Основные понятия экологии

Закон максимума биогенной энергии (закон В.И. Вернадского - Э.С. Бауэра):

Любая биологическая и «бионесовершенная» система с биотой, которая находится в состоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

В процессе эволюции видов, твердит  Вернадский, выживают те, которые увеличивают  биогенную геохимическую энергию. По мнению Бауэра, живые системы никогда не находятся в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, которого требуют законы физики и хими за существующих внешних условий.

Вместе с другими фундаментальными положениями закон максимума биогенной энергии служит основой разработки стратегии природопользования.

Закон минимума (сформулированный Ю. Либихом):

Стойкость организма определяется самым слабым звеном в цепи ее экологических  потребностей. Если количество и качество экологических факторов близкие к необходимому организму минимума, он выживает, если меньшие за этот минимум, организм гибнет, экосистема разрушается.

Поэтому во время прогнозирования  экологических условий или выполнение экспертиз очень важно определить слабое звено в жизни организмов.

Закон ограниченности естественных ресурсов:

Все естественные ресурсы  в условиях Земли исчерпаемые. Планета  есть естественно ограниченным телом, и на ней не могут существовать бесконечные составные части.

Закон однонаправленности потока энергии:

Энергия, которую получает экосистема и которая усваивается  продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне в результате процессов, которые сопровождают дыхание. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) попадает очень мало начальной энергии (не большее 0,25%), термин «кругооборот энергии» есть довольно условным

Закон оптимальности:

Никакая система не может  суживаться или расширяться к  бесконечности. Никакой целостный  организм не может превысить определенные критические размеры, которые обеспечивают поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования.

В природопользовании закон  оптимальности помогает найти оптимальные  с точки зрения производительности размеры для участков полей, выращиваемых животных, растений. Игнорирование закона -- создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками и т.п. -- привело к неприродной однообразности на больших территориях и вызвало нарушение в функционировании экосистем, экологические кризы.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеманом):

С одного трофического уровня экологической пирамиды на другого  переходит в среднем не более 10 % энергии.

По этому закону можно  выполнять расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения население продовольствием и другими ресурсами.

Закон равнозначности условий  жизни:

Все естественные условия  среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли. Из него вытекает другой закон-совокупного действия экологических факторов. Этот закон часто игнорируется, хотя имеет большое значение.

Закон развития окружающей среды:

Любая естественная система  развивается лишь за счет использования  материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно -- это вывод из законов термодинамики.

Очень важными являются следствия закона.

1. Абсолютно безотходное  производство невозможное.

2. Любая более высокоорганизованная  биотическая система в своем развитии есть потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождение жизни -- оно будет уничтожено уже существующими организмами

3. Биосфера Земли, как  система, развивается за счет  внутренних и космических ресурсов.

Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании: в процессе получения из естественных систем полезной продукции с течением времени (в  историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все  больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека). Так, ныне затраты энергии на одного человека за сутки почти в 60 раз большие, чем во времена наших далеких предков (несколько тысяч лет тому). Увеличение энергетических затрат не может происходить бесконечно, его можно и следует рассчитывать, планируя свои отношения с природой с целью их гармонизации.

Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха-Тинемана-Бауле):

Объем урожая зависит  не от отдельного, пусть даже лимитирующего  фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно. Частицу каждого фактора в совокупном действии ныне можно подсчитать. Закон имеет силу при определенных условиях - если влияние монотонное и максимально обнаруживается каждый фактор при неизменности других в той совокупности, которая рассматривается.

Закон толерантности (закон  Шелфорда):

Лимитирующим фактором процветания организма может  быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между  которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Соответственно закону любой излишек вещества или энергии в экосистеме становится его врагом, загрязнителем.

Закон грунтоистощения (уменьшение плодородия):

Постепенное снижение естественного  плодородия почв происходит из-за продолжительного их использования и нарушения естественных процессов почвообразования, а также вследствие продолжительного выращивания монокультур (в результате накопления токсичных веществ, которые выделяются растениями, остатков пестицидов и минеральных удобрений).

Закон физико-химического  единства живого вещества (сформулированный В. Вернадским):

Все живое вещество Земли  имеет единую физико-химическую природу. Из этого явствует, что вредное  для одной части живого вещества вредит и другой его части, только, конечно, разной мерой. Разность состоит лишь в стойкости видов к действию того ли другого агента. Кроме того, через наличие в любой популяции более или менее стойких к физико-химическому влиянию видов скорость отбора за выносливостью популяций к вредному агенту прямо пропорциональная скорости размножения организмов и дежурство поколений. Через это продолжительное употребление пестицидов экологически недопустимое, так как вредители, которые размножаются значительно более быстро, более быстро приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится все более увеличивать.

Закон экологической  корреляции:

В экосистеме, как и  в любой другой системе, все виды живого вещества и абиотические экологические  компоненты функционально отвечают один другому. Выпадание одной части системы (вида) неминуемо приводит к выключению связанных с нею других частей экосистемы и функциональных изменений.

Научной общественности широко известны также четыре закона экологии американского ученого  Б. Коммонера:

1) все связанное со всем;

2) все должно куда-то  деваться;

3) природа «знает»  лучше; 

4) ничто не проходится  напрасно (за все надо платить).

Как отмечает М. Реймерс, первый закон Б. Коммонера близкий  по смыслу к закону внутреннего динамического  равновесия, второй -- к этому же закону и закону развития естественной системы за счет окружающей среды, третий -- предостерегает нас от самоуверенности, четвертый -- снова затрагивает проблемы, которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константности и развития естественной системы. По четвертому закону Б. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем у нее, иначе катастрофа с течением времени неминуемая.

Следует вспомнить также  важные экологические законы, сформулированные в работах известного американского эколога Д. Чираса в 1991--1993 гг. Он подчеркивает, что Природа существует вечно (с точки зрения человека) и сопротивляется деградации благодаря действию четырех экологических законов: 1) рецикличности или повторного многоразового использования важнейших веществ; 2) постоянного восстановления ресурсов; 3) консервативного потребления (если живые существа потребляют лишь то (и в таком количестве), что им необходимо, не больше и не меньше); 4) популяционного контроля (природа не допускает «взрывного» роста популяций, регулируя количественный состав того ли другого вида путем создания соответствующих условий для его существования и размножения). Важнейшей задачей экологии Д. Чирас считает изучение структуры и функций экосистем, их уравновешенности, или неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансирования экосистем.

Таким образом, круг задач  современной экологии очень широкий  и охватывает практически все  вопросы, которые затрагивают взаимоотношения  человеческого общества и естественной среды, а также проблемы гармонизации этих отношений. Из сугубо биологической науки, которой была экология всего каких-то 30 - 40 лет тому, сегодня она стала многогранной комплексной наукой, главной целью которой есть разработка научных основ спасения человечества и среды его существование -- биосферы планеты, рационального природопользования и охраны природы. Ныне экологическим воспитанием охватываются все слои населения на планете. Познание законов гармонизации, красоты и рациональность природы поможет человечеству найти верные пути выхода из экологического кризиса. Изменяя и в дальнейшем естественные условия (общество не может жить иначе), люди будут вынуждены делать это обдуманно, взвешенно, предусматривая далекую перспективу и опираясь на знание основных экологических законов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Химические методы очистки сточных вод.

Реалии сегодняшнего времени таковы, что уже ни для  кого не является неожиданной новостью ухудшение экологической ситуации не только в нашей стране, но практически  и во всем мире. Трудно даже представить себе, что когда-то человек употреблял воду для питья непосредственно из открытых водоемов. Сегодня на такой рискованный шаг вряд ли кто-нибудь решиться. Во многом это связано с тем, что в водоемы попадают загрязненные сточные воды, которые не проходили очистку. Да что там говорить об открытых водоемах, если даже в большинстве случаев водопроводную воду употреблять бывает опасно для здоровья. Даже для технического использования водопроводную воду предварительно необходимо очищать. Для этой цели разработано множество способов водоочистки очистки сточных вод.

Способов очистки сточных вод на данный момент разработано несколько видов – это механические, биологические и химические способы очистки сточных вод. Кроме того, очистка производственных сточных вод производится физико-химическим и химическим способами, из которых чаще всего применяют нейтрализацию и окисление.

Химические методы связаны  с расходом различных реагентов  и потому достаточно дороги. Их применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. С помощью химической очистки наиболее часто удаляют ионы тяжелых металлов.

К основным методам химической очистки относят нейтрализацию и окисление.

Нейтрализация - обработка воды щелочами или кислотами, известью, содой, аммиаком и т.п. с целью обеспечения заданной величины водородного показателя рН. Применяется во многих отраслях промышленности. Самый простой возможный способ нейтрализации сточных вод - смешение кислых и щелочных стоков на предприятии. На практике также применяются такие способы, как нейтрализация сточных вод реагентами (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, аммиак и др.), а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, доломит, магнезит, мел и др.). Наиболее дешевым и доступным реагентом является Са (ОН)₂.

Окисление - метод очистки стоков, основанный на применении различных окислителей: газообразного и сжиженного хлора, диоксида хлора, гипохлората кальция и натрия, хлорной извести, кислорода воздуха и технического кислорода. 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 машиностроении и приборостроении, стоки производств свинцово-цинковых и медных руд в горнодобывающей промышленности, стоки цехов варки целлюлозы в целлюлозобумажной промышленности и т.д.

В процессе окисления  токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций становятся менее  токсичными и затем удаляются  из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только тогда, когда загрязняющие вещества, например цианиды, растворенные соединения мышьяка и др., нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами.

Окисление активным хлором - один из наиболее распространенных способов очистки стоков от ядовитых цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана (рис.1). Окисление цианидов активным хлором до цианатов происходит за счет атомарного кислорода по схеме:

СN ^- +ОСl^- → СNО^- + Сl^- (2.4)

Образовавшиеся цианаты  легко гидрализуются до карбонатов:

СNО^- + 2 Н₂О → СО₃^2- + N Н₄⁺ (2.5 )

Товарный хлорат кальция  содержит до 33% «активного» хлора, а  гипохлорит кальция - до 60%.

Рис.1. Схема установки для очистки сточных вод активным хлором: 
1 - баллон с хлором, 2 - фильтр, 3 - редуктор, 4 - ротаметр, 5 и 6 - манометры,

7 - предохранительный  клапан, 8 - смеситель, 9 - эжектор, 10 - контактный аппарат.

Окисление кислородом воздуха наиболее часто используют для очистки воды от двухвалентного железа путем аэрирования воздуха через сточную воду. Реакция протекает по схеме:

4 Fe²⁺ + О₂ + 2 Н₂ О = 4 Fe^{3 +} + 4 ОН^- ,

Fe^{3 +} +3 Н₂О = Fe (ОН)₃ + 3 Н⁺ (2.6)

Образовавшийся гидроксид  железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Озонирование основано на высокой окислительной способности озона, который при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. При этом одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом (рис. 2).

Длительность процесса очистки сточных вод значительно  сокращается при совместном использовании  ультразвука и озона или ультрафиолетового облучения и озона.