществ на подземных и открытых работах.
Следующий этап - количественная оценка состояния окружающей среды региона связана с выделением зон деградации экосистем на основе многофакторного анализа конкретных параметров и обстоятельств: привязка конкретных производств к различным типам ландшафтов, их количество и концентрация на ограниченной территории, удаленность друг от друга, особенности биоты региона, геохимическая характеристика геологической провинции, активность биохимической деятельности микроорганизмов, синоптические и климатические особенности региона.
Некоторое пояснение сказанному можно дать на конкретных примерах.
Для Северных регионов набор наиболее «опасных» для природной среды секторов эхономики менее разнообразен, чем в средних широтах. Поэтому в целом экологическая ситуация здесь должна быть благоприятной. Это с полной достоверностью подтверждается высоким качеством природной • среды в Северной Лапландии (Финляндия) , где практически отсутствуют крупные производства. Аналогичная ситуация наблюдается в провинции Финнмарка (Норвегия), которая характеризуется низким уровнем развития промышленности. Кольский полуостров, как известно, является наиболее развитым индустриальным цент-
ром в Заполярье, поэтому здесь наблюдается ухудшение общей экологической ситуации. Однако нельзя утверждать, что ее экосистемы находятся в критическом состоянии. Сегодня можно говорить о кризисных явлениях отдельных территорий, вблизи (30-40 км) крупныхэ источников химического загрязнения окружающей природной среды.
В связи с тем, что северным экосистемам свойственна слабая способность к самоочищению от загрязнений в силу низких температур и короткого периода биохимической активности деятельности микроорганизмов, критические нагрузки здесь должны быть значительно ниже, чем в средней полосе. Кроме того наличие ценных сортов лесов - хвойных древостоев, которые весьма чувствительны к загрязнениям, также повышают требования к качеству среды, а следовательно к уменьшению антропогенной нагрузки.
Немаловажным фактором, влияющим на состояние экосистем, оказывает наличие коренных горных пород с различной буферной емкостью. Щелочные породы Хибинского и Ловозерского горных массивов, обогащенные содовой минерализацией, значительно повышают буферную емкость экосистем этогорайона. Как следствие - отсутствие закисленных озер [31.
Наличие приземных инверсий, характерных для северных территорий препятствуют выносу загрязняющих веществ, значительно увеличивая вероятность их выпадения на локальных территориях.
Анализ способствующих и препятствующих факторов, влияющих на состояние экосистем показал, что сегодня нет полного осмысления устойчивого развития сложных нелинейных процессов в энергетических открытых функциях, биологических и социальных системах, необходимо новое объяснение многообразия окружающего нас мира, исходя из накопленных знаний.
Вместе с тем, следует отметить, что в определенной мере деградационные процессы в природе оправданы с позиций отбраковки тупиковых ветвей эволюции. Однако эта мера должна быть строго дозирована. Для этого нужны жесткие нормативы, которые бы позволили осуществлять управляющие функции природопользования.
Следуя этому тезису, проблема сводится к разработке научных основ экологической оптимизации природопользования, позволяющих адаптировать хозяйственную деятельность к условиям биосферы.
Для достижения этой цели необходимо:
• изучить закономерности структур-но-функционильной организации биосферы как единства образующих ее экологических и природохозяйственных систем в условиях воздействия техногенного (антропогенного) и природного фактора;
• оценить и спрогнозировать возможные изменения экологических и природно-хозяйственных систем при различных сценариях природопользования;
• оптимизировать природопользование путем управления уровнем техногенного воздействия промышленных выбросов на среду обитания при одновременном развитии технологии рекуперации отходов потребления.
Последнее направление - промышленная экология - это наука о формировании экологически чистого производства. Это направление невозможно без создания безотходных технологий - идеальной организации производства, при котором отходы или минимизированы, или полностью перерабатываются. В таких технологиях осуществляются замкнутые материальные и энергетические потоки не соприкасающиеся с окружающей средой.
Очевидно, что понятие «экологически чистое производство» условно. Полностью избавиться от отходов и избежать влияния производства на окружающую природную среду технически возможно, но в большинстве случаев экономически нецелесообразно. Задачи науки и техники - свести эти затраты к минимуму.
В первую очередь необходимо добиться исключения или уменьшения промышленных выбросов на тех производствах, где экономически нецелесообразно и технически сложнореализовать экологически чистые технологии. Это определеяет необходимость совершенствования производств очистки промышленных выбросов. Здесь перспективным может быть применение
адсорбентов как материалов способных минимизировать уровень энергетических ж материальных затрат. И, вторая задача, -разработать технологии иммобилизации отходов и энергии путем размещения их в соответствующей форме в природную среду, исключающей взаимодействие с ней, и получение новых экологически опасных компонентов - источника вторичного загрязнения.
Возникает вопрос. Возможно ли в принципе самовосстановление северной природы и при каких условиях.
Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Однако при снижении выбросов в атмосферу и сбросов и водоемы до уровня критических нагрузок реальна остановка процесса деградации экосистем. В этом случае появляются благоприятные перспективы для постепенного восстановления природной среды. Однако попрогнозам биологов трудно ожидать достижения уровня первозданного состояния экосистемы.
Для самоочищения вод от тяжелых металлов потребуется 2-3 года. Для естественного захоронения их в донных отложениях необходимо около 10 лет. Восстановление ихтиофауны в уменьшенном видовом составе произойдет через 15-20 лет, так как необходима 2-3-х разовая смена нерестового стада. После сокращения выбросов в атмосферу и самоочищения почв частичное восстановление лесной растительности произойдет за счет лиственных пород. Для восстановления средообразующих и климатозащитных функций притундровых лесов потребуется мелиорирование и искусственное лесовосстановление.
Принимая во внимание все факты, перечисленные выше, и исходя из 70-летнего опыта индустриализации Кольского региона, можно постулировать 5 основных принципов рационального использования арктических природных ресурсов ( рис. 12)
[4]: 1
1. Ограничение хозяйственной деятельности экологическим императивом;
2. Введение дифференцированных эко-
логических нормативов для природополь-зователей; 1
3. Сохранение ненарушенных территорий;
4. Минимизация некоренного населения;
5. Развитие безотходных экологически безвредных энергоисточников.
1 - I .... д_. _________________________ »
1. Крючков В.В., Макарова Т.Д. Аэротехногенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты, изд. КЦН АН СССР, 1989, 96 с.
2. Мельник Л.Г., Шимадзу Я. и др. В экологическом измерении. Жёурнал Энергия N
3. Т.Moiseenko. The Ecology - Toxicologic Criteria for the Water Quality of the Kola North Lakes. Conference of Environmental Metrics. Helsinki, Finland, 1992, pp. 134-135.
4. G.Kalabin. Wisdom Utilization of Natural Resources of Northern Regions: principles and limitation with ecological imperative consideration. International Trade Fair Congress, Cologne, Gemany, 1991, pp. 167-169.
© Г.В.Калабин
............
ДЕПОНИРОВАННЫЕ РУКОПИСИ
О И.А.Занина, Б. Д. Сусленное "Экологизация процессов горного произовдства при утилизации техногенных ресурсов". 3 с.
О И.А.Занина "О возможности биоутилизации анбрацита". 8 с.
О Д.А.Боярский, И.А.Занина, Т.В.Михина, А.В.Похлебкин ".Натуральные исследования
биоконвертирувания углеотходов". 4 с.
О И. А. Алексеев "Метод учета гранулометрического состава рудной массы в
компьютерных моделях выпуска руды". 6 с.
О А. Е. Воробьев, Т.В.Чекушина ".Внутренние факторы электрохимического выщелачивания
металлов". 9 с.
О В.А.Карпов "Анализ влияния функционирования горно-обогатительных комбинатов на
окружающую среду". 18 с.
О В.А.Карпов "Методика определения платежей за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу с учетом показателя удельных предельно допустимых выбросов". 12 с.
О Коллектив авторов: Лурий В.Г., Евтушенко А.Е., Михеев О.В., Коваль В.Т., Кудрин Б.И., Иващнев Л.И., Марышева И.О., Терентьев Ю.И., Тукарев И.В., Михеев И.О., Лагуткин О.Е., Кучина Т.В., Миронова Н.Б., Соломатина Л.Н., Ковалева М.М., Тюрин \ С.А., Севастьянов А.В., Лурий О.В., Желнин П.И., Малышева М.Ю. "Оптимизация технологической системы отраслевого производственно-территориального комплекса при реструктуризации отрасли в условиях рыночных отношений".
О А.Е.Воробьев, Т.В.Чекушина "Внешние факторы электрохимического выщелачивания металлов". 8 с.
О А.Е.Воробьев, В.К.Бубнов, Т.В.Чекушина "Минерально-сырьевые ресурсы северо-кавказского региона". 13 с.
О М.Ю.Малышева "Анализ факторов, определяющих эффективность выемки угля и прогноз показателей эффективности технологии выемки угля". 42 с.
О Н.В.Ампилогова "Разделение упругой, вязкой и пластической составляющих деформации резинотканевых конвейерных лент". 7 с.
О В.И.Шелоганов "Расчет характеристик внешних сетей насосно-гидромониторных и гидротранспортных установок". 5 с.
О В.И.Шелоганов, Г.В.Павленко "Расчет параметров регулирования режимов работы гидротранспортных установок". 5 с.
О Н.С.Бегеза "Алгоритм формирования рациональных вариантов и полимерного обоснования прогрессивных технологических схем угольных шахт". 5 с.
,vwvvvyy>vvvvvyvvvvvtvvvyvvvvvvvvvvvvvvvw»>vvyvnivvvtvvv^wirrtvvwvvyvwwiwvv\vvv»vvw*yvvv>wryiiwirrvwyvvvv>w^
!
