Полевые методы экологического мониторинга
СОДЕРЖАНИЕ: Изучение выбора места контроля загрязнения и поиска его источника с целью первичной оценки или отбора проб. Отбор проб объектов загрязненной среды (воды, воздуха, почвы, донных отложений, растительности, животного происхождения). Средства контроля почв.Содержание
1. Выбор места контроля загрязнения и поиск его источника с целью первичной оценки и/или отбора проб
2. Отбор проб объектов загрязненной среды
2.1 Отбор проб воды
2.2 Отбор проб воздуха
2.3 Отбор проб почвы
2.4 Отбор проб донных отложений
2.5 Отбор проб растительности
2.6 Отбор проб животного происхождения
2.7 Стабилизация, хранение, и транспортировка проб для анализа
3. Показатели качества воды и их определение
4. Наиболее универсальные приборы, подходящие для целей экологического мониторинга
4.1 Технические средства контроля атмосферы
4.2 Средства контроля вод и других жидких сред
4.3 Средства контроля почв
Список использованных источников
1. 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.
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.
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.
2 . 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.
2.1 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:
1. отбор проб проводят после спуска воды в течение 10-15 мин — времени, обычно достаточного для обновления воды с накопившимися загрязнителями;
2. для отбора не используют концевые участки водопроводных сетей, а также участки с трубами малого диаметра (менее 1,2 см);
3. для отбора используют, по возможности, участки с турбулентным потоком – краны вблизи клапанов, изгибов;
4. 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.
2.2 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 0 С), 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.
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.
Многообразие вредных веществ и агрегатных состояний в воздухе обусловливает использование различных поглотительных систем, обеспечивающих эффективное поглощение микропримесей.
2.3 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 .
2.4 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 –3о С) или в замороженном состоянии (до –20о С).
2.5 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.
2.6 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.
2.7 Стабилизация, хранение, и транспортировка проб для анализа
Пробы объектов окружающей среды могут отбираться как непосредственно перед анализом, так и заблаговременно. В последнем случае применяются промежуточные операции хранения и стабилизации проб.
Хранение проб, в том числе содержащих следовые количества исследуемых веществ, осложнено проблемой их потерь за счет сорбции на стенках сосудов, а также разрушения в растворителях и на поверхностях носителей под действием кислорода, света и других факторов внешней среды. В воде протекают процессы окисления – восстановления, биохимические процессы с участием бактерий и других живущих в ней объектов, а также физические и физико-химические процессы сорбции, седиментации и др.
В водных растворах, например нитраты в присутствии органики могут восстанавливаться до нитритов или даже до ионов аммония (в отсутствии органики эти процессы могут идти в обратную сторону из-за наличия в воде растворенного кислорода), а сульфаты – до сульфитов. Растворенный кислород может расходоваться на окисление органических веществ. Могут изменяться и органолептические свойства воды – запах, цвет, мутность, вкус.
Некоторые элементы и их соединения способны довольно легко адсорбироваться на стенках сосудов (Fe, Al, Cu, Cd, Mn, Cr, Zn, PO4 3- и др.). Из стекла (особенно темного) или пластмассы бутылей, напротив, ряд микроэлементов и следы веществ могут выщелачиваться (B, Si, Na, K). Указанные процессы иногда довольно значительно сказываются на ухудшении достоверности и точности анализа, поэтому данная группа технологических процедур хранения и стабилизации проб имеет важное значение.
Применение экспрессных методов анализа на месте помогает избежать многих осложнений с изменениями состояния анализируемых проб, однако это удается далеко не всегда, поэтому необходимо иметь представление о процессах, идущих в средах при хранении проб, а также знать правила его правильного осуществления. В зависимости от предполагаемой продолжительности хранения отобранных проб иногда применяют процедуры их консервации. При этом универсального консервирующего средства не существует, поэтому для анализа отбирают несколько проб, каждую из которых консервируют, добавляя соответствующие химикаты.
Применение консервирующих средств полностью не предохраняет определяемое вещество или саму среду от изменения. Поэтому стараются даже консервированные пробы анализировать сразу или на следующий день, но не позднее, чем на третьи сутки после отбора пробы. При этом консервация сточных вод вообще весьма затруднительна.
3. Показатели качества воды и их определение
В различных аналитических лабораториях нашей страны специалисты ежегодно выполняют не менее 100 млн анализов качества воды, причем 23% определений заключается в оценке их органолептических свойств, 21% - мутности и концентрации взвешенных вешеств, 21 % составляет определение общих показателей - жесткости, солесодержания, ХПК, БПК, 29 % - определение неорганических веществ, 4% - определение отдельных органических веществ.
Температура. Температура является важной гидрологической характеристикой водоема, показателям возможного теплового загрязнения. Тепловое загрязнение водоема происходит обычно в результате использования воды для отвода избыточного тепла и сбрасывания воды с повышенной температурой в водоем. При тепловом загрязнении происходит повышение температуры воды в водоеме по сравнению с естественными значениями температур в тех же точках в соответствующие периоды сезона. Основные источники промышленных тепловых загрязнений - тепловые воды электростанций. Тепловое загрязнение опасно тем, что вызывает интенсификацию процессов жизнедеятельности и ускорение естественных жизненных циклов водных организмов, изменение скоростей химических и биохимических циклов водных организмов, протекающих в водоеме.
Последствия:
· при повышенной температуре многие водные организмы, и в частности рыбы, находятся в состоянии стресса, что снижает их естественный иммунитет,
· происходит массовое размножение сине-зеленых водорослей,
· образуются тепловые барьеры на путях миграций рыбы,
· уменьшается видовое разнообразие.
Специалисты установили: чтобы не допускать необратимых нарушений экологического равновесия, температура воды в водоеме летом в результате спуска загрязненных вод не должна повышаться более чем на 3 оС по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого года за последние 10 лет.
Органолептические показатели. К органолептическим показателям относятся цветность, мутность, запах, вкус и привкус, пенистость. Органолептическая оценка качества воды - обязательная начальная процедура санитарно-химического контроля воды. Ее правильному проведению специалисты придают большое значение.
Международные стандарты ИСО 6658 и другие устанавливают специальные требования к дегустаторам и методам проведения дегустации. Например, установлено, три квалификационных уровня дегустаторов: консультант, квалификационный консультант и эксперт. Перед исследованием запаха и вкуса проводят предварительные испытания образца, свободного от посторонних запаха или привкуса, и такой образец шифрованным образцом включается в серию анализируемых проб.
Цветность - естественное свойство природной воды, обусловленное присутствием гуминовых веществ и комплексных соединений железа. Цветность воды может определяться свойствами и структурой дна водоема, характером водной растительности, прилегающих к водоему почв, наличием в водосборном бассейне болот и торфяников. Цветность воды определяется визуально
Различают следующие оттенки: Слабо - желтоватая, светло - желтоватая, желтая, коричневая, красно - коричневая, другая (укажите какая).
Запах. Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в воду естественным путем либо со сточными водами. Практически все органические вещества имеют запах и передают его в воде. Обычно запах определяют при нормальной (20 0 С) и при повышенной (60 0 С) температуре воды.
Запах по характеру подразделяют на две группы, описывая его субъективно по своим ощущениям:
1. естественного происхождения (от живущих и обмерших организмов, от влияния почв, водной растительности),
2. искусственного происхождения. Такие запахи обычно значительно изменяются при обработке воды.
Характер запаха:
| Естественного происхождения: | Искусственного происхождения: |
| землистый | нефтепродуктов |
| гнилостный | хлорный |
| плесневый | уксусный |
| торфяной | фенольный |
| травянистый | др. |
Интенсивность запаха оценивают по 5 - бальной шкале (ГОСТ 3351):
| Интенсивность запаха | Характер проявления запаха | Оценка интенсивности запаха |
| нет | Запах не ощущается | 0 |
| очень слабая | Запах сразу не ощущается, но обнаруживается при тщательном исследовании | 1 |
| слабая | Запах замечается, если обратить на это внимание | 2 |
| заметная | Запах легко замечается и вызывает неодобрительные отзывы о воде | 3 |
| отчетливая | Запах обращает на себя внимание и заставляет воздержаться от питья | 4 |
| очень сильная | Запах настолько сильный, что делает воду непригодной к употреблению | 5 |
Для питьевой воды допускается запах не более 2 баллов.
Количественно интенсивность запаха оценивают, определяя «пороговое число» запаха N - степень разбавления анализируемой воды водой, лишенной запаха (обрабатывают активированным углем (0,6 г на 1 л), либо пропустив воду через бытовой фильтр для очистки воды).
N = V0 /Va ,
где V0 - суммарный объем воды (с запахом и без запаха), Va - объем анализируемой воды (с запахом), мл.
Если анализируемая вода содержит какое - либо пахнущее вещество, то описанным способом можно определить его концентрацию в пробе.
Вкус и привкус. Различают 4 вкуса: соленый, кислый, горький, сладкий. Остальные вкусовые ощущения считаются привкусами: (солоноватый, горьковатый, металлический, хлорный и т. д.). Интенсивность вкуса и привкуса оценивают по 5 - бальной шкале. Для питьевой воды допускаются значения показателей вкус и привкус не более 2 баллов.
Мутность. Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей - нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения. Мутность воды обуславливает и некоторые другие характеристики воды - такие как:
· Наличие осадка, который может отсутствовать, быть незначительным, заметным, большим, очень большим (в мм).
· Взвешенные вещества, или грубодисперсные примеси определяются гравиметрически после фильтрования пробы, по привесу высушенного фильтра. Этот показатель обычно мало информативен и имеет значение, главным образом, для сточных вод.
· Прозрачность, измеряется как высота столба воды, при взгляде сквозь который на белой бумаге можно различать стандартный шрифт.
Мутность определяют визуально по степени мутности столба высотой 10-12 см. В последнем случае пробу описывают качественно следующим образом: прозрачная, слабо опалесцирующая, опалесцирующая, слабо мутная, мутная, очень мутная (ГОСТ 1030).
Пенистость. Пенистостью считается способность воды сохранять искусственно созданную пену. Данный показатель может быть использован для качественной оценки присутствие таких веществ как поверхностно-активные вещества природного и искусственного происхождения. Пенистость определяют, в основном, при анализе сточных и загрязненных природных вод. Проба положительна, если пена сохраняется больше 1 мин (рН 6,5 - 8,5).
Водородный показатель. Для всего живого в воде минимально возможная величина рН=5, дождь, имеющий рН5,5, считается кислотным. В питьевой воде допускается рН= 6,0-9,0, в воде водоемов хозяйственно-бытового и культурно-бытового водопользования - 6,5-8,5.
4. Наиболее универсальные приборы, подходящие для целей экологического мониторинга
4.1 Технические средства контроля атмосферы
К их числу следует отнести быстродействующие автоматические приборы и ручные экспресс-определители с индикаторными трубками, основанные на линейно-колористическом принципе измерения аналитического эффекта.
Одним из наиболее перспективных для решения этой задачи отечественных технических средств контроля атмосферы является серия непрерывно действующих фотоионизационных газоанализаторов типа «КОЛИОН» (ЗАО «Бюро аналитического приборостроения ХРОМДЕТ - ЭКОЛОГИЯ», г. Москва).
Достоинства этой серии приборов:
· переносные,
· легкие (0,3 - 2,5 кг),
· малогабаритные (65х205х180 мм),
· быстродействующие (время отклика 3 с),
· чувствительные (время обнаружения 0,1 мг/м3 , диапазон определяемых содержаний 2 - 2000 мг/м3 ),
· точные (основная относительная погрешность 25 %),
· автономные,
· с наглядным представлением результата (в виде величины концентрации на жидкокристаллическом дисплее), а также сигнализацией о превышении установленного уровня загрязненности.
Приборы серии «КОЛИОН» обладают довольно широким перечнем анализируемых с их помощью соединений:
· нефтепродукты,
· другие алифатические, ароматические и непредельные УВ,
· органические растворители,
· хлоралкены,
· метанол, этанол, фенол и др. спирты,
· альдегиды, кетоны,
· сложные эфиры,
· амины, меркаптаны,
· NH3 , H2 S, CS2 , Cl2 и др. неорганические вещества.
Цена наиболее распространенной модели газоанализатора составляет ~ 1000$.
Несмотря на очевидные преимущества, приборы серии «КОЛИОН» обладают одним существенным недостатком - они неспецифичны. Действие приборов основано на фотоионизационном эффекте - возникновении интегральнго ионизационного тока в измерительной камере под действием УФ-излучения при попадании в нее легко диссоциирующих веществ. Таким образом, приборы измеряют токовый сигнал, пропорциональный суммарной концентрации анализируемых веществ, не различая при этом особенностей их природы и химических свойств.
Для компенсации этого недостатка при поиске и первичном охарактеризовании источника загрязняющих веществ для целей экологического мониторинга могут быть применены в качестве экспрессных средств экоаналитического контроля «на месте» линейно-колористические индикаторные трубки (Санкт-Петербург, НПО ЗАО «Крисмас +»). Достоинства индикаторных трубок:
· переносные,
· легкие (насос с индикаторной трубкой весят не более 1 кг),
· малогабаритные,
· быстродействующие (время отклика - несколько минут),
· чувствительные (предел обнаружения - десятые доли ПДКр.з., диапазон определения 0,1 - 1000000 мг/м3 ),
· основная относительная погрешность составляет ± 25 %.
Комплекты-лаборатории типа «Пчелка-Р» включают в свой состав газоопределитель химический многокомпонентный ГХК (аспиратор и зонд пробоотборный). Набор прменяемых с ГХК метрологически аттестованных индикаторных трубок позволяет анализировать с их помощью довольно широкий перечень неорганических веществ и различных органических соединений (всего около 30), к которым относятся:
· NH3 , H2 S, SO2 , NOx , Cl2 , HCl, CO, CO2 , Br2 и др. неорганические вещества,
· углеводороды нефти,
· ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол и др.),
· трихлорэтилен и др. хлоралкены,
· этанол и другие спирты,
· формальдегид и ацетон, а также другие альдегиды и кетоны,
· диэтиловый и другие эфиры,
· ацетилен, уксусная кислота,
· амины, меркаптаны и многие другие органические соединения.
Всего НПО «Крисмас +» поставляет более 180 типов индикаторных трубок.
Некоторые примеры наиболее подходящих портативных (переносных) средств и их основные характеристики:
1. Хроматограф газовый полевой типа ЭХО-М (г. Новосибирск) масса 6 - 7 кг, электропитание 12 В, время непрерывной работы 8 ч. Детектор электронного захвата. Возможна замена детекторов (фотоионизационный детектор, пламенно-ионизационный детектор). Предел обнаружения с детектором электронного захвата составляет 5 10-13 кг (с возможным дополнением 1000 - кратного обогащения в выносном концентраторе). Цена - 12 000 - 14 000 $.
2. Хроматограф газовый переносной для анализа неорганических газов и продуктов сгорания топлива типа АХГ - 002. Предел обнаружения, г/см3: по Н2 - 8,4·10-10 , по СО - 3,5·10-8 , по СН4 - 6,6·10-9 , по О2 - 8,7·10-9 , по СО2 - 9,2·10-7 с детектором по теплопроводности. Цена ~ 2100 $.
3. Хроматограф газовый малогабаритный типа ХПМ - 5 для анализа сложных смесей веществ. Масса - 20 кг (аналитический блок) и 8 кг (блок питания), габариты, мм - 412х282х341 (аналитический блок) и 120х311х290 (блок питания). Пределы обнаружения: S - 1,0·10-10 (пламенно-фотометрический детектор), P - 1·10-11 - (пламенно-фотометрический детектор) и 2,0·10-12 (термоионный детектор), N-5·10-12 (термоионный детектор), пестициды - 4,0·10-13 (детектор электронного захвата), УВ - 2,0·10-8 (детектор по теплопроводности) и 2·10-11 (пламенно-ионизационный детектор). Цена 3500 $.
4. Хроматографы жидкостные переносные типа «Цвет - 403». Масса - 16 кг, предел обнаружения, в мг/мл: 10-8 - 10-10 (электрохимический детектор) и 10-4 (ультрафиолетовый детектор). Цена 3000 - 3400 $.
5. Фотометр КФК-05 переносной малогабаритный (АООТ «Загорский оптико - механический завод», г. Сергиев-Посад). Габариты 190х170х83 мм, вес 1,2 кг, электропитание 220 и 12 В. Погрешность 1 %, среднеквадратичное отклонение 0,15 %.
6. Микрофотоколориметр полевой. МКМФ-02П (микропроцессорный аналог). Цена 455 - 520 $.
7. Спектрофотометр переносной DR/2010 VIS, =400-900 нм, погрешность 2 %, среднеквадратичное отклонение 0,15 %. Цена 3500 $.
4.2 Средства контроля вод и других жидких сред
В отличие от газоаналитической аппаратуры технические средства для контроля загрязненности вод и других жидкостей распространены несколько меньше.
Рассмотрим наиболее часто применяемые, относительно доступные и универсальные приборы, а также другие технические средства, подходящие для целей экологического мониторинга.
Обращаясь к операциям экологического контроля, в первую очередь рассмотрим те технические средства, которые могут быть использованы на первой стадии цикла - при поиске источника загрязнения вод.
К сожалению, аналога портативного прибора «КОЛИОН», который можно было бы использовать для поиска источников загрязнения вод, в нашей стране пока не разработано.
Появляются автоматизированные системы импортного производства на основе измерительных приборов проточно-инжекционного типа, например, WATERLAB 2000 M/S (фирма «SERES», Франция). Однако до сих пор число автоматически и параллельно контролируемых «на месте» параметров загрязнения вод даже в этих лучших образцах не превышает десятка.
Поэтому в российских условиях одной из наиболее перспективных для решения этой задачи серий отечественных технических средств является особая группа «простейших» портативных средств контроля - так называемые полевые «экспресс-анализаторы», под которыми следует понимать средства, с помощью которых возможно быстрое и простое обнаружение и/или первичное определение искомых компонентов в воде.
Эти средства в основном предназначены для проведения экспресс -анализа «on-line» с целью выявления фактора и места превышения норм ПДК (ОДУ) как по природным компонентам (например, железо растворенное, соли жесткости и др.), так и по загрязнениям антропогенного характера (прежде всего, искусственно синтезированные органические вещества, водорастворимые формы токсичных тяжелых металлов и т. д.).
Типичным примером таких относительно простых портативных средств могут служить переносные лаборатории.
НПО ЗАО «Крисмас +» выпускает сотни комплект-методик и комплект-лабораторий, несколько модификаций модульных полевых портативных лабораторий для комплексного анализа вод (НКВ, Пчелка).
«НКВ»: стоимость 20000 руб. (в 10 - 40 раз дешевле, чем полевая лаборатория DR 2010). Позволяет экспрессно (за несколько минут) обнаружить более 10 загрязняющих веществ (NO3 - , NO2 - , S2- , активный уголь, Cr6+ , Fe2+ , Fe3+ , Fe, Cu2+ , Ni2+ и др.) и полуколичественно их определять (по цветным шкалам - эталонам).
При дополнительной комплектации переносным фотометром КФК-5М или полевым колориметом МКМФ-02Э возможно количественное определение в полевых условиях до 26 показателей.
Следует иметь в виду, что такого рода устройства, конечно, имеют некоторые ограничения по номенклатуре анализируемых веществ. В основном они ориентированы на контроль показателей загрязнения природного происхождения (рН, жесткость, K+ , Fe, Me, NH4 + , NO3- , CO3 2- , HCO3 - , SО4 2- , Cl- , F- и др.), хотя превышение некоторых этих показателей является признаком техногенного загрязнения, в частности NH4 + , NO3 - , SО4 2- и др. Кроме того, результаты измерений и их точность обычно составляет 50 - 100 %.
Дополнительно к полевым лабораториям могут применяться другие портативные средства экоаналитического контроля: газовые хроматографы, ИК-анализаторы, рентгено-флуоресцентные анализаторы.
4.3 Средства контроля почв
Третьей из важнейших групп средств экоаналитического контроля является семейство приборов, предназначенных для анализа почв, донных осадков, других твердых веществ, материалов и поверхностей. По сравнению с газоанализаторами и средствами анализа жидкостей, приборы контроля почв наименее распространенны, что определяется не столько меньшей потребностью в них, сколько сложностью данного вида анализаторов. Известны только определенные представители таких портативных средств контроля почв: анализаторы ртути типа УКР - 1 (МП «Экон», Москва), РА - 915 (НПФАП «Люмэкс», Санкт-Петербург), ЭГРА - 01 (ФГУ НПП «Геологоразведка»), анализатор ртути «Юлия - 2», а также АМА - 254 («LECO» Чехия).
Кроме того, в геологоразведке применяется рентгено-радиометрический анализатор химических элементов РПП-105, основанный на рентгено-флуоресцентном методе анализа.
Среди портативных приборов для целей группового экспресс-анализа почв на содержание в них элементов наиболее приспособлены рентгенофлуоресцетные спектрофотометры: «Спектроскан» (НПО«Спектрон», Санкт-Петербург), Спектроскан -U (14000 $) с высокой точностью определяет более 70 тяжелых элементов в интервале от Са до U, Спектроскан-V (43000 $) с высокой точностью определяет более 80 элементов от Na до U. Чувствительность 0,7 - 1,0 мкг/см2 анализируемой поверхности.
Производители в Москве (НПФ «Аналит Инвест» совместно с АООТ «НПО Химавтоматика» и предприятие ООО «ИНЛАН») поставляют для комплектации стационарных и передвижных химических лабораторий новый вид средств измерения, представляющий собой совокупность технических средств, методического и программного обеспечения - химико-аналитические комплексы - рентгено-флуоресцентный, спектрально-оптический, газо- и ионохроматографический, включенные в Госреестр СИ. В частности, рентгено-флуоресцентный комплекс «ИНЛАН-РФ» позволяет с помощью специальной аттестованной методики при относительной погрешности 2,5 % определять в почве 8 наиболее распространенных тяжелых металлов (Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Pb, Hg, Zn) с чувствительностью 1 - 1500 мг/кг. Стоимость РФ - ХАХ, размещаемого на отечественной многоцелевой автомобильной экоаналитической лаборатории «Экомобиль» составляет 23 - 25 тыс. $.
Более 80 элементов (от Mg до V), правда с более низкой чувствительностью, позволяет определять в различных объектах еще одна группа эмиссионных приборов - рентгено-флуоресцентные спектрометры.
Из всей серии методов рентгеновской спектроскопии (рентген-эмиссионный, рентген-абсорбционный и рентген-флуоресцентный) последний обладает наибольшей чувствительностью (10-5 - 100 %), а кроме того, позволяет изготавливать на его основе портативные приборы.
Данные приборы незаменимы при полевом анализе (мониторинге) почв. Они позволяют в почвенных вытяжках и водах определять V, Bi, Mn, Ni, Pb, Cr, Zn в интервале концентраций 0,01 - 5,0 мг/л. Среди отечественных приборов, основанных на данном принципе, наиболее известны «ИКМЕТ - 01» в составе комплекса «ИНЛАН - РФ» и серия малогабаритных приборов «СПЕКТРОСКАН».
Список использованных источников
1. Мониторинг и методы контроля окружающей среды/Ю.А. Афанасьев, С.А. Фомин, В.В. Меньшиков и др. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2001 - 337 с.
2. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. - СПб: Крисмас+, 1999. - 232 с.
3. Муравьева А.Г., Каррыев Б.Б., Ляндзберг А.Р. Оценка экологического состояния почвы. - СПб: Крисмас+, 2000. - 164 с.
4. Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. М.: Химия, 1989. 368 с.
5. Муравьева С.И., Казнина Н.И., Прохорова Е.К. Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. М.:Химия, 1988. 320 с.