Лекция введение человечество вступило в новую эру своего существования, когда потенциальная мощь создаваемых им химических, биологических и физических средств воздействия на окружающую среду обитания становится соизмеримой с силами природы

Вид материала

Лекция

Содержание Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ) ПДК вредных веществ имеют смысл верхнего предела устойчивости организма, при превышении которого то или иное вещество становится Примеси в атмосфере Среднесуточная концентрация примесей в атмосфере ПДК – максимальная концентрация загрязняющего почву вещества, не вызывающая негативного прямого и косвенного влияния на природну Министерство природных ресурсов РФ Экологический контроль Экологический мониторинг Средства контроля окружающей среды Технология контроля окружающей среды Загрязнение окружающей среды Отбор проб объектов загрязненной среды Отбор проб воды Отбор проб воздуха Отбор проб в жидкие среды Отбор проб на твердые сорбенты Отбор проб почвы Метод конверта Способы консервации, особенности отбора и хранения проб Подготовка проб к анализу в лаборатории ... Полное содержание

Подобный материал:

• О государственной регистрации потенциально опасных химических и биологических веществ, 360.85kb.
• Доклад заместителя министра, 39.11kb.
• Лекция Понятие об аналитическом процессе и его стадиях. Основные принципы анализа, 195.44kb.
• «Экологическое воздействие производственных процессов на окружающую среду», 44.68kb.
• Рефератов «Кругозор» Реферат Тема: «Экологическое состояние и проблема энергосбережения, 246.83kb.
• Последствия компьютеризации Богданов Дмитрий. Экспертное сообщение, 100.3kb.
• Содержание введение 4 практическая работа, 669.78kb.
• Добронравова И. С. Синергетика: становление нелинейного мышления. Введение, 2146.56kb.
• Ртуть является одним из самых опасных и высокотоксичных загрязняющих окружающую среду, 147.92kb.
• Ргетике, как науке о нелинейных неравновесных процессах в открытых системах различной, 17.72kb.

Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ


Человечество вступило в новую эру своего существования, когда потенциальная мощь создаваемых им химических, биологических и физических средств воздействия на окружающую среду обитания становится соизмеримой с силами природы.

Обретает черты реальности предсказания великого естествоиспытателя В.И. Вернадского о том, что хозяйственная деятельность человека становится силой, способной изменить мир, поставив его на грань экологической катастрофы.

За ХХ век масштабы экономики выросли в 20 раз, использование природного топлива увеличилось в 30 раз. Произошло расширение промышленности примерно в 50 раз.

Деятельность общества радикально трансформирует химию биосферы. Причем большинство специалистов связывает эти изменения с процессами загрязнения твердой, жидкой и газообразной составляющей биосферы.

Любые процессы, связанные с производством, характеризуются не только преобразованием ресурсов и получением нужных веществ, но и образованием побочных продуктов. В большинстве случаев эти продукты чужды среде и являются ксентобиотиками (от лат. ксенто – чужой). Попадая в химическую лабораторию растительной или животной клетки, ксентобиотики вызывают негативные изменения в организме, которые обнаруживаются на разных уровнях. Например, на соматическом (злокачественные образования), на генно–хромосомном (мутации). Нарушен круговорот веществ, отходы больше не минерализуются.

Деятельность микробов в воде и почве все чаще затормаживаются различными токсическими соединениями. К тому же в процессе производства образуется большое количество веществ, которые невозможно разложить биологическим путем, и они накапливаются в атмосфере, гидросфере и почве, нарушая деятельность большинства экосистем.

К настоящему времени синтезировало свыше 7 млн. новых химических веществ, при этом в повседневной жизни людей используются до 70 000 видов различной химической продукции, номенклатура которой расширяется на 500 – 1000 единиц в год. Нетрудно предсказать все последствия этой химической агрессии, т.к. по отношению к данным веществам организм человека не обладает генетической памятью целесообразного противодействия.

Особенно остро стоят эти проблемы в Росси. Каждый год только от химических отравлений в промышленности начитываются тысячи пострадавших, химическое отравление обрывает жизни ежегодно сотен малолетних детей.

Среди крупнейших городов мира наша столица – Москва занимает 70–е место по продолжительности жизни. Площадь территории Росси с наиболее острой (кризисной) ситуации достигла 2,5 млн.км2, что составляет 15 % общей территории страны.

Главными причинами возникновения у нас экологических проблем являются:

• длительное интенсивное развитие народного хозяйства,
  
• слабое оснащение природоохранным оборудованием,
  
• невыполнение всего комплекса природоохранных мероприятий, включающего в первую очередь, контроль химических, биологических и физических экологических факторов воздействия и реакцию на них природных и антропогенных экосистем.
  

На территории России выделяются следующие районы наибольшего экологического неблагополучия:

• зона аварии Чернобыльской АЭС,
  
• Кольский полуостров,
  
• нефтегазопромысловые районы Западной Сибири,
  
• Норильский район,
  
• Среднее Поволжье,
  
• Кузбасс,
  
• московский район,
  
• береговая зона Черного и Азовского морей,
  
• Калмыкия,
  
• низовье Волги.
  

В результате неразумной хозяйственной деятельности на этих территориях произошли глубокие, в ряде случаев необратимые изменения природной среды, следствие которых – существенное ухудшение здоровья людей и истощение природно – ресурсного потенциала.

Анализ этих зон экологического бедствия дает основание заключить, что экологические ситуации в них по своему охвату, остроте и воздействию имеют не только межрегиональное значение, но и выходят на общенациональный и даже на мировой уровень. В этих зонах, в первую очередь, необходимо проведение срочных и кардинальных мер по контролю, оценке и прогнозу экологической ситуации и на этой основе оздоровлению окружающей среды.

Задачи:

• учитывать уязвимость окружающей среды,
  
• обеспечивать достоверный контроль с целью недопущения превышения ее пределов прочности,
  
• оценивать и прогнозировать суть свойственных природной среде сложных и взаимосвязанных явлений.
  

Преднамеренный выброс различных веществ в атмосферу являются наиболее очевидными из нарушений равновесия в окружающей среде, производимых человеком. Источники основных веществ, загрязняющих атмосферу, весьма различны.

Основная причина загрязнения воздуха – использование ископаемого топлива как источника энергии.

Другие источники:

• выбросы побочных продуктов в атомной и химической промышленности,
  
• цементной промышленности,
  
• при гниении органических веществ выделяются газы, богатые H2S и другими соединениями,
  
• автотранспорт.
  

Наибольшее загрязнение атмосферы приходится на долю оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородов и промышленной пыли.


За год в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. т. оксида углерода, 20 млрд. т. диоксида углерода, 150 млн. т. диоксида серы, 50 млн. т. оксидов азота, 250 млн. т. пыли, 50 млн. т. различных углеводородов.

Насыщаемость биосферы тяжелыми металлами – одно из наиболее существенных последствий загрязнения. В частности рассеивание ртути и свинца составляет 80 – 90 % годового производства. При сжигании угля с золой и отходящими газами в окружающую среду поступает, больше чем добывается из недр: Mg в 1,5 раза, Mo в 3 раза, As в 7 раз, U, Ti в 10 раз, Al, I, Cо – в 15 раз, Hg в 50 раз, V, Sr, Be, Zr – в сотни раз, Ga и Ge – в 1000 раз.


Ежегодно с осадками (дождь, снег) выпадают миллионы тонн кислот, что ведет к радикальному изменению химии природной среды.


Загрязнение океана меняет характер энергообмена океан – атмосфера и уменьшает испарение с водной поверхности – основного источника влаги на Земле.


В мировой океан уже сейчас поступает до нескольких миллионов тонн нефти и нефтепродуктов ежегодно. Это причиняет большой ущерб морским экосистемам. Совершенно очевидно, что проблема загрязнения вод и различные аспекты, связанные с этим – наиболее тревожные вопросы ухудшения естественной среды. Водный кризис уже разразился и затронул все страны мира. Последствия загрязнения вод можно считать наиболее опасными явлениями:

• многочисленные твердые загрязнения могут растворяться в воде,
  
• во взвешенном состоянии переноситься на огромные расстояния,
  
• вследствие гомогенности водной среды токсичные вещества оказывают воздействие на все организмы, обитающие ниже по течению,
  
• вода содержит относительно небольшое количество растворенного кислорода. В то время как даже сильно загрязненный воздух сохраняет квазипостоянную концентрацию этого газа, вода не обладает таким свойством. А кислород относится к лимитирующим экологическим факторам для большинства организмов как в пресных, так и в соленых водах.
  

При неправильной эксплуатации почвы безвозвратно уничтожаются в результате загрязнения, засоления, эрозии. Самоочищение почв – медленный процесс. Токсичные вещества накапливаются, что приводит к нарушению единства геохимической среды и живых организмов.

О масштабах химического преобразования поверхности литосферы говорят следующие данные: за последнее столетие на земную поверхность осело около 20 млрд.т. шлаков, 3 млрд.т. золы, As, Co, Ni более млн.т., Zn, Sb около млн.т.

Непрерывная интенсификация сельского хозяйства и более широкое использование искусственных веществ (химических удобрений, пестицидов и т.д.) ведут нас к необратимому загрязнению культивируемых земель.

Анализ всего комплекса рассматриваемых проблем привел к необходимости создания систем экологической безопасности, в рамках которой первостепенное значение имеет мониторинг критических экологических факторов антропогенного воздействия, фактического состояния биосферы и прогноз ее будущего развития.

Поэтому важнейшей задачей современной науки является создание систем экологического мониторинга на местном, региональном, национальном и глобальном уровнях.

Экологический мониторинг рассматривается как совокупность систем комплексного наблюдения за антропогенными и природными источниками воздействия, состоянием окружающей среды, динамикой происходящих в ней изменений, прогнозом развития ситуаций и управлением ими. В основе мониторинга лежат систематические наблюдения за экологическим эффектами взаимодействия природы, населения и хозяйства на определенной территории.

Комплексность, взаимосвязанность процессов, происходящих в окружающей среде, чрезвычайность проблем, стоящих перед человечеством на пути обеспечения долгосрочной экологичеопасности и устойчивого развития, определяют актуальность темы и делают необходимой разработку методологических и методических основ организации и функционирования систем экологического мониторинга.

Это общепризнанно на международном и государственном уровне. В Российской Федерации формируется Единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), которая строится по природно-ресурсному принципу (атмосфера, земля, водные объекты, недра, растительный и животный мир) и имеет своей целью создание информационной базы для обеспечения устойчивого развития страны в целом и отдельных ее регионов.

Разработка и проектирование системы мониторинга – сложное междисциплинарное исследование. Оно направлено на решение комплексных проблем создания кибернетической модели мониторинга как инструмента изучения, контроля и управления состоянием сложных природно-техногенных систем.

Традиционно качественное состояние природных объектов – атмосферного воздуха, воды, почвы – устанавливается по содержанию в них загрязняющих веществ и определяется путем сравнения концентрации загрязнителей со значениями предельно-допустимой концентрации (ПДК) веществ для данной категории объекта. Однако, загрязняющие вещества многокомпонентны, что делает нереальным определение всех опасных соединений. Более того, сочетанное действие всех компонентов на природную среду и ее составляющие не представляет собой простой суммы, а также возможен кумулятивный эффект отдельных веществ. Поэтому в настоящее время исследователи разрабатывают и внедряют в практику интегральные методы биотестирования, позволяющие определять суммарное действие на живые организмы всех компонентов загрязнения, оценить степень загрязнения изучаемого объекта быстро и с минимальными затратами.

Итак, основная задача экологического мониторинга – измерения, оценка и прогноз интенсивностей экологических факторов воздействия и реакции биоты.

Экологический фактор – это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм, или любой параметр среды, на который организм отвечает приспособительными реакциями.


Экологический мониторинг можно разделить на три блока:

1. измерения,
   
2. оценка,
   
3. прогноз.
   

Первый блок включает систему измерений комплекса величин, обеспечивающую оперативный контроль состояния и динамики природных и антропогенных экосистем, контроль интенсивности экологических факторов.

Следует отметить, что исключительное значение для эффективности мониторинга имеет обеспечение достоверности получаемой экологической информации.


В свою очередь достоверности измерения интенсивностей экологических факторов должна строиться на основе национальной системы единства измерений, базирующихся на комплексах государственных эталонов, исходных средств и стандартных образцов ведущих метрологических институтов России.

Существует два понятия в экологии: санитарно – гигиенические нормы и экологическое нормирование.

В России (ранее в СССР) разработана система санитарно – гигиенических норм (ПДК) в природных средах. Установление же пределов допустимых нагрузок на популяции животных и растений, формирующих экосистемы, только начато (для рыб, имеющих промысловое значение, уже установлено).

Экологическое нормирование подразумевает определение экологически обоснованных норм допустимой нагрузки загрязняющих веществ, т.е. допускает потерю отдельной особи, при условии сохранения стабильности экосистем.

Санитарно – гигиеническое нормирование не допускает никакого ущерба даже отдельному организму (человеку). В этом принципиальное различие.

С позиций экологии ПДК вредных веществ имеют смысл верхнего предела устойчивости организма, при превышении которого то или иное вещество становится лимитирующим.

Все загрязняющие вещества в токсикологии принято оценивать по их воздействию на организм. Наиболее характерными являются собственно токсичные (резорбтивные) и рефлекторные (органолептические) воздействия. Рефлекторные реакции могут проявляться в форме ощущения, например, запаха. Резорбтивное действие может быть общеэкологическим, канцерогенным, мутагенным.


Атмосфера.

Эти обстоятельства вызвали необходимость устанавливать для загрязняющих атмосферу веществ два вида ПДК: максимальную разовую и среднесуточную. Первая вводится с целью предупреждения негативных рефлекторных реакций при кратковременном воздействии (ПДК_М.Р.), а вторая – для предупреждения токсического действия (ПДКс.с.).

ПДК – предельно допустимая концентрация примесей в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредных воздействий, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом.

Примеси в атмосфере – рассеянные в атмосфере вещества, не содержащиеся в ее постоянном составе.

Разовая концентрация – концентрация примесей в атмосфере, определяемая по пробе, отобранной в 20 – 30 минутном интервале времени.

Среднесуточная концентрация примесей в атмосфере – концентрация примесей в атмосфере, определяемая по среднесуточной пробе.

Среднесуточная проба воздуха – проба, отобранная в течение 24 часов непрерывно или с равными интервалами между отборами, не менее 4 раза в сутки.

Вредные вещества подразделяются на четыре класса опасности:

• вещества чрезвычайно опасные,
  
• вещества высоко опасные,
  
• вещества умеренно опасные,
  
• вещества мало опасные.
  

ОБУВ – ориентировочный безопасный уровень воздействия загрязняющих атмосферу вещества, установленный расчетным методом для проектируемых промышленных объектов.

ПДК веществ в воздухе населенных мест установлены на 491 вещество, ОБУВ – на 1457 веществ.

При совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммацией действия, сумма их концентрации не должна превышать единицы при расчете по формуле

R1/ПДК1 + R2/ПДК2+… ≤ 1, где R - фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе, ПДК – тех же веществ.

Вода.

Как и для примесей в атмосферном воздухе, для веществ, загрязняющих воду, установлено раздельное нормирование качества воды, хотя принцип разделения здесь связан с приоритетным назначением водного объекта, т.е. с категориями водопользования.

• вода питьевая,
  
• хозяйственно – бытовое водопользование,
  
• культурно – бытовое водопользование,
  
• рыбохозяйственное водопользование.
  

1. Вода питьевая – вода, в которой бактериологические, органолептические показатели и показатели токсичных химических веществ находятся в пределах норм питьевого водоснабжения.

2. Хозяйственно – бытовое водопользование – использование водных объектов в качестве источника хозяйственно – питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

3. Культурно – бытовое водопользование – использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения.

ПДК – максимальные концентрации, при которых вещества не оказывают прямого влияния на состояние здоровья населения (при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшают гигиенические условия водопользования.


4 класса опасности, характеризующих степень опасности для человека:

1 класс – чрезвычайно опасные,

2 класс – высокоопасные,

3 класс – опасные,

4 класс – умеренно опасные.


Класс опасности веществ необходимо учитывать при выборе соединений, подлежащих первоочередному контролю и при установлении очередности в разработке чувствительных методов аналитического определения веществ в воде.

К рыбохозяйственному водопользованию относится использование водных объектов для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.

Для этих объектов:

ПДК – максимальная концентрация, при которой вещества не оказывают прямо или косвенно вредного воздействия на рыб и водные организмы, служащие кормовой базой для рыб.


ОБУВ – ориентировочно–безопасный уровень воздействия вредных веществ – временный рыбохозяйсвенный норматив, необходимый для решения вопроса о допустимости использования того или иного препарата в народном хозяйстве и установлении допустимого уровня содержания его в воде рыбохозяйственного водоема.


Некоторые вещества являются вредными в сравнительно высоких концентрациях при контактном воздействии или воздействии на органы чувств. И поэтому их ПДК в водных объектах первой категории имеют высокие значения. Однако в водных объектах рыбохозяйственного водопользования они оказываются токсичными для ихтиофауны, и здесь на первое место выдвигается и токсичное действие. Соответственно ПДК на эти вещества ужесточаются. (Например, ПДК для NH₃ 2 мг/л и 0,05 мг/л – в 40 раз ниже).

Есть вещества малотоксичные, но обладающие резким стойким запахом, например, нефтепродукты. В водных объектах первой категории преимущественное значение имеет запах. И поэтому в основе ограничения лежат органолептические свойства воды, загрязненной этими продуктами. (ПДК = 0,3 мг/л).

Однако ткани рыб, обитающих в водоемах рыбохозяйственного назначения, приобретают резкий запах, и кроме того нефть губительна для икры, молоди рыб, поэтому в них присутствие нефти лимитируется прежде всего по рыбохозяйственному показателю и ПДК снижается до 0,05 мг/л.

Почвы.

Нормирование загрязняющих веществ в почве учитывает следующие направления:

• нормирование содержания ядохимикатов в пахотном слое,
  
• нормирование накопления токсичных веществ на территории предприятия,
  
• нормирование загрязненности почвы в жилых районах.
  

Для установления ПДК используют данные о фоновых концентрациях исследуемых веществ, их физико–химических свойствах, параметрах токсичности.


ПДК – максимальная концентрация загрязняющего почву вещества, не вызывающая негативного прямого и косвенного влияния на природную среду и здоровье человека.


ОДК – ориентировочно допустимая концентрация химического соединения в почве, установленная расчетным путем (временный норматив срок действия 3 года).

По степени возможного отрицательного воздействия на почву, растения, животных выделяются 3 класса химических веществ:

1 класс – высокоопасные: мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен,

2 класс – вещества умеренно опасные: бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром,

3 класс – вещества малоопасные: барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон.

ПДК для почвы насчитывается 108, ОДК – 76.

Фоновое содержание вещества в почве – содержание вещества в почве, соответствующее ее природному составу.

ПДК в справочнике приведено с учетом фона.


Основные технические комитеты: “Качество воздуха”, “Качество воды” и “Качество почвы” тесно сотрудничают со специализированными организациями:

Международной программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП),

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ),

Всемирной метрологической организацией (ВМО),

организацией ООН по продовольствию и сельскому хозяйству (ФАО).


Лекция 2

Единая государственная система экологического мониторинга


В охране окружающей среды и экологическом управлении важная роль отводится формированию системы экологического мониторинга. Само понятие мониторинг сегодня рассматривается как система наблюдений за состоянием объекта изучения, отражения динамики происходящих в нем изменений и прогноза развития ситуаций.


По масштабам обобщения информации различают

• глобальный,
  
• национальный,
  
• региональный,
  
• локальный,
  
• импактный - “точечный” мониторинг объектов загрязнения.
  

По методам ведения:

• биологический,
  
• химический,
  
• геофизический,
  
• автоматический,
  
• дистанционный (космический, авиационный и т.д.).
  

В России организационной формой экологического мониторинга является единая государственная система экологического мониторинга (ЕГСЭМ), которая начала создаваться по инициативе природоохранных органов в соответствии со специальными постановлениями Правительства.


Формируемая ЕГСЭМ включает в себя следующие компоненты:

• мониторинг источников антропогенного воздействия на окружающую среду,
  
• мониторинг загрязнения абиотического компонента природной среды,
  
• мониторинг биотического компонента окружающей природной среды,
  
• социально – гигиенический мониторинг,
  
• обеспечение создания и функционирования экологических информационных систем.
  

После очередной реорганизации и слияния в 2000 году природоохранных органов управления в России экологическим мониторингом фактически руководят два специальных государственных органа, на которые возложены следующие основные функции:


Росгидромет – организация мониторинга состояния окружающей среды, ее загрязнения, радиационной обстановки на поверхности Земли и в околоземном космическом пространстве, комплексного фонового мониторинга и космического мониторинга состояния природных объектов, формирование и обеспечение деятельности и охраны государственной наблюдательной сети, ведение Единого государственного фонда данных о состоянии окружающей среды, ее загрязнение, а также централизованного учета экологической информации.


Министерство природных ресурсов РФ – общая координация деятельности министерств и ведомств, предприятий и организаций в области мониторинга объектов природной среды, организация мониторинга источников антропогенного воздействия на окружающую среду, мониторинга животного и растительного мира, наблюдение за состоянием недр и мониторинг водных объектов. А также мониторинг лесов.


Кроме того, в работе ЕГСЭМ принимают участие:

• Санитарно–эпидемиологическая служба Минздрава России (осуществление мониторинга воздействия вредных факторов среды обитания на состояние здоровья населения),
  
• Росземкадастр (мониторинг земель),
  
• Госгортехнадзор России (мониторинг геологической среды, а также осуществление мониторинга промышленной безопасности),
  
• Минатом России (мониторинг радиационно–опасных объектов и территорий),
  
• Минобороны России (осуществление мониторинга окружающей природной среды и источников воздействии на нее на военных объектах),
  
• Минсельхоз России (отраслевой мониторинг окружающей среды, животных и растений на земля сельхозназначения),
  
• Госкомрыболовства России (мониторинг рыб и гидробионтов),
  
• Роскартография (осуществление топографо–геодезического и картографического обеспечения ЕГСЭМ.
  

ЕГСЭМ в настоящее время решает следующие задачи:

• проведение наблюдений за изменением состояния окружающей среды и экосистемами, источниками антропогенных воздействий с определенным пространственным и временным разрешением;
  
• проведение оценок состояния окружающей среды, экосистем территории страны, источников антропогенного воздействия;
  
• прогноз состояния окружающей среды, экологической обстановки на территории России и ее регионов, уровней антропогенного воздействия при различных условиях размещения производительных сил, социальных и экономических сценариях развития страны и ее регионов.
  

Федеральный информационно-аналитический центр (ФИАЦ) Минприроды России осуществляет сводный анализ информации, передаваемой из информационно-управляющих центров соответствующих подсистем ЕГСЭМ федерального и территориального уровней в порядке, согласованном с федеральными органами исполнительной власти, обеспечивающих функционирование ЕГСЭМ, и органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации. Обмен данными между информационными центрами подсистем ЕГСЭМ осуществляется на принципе бесплатного доступа к данным мониторинга, полученным за счет бюджетных средств.

В структуре ЕГСЭМ существуют тематические и территориальные подсистемы экологического мониторинга.

Тематические осуществляют наблюдение и контроль состояния отдельных объектов. Каждая тематическая система состоит из одной или нескольких ведомственных (специализированных) систем наблюдения и контроля, объединенных по принципу “общности объекта” мониторинга.

Например:

Государственный мониторинг водных объектов, запасов поверхностных и подземных вод осуществляет Министерство природных ресурсов России. Это министерство вместе с другими федеральными органами исполнительной власти (прежде всего с Росгидрометом и Санэпидемслужбой Минздрава России) принимает совместные решения по вопросам проведения мониторинга отдельных ресурсов, организации мониторинга источников антропогенного воздействия на объекты природной среды, мониторинга недр, животного и растительного мира (включая леса), а также создания геоинформационных систем (ГИС) по видам природных ресурсов.

Территориальные подсистемы ЕГСЭМ создаются в соответствии с административным делением РФ.

В рамках ЕГСЭМ следует рассматривать и производственный мониторинг окружающей среды, означающий, что природопользователи обязаны сами вести учет и осуществлять отчетность о воздействии на окружающую среду.

Структурными звеньями любой подсистемы ЕГСЭМ являются:

• измерительная система (средства и методы измерения),
  
• информационная система (базы и банки данных),
  
• системы моделирования и оптимизации показателей наблюдаемых объектов),
  
• система восстановления и прогноза полей экологических и метеофакторов,
  
• система подготовки решений и доведения их (а также самой экологической информации) до потребителей.
  

Построение измерительного комплекса систем экологического мониторинга основывается на использовании точечного и интегрального методов измерений с помощью стационарных (стационарные посты наблюдения) и мобильных (автомобили – лаборатории) технических средств измерений.

Получение информации обеспечивается тремя группами приборов, измеряющими:

• фоновые показатели,
  
• фактические концентрации загрязняющих веществ вблизи источников загрязнения окружающей среды или в местах работы и проживания населения,
  
• метрологические характеристики.
  

Система экологического мониторинга предусматривает не только контроль состояния ОС и здоровья населения, но и возможность активного воздействия на ситуацию.


Появляется возможность управления источниками загрязнения на основании результатов математического моделирования деятельности промышленных объектов или регионов. Экологический мониторинг предусматривает также расчеты и разработку математических моделей промышленных объектов и территорий.

Моделирование обычно осуществляется на двух уровнях.

Первый уровень обеспечивает моделирование технологических процессов отдельных производств с учетом локальных влияний частных параметров этих процессов на окружающую среду.

Второй уровень обеспечивает эквивалентное моделирование на основе общих показателей работы группы промышленных объектов и степени их воздействия на окружающую среду.

Экологический контроль определяется в ст. 68 Закона РФ “Об охране окружающей природной среды” (от 19.12.91) как наблюдение за состоянием ОПС и ее изменением под влиянием хозяйственной и иной деятельности, а также как проверка выполнения планов и мероприятий по охране природы, рациональному использованию природных ресурсов, оздоровлению окружающей среды, соблюдению требований природоохранного законодательства и нормативов качества ОПС, осуществляемые системой экологического контроля, состоящей из государственной службы наблюдения (ЕГСЭМ), государственного, производственного и общественного контроля.

Экологический мониторинг в ст. 39 Закона определяется как наблюдение за происходящими в окружающей среде физическими, химическими, биологическими процессами, за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, за последствиями его влияния на растительный и животный мир, а также как обеспечение заинтересованных организаций и населения текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде, предупреждениями и прогнозами ее состояния.

Средства контроля окружающей среды (средства эко–аналитического контроля) – совокупность приборов и других технических приспособлений (устройств) для осуществления мониторинга загрязнений окружающей среды, к которым относятся: приспособления для отбора из объектов окружающей среды проб, их хранения, транспортировки, идентификации или непосредственного обнаружения загрязняющих веществ или физических факторов в контролируемой среде, а также устройств для обработки, отображения и передачи получаемой соответствующей информации.

Технология контроля окружающей среды – это совокупность методов (способов) и зафиксированная последовательность операций (процедур) осуществления наблюдений (измерений) показателей окружающей среды в процессе экологического мониторинга с помощью технических и иных средств для получения (производства) информации о состоянии окружающей среды и наличии в ней загрязнений, из характере, качественном составе и количественном содержании в объектах среды.

Загрязнение окружающей среды – это вызванное антропогенной деятельностью внесение (поступление) в окружающую среду или самопроизвольное возникновение (образование) в ней новых (нехарактерных) вредных химических веществ, физических факторов, биологических агентов, превышение за определенное время установленной нормы или естественного многолетнего среднего уровня их количественной характеристики в объеме окружающей среды.


Лекция 3. ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ПРОЦЕДУРЫ И ОПЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЦИКЛА ЭКОАНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОС.


Основные технологические процедуры экоаналитического контроля:

• выявление контролируемого объекта (уточнение источника загрязнения) по имеющимся жалобам, документам или в соответствии с полученной заявкой,
  
• первичное обследование объекта в форме выборочного краткосрочного наблюдения за ним с уточнением показателей загрязнения (идентификация), а также местонахождения, границ, внешних проявлений неблагополучия и определением точек или зон дальнейшего исследования (например, предварительные качественные исследования и полуколичественные измерения состава сточных вод на месте по наиболее вредным и опасным загрязняющим веществам (ЗВ) и интенсивно воздействующим физическим факторам (ФФ),
  
• формирование информационной модели контролируемого объекта (например, составление перечней контролируемых в сточных водах ЗВ и воздействующих на них ФФ, установление граничных значений уровней их фиксирования или измерения с заданной достоверностью и в привязке к месту, а также планирование эксперимента по изучению состояния и динамики контролируемого объекта (например, составление плана – графика измерений содержания ЗВ в сточных водах на месте или отбора их проб для последующего лабораторного анализа),
  
• длительные (систематические) наблюдения за объектом контроля (например, непрерывное или дискретное измерение концентраций ЗВ в сточных водах по спланированным показателям с отбором проб или без него) и оценка состояния контролируемого объекта в целом (сопоставление с нормами или ранее производимыми измерениями и возможное категорирование сточных вод по получаемым данным за период наблюдений,
  
• прогнозирование изменения состояния объекта контроля на основе информационной модели (ГИС) и экспериментально полученных эмпирических данных в зависимости от предполагаемых изменений внешних условий (например, увеличение или уменьшение загрязнения вод с изменением мощности производства, введения дополнительной очистки, замены технологий производственных процессов, замкнутого водооборота и т.д.),
  
• обработка и представление полученной информации в удобной и понятной форме и доведение ее до потребителя (отчет по результатам обследования, предоставляемый руководству предприятия или заказчику, например, в контрольную государственную службу или в местную администрацию или для общественной публикации и т.д.).
  

В рамках указанных процедур обычно осуществляются несколько технологических операций, повторение которых и составляет типовой технологический цикл экоаналитического контроля:

• поиск источника (выбор мета контроля) загрязнения или вредного воздействия,
  
• его первичная оценка на месте и/или отбор проб и доставка, к месту анализа,
  
• подготовка проб к анализу непосредственно в лаборатории,
  
• количественный анализ проб в лабораторных условиях,
  
• обработка и представление результатов анализа с оценкой показателей правильности и достоверности полученных результатов,
  
• планирование следующего цикла контроля.
  

Выбор места контроля загрязнения и поиск его источника с целью первичной оценки и/или отбора проб


Место для первичной оценки или отбора пробы выбирается в соответствии с целями анализа и на основании внимательного изучения всей имеющейся предварительной информации, а также натурного исследования местности или контролируемого объекта, причем должны учитываться все обстоятельства, которые могли бы оказать влияние на состав взятой пробы или результат первичной оценки наличия и уровня загрязнения (воздействия). В зависимости от вида анализируемой среды данная процедура имеет некоторые особенности.

При поиске точек отбора проб воды из поверхностных природных источников особенно внимательно надо отслеживать притоки реки и возможные источники загрязнения выше по течению от предполагаемого места первичной оценки ли пробоотбора.

Место выбора проб сточных вод оценивается и выбирается только после подробного ознакомления с технологией производства, потреблением и сбросом воды, местоположением цехов объекта, системой его канализации, назначением и работой отдельных элементов систем очистки.

Створы отбора и оценки проб устанавливают на водоемах примерно в 1 км выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территория населенного пункта), а на непроточных водоемах и водохранилищах – в 1 км в обе стороны от пункта водопользования.

Обычно принято отбирать пробы воды одного створа в 3 точках (у обоих берегов и в фарватере), но можно и в 1-2 точках (при ограниченных технических возможностях или на небольших водоемах) – в зависимости от характера водопользования и с учетом условий водного режима в данном пункте или распределения сточных вод в водоеме.

При централизованном водоснабжении в населенном пункте пробы воды из водоема можно брать в точке водозабора по глубине и по ширине реки. Для характеристики источника централизованного водоснабжения при существующем водозаборе допускается отбор и первичная оценка проб непосредственно после насосов первого подъема.

Поиск и выбор места отбора, а также первичной оценки проб воздуха (как в отношении других сред) проводят в предполагаемых зонах максимального загрязнения окружающей природной среды (например, в факеле выброса и в зонах его возможного прохождения на расстоянии до объекта от сотен метров до нескольких километров, обычно на высоте до 1,5 м от земли) или непосредственно вблизи нахождения людей и других биообъектов, для которых данный выброс может оказаться вредным или опасным.

В рабочей зоне пробы воздуха следует отбирать в местах постоянного или максимально длительного пребывания людей, при характерных производственных условиях с учетом особенностей технологического процесса, уровня, физико-химических свойств, а также класса опасности и биологического действия выделяющихся химических загрязняющих веществ или физических факторов воздействия, температуры и влажности окружающей среды.

Места для отбора пробы воздуха в рабочей зоне выбирают с учетом технологических операций, при которых возможно наибольшее выделение в воздух рабочей зоны вредных веществ, например:

• у аппаратуры и агрегатов в период наиболее активных химических, термических и иных процессов в них,
  
• на участках загрузки и выгрузки веществ, затаривания готовой продукции,
  
• на участках внутренней транспортировки сырья, полуфабрикатов и продукции,
  
• на участках размола и сушки сыпучих, пылящих материалов и веществ, у наиболее вероятных источников выделений при перекачке жидкостей и газов (насосные, компрессорные) и др.,
  
• в местах отбора технологических проб, необходимых для целей технического анализа.
  

Часто учитывают свойства веществ и класс опасности, устанавливая следующую периодичность отборки и анализа проб:

• для первого класса – не реже одного раза в 10 дней,
  
• для второго класса – не реже, чем ежемесячно,
  
• для третьего и четвертого класса – не реже чем один раз в квартал.
  

При выборе мест отбора проб почвы и их первичной оценки обычно учитывают два главных параметра:


1) размер (площадь) элементарного участка, с которого отбирают смешанный почвенный образец, отражающий средний уровень загрязнения почвы,


2) ключевой участок, являющийся наименьшей геоморфологической единицей ландшафта, в достаточной мере отражающей генезис (тип, подтип) свойств почв.


В пределах ключевого участка выделяют элементарные участки, размеры которых зависят от расстояния до источника загрязнения почвы Обычно руководствуются правилом: чем дальше от источника, тем больше должна быть площадь элементарного участка. Кроме того, в пределах определенного элементарного участка выбирают также рабочую площадку, именно с которой и отбирают пробы почв для составления смешанного почвенного образца. Если размер элементарного участка сравнительно велик, а почвенный покров сложен, то в пределах участка выделяют несколько пробных рабочих площадок (обычно 2-3).

За рациональный размер рабочей площадки обычно принимают площадь около 1 га (100 х 100 м). Вокруг предприятия площадки намечают следующим образом: в радиусе 1,5 – 2,5 км (зона наибольшей загрязненности) по 8 направлениям – румбам (хотя и не обязательно строго по азимуту), в радиусе 2,5 – 5 км (зона значительного влияния) – по 10 – 12 румбам, в радиусе 5 – 10 км (зона обычно фиксируемого влияния объекта) по 16 – 24 румбам. В таком случае пробные площадки оказываются друг от друга на равномерном расстоянии 1,5 – 2 км.

Представленная схема носит рекомендательный характер, поскольку в природных условиях положение элементарных участков и количество пробных площадок зависит от ландшафтно – геохимических особенностей территории. При сильном загрязнении вокруг мощных предприятий в направлении господствующих ветров территорию обследуют на расстоянии до 20 – 30 км, а в направлении наименьшей повторяемости и силы ветров – примерно в 2 раза меньше.

Выбор места для отбора проб биоты является специфической задачей биомониторинга. Данная процедура имеет принципиальную особенность – индикационный характер поиска места для такого пробоотбора. Он заключается в том, что наблюдения за показаниями состояния растительности и животного мира должно показывать исследователю, где ему отбирать пробы биообъектов для последующего анализа на предмет их загрязненности.

В операцию поиска источника или места пробоотбора часто также включается задача идентификации характера воздействия или загрязняющего вещества (установление его природы, расшифровка состава основных компонентов смеси). При отсутствии технической возможности или необходимости в идентификации она должна заменяться более простой задачей обнаружения, т. е. подтверждения факта наличия загрязняющего вещества в среде. В случае обнаружения вредного физического фактора целесообразно сразу проводить количественное измерение его уровня.


Эти задачи должны решаться максимально экспрессно (т.е. за минимальный промежуток времени), сопоставимо по времени с пробоотбором. От быстроты первичной оценки при обнаружении источника загрязнения или воздействия вредного ФФ зависит не только длительность, (а значит и экономичность) вышеуказанных процедур, но часто и безопасность персонала, их проводящего (в случае анализа “супертоксикантов”, радиации и других особо вредных химических веществ и факторов, а также при обследовании особо опасных производственных и иных объектов). Характер работы технического средства контроля в режиме обнаружения по возможности должен быть следящим (непрерывным или хотя бы периодическим, но с минимальным временем паузы между повторяющимся циклом анализа).

Применяемые методы и технические средства должны быть способны обнаруживать максимально специфично (т.е. избирательно по отношению к искомому ЗВ или ФФ на фоне мешающих примесей или других имеющихся факторов). В случае идентификации требование о специфичности средства заменяется требованием, чтобы техническое средство было селективно, т. е. способно одновременно (или последовательно) различать в анализируемой среде несколько даже похожих по свойствам веществ (факторов).

Еще одной значимой характеристикой вещества является также его чувствительность, т.е. способность фиксировать минимально возможные концентрации ЗВ или уровни ФФ. Это свойство метода экоаналитического контроля наряду с экспрессностью и специфичностью входит в классическую триаду важнейших свойств средства контроля.

Если при проведении процедуры обнаружения сигнал о наличии ЗВ или ФФ отсутствует, необходимо как можно раньше (в целях безопасности и экономии времени) принять решение об осуществлении контроля в другом месте по тому же показателю (или перестройке средства – замене индикаторного элемента на иное вещество или фактор).

В случае решения задачи идентификации главной характеристикой технического средства в этом случае является его селективность (даже в ущерб чувствительности). Данная задача является сегодня одной из наиболее сложных и трудно решаемых на месте. Обычно идентификацию проводят в стационарной лаборатории, оснащенной всем арсеналом современных технических средств.

При неавтоматизированном режиме обнаружения обычно используются портативные средства экспрессного контроля.

Для воздуха – индикаторные трубки, экспресс–тесты на основе индикаторных бумажек или пленок, другие индикаторные элементы.

Для воды и вытяжек из почвы – это тесты или тест–комплексы, а также микро(мини)–портативные переносные лаборатории с упрощенным (обычно качественные или полуколичественные) операциями анализа.

Для автоматического обнаружения обычно применяют малогабаритные сенсоры и другие чувствительные элементы – устройства, обладающие свойствами быстродействующего первичного преобразования контролируемого параметра окружающей среды в аналитический сигнал (изменение окраски, перепад электрического тока, напряжения или другого фиксируемого показателя), т.е. являющиеся сигнализаторами. Выполнив задачу обнаружения (или идентификации) ЗВ, средства выдают информацию, необходимую для принятия решения о проведении следующей операции – пробоотбора.


Отбор проб объектов загрязненной среды


Прежде всего необходимо отметить, что химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу. Все стадии анализа связаны между собой. Так, тщательно измеренный аналитический сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компонента, если неправильно проведен отбор или подготовка пробы к анализу. В большинстве случаев именно отбор и подготовка пробы к химическому анализу лимитирует надежность и, в целом, качество получаемых результатов, а также трудоемкость и длительность аналитического цикла.

Погрешность при пробоподготовке и отборе пробы часто определяет общую ошибку определения компонента и делает бессмысленным использование высокоточных методов. В свою очередь отбор и подготовка пробы зависят не только от природы анализируемого объекта, но и от способа измерения аналитического сигнала. Приемы и порядок отбора пробы настолько важны при проведении химического анализа, что обычно предписываются Государственным стандартом.


Отбор проб воды

Чаще всего на водоеме отбираются так называемые разовые пробы. Однако при обследовании водоема может возникнуть необходимость отбора и серий периодических и регулярных проб — из поверхностного, глубинного, придонного слоев вод и т.д. Пробы могут быть отобраны также из подземных источников, водопровода и т.п. Усредненные данные о составе вод дают смешанные пробы.

В нормативных документах (ГОСТ 24481, ГОСТ 17.1.5.05. ИСО 5667-2 и др.) определены основные правила и рекомендации, которые следует использовать для получения репрезентативных проб. Репрезентативной (от англ. representative – представительный, показательный) считается такая проба, которая в максимальной степени характеризует качество воды по данному показателю, является типичной и не искаженной вследствие концентрационных и других факторов. Различные виды водоемов (водоисточников) обуславливают некоторые особенности отбора проб в каждом случае.

Пробы из рек и водных потоков отбирают для определения качество воды в бассейне реки, пригодности воды для пищевого использования, орошения, для водопоя скота, рыборазведения, купания и водного спорта, установления источников загрязнения.

Для определения влияния места сброса сточных вод и вод притоков, пробы отбирают выше по течению и точке, где произошло полное смешение вод. Следует иметь в виду, что загрязнения могут быть неравномерно распространены по потоку реки, поэтому обычно пробы отбирают в местах максимально бурного течения, где потоки хорошо перемешиваются. Пробоотборники помещают вниз по течению потока, располагая на нужной глубине.

Пробы из природных и искусственных озер (прудов). Учитывая длительность существования озер, на первый план выступает мониторинг качества воды в течение длительного периода времени – несколько лет, а также установление последствий антропогенных загрязнений воды (мониторинг ее состава и свойств). Качество воды в водоемах (как озерах, так и реках) носит циклический характер, причем наблюдается суточная и сезонная цикличность. По этой причине; ежедневные пробы следует отбирать в одно и тоже время суток, а продолжительность сезонных исследований должны быть не менее 1 года, включая исследования серий проб, отобранных в течение каждого времени года.

Пробы влажных осадков (дождя и снега) чрезвычайно чувствительны к загрязнениям, которые могут возникнуть при использовании недостаточно чистой посуды, попадании инородных (не атмосферного происхождения) частиц и др. Считается, что пробы влажных осадков не следует отбирать вблизи источников значительных загрязнений атмосферы — например, котельных или ТЭЦ, открытых складов материалов и удобрений, транспортных узлов и др. В подобных случаях проба будет испытывать значительное влияние указанных локальных источников антропогенных загрязнений.


Образцы осадков собирают в специальные емкости, приготовленные из нейтральных материалов. Дождевая вода собирается при помощи воронки (диаметром не менее 20 см) в мерный цилиндр (или непосредственно в ведро).

Отбор проб снега обычно проводят, вырезая керны на всю глубину (до земли), причем делать это целесообразно в конце периода обильных снегопадов (в начале марта).

Пробы грунтовых вод отбирают для определения пригодности грунтовых вод в качестве источника питьевой воды, а также для технических или сельскохозяйственных целей; для определения влияния на качество грунтовых вод потенциально опасных хозяйственных объектов; при проведении мониторинга загрязнителей грунтовых вод.

Грунтовые воды изучают, отбирая пробы из артезианских скважин, колодцев, родников. Следует иметь в виду, что качество воды в различных водоносных горизонтах может значительно различаться, поэтому при отборе пробы грунтовых вод следует оценить доступными способами глубину горизонта, из которого отобрана проба, возможные градиенты подземных потоков, информацию о составе подземных пород, через которые пролегает горизонт. Поскольку в точке отбора пробы могут создаться концентрации различных примесей, отличные от их концентраций в водоносном слое, необходимо откачивать из скважины (или из родника, делая в нем углубление) воду в количестве, достаточном для обновления воды в скважине, водопроводе, углублении и т.п.

Пробы воды uз водопроводных сетей отбирают в целях определения общего уровня качества водопроводной воды, поиска причин загрязнения распределительной системы, контроля степени возможного загрязнения питьевой воды продуктами коррозии и др.

Для получения репрезентативных проб при отборе проб воды из водопроводных сетей соблюдают следующие правила:

отбор проб проводят после спуска воды в течение 10-15 мин — времени, обычно достаточного для обновления воды с накопившимися загрязнителями;

для отбора не используют концевые участки водопроводных сетей, а также участки с трубами малого диаметра (менее 1,2 см);

для отбора используют, по возможности, участки с турбулентным потоком – краны вблизи клапанов, изгибов;

при отборе проб вода должна медленно течь в пробоотборную емкость до ее переполнения.

При отборе проб следует обращать внимание (фиксировать в протоколе) на сопровождавшие отбор проб гидрологические и климатические условия, такие как осадки и их обилие, паводки, застойность водоема и др.

Посуда для отбора проб должна быть чистой. Чистота посуды обеспечивается предварительным мытьем ее горячей мыльной водой (стиральные порошки и хромовую смесь не использовать!), многократным споласкиванием чистой теплой водой. В дальнейшем для отбора проб желательно использовать одну и ту же посуду. Сосуды, предназначенные для отбора проб, предварительно тщательно моют, ополаскивают не менее трех раз отбираемой водой и закупоривают стеклянными или пластмассовыми пробками, прокипяченными в дистиллированной воде. Между пробкой и отобранной пробой в сосуде оставляют воздух объемом 5-10 мл. В общую посуду отбирают пробу на анализ только тех компонентов, которые имеют одинаковые условия консервации и хранения.


Отбор проб воздуха

Универсального способа пробоотбора, позволяющего одновременно улавливать из воздуха все загрязняющие вещества, не существует. Выбор адекватного способа отбора определяется, прежде всего, агрегатным состоянием веществ, а также их физико-химическими свойствами.


В воздухе загрязняющие компоненты могут находиться в виде газов (NO, NO₂, CO, SO₂), паров (преимущественно органических веществ с температурой кипения до 230-250 ⁰С), аэрозолей (туман, дым, пыль). Иногда вещества могут находиться в воздухе одновременно в виде паров и аэрозолей. Это преимущественно жидкости с высокой температурой кипения (дибутилфталат, капролактам и др.). Попадая в воздух, их пары конденсируются с образованием аэрозоля конденсации. Аэрозоли конденсации образуются также при некоторых химических реакциях, приводящих к появлению новых жидких или твердых фаз. Например, при взаимодействии триоксида серы с влагой образуется туман серной кислоты; аммиак и хлороводород образуют дым хлорида аммония.

Правильное установление агрегатного состояния вредного вещества в воздухе способствует правильному выбору фильтров и сорбентов и уменьшению погрешности определения, связанной с пробоотбором. Для предварительной оценки агрегатного состояния примесей в воздухе необходимо располагать сведениями об их летучести – максимальной концентрации паров, выраженной в единицах массы на объем воздуха при данной температуре.


Летучесть L (мг/л) рассчитывают по формуле:


L = 16 × P× M /(273 + t),


где P – давление насыщенного пара при данной температуре, мм. рт. ст.; M - молекулярная масса вещества; t – температура, 0С.

При классификации вредных веществ по их агрегатным состояниям в воздухе необходимо учитывать помимо летучести их предельно-допустимые концентрации (ПДК). Например, ртуть по сравнению с бутилацетатом можно считать малолетучей жидкостью; летучести этих веществ при 20 ⁰С соответственно равны 15 и 20 000 мг/м³. Однако в связи с большой разницей в ПДК (0,01 и 200 мг/ м³ соответственно) максимальное содержание в воздухе малолетучей ртути при 20 ⁰С может превышать санитарную норму в 1500 раз, а содержание паров бутилового спирта только в 250 раз. Поэтому агрегатное состояние рекомендуется оценивать по отношению летучести вещества при 20 ⁰С к его ПДК. Если относительная летучесть вещества (например, серной кислоты) ниже ПДК в 10 и более раз, то наличием паров можно пренебречь. В этом случае определяют лишь содержание в воздухе аэрозоля. При значительном превышении ПДК (в 50 и более раз) определяют только пары (например, нафталин). К парам и аэрозолям следует относить вещества, летучесть которых при 20 0С составляет от 10 до 50 ПДК.

При проведении санитарно-химических исследований на производстве пробы отбирают преимущественно аспирационным способом путем пропускания исследуемого воздуха через поглотительную систему. Минимальная концентрация вещества, поддающаяся четкому и надежному определению, зависит от количества отбираемого воздуха.

Оптимальный объем воздуха V, необходимый для определения токсической примеси с заданной точностью, можно просчитать по следующей формуле:


V = a × V₀ / V_п× К × С,


Где а – нижний предел обнаружения в анализируемом объеме пробы, мкг; V₀ – общий объем пробы, мл; V_п – объем пробы, взятой для анализа, мл; С – предельно допустимая концентрация, мг/м³; К – коэффициент, соответствующий долям ПДК (1/2, 1 ПДК и т.д.).


Многообразие вредных веществ и агрегатных состояний в воздухе обусловливает использование различных поглотительных систем, обеспечивающих эффективное поглощение микропримесей.


Отбор проб в жидкие среды

Отбор парогазовых веществ в жидкие поглотительные среды – наиболее распространенный способ. Анализируемые вещества растворяются или вступают в химическое взаимодействие с поглотительной средой (хемосорбция), которая обеспечивает полноту поглощения за счет образования нелетучих соединений. При этом упрощается подготовка пробы к анализу, который обычно проводят в жидкой фазе.

Отбор проб в растворы осуществляют аспирацией исследуемого воздуха через поглотительный сосуд с каким-либо растворителем (органические растворители, кислоты, спирты, вода, смешанные растворы). Скорость пропускания воздуха может меняться в широких пределах – от 0,1 до 100 л/мин.

Полнота поглощения зависит от многих факторов, в том числе от конструкции поглотительных сосудов. Наибольшее распространение получили абсорберы со стеклянными пористыми пластинками, поглотительные сосуды Рыхтера, Зайцева.

Для физической адсорбции важно, чтобы поверхность соприкосновения фаз была наибольшей. В поглотителях с пористой пластинкой этот эффект достигается за счет уменьшения пузырьков воздуха при прохождении его через пористый фильтр, вследствие чего увеличивается контакт воздуха с раствором, а скорость аспирации может быть повышена до 3 л/мин.

Увеличение поверхности контакта может быть достигнуто также в результате увеличения длины пути прохождения пузырьков воздуха через раствор. Так, в поглотительных сосудах Зайцева высота столба растворителя составляет около 10 см. Однако предельная скорость аспирации не превышает 0,5-0,6 л/мин.

При отборе проб в поглотительные сосуды Рыхтера, в которых используют эффект эжекции, скорость аспирации воздуха может достигать 100 л/мин.

Более эффективным является поглощение, основанное на химических реакциях исследуемых веществ с поглотительной жидкостью. Например, для поглощения аммиака и аминов применяют разбавленную серную кислоту, для поглощения фенола – раствор щелочи.

Для проверки эффективности работы поглотительного сосуда к нему присоединяют последовательно еще один или два поглотителя. Пробу воздуха с известным содержанием вредного вещества пропускают через все абсорберы и затем поглотительные растворы из каждого сосуда анализируют.

“Проскок” К (в %) вычисляют по формуле:


К = А₂ /(А₁ + А₂) × 100,


где А₂ – масса вещества во втором абсорбере, мкг; А₁ – масса вещества в первом абсорбере, мкг.


Степень поглощения Э (в %) вычисляют по формуле:


Э = 100 – К.


Эффективность поглощения считают достаточной, если в первом сосуде абсорбировалось около 95 % исследуемого вещества.


Отбор проб на твердые сорбенты


Гранулированные сорбенты для отбора паров химических веществ из воздуха начали применять в конце 60-х годов в связи с широким развитием газовой хроматографии.

Способ отбора проб воздуха в жидкости для газохроматографического анализа в большинстве случаев неприемлем, так как не позволяет проводить концентрирование веществ из большого объема воздуха вследствие улетучивания растворителей и связанных с этим потерь анализируемых веществ.

Применение твердых сорбентов дает возможность увеличить скорость пропускания воздуха (по сравнению с пропусканием через жидкость) и за короткое время накопить исследуемое вещество в количестве, достаточном для его определения. Твердые сорбенты позволяют также осуществлять избирательную сорбцию одних веществ в присутствии других, кроме того, твердые сорбенты удобны как в работе, так и при транспортировке и хранении отобранных проб.

Твердые сорбенты, применяемые для отбора проб воздуха, должны обладать механической прочностью, иметь небольшое сродство к водяным парам (т.е. плохо сорбировать их), легко активироваться, иметь максимальную сорбционную способность по отношению к анализируемым веществам, а при анализе легко десорбировать поглощенное вещество, иметь однородную структуру поверхности.

Для анализа воздуха применяют три группы твердых адсорбентов, однако, ни один из сорбентов не является универсальным. Первая группа представляет собой гидрофильные неорганические материалы типа силикагелей и молекулярных сит. Вторая группа – гидрофильные неорганические материалы – активные угли. К третьей группе относят синтетические макропористые органические материалы с высокой степенью гидрофобности и небольшой удельной поверхностью – это пористые полимеры.

Силикагели. Силикагели(SiO₂× xH₂O) представляют собой гидрофильные сорбенты с высокоразвитой капиллярной структурой геля. Адсорбционная способность силикагеля обусловлена наличием на его поверхности силанольных групп Si-OH, способных к образованию водородных связей с молекулами сорбата. Силикагели избирательно поглощают примеси полярных соединений, таких как амины, спирты, фенол, альдегиды и аминоспирты. Однако этот адсорбент применяют в практике анализа загрязнений реже, чем активный уголь и полимерные сорбенты. Это обусловлено его гидрофильностью, что приводит к значительному снижению сорбционной емкости ловушек.

Активный уголь. Угли являются неполярными сорбентами с сильно развитой пористой структурой. Удельная поверхность активного угля достигает 1000 м²/г, уголь способен прочно удерживать большинство органических соединений и некоторые неорганические газы при обычной температуре. Воздух пропускают со скоростью 0,1-1,0 л/мин. Эффективность улавливания составляет 80-100%, а адсорбционная емкость сорбента может достигать сотен мг.

Активные угли избирательно поглощают углеводороды и их производные, ароматические соединения, слабее – низшие алифатические спирты, карбоновые кислоты, сложные эфиры. Сконцентрированные на активном угле примеси удерживаются очень прочно, и десорбировать их при нагревании практически невозможно. Для извлечения примесей из ловушек с активным углем используют экстракцию.

Полимерные сорбенты. В условиях повышенной влажности применение активного угля и силикагеля для отбора проб становится практически невозможным. В этом случае рекомендуется применять полимерные пористые сорбенты, такие как порапаки, хромосорбы, полисорбы, тенакс и др.

Пористые полимеры инертны, гидрофобны, обладают достаточно хорошо развитой поверхностью, эффективно улавливают из воздуха примеси вредных веществ и не менее легко отдают их при термодесорбции. Успешно применяют для улавливания из воздуха примесей с большой молекулярной массой и таких опасных приоритетных загрязнителей, как пестициды, диоксины. Эффективность улавливания на полимерных сорбентах составляет 88-100 %. Недостатком является плохая адсорбция газов и паров низкомолекулярных соединений.

Для концентрирования вредных веществ из воздуха в качестве адсорбентов применяют также непористые адсорбенты – карбонат калия, сульфат меди, хлорид кальция и др. Преимуществом таких адсорбентов является высокоэффективная десорбция сконцентрированных микропримесей, в том числе одновременное переведение в раствор как самого сорбента, так и адсорбированных на его поверхность химических веществ.

Для быстрого и эффективного отбора микропримесей используют пленочные сорбенты, представляющие собой стеклянную крошку с размером зерен 3-5 мм, обработанную раствором, образующим пленку. Такой тип адсорбентов применяют для концентрирования из воздуха диметиламина, хлороводорода, фтороводорода и др.

Криогенное концентрирование

Применяют при отборе из воздуха нестабильных и реакционноспособных соединений. Техника криогенного концентрирования сводится к пропусканию исследуемого воздуха через охлаждаемое сорбционное устройство с большой поверхностью, например, через стальные или стеклянные трубки, заполненные инертным носителем (стеклянными шариками, стеклянной ватой). В качестве хладогентов используют следующие смеси:

лед – вода (0 ⁰С);

лед – хлорид натрия (-16 ⁰С);

твердая углекислота – ацетон (-80 ⁰С);

жидкий азот (-185 ⁰С).

Степень обогащения пробы целевыми компонентами может быть при этом очень высокой (100-1000 раз и более). Однако применение такого способа извлечения примесей из воздуха затрудняет предварительное удаление влаги, которая, конденсируясь в ловушках, мешает газохроматографическому определению примесей и увеличивает предел их определения. Эффективность криогенного извлечения примесей из воздуха очень высока от 91 до 100 %.


Хемосорбция

Хемосорбция представляет собой адсорбцию, сопровождающуюся химическим взаимодействием поглощаемого вещества и сорбента, обработанного соответствующим растворителем (реагентом). Хемосорбция протекает очень быстро, поэтому адсорбируются незначительные количества загрязняющих веществ. Примером использования для аналитических целей хемосорбентов являются индикаторные трубки. В качестве носителей в индикаторных трубках используют силикагель, оксид алюминия, фарфор, стекло, хроматографических сорбенты. Определение основано на линейно-колористическом принципе, отражающем зависимость длины окрашенного слоя от концентрации вещества. Концентрацию находят по шкале, прилагаемой или нанесенной на трубку.

Отбор проб в контейнеры

Этот метод рекомендуется для летучих веществ, содержащихся в воздухе в значительных концентрациях, а также при использовании для анализа метода газовой хроматографии, обладающего достаточно высокой чувствительностью. Для отбора проб воздуха применяют шприцы, газовые пипетки и бутыли.

К ограничениям этого метода отбора можно отнести следующие:

• ограниченный набор определяемых соединений;
  
• ограничение предела обнаружения примесей;
  
• сорбция компонентов на стенках контейнеров;
  
• возможность протекания химических реакций при хранении пробы в контейнере в присутствии влаги и кислорода воздуха.
  

Концентрирование на фильтрах


Вещества, находящиеся в воздухе в виде высокодисперсных аэрозолей (дымов, туманов, пыли), концентрируют на различных фильтрующих волокнистых материалах: перхлорвиниловой ткани, ацетилцеллюлозе, полистироле, стекловолокне. Перспективными являются фильтры, состоящие из волокнистого фильтрующего материала, импрегнированного тонкодисперсным активным углем. Большой интерес также представляют фильтры, импрегнированные твердым сорбентом, с добавлением химических реагентов.

Так, для улавливания паров и аэрозолей ртути и паров иода используют фильтры, в качестве основы которых используют ткань, на которую нанесен сорбент, обработанный нитратом серебра (для иода) и иодом (для ртути).

Фильтры позволяют проводить отбор проб воздуха как при положительных, так и при отрицательных температурах и высоких скоростях аспирации воздуха.

Таким образом, следует еще раз отметить, что отбор проб воздуха является существенным этапом в исследовании, так как результаты самого точного тщательно выполненного анализа теряют всякий смысл при неправильно проведенном отборе проб. Выбор адекватного способа отбора определяется, прежде всего, агрегатным состоянием веществ, а также их физико-химическими свойствами.


Отбор проб почвы

Точечные пробы отбирают методом конверта по диагонали или другим способом, следя за тем, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы, типичной для исследуемых почвенных горизонтов и ключевых участков.

Метод конверта является наиболее распространенным способом отбора смешанных почвенных образцов и чаше всего применяются для исследования почвы гумусового горизонта. При этом из точек контролируемого элементарного участка (или каждой рабочей пробоотборной площадки) берут 5 образцов почвы. Точки должны быть расположены так, чтобы мысленно соединенные прямыми линиями, давали рисунок запечатанного конверта (длина стороны квадрата может составлять от 2 до 5 – 10 м). Обычно при изучении почвы отбирают пробы гумусового горизонта с глубины около 20 см., что соответствует штыку лопаты. Из каждой точки отбирают около 1 кг (по объему около 0,5 л), но не менее 0,5 кг почвы. Почвенные образцы упаковывают в полиэтиленовые или полотняные мешочки и прилагают к ним этикетки (сопроводительные талоны).

Объединенную пробу почвы готовят из точечных проб. При определении в почве поверхностно – распределяющихся веществ (ПАУ, тяжелые металлы, радионуклиды и др.) точечные пробы обычно отбирают с помощью трубчатого пробоотборника послойно на глубине 0,5 и 20 см массой до 0,2 кг. При оценке загрязнения почвы летучими соединениями или веществами с высокой способностью к вертикальной миграции (нитрозоамины) пробы отбирают по всей глубине почвенного профиля в герметично закрывающиеся емкости. При невозможности быстрого анализа на месте пробы хранят в условиях, как правило, описанных в методиках анализа.

Определенные трудности возникают при отборе почвы для радиологических исследований, что связано с перераспределением радионуклидов в ландшафтах после поступления из атмосферы. Для снижения влияния рельефа, вида почв и растительности, а также возможности сравнения данных, отбор образцов должен производиться таким образом, чтобы их радиоактивность характеризовала как можно большую территорию, а места отбора были ограничены участками с горизонтальной поверхностью и минимальным стоком. Кроме того, образцы радиоактивных проб должны отбираться с открытых целинных участков в ненарушенной структурой. На обследуемом участке желательно выполнить предварительную гамма – радиометрическую съемку.


Измерения рекомендуется производить на высоте 1 м от поверхности и не ближе 2 – 5 м от стен строений. Одновременно с радиоактивными образцами почвы отбирают и пробы растительности. При изучении миграции радионуклидов в наземных экосистемах каждого ландшафта выбирают наиболее характерные участки на протяжении всего профиля от водораздела к пониженным элементам рельефа. Для отбора образцов закладывают разрезы размером 70х150 см и глубиной 1 – 2 м (в зависимости от типа почв) и отбирают пробы по горизонтали непрерывно по всему разрезу. Толщина отбираемых для радиометрических анализов слоев обычно не превышает 2 – 5 см.

Специфической процедурой является отбор проб с твердых, гладких и не сорбирующих поверхностей (глина, стекло, кафель, пластмасса, металл, лакокрасочные покрытия и др.). Для этой цели применяют ватно – марлевые или ватные тампоны, смоченные водой или органическим растворителем. Иногда берут мазки или смывы со стен, полов, окон производственных помещений (с площади примерно 0,5 м2), а с поверхности зданий соскабливают внешний слой покрытия толщиной 1 – 2 мм с площади 0,1 – 0,25 м².


Отбор проб донных отложений


Донные отложения отбирают для определения характера, степени и глубины проникновения в них ЗВ, изучения закономерностей процессов самоочищения, выявления источников вторичного загрязнения и учета воздействия антропогенного фактора на водные экосистемы.

Проба при этом должна характеризовать не столько донные грунты, сколько водный объект или часть за определенный промежуток времени. В водоемах и водотоках точки отбора проб выбирают с учетом распределения донных отложений и их перемещения. Отбор таких проб обязателен в местах максимального накопления донных отложений (места сброса сточных вод и впадения боковых потоков, приплотинные участки водохранилищ), а также в местах, где обмен загрязняющими веществами между водой и донными отложениями наиболее интенсивен (судоходные фарватеры рек, перекаты, участки ветровых волнений). При оценке влияния сточных вод на степень загрязненности донных отложений и динамики накопления ЗВ в них пробы отбирают выше и ниже места сброса в характерные фазы гидрологических режимов изучаемых водных объектов.

Способ отбора проб донных отложений выбирают в зависимости от свойств определяемых веществ и поставленной задачи. Для оценки сезонного поступления ЗВ и их поверхностного распределения в донных отложениях проб отбирают из верхнего слоя, а при исследовании распределения ЗВ по годам донные отложения отбирают послойно. При этом пробы, отобранные на различных горизонтах, помещают в разную посуду. Отобранные пробы хранят в охлажденном состоянии (от 0 до –3оС) или в замороженном состоянии (до –20^оС).


Отбор проб растительности

При отборе проб растительности обычно предполагается, что большинство ЗВ оседают на поверхности растительного образца и находятся там в подвижной форме. Частички пыли или почвы, содержащие ЗВ, прилипают прежде всего к листьям, стеблям и плодам, покрытым воскообразным веществом. Рекомендуется отбирать растения, не подвергавшиеся химической обработке. При этом целые растения или их части следует собирать в поле, где они находятся в естественном окружении. Для веществ, которые попадают в растения из почвы (хлорорганические соединения, тяжелые металлы, радионуклиды), необходимо учитывать тот факт, что определяемые соединения могут прочно связываться с внутренними тканями растения. Для их выделения из матриц следует применять специальные методы.


Отбор травы с пастбищ или сенокосных угодий производят непосредственно перед выпасом животных или скашиванием ее на корм. Для этого выделяют 8 – 10 участков площадью 1 – 2 м2, расположенных по диагонали. С каждого участка берут по 400 – 550 г и готовят объединенную пробу массой 1 – 1,5 кг. При отборе образцов мелких растений следует брать в лабораторию все растение полностью. Пробы корнеплодов и фруктов берут из одной партии. Из точечных проб составляют объединенную пробу массой 1 – 1,5 кг. Пробы зерна отбирают в 4 – 8 точках из различных из различных мешков. Объединенная проба должна быть не менее 2 кг и хорошо перемешана.


Отбор проб животного происхождения

К отбору проб животного происхождения, в которых предполагается наличие следовых количеств ЗВ, предъявляют особые, дополнительные требования. Важно, чтобы проба была репрезентативной для всего исследуемого организма (человека или животного). В частности, в пробах крови, взятых из различных органов, часто обнаруживаются существенные различия. По этой причине необходимо особенно точно указывать условия отбора проб, в том числе и место отбора в организме. Следует также указывать особенности биологии исследуемых видов, стадию их развития и степень контактов с природной средой.

Пробы тканей могут отбираться отдельно для каждой из особей, как это рекомендуется при обследовании крупных животных, либо усредняются в единый образец.

Моллюсков собирают из расположенных в обследуемом районе водоемов: водохранилищ, прудов, озер, рек, ручьев (желательно по одной пробе из каждого водоема). Каждая проба должна содержать особи одного вида: по 5 – 8 экземпляров половозрелых животных (40 – 80 мм) с общим весом без раковин не менее 50 г. Отобранных моллюсков помещают на фильтровальную бумагу и после удаления заворачивают в фольгу или кальку. Пробы также хранятся до анализа замороженными. Раковины отбирают и анализируют отдельно. Если обследуется один водоем, то пробы собирают с пяти створов, расположенных в разных местах этого водоема.

Для отбора проб тканей рыб их вылавливают в летний период. Отбирают пять экземпляров взрослых щук или окуней (если этих видов нет, то других хищников, обитающих в исследуемом водоеме). Для определения возраста измеряются длина рыб и снимается чешуя, которую упаковывают отдельно. Отбираются пробы мышц с боков и хвоста рыбы, а также икра или молоки.

Иногда для контроля за содержанием ЗВ в воде, в местах сброса сточных вод вылавливают придонных рыб (карп, лещ). В этом случае желательно тех же местах отобрать для обследования и моллюсков.

Особого внимания требуют процедуры отбора крови. Для предотвращения загрязнения тканевой жидкостью существенно, чтобы отбирались пробы только свободно вытекающей крови. На состав образца влияет и положение человека (крупного животного) в ходе отбора пробы. В положении лежа внеклеточная жидкость устремляется в кровеносные сосуды, разбавляя тем самым белки плазмы крови, при этом изменяя концентрации определяемых компонентов могут достигать 20 % и давать ошибочные результаты анализа. При необходимости хранения проб длительное время возникает проблема их стабильности вследствие процессов коагуляции. Следует немедленно после отбора добавить антикоагулянт.

Отбор замороженного или охлажденного мяса производят из однородной партии. Пробу мяса (без жира) от туш берут кусками массой не менее 200 г в области шейных позвонков, лопатки, бедра, мышц спины. Общая масса пробы 1 – 2 кг. В таком же количестве отбирают и образцы исследуемых субпродуктов. При отборе проб мяса птицы из каждой партии отбирают по три тушки. Аналогично отбирают и мясо кроликов. При необходимости пробы замораживают.


Пробы молока берут после тщательного перемешивания, добиваясь полной однородности и не допуская сильного вспенивания. Из серии точечных проб составляют объединенную, объемом 1 л. До начала анализа пробы хранят при температуре +2 - +8 оС. При длительном хранении молоко замораживают.

Важно, чтобы количественные параметры любой пробы фиксировались достаточно точно (т. е. с минимальной погрешностью измерения), а сам пробоотбор был максимально экспрессным (например для воздуха – не более 20 – 30 мин, а в рабочей зоне 15 мин.).

Важна также гомогенность пробы отбираемого материала (или потока среды). Рекомендуется отбирать несколько одинаковых проб (минимально 2 – 3, а в рабочей зоне до 5) в одной и той же точке пробоотбора. Количество пробы должно быть достаточным (в соответствии с применяемой методикой анализа).

Все измеряемые характеристики (масса, объем, время, место пробоотбора), а также исходные климатические и другие рабочие условия должны тщательно протоколироваться.