Мониторинг антропогенных изменений различных природных сред.
В разделе рассмотрена классификация видов мониторинга, в которой за основу взяты различные природные среды. Объектами экологического мониторинга являются природные среды и ресурсы, к которым относятся: атмосферный воздух; поверхностные воды суши; морские воды; почвенный покров; геологическая среда; растительный и животный мир(рис. 8.1).
Рис. 8.1. Классификация экологического мониторинга по природным средам.
Кроме того, объектами являются антропогенные воздействия и их источники:
– источники, связанные с поступлением в окружающую среду токсичных для человека и опасных для флоры и фауны веществ, а также других видов воздействия;
– источники, приводящие к изменению сложившегося или естественного состояния природных сред, природных комплексов и их компонентов;
– источники, приводящие к сокращению или изменению биологического разнообразия, изменению ландшафта;
– источники, связанные с изъятием или изменением состояния природных ресурсов.
С помощью экологического мониторинга контролируются состояние экологических систем, в том числе природно–технических подсистем, а также медико–гигиенические показатели среды обитания человека.
8.1.Общая характеристика и классификация методов, используемых в экологическом мониторинге.
Все средства контроля экологического мониторинга с точки зрения используемых методов исследования разделяются на две группы: наземныеидистанционные.
Наземные методы базируются на химических и биологических методах исследования. Сюда относятся инструментальные (приборные) методы.
Для получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды (атмосферного воздуха, воды, почвы) необходимо располагать надежными методами анализа. Эффективность любого метода оценивается совокупностью таких показателей, как селективность и точность определения, воспроизводимость получаемых результатов, чувствительность определения, пределы обнаружения элемента и быстрота выполнения анализа.Кроме того, методы должны обеспечивать проведение анализа в широком интервале концентраций элементов (включая следовые). Это должно учитываться при выборе методов и средств наблюдений.
Методы анализа, используемые в современных лабораториях, занимающихся контролем окружающей среды, включают множество вариантов оптических методов анализа (спектрометрию в видимой, УФ– и ИК–областях). Они включают также методы разделения на основе газовой, жидкостной и тонкослойной хроматографии, радиометрические, электрохимические методы. Электрохимические методы: вольтамперометрия и ионометрия имеют определенные преимущества в отношении низкой стоимости и необходимых расходов на эксплуатацию приборов.
Оптические методы анализа используются во многих областях контроля ОС. Классические методы: фотометрия и спектрофотометрия.
Фотометрический метод основан на сравнении оптических плотностей исследуемой и контрольной жидкостей. Разновидностями фотометрического метода являются фотоколориметрический, спектрофотометрический, турбидиметрический, нефелометрический и люминесцентный методы. Современные фотоколориметры отечественного производства марок от ФЭК–М до ФК–120 представляют собой двухлучевые приборы с двумя фотоэлементами и имеют одинаковые принципиальные схемы. Чувствительность определения зависит от природы соединений и составляет для неорганических соединений 0,04 – 20,0 мкг/мл пробы и для органических 0,02 – 10,0 мкг/мл пробы.
Спектрофотометрический метод основан на тех же принципах, что и фотоколориметрический. Различие состоит в том, что в спектрофотометре используется поглощение монохроматического света. Для жидких сред применяются спектрофотометры марок от СФ–4 до СФ–19. Чувствительность определения органических и неорганических соединений находится на уровне 0,08 – 20,0 мкг/мл пробы.
Турбидиметрический метод применяется для определения количества веществ, которые находятся во взвешенном состоянии, посредством измерения интенсивности прохождения света через контролируемый раствор пробы. В качестве приборов могут быть использованы спектрофотометры любых марок. Для увеличения их чувствительности следует применять синий светофильтр. Турбидиметрический метод пригоден для измерения концентраций, уровень которых составляет несколько частиц на миллион.
Нефелометрический метод отличается от турбидиметрического тем, что в этом случае измеряется не прошедший через суспензию свет, а рассеянный, поэтому данный метод является более чувствительным для сильноразбавленных суспензий. Нефелометрический метод при благоприятных условиях позволяет получить точность, сравнимую с точностью колориметрических методов.
Вместе с тем усиливается роль атомно–абсорбционной и флуоресцентной спектрометрии, т.е. тех методов, которые позволяют уже сейчас определять большинство химических элементов в анализируемых пробах с низкими пределами обнаружения (10−14 г). Для этих целей широкое практическое применение, несмотря на высокую стоимость, получили автоматизированные спектрометры. Возможность использования люминесцентного метода для аналитических целей обусловлена тем, что некоторые вещества при воздействии на них ультрафиолетового излучения флуоресцируют.
Атомно–абсорбционная спектрометрия становится обычным методом, особенно при контроле загрязненных атмосферы и воды, когда простейшая предварительная подготовка проб или концентрирование способствуют повышению чувствительности определений. Перечисленные выше методы позволяют идентифицировать количественный состав определяемых компонентов (загрязнителей) в различных объектах ОС.
Полярографический метод основан на восстановлении анализируемого соединения на ртутном капающем электроде и используется, как правило, при анализах следовых количеств веществ, находящихся в разных состояниях. Для анализа используются полярографы от ППТ–1 до ПО–5122, чувствительность определения концентраций органических и неорганических соединений которых составляет 0,05 – 1,0 мкг/мл пробы.
Радиометрические методы занимают особое положение среди методов аналитического контроля ОС. Их применение в лабораториях контроля загрязнений ограничено, так как они предполагают использование специального оборудования и соблюдение множества требований безопасности. Однако в тех случаях, когда другие методы анализа не могут быть использованы, в основном из–за очень высоких требований к пределам обнаружения, применяют радиометрические. Например, для определения следов элементов в биологических материалах используется изотопный стехиометрический анализ или нейтронно–активационный метод.
Большое значение приобрел метод меченых атомов. Этим методом исследуют эффективность различных приемов внесения удобрений в почву, пути проникновения микроэлементов в организмы, в листья растений.
В настоящее время быстро совершенствуются методы разделения, особенно газохроматографические (в сочетании с ИК–, ЭПР–спектрометрией), и методы жидкостной хроматографии (распределительной, ионообменной, адсорбционной), а также электрофоретические методы. Для идентификации и количественного определения органических соединений со сходной структурой хроматографические методы часто оказываются незаменимыми.
Газохроматографический метод основан на селективном разделении соединений между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна (жидкость или твердое тело), а другая подвижна (инертный газ–носитель). Этот метод позволяет определять ничтожно малые количества веществ, не обладающих специфическими реакциями, и анализировать смеси, состоящие из десятков и сотен компонентов с близкими свойствами. Для анализа используются хроматографы от ЛМ–8МД5 до хромато–масс–спектрометр МХ–1307М.
Масс–спектрометрический метод заключается в ионизации газообразной пробы электронной бомбардировкой, после чего образующиеся ионы подвергаются воздействию магнитного поля. В зависимости от массы и заряда ионы отклоняются с различной скоростью и соответствующим образом разделяются. Особенностью метода являются малый объем пробы и высокая избирательность.
В основе спектрально–эмиссионного метода лежит излучение световой энергии атомами, ионами и реже молекулами. Излучаемые атомами и ионами эмиссионные линейчатые спектры не зависят от вида химических соединений, из которых состоит исследуемое вещество, в связи с чем этот анализ применяется для определения элементарного состава проб воды и почвы. Универсальность, высокая чувствительность, хорошая точность и быстрота определения обусловили широкое распространение этого метода. При фотографической регистрации спектра метод позволяет одновременно анализировать до 30 элементов в одной пробе. В пробах почвы и воды могут быть определены очень низкие концентрации многих элементов (1,0 – 10,0 %).
Поскольку при контроле объектов ОС чаще всего проводят серийные анализы, предпочтение отдают тем методикам, которые легко поддаются полной автоматизации, начиная от отбора проб и кончая выдачей результатов анализа. При выборе метода анализа желательно, чтобы стоимость оборудования была доступна для большинства лабораторий, использующих этот метод.
Достаточно часто контроль качества ОС приходится проводить в полевых условиях, а это исключает работу с крупногабаритными приборами, даже если они удовлетворяют указанным выше критериям.
Современные приборы и оборудование должны быть приспособлены для контроля широкой номенклатуры веществ и для определения по возможности нескольких компонентов проб.
В наибольшей степени указанным выше требованиям удовлетворяют электрохимические методы, которые широко применяются в анализе почв, вод, атмосферы, биологических объектов.
Все методы химического анализа, и уже освоенные, и вновь появившиеся, постоянно совершенствуются. В дальнейшем их совершенствование будет происходить в основном за счет применения аналоговых и цифровых устройств или их комбинаций, а также за счет автоматизации и миниатюризации аппаратуры и модернизации способов отработки больших выборок экспериментальных данных современными математико–статистическими методами.
Дистанционные методы осуществляются посредством зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных) и переноса полученной информации к датчику. Они основываются на физических методах исследования, используемых в авиационном и космическом мониторинге, а также для слежения за средой в труднодоступных местах Земли.
Они базируются на измерении и интерпретации характеристик электромагнитных полей на различных расстояниях от исследуемого объекта. Принципиально новые возможности, которые они открывают, связаны с наблюдением атмосферы с искусственных спутников Земли, пилотируемых кораблей и орбитальных станций, выполнением измерений в непрерывном режиме при изменяющихся условиях, в больших объемах воздуха на огромных территориях (десятки и сотни квадратных километров) с пространственным разрешением, в несколько десятков метров.
Дистанционные методы широко применяются при изучении атмосферы, гидросферы и биоты, литосферы. Преимуществом дистанционного измерения является возможность непрерывного определения средних концентраций вредных веществ по площади, а также оценки вертикального распределения примесей, характеризующих потенциал загрязнений. Кроме того, данные методы позволяют оценивать движение загрязняющих веществ в атмосфере без анализа проб в различных пунктах и таким образом устанавливать влияние источника загрязнения, расположенного на расстоянии нескольких километров, прогнозировать угрожающие ситуации.
Методы абсорбционной спектрометрии широко применяются для дистанционных измерений концентрации микрокомпонентов атмосферы. За последние 15–20 лет получил распространение метод спектрометрии солнечного излучения, в частности определения микрокомпонентов тропосферы и стратосферы по данным аэростатных измерений инфракрасной солнечной радиации. Возможности регистрации спектра Солнца открыли перспективы для внедрения метода «затменного» зондирования стратосферы и мезосферы, а также для оценки фоновых концентраций СО, СН4, NО2, N2О в вертикальном столбе атмосферы по спектрам солнечного излучения на уровне Земли.
Дистанционный метод определения концентрации оксида азота предназначен для измерения содержания NО2 на фоне рассеянной солнечной радиации в атмосфере городов, в выбросах от предприятий, из отдельных труб заводов, а также из вулканов.
8.2.Методы периодического и непрерывного контроля. Автоматизированные системы.
Методы контроля качества воздушной среды целесообразно разделить на следующие группы: методы непрерывного производственного контроля, методы периодического контроля, экспресс–методы.
Методы непрерывного контроля с автоматической регистрацией исследуемых величин наиболее совершенны: они позволяют получить достаточно полную характеристику очага загрязнения.
Периодический контроль обеспечивает получение характеристики загрязнения атмосферного воздуха через определенные отрезки времени, устанавливаемые соответствующим графиком и увязываемые или с циклами производственных процессов, или с сезонными изменениями ситуации. При периодическом контроле атмосферного воздуха анализ проб обычно проводится в лабораторных условиях.
Пользование экспресс–методом контроля воздушной среды обычно приурочивается к экстремальным условиям (производство массового взрыва, температурная инверсия и пр.), к проведению экспериментальных работ по эффективности защиты атмосферного воздуха от загрязнения или к измерениям, осуществляемым непосредственно на рабочих местах для установления комфортных условий труда. Отобранные с помощью поглотительных приборов и электроаспираторовпробы атмосферного воздуха подлежат анализу физико–химическими методами. В состав атмосферного воздуха входят вещества с очень малой концентрацией, поэтому при анализе должны применяться высокочувствительные методы.
В настоящее время концентрацию газов и паров в атмосферном воздухе определяют различными фотометрическими методами. Чаще всего используется спектрофотометрический метод анализа, основанный на способности окрашенных растворов поглощать свет в диапазоне волн от УФ до ИК. Поглощение зависит от свойств вещества и его концентрации. При спектрометрическом методе анализа исследуемый компонент переводится в соединение, поглощающее свет, а затем измеряется количество этого продукта реакции по световому потоку, прошедшему через раствор.
Современная аналитическая химия позволяет найти цветную реакцию для любого химического вещества – органического и неорганического. Однако на практике фотометрические методы используются для определения содержания в воздухе неорганических веществ.
Анализ атмосферного воздуха, загрязненного выбросами промышленных предприятий и автотранспорта – крайне сложная задача. В последние годы для анализа воздушной среды, особенно органических веществ, широко применяется хроматографический метод, основанный на разделении и анализе смеси веществ в динамических условиях. Из хроматографических методов наиболее распространена газовая адсорбционная хроматография.
Химический метод анализа проб атмосферного воздуха прост в реализации. Однако недостатками метода являются длительность отбора пробы и довольно большое время анализа. В результате сведения о том, что концентрация веществ в пункте наблюдения превышает ПДК, поступают в заинтересованные инстанции с запаздыванием, которое исчисляется часами, а иногда сутками.
В настоящее время большое внимание уделяется развитию автоматических средств наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы, которые позволяют оперативно определять концентрацию, в том числе выявлять максимальные концентрации загрязняющих веществ, и управлять процессом очистки атмосферного воздуха путем включения газоанализаторов в системы автоматизированного контроля и управления технологическими процессами.
К газоанализаторам предъявляются следующие требования: приборы должны иметь высокую чувствительность, позволяющую проводить измерения на уровне 0,1 ПДК и выше. Приборы должны обладать высокой избирательной способностью.
В основу работы автоматических газоанализаторов положены различные физико–химические методы анализа: электрохимический, инфракрасный, люминесцентный.
Анализ загрязняющих воздух примесей относится к наиболее трудным задачам аналитической химии, поскольку в пробе одновременно могут находиться сотни токсичных веществ, как органических, так и неорганических. Для селективного определения отдельных компонентов требуется применение различных методов и технических средств анализа.
Для контроля качества атмосферного воздуха широко используются автоматические газоанализаторы шестисотой серии.
Среди автоматизированных систем контроля качества ОС широкое распространение получили автоматизированные системы контроля загрязнения атмосферы АСКОС. По информации от автоматических станций контроля загрязнения атмосферы и контроля турбулентности приземного слоя атмосферы, а также по метеорологическим данным, получаемым от управления по гидрометеорологии, в подсистеме осуществляются оценка современного состояния и краткосрочный прогноз уровня загрязнения атмосферного воздуха, которые являются исходными при решении вопроса о необходимости уменьшения выбросов.
Важной составной частью АСКОС, определяющей ее возможности, является программно–математическое обеспечение (ПМО) для обработки данных при помощи компьютера. Задачами ПМО являются:
– первичная обработка данных;
– формирование отчетов о состоянии воздушного бассейна;
– оперативное представление полей загрязнения воздуха на графическом дисплее или графопостроителе с целью оценки и анализа изменения уровня загрязнения воздушного бассейна;
– организация диалога оператора и системы, позволяющего управлять системными средствами;
– организация хранения информации, полученной системой;
– оперативное прогнозирование уровня загрязнения воздуха;
– определение источников, уменьшение выброса которых приводит к снижению повышенного уровня загрязнения воздуха.
АНКОС предназначена для автоматизированного сбора и обработки информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха в промышленных центрах и регионах.