Методы и средства наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды

1. Методы и средства наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов природной среды необходимо располагать надежными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто - повышением производительности и оперативности измерений; - повышением регулярности измерений; - увеличением масштабности охвата одновременным контролем; - автоматизацией и оптимизацией технических средств и процесса контроля. Средства экологического наблюдения контроля подразделяются на контактные и неконтактные; а контролируемые показатели на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров: концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.). Контактные методы контроля подразделяются на методы использующие прямое измерение параметра и косвенное. В результате прямого измерения непосредственно определяется сам искомый параметр, например, показатель рН (метод рН-метрии). В случае косвенного измерения искомый параметр определяется в несколько стадий с использованием различных калибровочных графиков, таблиц и пр. Так, в основе определения общего содержания фосфора в водной пробе, лежит метод фотоколориметрии, базирующийся на измерении оптической плотности раствора (g). Концентрация фосфора (Ср) определяется по калибровочному графику (Ср=f(g). Основным требованием к выбираемому методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов (веществ), включающих как следовые количества в незагрязненных объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах техногенного воздействия. Фотометрический метод основан на сравнении оптических плотностей исследуемой и контрольной жидкостей. Фотометрический метод базируется на законе Бугера-Ламберта-Бера: D = a b c, где D – оптическая плотность раствора, а – коэффициент поглащения при определенной длине волны, b – толщина кюветы, с – концентрация исследуемого элемента (вещества). Спектрофотометрические методы анализа основаны на тех же принципах, что и фотоколориметрические, но в спектрофотометре используется поглащение монохроматического света. Газохроматографический метод основан на селективном разделении соединений между двумя несмешивающимися фазами одна из которых неподвижна (жидкость или твердое тело), а другая – подвижна (инертный газ – носитель). Электрохимические методы анализа используют зависимость различных электрических свойств среды от количественного и качественного состава исследуемого вещества. К рассматриваемым методам анализа относятся потенциометрический, полярографический, кондуктометрический, ионометрический. Потенциометрический метод основан на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в веществе. Кондуктометрический метод основан на зависимости электропроводности и диэлектрической проницаемости вещества от концентрации и природы её компонентов. Приборы, основанные на кондуктометрическом методе анализа, называются кондуктометрами или солеметрами. Ионометрический метод основан на реакции ионоселективных электродов, обратимых к большому числу катионов и анионов. В настоящее время применяются иономеры. Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными, основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные: пассивный, когда осуществляется прием зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля; активный – когда производится прием отраженных, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником. Неконтактный контроль атмосферы осуществляется с помощью радиоакустических и лидерных методов. Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны применимы для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы. Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостной, радиолокационный, флюоресцентный. Радиояркостной метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового для одновременного контроля волнения, температуры и солености. Радиолокационный (активный) метод заключается в приеме и обработке (амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, пространственно-временной) сигнала, отраженного от взволнованной поверхности. Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязненной водной среды (площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный, фотографирование в поляризованном свете. Флюоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и отличии спектров свечения легких и тяжелых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов. 2. Контролируемые объекты и компоненты Контролируемые объекты и их компоненты. К объектам анализа относятся: • Воды (пресные, поверхностные, морские, подземные, талые, сточные и атмосферные осадки) • Воздух (атмосферный, природных заповедников (фон), воздух городов и промышленных зон, рабочие зоны) • Почвы • Донные отложения • Растения, корма, пища, животные ткани • Отходы Контролируемые компоненты можно разделить на три группы: 1) Имеют широкое распространение в природе и пределы обнаружения легко достигаются. Например, кислород, озон, углекислый газ, угарный газ, оксиды азота, оксиды серы, аммиак, галогены, гуминовые и фолиевые кислоты, низкомолекулярные. 2) Органические загрязнители Ⅰ и Ⅱ класса опасности, тяжелые металлы и их водорастворимые соединения, цианиды, водородные соединения фосфора, мышьяка и кремния. Это самая большая группа загрязнителей, 70-80% всех контролируемых веществ относятся к этой группе. Диапазон нормируемых содержаний веществ данной группы составляет 10–4-10–7 мг/л. В отличии от I группы к методам экоконтроля веществ этой группы предъявляют два основных требования – селективность и низкие пределы обнаружения. 3) Суперэкотоксиканты и ксенобиотики. Суперэкотоксиканты – загрязняющие вещества, оказывающие мощное отравляющее воздействие на живые организмы. К ним относятся: • Полихлорированные диоксины, бифенилы и дибензофураны • Хлорорганические пестициды • ПАВы • Нитрозоамины и афлатоксины • Радионуклиды • Тяжелые металлы и их соединения Ксенобиотики – вещества искусственного происхождения, не имеющие аналогов в природе. Необходимые пределы обнаружения 10–7-10–10 мг/л. Как правило, аналитические задачи экоконтроля веществ данной группы решаются только на основе сочетания методов концентрирования с высокоинформативными аналитическими методами, например, хромато-масс- и хромато-ИК-Фурье-спектрометрии. Несмотря на крайне низкие содержания веществ этой группы в окружающей среде, их антропогенные выбросы достигли величин, соизмеримых с природными потоками. 3. Методы аналитического контроля и их особенности При аналитическом исследовании выполняется ряд последовательных равнозначных операций, в результате чего получают достоверные данные по качественному и количественному составу материала. Любое аналитическое определение включает четыре этапа: 1) пробоотбор; 2) пробоподготовка. 3) собственно химический анализ (измерение аналитического сигнала как функции содержания в пробе интересующих компонентов); 4) статистическая обработка результатов анализа. При этом этап пробоподготовки делится на две стадии. Целью первой предварительной стадии является получение пробы определенной массы и гранулометрического состава; основные операции на этой стадии — измельчение пробы и ее сокращение. Целью второй, окончательной стадии пробоподготовки является переведение пробы в такое cостояние, которое требуется для анализа при помощи аналитического прибора; операции на этой стадии — вскрытие пробы, разделение и концентрирование компонентов. Весь комплекс операций на этапах пробоотбора и пробоподготовки называется опробованием. Все эти этапы аналитического исследования равнозначны и каждый из этапов несет в себе объективные и субъективные источники неопределенности. Этапы аналитического исследования Первый этап: пробоотбор Второй этап: пробоподготовка Третий этап: химический анализ Четвертый этап: обработка информации Несоответствие результатов анализа действительному составу объекта может повлечь неверные решения. Поэтому при выполнении аналитического исследования этап пробоотбора имеет особо важное значение и в известной мере является его «больным» местом 4. Нормирование качества природной среды Окружающая человека среда – природные условия, условия на рабочем месте и жилищные условия. От их качества зависит продолжительность жизни, здоровье и т.д. Нормирование качества объектов окружающей среды – установление показателей и пределов, в которых допускается их изменение (для воздуха, воды, почвы и т. д.). Нормативы качества (санитарно-гигиенические): 1. Предельно допустимая концентрация (количество) (ПДК) – количество загрязняющего вещества в окружающей среде, которое при постоянном или временном воздействии на живые организмы не влияет на их здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий. Атмосфера. ПДК вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) – это максимальная концентрация, которая при работе в течение 8 часов или при другой продолжительности на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. ПДК максимально разовая (ПДКмр) – это максимальная концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др.). ПДК среднесуточная (ПДКсс) – это максимальная концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом вдыхании. Вода. ПДК в воде водоёма хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений. ПДК в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб. Почва. ПДК в пахотном слое почвы (ПДКп) – это максимальная концентрация вредного вещества в пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на здоровье человека, плодородие почвы, ее самоочищающую способность, соприкасающиеся с ней среды и не приводящее к накоплению вредных веществ в сельскохозяйственных культурах. 2. Предельно допустимый уровень (ПДУ) – это максимальный уровень воздействия радиации, шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных физических воздействий, который не представляет опасности для здоровья живых организмов. Нормативы воздействия (производственно-хозяйственные): Предельно допустимый выброс (ПДВ) или сброс (ПДС) – это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени разрешается предприятию выбрасывать в атмосферу или сбрасывать в водоем, не вызывая при этом превышения в них ПДК и неблагоприятных экологических последствий. В РФ на нормативах ПДВ работают 15–20% загрязняющих производств, на ПДС – 40–50%. 5. Пробоотбор объектов окружающей среды Отбор проб почвы При отборе проб почвы следует учитывать адсорбционную способность почв, протекающие в них сложные физ-хим, биологич. Процессы, неоднородность распределения токсикантов в почвах. Особенности пробоотбора и пробоподготовки почв: 1. Макс. Содерж. Металлов в почвах (Cd, Pb, Ni, Zn, Hg, Cu, Fe, Mo, Sn) наблюдается на расст. 1-5 км от источников загрязнения. На расст. 15-20 км содерж. Мет. в почве соответ. Фоновому уровню. 2. Глубина проникновения тяж. мет. В почву не превышает 20 см. при сильном загрязнении – 160 см. Для почв вне зоны источника загрязнения распределение тяж. мет. равномерное. 3. Наибольш. Миграционной способностью обл. ртуть и цинк, которые как правило равномерно распред. В слое почвы 0-20 см. 4. Свинец чаще накапливается в поверхностном слое почвы 0-2,5 см, кадмий занимает промежут. Значение. Это приводит к неравномерн. Извлечению загрязнений различной природы. 5. Загрязнение фтором происх. От предприятий по переработке фторсодержащего сырья (суперфосфатные и кирпичн заводы, хим. и стекольн. Заводы, алюминиевые комбинаты). Фтор мигрирует в растения и распростр. На площадях шире, чем зона влияния предприятия. На растения влияют газообразные фториды. 6. Почва – адсорбент пестицидов, механизм переаспределения пестицидов в почвах практически не изучен ни для одного вещества. 7. При пробоподготовке проб почв существует опасность их загрязнения растворителем или экстрагентом и растворитель будет извлекать лишь растворимые вещества. Поэтому вытяжку надо делать водой, органическими полярн. И неполярн. Растворителями. Отбор проб проводят в соответствии со стандартом ГОСТ 17.4.4.02.84. Закладывают пробные площадки – часть исследуемой территории, характеризующаяся сходными условиями. При общем загр. Почв пробные площадки намечают по координатной сетке, при локальном загр. Для пробных площадок применяют систему концентрических окружностей вокруг источника загрязн., указывают № окружн. и азимут места отбора проб. Размер пробн. площад., количество и вид пробы различают в зависимости от цели исследования. Обычно закладывают 1 или 2-3 площадки размером 25 м2 каждая. С кажд. Площад. Отбирают 5 точечных проб, с 3-х разных глубин в зависимости от поставленной цели (определение степени загрязнения поверхностного слоя, миграция хим. вещества по профилю почвы и тд.): 0-20 см, 20-40 см, 40-60 см. Объединенную пробу готовят методом квартования из смеси не менее 2 точечных проб, отобранных с разных слоев, не менее 1 кг. Если обследуемый участок расположен на различных элементах рельефа (плато, склон, подножие склона), то объединенная проба отбир. С кажд. Элемента рельефа. 1. При контроле загр. Почв промышл. источниками площадки для отбора располагают на площади 3-х кратной величины санитарно-защитной зоны вдоль векторов розы ветров на расстоянии 100,200,300,500,1000,2000,5000 м и более от источника загрязнения. При контроле почв в районе точечных источников загрязн. (выгребные ямы, мусоросборники и тд.) пробн. площадки размером 5х5 м закладываются на разном расст. от источника и в относительно чистом месте (контроль). 2. При загрязн почв транспортными магистралями площадки закладываются на придорожных полосах с учетом рельефа, растительного покрова, метео- и гидрологических условий. Пробы почвы отбирают с узких полос длиной 200-500 м на расстоянии 0-10,10-50,50-100 м от полотна дороги. Одна смешанная проба составляется из 20-25 точечных, отобранных с глубины 0-10 см. 3. При оценке почв сельск/хоз территорий пробы отбирают 2 раза в год (весна, осень) с глубины 0-25 см. на кажд. 0-15 Га закладывается не менее одной площадки размером 100-200 м2 в зависимости от рельефа и условий землепользования. Отбор проб воздуха Существует 2 группы методов отбора проб воздуха: 1) Аспирационные способы отбора проб. 2) Отбор проб в газовые пипетки, сосуды. 1. При таком методе работы воздух «протягивают» через спецсреду. Раствор или твердое вещество со способностью адсорбции делают так, что поглощаются вещества в нескольких состояниях. Среди жидких «поглотителей» есть, например, дистиллированная вода. Ею заполняют поглотительные приборы. К твердым поглотительным средам относятся: • Силикагель, • Активированные угли • Другие. Для протягивания воздуха через "поглотители" используют: • Водяной аспиратор, • Пылесос, • Электораспираторы, • Водоструйные насосы. 2. Такой метод используется в случае высокой концентрации в воздухе определяемого вещества или в том случае, если для отбора не нужно набирать большое количество воздуха. Для отбора используются несколько методов: А) Бутылки. Их наполняют жидкостью, которая не реагирует с определяемым веществом и не растворяет его. Эту жидкость выливают в месте отбора проб, бутыль плотно закрывают пробкой. В газовых пипетках концы трубок закрывают зажимами. Б) Отбор обменным способом. Бутыль или пипетку присоединяют к аспиратору и протягивают через сосуд десятикратный объем воздуха. После этого сосуд разъединяют с аспиратором и зажимают резиновые трубки. В) Вакуумный способ отбора воздуха. Здесь воздух набирают в бутылки 1-2 литра или в газовые пипетки. Воздух удаляют с помощью вакуумного насоса. Чтобы отобрать пробу воздуха вынимают стеклянную палочку и постепенно открывают зажим. В следствии разности давления исследуемый воздух поступает в сосуд. После отбора пробы трубку зажимают. Г) Отбор воздуха в резиновые камеры. Здесь можно использовать камеры футбольных мячей. Туда воздух накачивают с помощью насоса. Выдыхаемый воздух собирают в мешки Дугласа.   Отбор проб воды 1. Для получения точных и достоверных результатов пробу воды необходимо привезти в лабораторию не позже, чем через сутки после отбора. 2. Отбор пробы воды для физико-химического исследования производят в чистую посуду, в пластиковую или стеклянную бутыли, либо Вы можете получить в ФГБУ ГСАС «Костромская» набор маркированных флаконов. 3. Объем воды: - не менее 1,5 л для определения 10 показателей; - не менее 3,0 л для определения 20-25 показателей. 1. Отбор проб воды из крана (колонки) 1.1. Если на кране, из которого будет отбираться проба, установлены какие-либо фильтры, отсоедините их (если только целью анализа является определение качества исходной воды, а не определение эффективности работы фильтра!). Откройте кран до отказа и дайте стечь воде при полном напоре в течение 10 минут. Ополосните отбираемой водой 2-3 раза емкость. Набирать воду для химического анализа, желательно тонкой спокойной струей и по стенке бутылки. Такой способ отбора уменьшить насыщение воды кислородом воздуха и, как следствие, предотвращает протекание химических реакций. 2. Отбор проб воды из колодца: 2.1. Отбираем пробу воды в чистое ведро при колодце, а затем разливаем в чистые емкости. 3. Отбор проб воды из скважины: 3.1. Тщательно прокачать источник воды, чтобы получить воду со сформированного прокачкой подземного русла. Следует учесть, что прокачивание источника воды делают малым расходом, который был рекомендован компанией, осуществившей бурение скважины. Это очень важно, так как только медленная прокачка позволяет сформировать фильтрующий слой вокруг скважины или колодца. 4. Воду рекомендуется налить в бутылку до верха так, чтобы не осталось пузырьков воздуха, и плотно закрыть крышкой. Наличие воздуха под пробкой может привести к искажению результатов анализа. 6. Методы извлечения загрязняющих веществ (пробоподготовка) Среди методов аналитического контроля состава материалов ведущее место занимают инструментальные методы (электрохимические, спектроскопические, ядерные) и в большинстве из них измерение аналитического сигнала происходит лишь на заключительной стадии анализа, хотя последний включает наряду с этой стадией также предварительную химическую подготовку проб (ПХПП), а именно вскрытие пробы (т. е. ее разложение), разделение и концентрирование определяемых элементов. Стадия ПХПП — одна из наиболее трудных, длительных и ответственных стадий всего анализа в целом. Во многих случаях ПХПП вносит вклад в контрольный опыт и лимитирует эффективность использования инструментальных методов анализа как в отношении достижения низких пределов определения примесей в веществах высокой чистоты прямыми методами анализа с помощью высокочувствительной измерительной техники, так и в отношении производительности этих методов, поскольку высокая производительность приборов может быть реализована только при условии малых затрат времени на ПХПП. Поэтому ПХПП является важной стадией многих методов аналитического контроля и постоянно совершенствуется в направлении использования как новых технических решений при оформлении традиционных методов пробоподготовки, так и наложения внешних физических полей для интенсификации характерных для нее процессов. Основными приемами интенсификации процессов вскрытия проб являются использование высокоагрессивных агентов и сред, работа при повышенных температурах и давлениях, воздействие ультразвука, магнитного, электромагнитного и электрического полей (в том числе СВЧ, электронами, УФ и вакуумным УФ излучением, рентгеновскими лучами, искрового или дугового разряда, лазерного излучения, плазменной деструкции и др.). Вскрытие проб анализируемого материала основано на разрушении его структуры в результате реакций взаимодействия входящих в него компонентов с введенными реагентами. В зависимости от состава, строения кристаллической решетки, плотности упаковок атомов в молекулах и других свойств подвергаемые вскрытию материалы различно относятся к реагентам, применяемым для вскрытия. В большинстве случаев вскрытие (разложение) пробы сводится к переведению ее в раствор. Получение раствора анализируемого объекта необходимо для последующего количественного определения элементов не только химическими и физикохимическими методами анализа, но и в ряде случаев и такими физическими методами, как атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) с атомизацией в пламени, эмиссионный спектральный анализ с использованием плазматронов (ИСП) и рентгенофлуоресцентный анализ (РФА). Подготовка к РФА и изготовление образцов сравнения при анализе литых металлических проб сплавов редких металлов связаны с серьезными трудностями, так как некоторые сплавы легко окисляются с поверхности и плохо поддаются механической обработке. При переводе определяемого элемента в раствор значительно проще решается проблема градуировки для сложных по химическому составу проб. Это особенно важно в случаях мелких серий проб переменного состава, что характерно при контроле производства редких металлов и полупроводников. Выбор метода зависит как от химико-аналитических свойств самого материала и применяемых для этого реагентов, так и от последующего хода анализа. В свою очередь от метода вскрытия зависит экономическая эффективность аналитических работ — стоимость и качество анализа. Наряду с обязательным требованием к методам переведения проб в раствор — полноты их вскрытия без потерь определяемых элементов — весьма важным является и соблюдение требований, предъявляемых к анализируемым растворам: ограниченный солевой состав, использование неагрессивных сред и т. п. Правильно выбранные условия разложения пробы анализируемого материала позволяют не только перевести определяемый компонент в раствор, но и отделить его от мешающих элементов. Это происходит в тех случаях, когда в результате вскрытия определяемый и мешающие элементы оказываются в разных фазах.