1. Цель работы

· освоить методику определения уровня экологической опасности морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

· приобрести практические навыки выполнения расчётов с определением уровня экологической опасности морской среды;

· рассчитать концентрации соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов в морской среде;

· выполнить санитарно-гигиеническую оценку морской среды при загрязнении её соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами, углеводородами;

· разработать технические предложения по снижению уровня экологической опасности морской среды в процессе её загрязнения соединениями тяжёлых металлов, нефтепродуктами при эксплуатации судов.

2. Теоретическая часть работы

Основными загрязнителями морской среды являются соединения тяжёлых металлов и нефтепродукты.

В качестве соединений тяжёлых металлов, растворимых в морской воде, рассматриваются такие соединения, как:

· мышьяк (М);

· ртуть (РТ);

· свинец (СВ).

В качестве нефтепродуктов рассматриваются:

· углеводороды (УВ);

· бензол (Б);

· толуол (Т).

Ионы тяжёлых металлов, поступающие за счёт коррозии металлических корпусов судов, а также коррозии затонувших судов, их фрагментов, орудий и боеприпасов, металлических трубопроводных коммуникаций, арматуры, в морскую среду, ухудшают качество этой воды, которая становится непригодной для разведения морепродуктов, рекреационных целей [1-4].

Соединения тяжёлых металлов, поступающие в организм человека по "пищевой цепочке", ингибируют процессы, происходящие в коре головного мозга, в спинном мозге и кровеносной системе.

Результатом этого влияния на человека соединений тяжёлых металлов являются такие осложнения, как лейкемия крови, проявляются тенденции к мутагенным и терратогенным последствиям [3, 4].

Борьба с угрозой глобального экологического кризиса стала международной проблемой. Решить ее в рамках отдельных стран невозможно. Предпринятые некоторыми государствами меры по охране природы не будут эффективными, если другие их не поддержат. В настоящее время эта проблема стала мировой и обусловлена следующими факторами:

*сброс промышленных и хозяйственных вод без очистки непосредственно в море или с речным стоком;.

*ядохимикаты, используемые в сельском и лесном хозяйствах, в частности наиболее вредный, токсичный ДДТ;

*балластные воды и перенос бактерий, биопланктона, морская инвазия;

*аварийные выбросы и сбросы со скважин, буровых или подводных трубопроводов при разведке, добычи, транспортировки нефти, попутного и природного газа, конденсата;

*разработка полезных ископаемых на морском дне;

*перенос вредных веществ в атмосферу, гидросферу и почву.

Экологическая обстановка стала заметно ухудшаться в 60-70 годах XX столетия.

К основным источникам антропогенного воздействия на экологию Черного моря относятся [3]:

1)сток рек с содержащимися в них различных вредных, токсичных веществ;

2) сельское хозяйство (удобрения, пестициды, инсектициды);

3) промышленность (соединения тяжёлых металлов, детергенты, нефтепродукты);

4) населенные пункты (сточные воды, патогенные организмы, детергенты, нефтепродукты);

5) атмосферные осадки;

6)речное и морское судоходство;

7) порты;

8) рыбный промысел;

9) добыча минеральных ресурсов;

10) защита берегов;

11) рекреация и туризм.

В процессе эксплуатации судов образуются газообразные, жидкие и твёрдые отходы.

Нефтесодержащие воды. В процессе эксплуатации судовых механизмов образуется особый вид отходов - подсланевые нефтесодержащие воды, которые скапливаются под сланями (льялами) машинных отделений. Основные причины их образования - негерметичность трубопроводов, обшивки корпуса и донной арматуры, разливы нефтепродуктов при ремонте механизмов, топливной и масляной аппаратуры. Количество нефтепродуктов во многом зависит от технического состояния оборудования и от выполнения правил его эксплуатации. Среднесуточное накопление нефтесодержащих вод в основном определяется мощностью главного двигателя.

При попадании в воду нефтепродукты образуют эмульсию. Ее устойчивость повышается, если в таких водах присутствуют эмульгаторы, они препятствуют укрупнению и всплытию частичек нефти. Содержащиеся в морской воде ионы различных металлов и солей также могут способствовать образованию эмульсии. Удалять из воды эмульгированные нефтепродукты гораздо сложнее, чем грубодисперсные. Поэтому по возможности следует исключать факторы, способствующие их образованию.

Сточные воды. При использовании природной, пресной воды для питьевых и хозяйственных нужд на судне накапливаются сточные воды. Сточные воды запрещено сбрасывать в морскую среду, их накапливают в специальных герметичных танках с последующей обработкой и нейтрализацией.

Влияние нефти на морскую среду:

1. нарушается природный кругооборот воды;

2. снижается концентрация растворимого кислорода в морской среде;

3. загрязняется морская поверхность, толща и морское дно.

Существенную роль в ухудшении качества морской, окружающей среды играет загрязнение оболочек Земли нефтепродуктами. Во всем мире при добыче, транспортировании, переработке и использовании нефти теряется 2 % ежегодно добываемой нефти, при этом 7 млн. т. - только при её добыче. Из 50 млн. т. в год потерь нефти на суше теряется 25 млн. т., на морской поверхности - 8 млн. т. и выбрасывается в атмосферу - 17 млн. т. Для сравнения, поступление нефти в океан по разломам земной коры не превышает 0,5 млн. т/год. Одна тонна сырой нефти покрывает тонкой пленкой около 6 км² морской акватории. Длительное воздействие нефти и её продуктов приводит к гибели 1/3 молодых морских организмов, особенно в прибрежной зоне. Морские организмы, аккумулируя соединения тяжёлых металлов и углеводороды, становятся опасными для человека.

В результате использования соединений свинца (тетраэтилсвинец) в качестве антидетонационной присадки к бензинам ежегодно в природную среду поступает свыше 2 млн. т. оксида и диоксида свинца от ДВС. За последние 100 лет концентрация соединений свинца в толще Гренландского ледника возросла в 5 раз, достигнув 2 мг/кг льда. За последние 20 лет концентрация свинца в воде возросла в 10 раз.

Аналогичное положение с ртутью, 8 тыс. т. которой ежегодно поступает в окружающую среду, из них 40 % при выветривании горных пород и 60 % техногенным путем, главным образом за счет отходов целлюлозно-бумажного, содового производства и рассеивания содержащих ртуть пестицидов.

Главная особенность современной экологической обстановки - накопление отходов промышленности и загрязнение окружающей среды. Только небольшое количество (5-15 %) добываемого минерального сырья превращается в полезный продукт, остальное в процессе переработки возвращается природе в виде отходов - газо-парообразных, жидких, твёрдых и энергетических. По ориентировочным данным, в настоящее время в биосферу ежегодно поступает в твердой, жидкой и газообразной фазах до 20-25 млрд. т. бытовых и промышленных отходов. Причем часто в биосферу поступают новые вещества, которые не вовлекаются в природный круговорот и постоянно накапливаются.

Воздействие современного промышленного производства оказывает влияние на тепловой баланс планеты. Одна из причин этого - отток в окружающую среду антропогенной энергии.

В определенных небольших концентрациях соединения тяжёлых металлов необходимы для роста и развития растений. Они выполняют разные физиологичные функции в организмах растений и других живых организмах. Они связываются с определенными белками и образуют много ферментов. Система цитохромов содержит железо. При высоких концентрациях соединения тяжёлых металлов наносят непоправимый урон окружающей среде, биосфере и человеку.

3. Практическая часть работы

Необходимо определить уровень экологической опасности морской среды по истечении одного месяца и одного года при непрерывном поступлении в морскую среду соединений тяжёлых металлов, нефтепродуктов.

Исходные данные принимаются по заданию согласно варианта курсанта (студента) и выдаются ответственным за практические работы преподавателем кафедры судовождения, охраны труда и окружающей среды:

· объём морской среды (V_мс, л (м³));

· интенсивность стока морской воды с соединениями тяжёлых металлов (V_тм, л/с);

· интенсивность стока морской воды с нефтепродуктами (V_нп, л/с);

· концентация соединений тяжёлых металлов и нефтепродуктов в стоке морской среды (С_м, С_рт, С_св, С_ув, С_б, С_т), мг/л.

Расчет

Объём стока с соединениями тяжёлых металлов (V_{тм мес}, м³/мес; V_{тм год}, м³/год) и нефтепродуктов (V_{нп мес}, м³/мес; V_{нп год}, м³/год) через один месяц и один год определяется по формулам:

V_{тм мес} = V_тм * ф_мес = 325 * 720 * 3600 / 1000 = 842400 (1)

V_{тм год} = V_тм * ф_год = 325 * 8760 * 3600 / 1000 = 10249200(2)

V_{нп мес} = V_нп * ф_мес = 325 * 720 * 3600 / 1000 = 842400(3)

V_{нп год} = V_нп * ф_год = 325 * 8760 * 3600 / 1000 = 10249200(4)

где ф_мес - месячный фонд рабочего времени (ф_мес = 24 * 30 = 720 час),

ф_год - годовой фонд рабочего времени (ф_год = 365 * 24 = 8760 час).

Масса тяжёлых металлов (G_{м мес}, G_{рт мес}, G_{св мес}, G_{м год}, G_{рт год}, G_{св год}, тонн/мес) и нефтепродуктов (G_{ув мес}, G_{б мес}, G_{т мес}, G_{ув год}, G_{б год}, G_{т год}, тонн/год), поступающих на протяжении одного месяца и одного года в морскую среду определяется по формулам:

G_{м мес} = С_м * V_{тм мес} = 0,2 * 10^-6 * 842400 = 0,16848 тонн/мес,(5)

G_{рт мес} = С_рт * V_{тм мес} = 0,6 * 10^-6 * 842400 = 0,5254 тонн/мес,(6)

G_{св мес} = С_св * V_{тм мес} = 1,5 * 10^-6 * 842400 = 1,2636 тонн/мес,(7)

G_{ув мес} = С_ув * V_{нп мес} = 0,2 * 10^-6 * 842400 = 0,1684 тонн/мес,(8)

G_{б мес} = С_б * V_{нп мес} = 0,6 * 10^-6 * 842400 = 0,5254 тонн/мес,(9)

G_{т мес} = С_т * V_{нп мес} = 1,5 * 10^-6 * 842400 = 1,2636 тонн/мес, (10)

G_{м год} = С_м * V_{тм год} = 0,2 * 10^-6 *10249200 = 2,0498 тонн/мес, (11)

G_{рт год} = С_рт * V_{тм год} = 0,6 * 10^-6 *10249200 = 6,1495 тонн/мес, (12)

G_{св год} = С_св * V_{тм год} = 1,5 * 10^-6 *10249200 = 15,3738 тонн/мес, (13)

G_{ув год} = С_ув * V_{нп год} = 0,2 * 10^-6 *10249200 = 2,0498 тонн/мес, (14)

G_{б год} = С_б * V_{нп год} = 0,6 * 10^-6 *10249200 = 6,1495 тонн/мес, (15)

G_{т год} = С_т * V_{нп год} = 1,5 * 10^-6 *10249200 = 15,3738 тонн/мес, (16)

Концентрация тяжёлых металлов (С_{м мес}, С_{рт мес}, С_{св мес}, С_{м год}, С_{рт год}, С_{св год}, мг/л) и нефтепродуктов (С_{ув мес}, С_{б мес}, С_{т мес}, С_{ув год}, С_{б год}, С_{т год}, мг/л) в морской среде через один месяц и один год определяется по формулам:

С_{м мес} = G_{м мес} / V_мс = 0,1684 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 0,5616 * 10^-3 мг/л, (17)

С_{рт мес} = G_{рт мес} / V_мс = 0,5254 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 1,6848 * 10^-3 мг/л, (18)

С_{св мес} = G_{св мес} / V_мс = 1,2636 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 4,212 * 10^-3 мг/л, (19)

С_{ув мес} = G_{ув мес} / V_мс = 0,1684 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 1,296 * 10^-3 мг/л, (20)

С_{б мес} = G_{б мес} / V_мс = 0,5254 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 3,888 * 10^-3 мг/л, (21)

С_{т мес} = G_{т мес} / V_мс = 1,2636 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 9,72 * 10^-3 мг/л (22)

С_{м год} = G_{м год} / V_мс = 2,0498 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 6,8328 * 10^-3 мг/л, (23)

С_{рт год} = G_{рт год} / V_мс = 6,1495 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 20,498 * 10^-3 мг/л, (24)

С_{св год} = G_{св год} / V_мс = 15,3738 * 10⁹ / 30 * 10¹⁰ = 51,246 * 10^-3 мг/л, (25)

С_{ув год} = G_{ув год} / V_мс = 2,0498 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 15,768 * 10^-3 мг/л, (26)

С_{б год} = G_{б год} / V_мс = 6,1495 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 47,304 * 10^-3 мг/л, (27)

С_{т год} = G_{т год} / V_мс = 15,3738 * 10⁹ / 13 * 10¹⁰ = 118,26 * 10^-3 мг/л, (28)

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по соединениям тяжёлых металлов) через один месяц и один год определяется по критериальному уравнению:

С_{м мес} ? ПДК_м0,5616 * 10^-3 < 6 * 10^-3 мг/л (29)

С_{рт мес} ? ПДК_рт1,6848 * 10^-3 < 5 * 10^-3 мг/л (30)

С_{св мес} ? ПДК_св4,212 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (31)

Т.к. С_{тм мес} < ПДК_тм - морская среда безопасна

С_{м год} ? ПДК_м6,8328 * 10^-3 > 6 * 10^-3 мг/л (32)

С_{рт год} ? ПДК_рт20,498 * 10^-3 > 5 * 10^-3 мг/л (33)

С_{св год} ? ПДК_св51,246 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (34)

Т.к. С_{тм год} > ПДК_тм - морская среда опасна.

Санитарно-гигиеническая оценка уровня экологической опасности морской среды (по нефтепродуктам) через через один месяц и один год:

С_{ув мес} ? ПДК_ув1,296 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (35)

С_{б мес} ? ПДК_б3,888 * 10^-3 < 50 мг/л (36)

С_{т мес} ? ПДК_т9,72 * 10^-3 < 5 мг/л (37)

Т.к. С_{нп мес} < ПДК_нп - морская среда безопасна

С_{ув год} ? ПДК_ув15,768 * 10^-3 < 50 * 10^-3 мг/л (38)

С_{б год} ? ПДК_б47,304 * 10^-3 < 50 мг/л (39)

С_{т год} ? ПДК_т118,26 * 10^-3 < 5 мг/л (40)

Т.к. С_{нп год} < ПДК_нп - морская среда безопасна

Для веществ однонаправленного действия [2, 3] критерий опасности морской среды по рассчитываемым токсичным веществам через один месяц и один год определяется по уравнениям:

ц^тм_мес = ?(С_{тм мес}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м мес}/C_ПДКм)+(С_{рт мес}/C_ПДКрт)+(С_{св мес}/C_ПДКсв) (41)

ц^тм_мес = (0,561 * 10^-3 / 6 * 10^-3) + (1,684 * 10^-3 / 5 * 10^-3) + (4,212 * 10^-3 / 50 * 10^-3)= 0,5148 < 1

Т.к. ц^тм_мес < 1 - морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

ц^тм_год = ?(С_{тм год}/Сⁱ_ПДКтм) = (С_{м год}/C_ПДКм)+(С_{рт год}/C_ПДКрт)+(С_{св год}/C_ПДКсв) (42)

ц^тм_год = (6,8328 * 10^-3 / 6 * 10^-3) + (20,498 * 10^-3 / 5 * 10^-3) + (51,246 * 10^-3 / 50 * 10^-3) = 6,2634 > 1

Т.к. ц^тм_год > 1 - морская среда опасна

ц^нп_мес = ?(С_{нп мес}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув мес}/C_ПДКув)+(С_{б мес}/C_ПДКб)+(С_{т мес}/C_ПДКт) (43)

ц^нп_мес = (1,296 * 10^-3 / 50) + (3,888 * 10^-3 / 50 * 10^-3) + (9,72 * 10^-3 / 5) = 0,0279 < 1

ц^нп_год = ?(С_{нп год}/Сⁱ_ПДКнп) = (С_{ув год}/C_ПДКув)+(С_{б год}/C_ПДКб)+(С_{т год}/C_ПДКт) (44)

ц^нп_год = (15,768 * 10^-3 / 50 * 10^-3) + (47,304 * 10^-3 / 50) + (118,26 * 10^-3 / 5) =0,3399<1

Т.к. ц^нп_{мес, год} < 1- морская среда не представляет опасности морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровья человека.

Опасность вещества определяется по формуле:

Z_тм= 1/ ПДК_Zтм, (45)

Z_нп= 1/ ПДК_Zнп, (46)

Для тяжёлых металлов получим:

Zм=1/0,006=166,667

Zрт=1/0,005=200

Zсв=1/0,05=20

Чем больше значение Z_тм, тем опаснее вещество для морской среды.

Наиболее опасным веществом будет ртуть.

Для нефтепродуктов опасность вещества составит:

Zув=1/0,05=20

Zб=1/50=0,02

Zт=1/5=0,2

Чем больше значение Z_нп, тем опаснее вещество для морской среды.

Наиболее опасным веществом будут углеводороды.

При условии, что расчетный критерий опасности морской среды составит ц^нп_{мес, год} < 1 необходимо рассчитать время за которое он станет представлять опасность морским экосистемам, биопродуктивности морской среды и здоровью человека.

Расчетное количество времени Тгод превышения критического порога для морской среды вычисляется по следующей формуле:

Тгод = 1 / ц^нп_год = 1 / 0,3399 = 2,9420 года

Соответственно количество дней с учетом погрешности при предыдущих расчетах составит:

Тсут = Тгод * 365 + 10 = 2,9420 * 365 + 10 = 1083,84 ? 1084 сут.