Загрязнение почв кислотными осадками

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное заведение

высшего профессионального  образования

‹‹Тамбовский государственный технический университет››

 

 

 

 

Кафедра:‹‹Природопользование и защита

 окружающей среды››

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине ‹‹Экология››

на тему ‹‹Загрязнение почв кислотными осадками››

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. БТЭ-11

                                                                                                                                          Барсуков А.А. 

                                                                                                           Проверил: Беляева Н.П.   

 

 

 

 

 

 

 

Тамбов, 2013

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………3         1 Образование кислотных осадков…………………………………………………………………..4

1. Как попадают соединения серы и азота в атмосферу…………………………………………...5
2. Поступление серы в почву из атмосферы………………………………………………………..8
3. Поступление азота и его соединений в почву из атмосферы…………………………………..10
2. Влияние кислых осадков на почву……………………………………………………………….13
1. Трансформации почвы и растительности под действием кислотных осадков  ………………15
2. Оценка экологических нагрузок на почву через атмосферу……………………………………16
3. Снижение негативного влияния кислотных осадков…………………………………………....18  
1. Технологические изменения……………………………………………………………………....19
2. Известкование ……………………………………………………………………………………..21                           

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………………...22             

Список используемой литературы…………………………………………………………………….24

 

                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит  в аккумулировании органического  вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это  звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому  чрезвычайно важно изучение глобального  биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и  изменения под влиянием антропогенной  деятельности. Одним из видов антропогенного воздействия является загрязнение  почвы кислотными осадками.

Районы кислых почв не знают  засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие. Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод  и верхних горизонтов почв. Кислотность  с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых  вод. Кислотные дожди возникают  в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств окислов  серы, азота, углерода. Эти окислы, поступая в атмосферу переносятся на большие  расстояния, взаимодействуют с водой  и превращаются в растворы смеси  сернистой, серной, азотистой, азотной  и угольной кислот, которые выпадают в виде "кислых дождей" на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами. Главными источниками в атмосфере  является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу оксиси серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.

 

 

 

 

 

 

 

1 Образование кислотных осадков

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных  осадков (дождь, снег, туман, роса) с  кислотностью выше нормы. Кислотность  водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией  этих ионов в одном литре раствора с (Н+) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН- и характеризуется  их концентрацией с(ОН-). Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и  гидроксильных ионов - величина постоянная, равная с(Н+)с(ОН-) = 10-14, другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к  снижению щелочности, и наоборот. Раствор  является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов  одинаковы и равны (каждая) 10-7 моль/л. Такое состояние характерно для  химически чистой воды. Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется  условие: 10-7 с(Н+) 100, для щелочных сред: 10-14 с(Н+) 10-7. На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем  рН, представляющим собой отрицательный  десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов: рН = -lgc(Н+). Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10- 5 моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует  десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в  среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно. В кислых растворах рН < 7, и чем  меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора. Шкала  кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая  кислотность) через рН = 7 (нейтральная  среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей  тем не менее имеет слабокислую  реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней  легко растворяется углекислый газ  с образованием слабой угольной кислоты: СО2+H20=H2CO3 Для определения показателя кислотности используют различные  рН-метры, в частности дорогостоящие  электронные приборы. Простым способом определения характера среды  является применение индикаторов - химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы - фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты  и черной смородины. Достаточно точно  показатель кислотности рН измеряется с помощью индикаторной бумаги, содержащей кислотореагирующие пигменты.

 

 

1. Как попадают соединения серы и азота в атмосферу

Главные кислотообразующие  выбросы в атмосферу - диоксид  серы SО2 (сернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота N02 (монооксид, или оксид азота N0, диоксид азота NО2 и др.). Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м3 (Арктика) - 1,28 мкг/м3 (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО2, равного 15 мкг/м3. Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает его естественное поступление и составляет в год около 100 млн т (для сравнения: природные выбросы SО2 в год равны примерно 20 млн т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России - менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5-6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (-50%). При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы), в 4-5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута. Анализ техногенных источников выбросов сернистого газа в атмосферу показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой в первую очередь для них и их ближайших соседей. Круговорот серы представлен на рисунке 1.

Рисунок 1

 Данные мониторинга  воздушной атмосферы свидетельствуют  об увеличении в последние  годы доли выбросов азотных  соединений и закисление атмосферных  осадков. Содержанию оксидов азота  в атмосфере стали уделять  внимание лишь после обнаружения  озоновых дыр в связи с открытием  азотного цикла разрушения озона.  Природные поступления в атмосферу  оксидов азота связаны главным  образом с электрическими разрядами,  при которых образуется N0, впоследствии - NО2. Значительная часть оксидов  азота природного происхождения  перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический  круговорот. Для экологически благополучных  районов России естественная  фоновая концентрация оксидов  азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) - 1,23 мкг/м3 (средние широты), что существенно  ниже ПДК, равной 40 мкг/м3. Оксиды  азота техногенного происхождения  образуются при сгорании топлива,  особенно если температура превышает  1000 "С. При высоких температурах  часть молекулярного азота окисляется  до оксида азота N0, который  в воздухе немедленно вступает  в реакцию с кислородом, образуя  диоксид N02 и тетраоксид диазота  N2О4. Первоначально образующийся  оксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота  в атмосферу, однако в воздухе  значительная часть оксида азота  превращается в диоксид - гораздо  более опасное соединение. При  высокотемпературном сгорании органического  природного топлива происходят  реакции двух типов: между кислородом  воздуха и азотом, содержащимся  в топливе (в угле содержание  азота составляет в среднем  около 1%, в нефти и газе - 0,2-0,3%), и между кислородом воздуха  и азотом, также содержащимся  в воздухе. Круговорот азота  в атмосфере представлен на  рисунке 2.

Рисунок 2

 Техногенные мировые  выбросы оксидов азота в атмосферу  составляют в год около 70 млн. т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн. т), примерно 30% из них приходится на долю США, 25% - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов - на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно. По некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. В России (см. рис. 2) около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же -на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере - автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Следует отметить наметившуюся в последние годы в России тенденцию снижения выбросов загрязняющих веществ, в том числе оксидов серы и азота, промышленными предприятиями. К сожалению, это определяется не природоохранными мероприятиями и не усилением экологического контроля. Основная причина - спад производства. Расхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенного продукта. Как показывает анализ, спад производства был неравномерен в различных отраслях хозяйства: наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др.), а наибольшим - в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная отрасль промышленности и др.), при этом выбросы автотранспорта возросли, а в крупных городах - очень значительно. Отметим еще два - экономических - аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России, в том числе и связанную с кислотными осадками. К началу спада производства в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного оборудования был запредельным. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств и на текущие затраты. В этих критических условиях предприятие экономит на всем и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях. В этих условиях даже сократившийся поток загрязнений превосходит ассимиляционный потенциал соответствующих экосистем, т. е. является для них заведомо чрезмерным.

1.2 Поступление серы в  почву из атмосферы

Эмиссия значительных количеств соединений серы существенно  повышает естественные уровни концентрации элемента вблизи источников выброса. В  урбанизированной зоне содержание соединений серы в атмосферном воздухе обусловливается  антропогенными эмиссиями. В индустриально - региональной зоне антропогенный  вклад существенно превышает  воздействие природных источников, а в геохимически чистой превалирует  природный фактор. Установлено, что  в индустриальных регионах до 60% почвенной  кислотности определяется образованием в атмосфере серной кислоты. Биогеохимические циклы природной серы связаны  с уровнями её содержания в породах, почвах, живых организмах. Содержание серы в осадочных породах выше, чем изверженных. Наиболее богаты серой глины, несколько меньше ее в карбонатных породах, еще меньше в песчаниках. Среди изверженных магматических пород высокое содержание серы отмечается в интрузиях к которым приурочены сульфидные руды. Сера в почвах представлена органическими и неорганическими соединениями соотношение которых зависит от типа почвы и от глубины залегания генетического горизонта. Наиболее доступная растениям сульфатная форма составляет не более 10-25 % от общего содержания. Основные поступления серы в почву происходят с пылью и кислыми дождями, причем с пылевой фракцией серы поступает в десятки раз больше, чем с кислыми дождями. На почвы кислые осадки оказывают наиболее ощутимое отрицательное воздействие северных и тропических районах. В первом случае это связано с тем, что подкисляются и без того кислые (подзолистые и их разновидности) почвы. Эти почвы, как правило, не содержат природных соединений, нейтрализующих кислотность (карбонат кальция, доломит и др.) Тропические почвы хотя и имеют нейтральную и щелочную реакцию но также не содержат веществ - нейтрализаторов кислотности в силу интенсивного и постоянного промывания дождями. Поступающий с осадками сульфат - ион SO^2-₄ поглощается живыми организмами, а при избытке анионов - может поглощаться путем хемосорбции на оксидах Fe и AL, при этом выделяется OH^-, нейтрализирующий H⁺:     

2FeOOH+SO^2-₄->(FeO)₂SO4+2OH^-

 
Потери серы из почвы происходят за счет микробиологического  восстановления сульфатов до летучих  газообразных соединений типа сероводорода, дисульфата углерода. Реакции окисления  восстановленных соединений серы протекают  в почвах достаточно быстро при доступе  атмосферного воздуха. Сульфиды и элементная сера постепенно окисляются даже кислородом воздуха; в аэробных условиях в окислении  принимают участие различные  группы тионовых и серобактерий. Элементная сера появляется в почвах как промежуточный  продукт окисления сульфидов  железа или вносится с химическими  загрязняющими веществами. Окисление  серы в почвах протекает ступенчато, причем конечным продуктом является серная кислота или сульфаты: 
S->S₂O^2-₃->S₄O^2-₆->SO^2-₃->SO^2-₄ 
Окисление пирита кислородом воздуха также приводит к накоплению серной кислоты: 
2FeS₂+2H₂O+7O₂->2FeSO₄+2H₂SO₄ 
С помощью бактерий сульфат железа (II) окисляется до Fe₂(SO₄)₃; 
4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄->2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O