Круговорот кислорода

Кислород, самый распространенный элемент, без которого не­возможна жизнь на Земле. Он составляет 47,2% от массы земной ко­ры в виде оксидов металлов и неметаллов. Его содержание в возду­хе составляет 20,95% по объему или 1,2∙10⁵ т. В воде морей и океанов растворено от 2,7 до 10,9 млн. м³ кислорода.

Единственный процесс, который приводит к продуцированию кислорода - это фотосинтез его растениями-продуцентами (≈ 3∙10¹¹ т/год). Однако расход О₂ на техногенную деятельность человека очень велик: на сжигание топлива используют до 15 млрд. т, на окисление металлов - 135 млн. т. При увеличении сжигания топлива на 5% ежегодно через 150 - 200 лет содержание свободного кисло­рода может снизиться до критического для живых организмов преде­ла.

Очень важное значение для всего живого на Земле имеет озон- аллотропное видоизменение кислорода (О₃). Благодаря существованию на высоте 12-14 км озонового слоя к поверхности Земли не проникают губительные для жизни организмов ультрафиолетовые лучи. Они поглощаются озоновым слоем;

При промышленных выбросах в атмосферу оксидов азота и хлорфторуглеродов, которые катализируют реакцию разрушения озона

О^- + О₃ = 2О₂,

скорость ее резко возрастает и концентрация озона уменьшается, таким образом уменьшается и защитный слой озона в стратосфере.

Информацию о толщине (концентрации) этого слоя можно получить, используя спектральные методы. При этом используют зависимость интенсивности почернений линий спектра от концентрации озона, которая выражается эмпирической формулой Ломакина-Шейбе:

I = а∙С^в,

где а и в - коэффициенты, не зависящие от концентрации С.

Это линейная зависимость в координатах ln I = f (lnС):

ln I = lnа + в∙lnС.

В простейшем случае в = 1 и тогда I = а∙С.

Для этого строим калибровочную кривую, используя искусствен­но приготовленные пробы с различной концентрацией озона (макси­мальная концентрация О₃ в стратосфере составляет ~ 0,5 ррm - 0,5 объема О₃ на миллион). Принимая максимальную степень почернения линий характеристического спектра за 100%, строим калибровочный график по данным спектрального анализа проб.

I,%....0 20 40 60 80 100

С,ррm... 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Снимая спектр озона в стратосфере, можно судить о состоянии озонового слоя и о прохождении ультрафиолетовых лучей к поверх­ности Земли. Например: обработка фотоснимка показала, что интенсивность почернений линий спектра равна 50%. Это, согласно калибровочному графику, указывает на уменьшение концентрации озо на в два раза и, соответственно, такой слой уже пропускает ультрафиолетовые лучи.

Большое значение, как лимитирующий факторводной экосистемы, имеет концентрация растворенного в воде кислорода. При ее уменьшении останавливается развитие или прекращают свое существование популяции, живущие в этой экосистеме. Информацию о ка­честве воды дают такие общепринятые параметры:

БПКполн - биологическая потребность вкислороде;

ХПК - химическое потребление кислорода;

СА - суммарное содержание азота.

Это значит, что если в водную экосистему произошел сброс стоков с биологически или химически активными веществами, потребляющими кислород, то в ней уменьшится концентрация кислорода. В зависи­мости от состояния водной экосистемы существует допустимый сброс загрязняющих веществ, не приводящий к гибели водных популяций, на которые предприятия платят штраф на проведение мероприятий по его очистке. При превышении предельно допустимого сброса оплата (штраф) существенно увеличивается.

Например: сыроваренный завод сбрасывает сточные воды в количестве 400 м³/сутки с предельно допустимым БПК_Полн = 40 мг/л. Норматив платежей за сброс 1 т загрязняющего вещества, не превышающий предель­но допустимый сброс, составляет 146 р., за превышение предельно допустимого сброса - 774 р./т. Определить платежи предприятия за квартал, если в этот период из-за неработающей системы очистки БПКполн составлял 100 мг/л.

Расчет ущерба окружающей среде проводится по формуле:

У =m₁∙n∙С_ПДС + m₂∙n∙Сппс,

где У - экологический ущерб (штраф предприятия), р.;

m₁ - масса загрязняющего вещества при предельно допустимом сбросе (НДС), т;

m₂ - масса загрязняющего вещества при превышении предельно допустимого сброса (ППС), т;

n - количество дней работы завода;

Сндс - нормативные платежи за 1т загрязненийпри НДС;

Сппс - нормативные платежи за 1т загрязнений при ППС.

При попадании в водную экосистему нитратови нитритоврезко возрастает численность и рост сине-зеленых водорослей. При уве­личении расхода кислорода на их аэробное дыхание уменьшается ко­личество растворенного кислорода, необходимого дляразвития дру­гих популяций экосистемы. Плата за сброс таких сточных вод определяется так же, как и в предыдущем примере. Нормативы платежей представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Нормативы платежей за сброс загрязняющих веществ в водные объекты