Методика оценки эффективности инженерных природоохранных решений на основе хроматографических измерений

Актуальность темы

диссертации.

Наблюдения (мониторинг) состояния окружающей среды ведутся с момента осознания вреда наносимого человеком природе: вырубка лесов, истощение почв, обмеление рек, уничтожение целых видов животных и т. п. С начала прошлого века мониторинг природных объектов превратился в измерительную процедуру. Это превращение совпало с наступлением века химических технологий, в том числе и особенно крупнотоннажных производств. Поэтому в настоящее время главную опасность для природных объектов представляют химические соединения — отходы различного рода производств. В связи с этим более 90% измерений осуществляемых в экологическом мониторинге являются экоаналитическими, т. е. химическими анализами. В настоящее время службы экологического контроля и мониторинга являются основными потребителями мирового рынка химико-аналитической аппаратуры, на котором по данным ежегодных международных Питсбургских конференций (США) более 60% приходится на хроматографическую технику. В спросе на хроматографическую технику превалируют газожидкостная и ионная виды хроматографии.

Экологический мониторинг на всех стадиях его развития и совершенствования преследовал достижение двух целей: объективная оценка состояния природных объектов и прогноз развития экологической ситуации в данной экосистеме. В последнее время в связи с принятием ГОСТ Р ИСО 14 000 «Основы экологического управления» возникла третья цель мониторинга — оценка эффективности управляющих природоохранных инженерных решений.

В настоящее время достигнутой можно считать только первую цель — объективная оценка состояния природных объектов на основе данных экологических анализов. По прогнозу развития экологической ситуации — цель пока не достигнута. Это же можно сказать и о цели оценки эффективности инженерных природоохранных решений.

Актуальность темы

диссертации состоит в том, что автор делает попытку приблизится к достижению второй и третьей цели созданием Методики оценки эффективности инженерных природоохранных решений.

Исходя из вышеизложенного тема диссертации может быть признана вполне актуальной.

Научная новизна.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: предложена математическая модель химической динамики водных и воднопочвенных экосистем, в основу которой положены наиболее вероятные реакции взаимодействия экозагрязнителей с биохимическими агентами экосистемывпервые получены базовые уравнения для расчета зависимости во времени концентрации экозагрязнителя в природном объекте от величины техногенной нагрузки и свойств экосистемывпервые предложена Методика оценки эффективности инженерных природоохранных решений, порядок её внедрения и реализации в виде последовательности принятия организационных и научно-технических решенийобоснованы и сформулированы метрологические требования к методикам выполнения измерений (МВИ). Предложена схема метрологического обеспеченияразработан предметный алгоритм ПМО основанный на внутрисистемной диагностике готовности Методики к долговременному экологическому прогнозу с учетом своевременной реализации природоохранных инженерных решений.

Положения, выносимые на защиту.

Экологические системы, находящиеся под постоянной техногенной нагрузкой свойством самовыравнивания не обладают.

Динамическая функция химического состояния экосистем описывается уравнением типа Риккати, коэффициенты которой могут быть рассчитаны по результатам экоаналитических измерений. При совпадении предсказанных по динамической функции результатов последующих серий измерений с реально полученными эксперт получает возможность как рассчитать время наступления необратимых изменений в химическом составе подконтрольной экосистемы, так и оценить в единицах концентраций экозагрязнителей эффективность планируемых природоохранных решений.

Результаты исследования источников погрешности хроматографических МВИ и предложенные на их основе способ нормирования погрешности и метрологическое обеспечение МВИ участвующих в реализации Методики.

Практическая значимость.

Методика позволяет пользователю решать следующие задачи:

• Расчет времени наступления необратимых изменений состояния экосистемы и значения концентрации экозагрязнителей этому соответствующее.

• Количественно оценить экологическую эффективность каждого из вариантов природоохранных инженерных решений.

• Решение обратной задачи, т. е. исходя из планируемого времени реализации радикальных технологических решений задается время наступления необратимых экологических последствий, и рассчитывается необходимое для этого снижение текущего уровня техногенной нагрузки как по концентрации экозагрязнителя, так и по объемной скорости сброса отходов.

Методика рекомендована для применения в ФГУ «Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия» и региональных природоохранных органах субъектов Российской Федерации.

В настоящее время согласно базе данных ФГУ «Федеральный, центр анализа и оценки техногенного воздействия» в природоохранных органах России всех уровней эксплуатируется более 10 тысяч газовых хроматографов и более 20 тысяч ионных хроматографов. Этот приборный парк в совокупности с десятками и сотнями методик выполнения хроматографических измерений обеспечивает информацию о содержании в отходах производств и природных объектах более 90% органических и более 50% неорганических экозагрязнителей [1−5]. Основной массив хроматографического приборно-методического обеспечения сосредоточен в сфере экологического контроля отходов производств, т. е. в сфере техногенных объектов [616]. Это объясняется необходимостью исполнения государственными природоохранными органами надзорных, т. е. фискальных функций по отношению к природопользователям. Данное направление работ реализуется в два этапа. На первом этапе проводятся экоаналитические измерения с целью установления. экологических нормативов для данного промышленного предприятия в виде предельно допустимых годовых объемов отходов по каждому из нормируемых экозагрязнителей, т.к. плата за природопользование определяется раздельно по каждому химическому веществу. На втором этапе осуществляется постоянный контроль за соблюдением установленных нормативов со штрафными санкциями при превышении нормативов. Экологическому мониторингу природных объектов уделяется гораздо меньшее внимание, несмотря на то, что химико-аналитические задачи в этой сфере существенно сложнее задач экологического контроля конкретных промышленных предприятий, т.к. крупные экосистемы суммируют отходы всех предприятий находящихся в их границах. Поэтому в экологическом мониторинге приходится иметь дело со сложными многокомпонентными смесями экозагрязнителей, а следовательно применять химико-аналитическую технику высокого разрешения — хроматографическую аппаратуру с широкой номенклатурой детекторов [17−26].

Ранее международный, а сейчас и Российский стандарт ГОСТ Р.ИСО. 14 001 «Основы экологического управления» главным критерием экологического управления определяет наличие постоянного мониторинга природных объектов. Социальное и экологическое благополучие региона достигается только при гармонизации причин экозагрязнений — отходы техногенных объектов и следствие — состояние экосистем.

Таким образом информацией для принятия и реализации управленческих инженерных решений в сфере экологии должно служить произведение по определенному общему правилу сопоставление результатов экологического мониторинга природных объектов экосистемы и экологического контроля техногенных объектов, находящихся на ее территории. Управляющие воздействия при количественно-непредсказуемой реакции объекта управления бессмысленны. Поэтому это общее правило должно помимо оценки текущего состояния экосистемы и его выявления его причин, давать достаточно достоверный прогноз развития экологической ситуации с учетом принятия инженерных природоохранных решений.

Такого общего правила в настоящее время не предложено, хотя отдельные программные продукты, например по математическим моделям распределения химических веществ в воздушных и водных экосистемах имеются. Целями данной диссертации являются:

1. Предложить на основе математической модели химической динамики экосистем общее правило сопоставления данных экологического контроля техногенных объектов и экологического мониторинга экосистем.

2. Создать методику оценки эффективности инженерных природоохранных решений на основе данных хроматографических измерений.

3. Предложить для реализации методики адекватное приборно-методическое и метрологическое программное обеспечение газои ионохроматографических измерений.

1. Столяров Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г., Карпова Л. А., Зенкевич И. Г., Калмановский В. И., Каламбет Ю. А. — Практическая газовая и жидкостная хроматография. Учебное пособие. Изд. С.-Петербургского ун-та, СПб, 1998, ее. 610.

2. Жуховицкий А. А., Туркельтауб Н. М. Газовая хроматография. М.: Гостоптехиздат, 1962.

3. Киселев А. В., Яшин Я. И. Газоадсорбционная хроматография. М.: Наука, 1967. 256 с.

4. Гольдберт К. А., Вигдергауз М. С. Курс газовой хроматографии. М.: Химия, 1974.

5. Яшин Я. И. Физико-химические основы хроматографического разделения, М.: Химия, 1976.

6. Газоаналитические приборы экологического назначения. Каталог. Санкт-Петербург: НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», 1992, с. 5−29.

7. Методы определения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (приложение № 1 к списку ПДК № 3086−84 от 27.08.1984).М.: Минздрав СССР, 1987, с. 112.

8. Другов Ю. С., Беликов А. Б., Дьякова ГЛ., Тульчинский В. М. — Методы анализа загрязнений воздуха. М.: Химия. 1984, ее. 384- Беликов А. В., Другов Ю. С. — Журн. аналит. химии, 1981, т. 36, № 8, с. 1624—1648.

9. Методики выполнения измерений валовых выбросов с использованиемавтоматических, полуавтоматических и экспрессных газоанализаторов.

10. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 107—111.

11. Леонтьева С. А., Другов Ю. С., Лулова Н. И. — Газохроматографический анализ углеводородов в воздухе производственных помещений. Журн. аналит. химии, 1977, т. 32, № 8, с. 1638−1645.

12. Прохорова Е. К. — Журн. аналит. химии, 1997, т. 52, № 7, с. 678—685.

13. Другов Ю. С. —Анализ уайт-спирита методом жидкостной хроматографии. Методы анализа и контроля производства в химической промышленности. М.: НИИТЭХИМ, 1973, № 4, с. 26−28.

14. Карасек Ф., Клемент Р. — Введение в хромато-масс-спектрометрию. Пер. с англ., М.: Мир, 1993, сс. 237.

15. U.S. ЕРА Method 1Р-1 A, Determination VOC In Indoor Air (1989).

16. ASTM Method D5466−93, Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals In Atmospheres (Canister Sampling Methodology), Annual Book of ASTM Standards, Vol. 11.03, p. 404 (1995).

17. Методы-спутники в газовой хроматографии. Пер. с англ./ред. В. Г. Березкин. М.: Мир, 1972, ее. 398.

18. Яшин Ю. С., Напалкова О. В., Ревельский И. А. — Веста. МГУ, Сер. 2, 1997, т. 36, № 2, с. 95−98.

19. Вигдергауз М. С. и др. Качественный газохроматографический анализ. М.: Химия, 1978.

20. Гвоздович Т. Н., Худяков B. JL, Яшин Я. И. Атлас-справочник хроматографических разделений. М.: Изд-во МИХМ, 1978.

21. Березкин В. Г., Татаринский B.C. Газохроматографические методы анализа примесей. М.: Наука, 1970.

22. Другов Ю. С., Родин А. А. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды и почвы. С.-Петербург: ТкЗА, 1999. 624 с.

23. Другов Ю. С. Экологическая аналитическая химия. С.-Петербург: 2000.432 с.

24. Киселев А. В., Яшин Я. И. Адсорбционная газовая и жидкостная хроматография. М.: Химия, 1979.288 с.

25. Киселев А. В., Пошкус Д. П., Яшин Я. И. Молекулярные основы адсорбционной хроматографии. М., Химия, 1986,276 с.

26. Киселев А. В., Сакодынский К. И., Йогансен А. В., Сахаров В. М., Яшин Я. И., Карнаухов А. П., Буянова Н. Е., Куркчи Г. А. Физико-химическое применение газовой хроматографии. М.: Химия, 1973. 255 с.

27. Другов Ю. С., Родин А. А. — Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды и почвы. Санкт-Петербург: ТЕЗА, 1999, се. 624.

28. Столяров Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. /Под ред Б. В. Иоффе, JL: Изд-во ЛГУ, 1973. 284 с.

29. Коган Л. А. Количественная газовая хроматография. М.: Химия, 1975. 184 с.

30. Другов Ю. С., Родин А. А. Экоаналитические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. С.-Петербург: 2000. 250 с.

31. Другов Ю. С., Конопелько Л. А. Газохроматографический анализ газов. М.: Моимплекс, 1995.464 с.

32. Яшин Я. И., Яшин А. Я. Аналитическая хроматография. Новый справочник химика и техника. С.-Петербург: Аналитическая химия, ММП, 2002.253−388 с.

33. Дмитриев М. Т., Казнина Н. И., Пинигина И. А. — Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. Справочник. М.: Хи-мия, 1989, ее. 161 165,168−169,208−213,217−218.

34. Другов Ю. С., Беликов А. Б., Дьякова Г. А., Тульчинский В. М. Методы анализа загрязнений воздуха. М.: Химия, 1984. 384 с.

35. Хроматография газовая/Термины и определения. ГОСТ 17 567–81.

36. Хроматография. Основные понятия. Терминология. /Под ред. В. А. Даванкова. М.: Наука, 1997.48 с.

37. В. Г. Систер, С. В. Котов, А. А. Попов, В. Ю. Рыжнев, С. К. Сергеев, Г. М. Цветков. Экоаналитические технологии. М.2004г. Иридиум Медиа групп, 118−182.

38. Скрябин И. Л. канд. диссертация МГУИЭ, 1999 г.

39. Фритц Дж., Гьерда Д., Поланд К. Ионная хроматография //Пер. с англ., М.: Мир, 1984.221с.

40. Shplgun О. //Trends In Anal. Chem. 1985. v.4, N 1. p. 29−31.

41. Shplgun O., Zolotov Y. Ion Chromatography In Water analysis. Chickester: Ellis HorWood 1988. 188 p.

42. Woods C., Rowland А. Применение ионной хроматографии для контроляокружающей среды/У. Chromat. 1987, v. 789, p. 287−299.

43. Шпигун О. А., Золотов Ю. А. //Зав. лаб. 1982, т. 43, № 9, с.4−14.

44. Челенко В. Г. Ионохроматографический анализ газовых сред. Дис. Канд. Техн. Наук, М.: МГУИЭ, 2003.

45. Яшин А. Я., Яшин Я. И. Аналитические возможности жидкостных и ионных хроматографов «ЦветЯуза» /Приборы, 2000, т. 24, № 6, С. 43−49.

46. Яшин А. Я., Яшин Я. И. Аналитические возможности хроматографов «ЦветЯуза» с электрохимическим детектором //Рос. Хим. журн., Жур. РХО им. Д. И. Менделеева. 2002. т. 46. № 4, с.110−116.

47. Потапкин В. А., Попов А. А., Задыкян А. А., Системы управления качеством окружающей среды. Математическое обеспечение. Москва: Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. № 12, с. 26−29.

48. Попов А. А., Потапкин В. А., Задыкян А. А., Методика и приборы для оценки эффективности природоохранных инженерных решений на основе экоаналитических измерений. Москва: Приборы. 2004. № 12 (54), с. 38−41.

49. Попов А. А., Потапкин В. А., Задыкян А. А., Химико-аналитическая систематизация экозагрязнителей и оптимальные приборно-методические решения. Москва: Экологические системы и приборы. 2005. № 2, с. 3−5.

50. Потапкин В. А., Планирование и предупреждение экологических катастроф. Москва: МГУИЭ, труды II международной научно-практической конференции .2005, с.43−44.