Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды в системе экологического мониторинга (литературный обзор) 17
1.1. Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды 17
1.2. Оценка и обеспечение качества методик выполнения измерений в рамках экологического мониторинга 22
1.3. Влияние измерений на оценку степени загрязнения компонентов окружающей среды 29
1.4. Стандартные образцы-имитаторы проб реальных объектов окружающей среды 30
1.5. Выбор контролируемого загрязняющего вещества 31
1.5.1. Ртуть, её свойства 35
1.5.2. Применение ртути 37
1.5.3. Нахождение ртути в природе 38
1.5.4. Антропогенные источники поступления ртути в окружающую среду 40
1.5.5. Токсические свойства ртути 41
1.6. Методы определения содержания ртути в объектах охраны окружающей среды 43
1.6.1. Современные атомно-абсорбционные анализаторы ртути 45
1.6.2. Пути совершенствования атомно-абсорбционных анализаторов ртути 49
ГЛАВА II. Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды в рамках экологического мониторинга (обсуждение результатов) 54
2.1. Система одноуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды 54
2.2. Оценка и минимизация значимого влияния измерений на оценку степени загрязнения компонентов окружающей среды 58
2.3.Система многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды 59
ГЛАВА III. Оценка и обеспечение качества методик выполнения измерений в рамках экологического мониторинга 64
3.1. Система одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений 64
3.2. Качество и чувствительность методик выполнения измерений 87
3.3. Система многоуровневой оценки и обеспечения качества измерений 94
ГЛАВА IV. Техническое и методическое обеспечение оценки ртутного загрязнения объектов окружающей среды 99
4.1. Техническое обеспечение оценки ртутного загрязнения объектов окружающей среды 99
4.1.1. Анализатор ртути типа «Юлия-5К» 99
4.1.1.1. Принцип действия 103
4.1.1.2. Функциональная схема 105
4.1.1.3. Газодинамическая схема 108
4.1.1.4. Исследования точностных характеристик разработанных модификаций 108
4.1.2. Анализатор ртути типа «Юлия-5КМ» 116
4.2. Методическое обеспечение оценки ртутного загрязнения объектов окружающей сред 123
4.2.1. Стандартные образцы-имитаторы состава воды, почвы и воздуха на содержание ртути 123
4.2.2.Мето дика выполнения измерений массовой концентрации общей ртути в питьевых, природных и очищенных сточных водах 126
4.2.3.Методика выполнения измерений массовой концентрации общей ртути в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе населенных пунктов 136
4.2.4.Методика выполнения измерений массовой доли общей ртути в почвах 138
4.2.5 Методика выполнения измерений массовой доли общей ртути в ртутьсодержащих отходах производства и потребления 142
4.3. Многоуровневая оценка состояния окружающей среды на примере ртутного загрязнения почвы 144
ВЫВОДЫ 145
Библиографический список использованной литературы 146
- Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды
- Система одноуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды
- Система одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений
Введение к работе
Актуальность работы. С введением в действие Федерального закона «О техническом регулировании» [1] приоритетной становится деятельность по обеспечению национальной безопасности страны, одной из составляющих которой является экологическая безопасность окружающей среды. Эффективным инструментом контроля состояния и управления качеством окружающей среды является экологический мониторинг. Он представляет собой комплексную систему наблюдений за состоянием окружающей среды, оценку её состояния и прогноз изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Однако до настоящего времени в системе экологического мониторинга отсутствует единый научно обоснованный подход по оценке состояния (степени загрязнения компонентов) окружающей среды. Разработано и стандартизовано несколько подходов, противоречащих в ряде случаев друг другу. Это не может способствовать обеспечению единства принятия управленческих решений в системе экологического мониторинга. Поэтому разработка, стандартизация и внедрение в систему экологического мониторинга единого научно обоснованного подхода по оценке состояния окружающей среды представляется своевременной.
Оценка состояния окружающей среды проводится путем сопоставления полученных в лаборатории экологического контроля наблюдений в виде результатов измерений с нормативами качества объектов окружающей среды. Используемая при этом измерительная информация, . процедура получения которой описывается в методиках выполнения измерений, должна быть качественной. Однако в системе экологического мониторинга отсутствует понятие «качество методики выполнения измерений» и соответствующее определение. В соответствии с этим оценка её качества сводится лишь к оценке качества измерений без учета оценки чувствительности измерений [2]. Качественные, но нечувствительные
результаты измерений не могут быть использованы для оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды. В результате этого на ведомственном уровне разработан ряд подходов по оценке чувствительности измерений. Однако это не может способствовать обеспечению единства в принятии решений по данному вопросу. В соответствии с этим представляется обоснованным разработка определения термина «качество методики выполнения измерений» и последующая разработка, стандартизация и внедрение в систему экологического мониторинга единого научно обоснованного подхода по оценке чувствительности измерений и, соответственно, - по оценке качества методик выполнения измерений.
Оценка качества измерений проводится в два этапа. На первом этапе оценивается качество применяемой методики выполнения измерений путем сопоставления приписанной ей погрешности измерений с нормативом качества измерений в виде нормы погрешности измерений. МВИ признается качественной, если приписанная ей погрешность измерений не превышает норму погрешности измерений. На втором этапе оценивается качество измерений в процессе текущих измерений в условиях повторяемости, воспроизводимости и точности измерений по соответствующим алгоритмам.
В настоящее время в стране функционирует система одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений. Суть её заключается в следующем. Во-первых, для каждого контролируемого химического вещества установлено лишь одно значение нормы погрешности измерений, величина которого зависит (для воды) или не зависит (для воздуха и почв) от величины норматива качества объекта окружающей среды. Указанное свидетельствует об отсутствии единого подхода по данному виду нормирования качества измерений. Во-вторых, рекомендуется разрабатывать методики выполнения измерений с приписанной им погрешностью измерений равной или незначительно меньше нормы погрешности измерений; если же приписанная погрешность измерений в два и более раз меньше нормы погрешности измерений, то это экономически нерационально.
9 Действительно, в условиях функционирующей в стране системы одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений экономически невыгодно разрабатывать и применять в лабораториях высокоточные средства и методики выполнения измерений, используя последние достижения науки и техники. Указанное противоречит основополагающим принципам научно-технического прогресса о необходимости постоянного повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции и предоставляемых услуг (в том числе измерительных услуг). В результате этого в равных экономических условиях находятся лаборатории, оказывающие измерительные услуги разного уровня качества: использующие высокоточные и низкоточные средства и методики выполнения измерений. Это не может соответствовать нарождающимся в стране рыночным отношениям в области деятельности по оказанию измерительных услуг. Решение рассмотренных проблемных вопросов возможно путем перехода от одно- к многоуровневой системе оценки и обеспечения качества измерений. В соответствии с этим .разработка, стандартизация и внедрение в систему экологического мониторинга указанной системы представляется целесообразной.
«Процедура оценивания соответствия» представляет собой «оценку степени соответствия» качества объекта испытаний нормативным требованиям [3]. Однако в стране в настоящее время функционирует система одноуровневой оценки качества объекта испытаний: в режиме «индикации» оценивается лишь соответствие или несоответствие качества объекта испытаний нормативным требованиям (да-нет). Поэтому разработка системы многоуровневой оценки качества объектов окружающей среды на базе разработанной системы многоуровневой оценки и обеспечения качества измерений позволит оценить степень соответствия качества объектов окружающей среды нормативным требованиям.
Для технического и методического обеспечения оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды необходимы соответствующие приборы и методики выполнения измерений.
В настоящее время в стране установлено более 5000 химических веществ [4], оказывающих вредное воздействие на окружающую среду и здоровье людей. В соответствии с этим многообразием не представляется возможным в рамках одной работы разработать, стандартизовать и внедрить в систему экологического мониторинга комплекс необходимых приборов и методик выполнения измерений. Более целесообразным является указанный путь для одного из самых опасных и трудно определяемых контролируемых химических веществ во всех объектах охраны окружающей среды и наиболее распространенного в повседневной жизни и на производстве. В соответствии с этим для последующих исследований выбрано вещество I класса опасности, а из более, чем 400 «чрезвычайно опасных» химических веществ выбрана ртуть из-за наибольшей распространенности в повседневной жизни и на производстве. В соответствии с изложенным разработка высокоточных приборов и методик определения содержания ртути в объектах окружающей среды представляется обоснованной. Указанный путь на примере технического и методического обеспечения оценки ртутного загрязнения объектов окружающей среды после его апробации на практике может быть рекомендован как оптимальный для остальных- более, чем 5000 контролируемых химических веществ.
Целью настоящей работы является разработка, стандартизация и внедрение в систему экологического мониторинга многоуровневой оценки состояния окружающей среды на примере ртутного загрязнения объектов окружающей среды.
Для достижения указанной цели требовалось решить следующие задачи:
1. Разработать и научно обосновать концепцию многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды.
Разработать научные основы системы одно- и многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды, представляемые в виде соответствующих алгоритмов.
Разработать научные основы системы многоуровневой оценки качества результатов измерений, представляемые в виде соответствующих алгоритмов, и на этой основе обосновать подход к минимизации значимого влияния результатов измерений на оценку достоверности степени загрязнения компонентов окружающей среды.
Разработать и стандартизовать высокоточные анализаторы ртути, превосходящие по точностным характеристикам в несколько раз отечественные аналоги.
Разработать и стандартизовать методики выполнения измерений содержания ртути в объектах окружающей среды, превосходящие по точностным характеристикам в несколько раз отечественные аналоги.
Научная новизна работы. Впервые на основе критического анализа функционирующей в стране одноуровневой оценки состояния окружающей среды в системе экологического мониторинга с использованием системного подхода разработана и научно обоснована концепция многоуровневой оценки состояния окружающей среды.
Разработаны научные основы системы одно- и многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды, представленные в виде соответствующих алгоритмов.
Разработаны научные основы системы многоуровневой оценки качества результатов измерений, представленные в виде соответствующих алгоритмов, и на этой основе обоснован подход к минимизации значимого влияния результатов измерений на оценку достоверности степени загрязнения компонентов окружающей среды.
12 Практическая значимость работы.
Установлены и обоснованы взаимосвязи между уровнем качества измерений и уровнем оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды; между классом опасности и нормативами содержания загрязняющих веществ компонентов окружающей среды; между уровнем качества измерений и классом опасности загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды. Они положены в основу повышения достоверности получаемых результатов измерений, на базе которых проводится оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды и экологическое прогнозирование.
Результаты научных исследований стандартизованы в виде нормативного документа Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии МИ 2867-2004, включенного в реестр нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений в стране. Предложенная система многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды внедрена в систему ведомственного экологического контроля ряда предприятий Республики Татарстан и Российской Федерации.
Созданы, стандартизованы и внедрены высокоточные анализаторы ртути типа «Юлия-5К» (трёх модификаций) (сертификат RU.C.31.004.A № 24531) и типа «Юлия-5КМ» (сертификат RU.C.31.004.A № - 16835), зарегистрированные в Государственном реестре средств измерений под № 20972-06 и № 26332-04 и допущенные к применению в Российской Федерации; запущено их серийное производство; по своим точностным характеристикам они превосходят в три раза отечественные аналоги и технически обеспечивают оценку ртутного загрязнения компонентов окружающей среды.
Разработаны, стандартизованы и внедрены методики измерений содержания общей ртути в воде (МИ 2865-2004), в воздухе (МИ 2866-2004), в почвах (МИ 2878-2004) и ртутьсодержащих отходах (МИ 2879-2004),
включенные в Государственный реестр методик измерений Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии; по своим точностным характеристикам они превосходят в 5-10 раз отечественные аналоги и методически обеспечивают оценку ртутного загрязнения компонентов окружающей среды. На защиту выносятся:
Научные основы системы одно- и многоуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды в рамках экологического мониторинга;
Научные основы системы многоуровневой оценки и обеспечения качества измерений в рамках экологического мониторинга;
Научный подход к оценке и минимизации значимого влияния результатов измерений на оценку степени загрязнения компонентов окружающей среды;
Установленные и обоснованные взаимосвязи между:
уровнем качества измерений и уровнем оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды;
классом опасности и нормативами содержания загрязняющих веществ компонентов окружающей среды;
уровнем качества измерений и классом опасности загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды.
Разработанные и стандартизованные высокоточные анализаторы ртути типа «Юлия-5К» (трех модификаций) и типа «Юлия-5КМ».
Разработанные и стандартизованные высокоточные методики измерений содержания общей ртути в воде, воздухе, ' почве и ртутьсодержащих отходов с применением высокоточных анализаторов ртути типа «Юлия-5К» и типа «Юлия-5КМ».
Многоуровневая оценка состояния окружающей среды на примере ртутного загрязнения почвы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на VI Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2002» (г. Нижнекамск, 2002); на региональном научно-практическом семинаре Российского фонда фундаментальных исследований «Пути коммерциализации фундаментальных исследований в области химии для отечественной промышленности» (г. Казань, 2002); на V Республиканской конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (г. Казань, 2002); на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (г. Казань, 2003); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере» (г. Казань, 2003); на VI Республиканской конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (г. Казань, 2004).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 статей, 6 тезисов докладов и учебно-методическое пособие. Основные результаты работы стандартизованы в 5 нормативно-методических документах Федеральной агентства по техническому регулированию и метрологии.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили объекты окружающей среды и санитарно-гигиенические объекты: вода (питьевая, природная и очищенная сточная), воздух (атмосферный и рабочей зоны), почва, ртутьсодержащие отходы производства и потребления. При оценке состояния окружающей среды использовали известные в математической статистике t- и F-критерии, а при разработке методик выполнения измерений содержания общей ртути в указанных объектах -метод атомной абсорбции в модификации «метод холодного пара».
Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка используемой литературы и'приложения.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и решаемые задачи, её научная новизна и
15 практическая значимость, основные защищаемые положения диссертации, приведены объекты и методы исследований, количество публикаций по основным материалам работы и перечень мероприятий, на которых апробировалась работа, кратко описано содержание работы по главам.
Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды
Экологическая безопасность - это состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий [10]. Её обеспечение осуществляется путем охраны окружающей среды, эффективным инструментом которой является экологический мониторинг. Одной из составляющих его является оценка состояния (степени загрязнения компонентов) окружающей среды. Она осуществляется путем сопоставления полученных в лаборатории экологического контроля наблюдений в виде результатов измерений с нормативами качества окружающей среды. Указанные нормативы качества устанавливаются для оценки состояния защищенности окружающей среды в целях сохранения естественных экологических систем, генетического фонда растений, животных и других организмов [10]. Они является, по сути дела, индикаторами качества окружающей среды, при соблюдении которых обеспечивается благоприятная окружающая среда.
Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды В системе экологического мониторинга оценка качества .объекта окружающей среды по- контролируемому загрязняющему химическому веществу проводится путем сопоставления полученного в лаборатории результата измерений в виде доверительного интервала Хи -Хв с нормативом качества указанного объекта, задаваемого в виде номинального значения Х0 или в виде интервала Хт - Хов.
Результат измерений (X) представляется в протоколе измерений в следующей форме: X ± АХ, где АХ - доверительная абсолютная погрешность результата измерений X (погрешность измерений). Результат измерений может быть представлен также в виде доверительного интервала - нижний и верхний пределы указанного интервала соответственно.
В настоящее время регламентируется три случая, когда объект испытаний (измерений) признается качественным и (или) безопасным: случай «не более», когда результат измерений, получаемый в виде доверительного интервала Хн - Хв, не превышает норматив качества объекта испытаний, задаваемого в виде номинального значения Х0 («отсутствие (Хп)»); данный случай является основным для системы экологического мониторинга; случай «не менее», когда результат измерений, получаемый в виде доверительного интервала Хн - Хв, не меньше норматива качества объекта испытаний, задаваемого в виде номинального значения Х0; данный случай в настоящее время в системе экологического мониторинга не применяется, однако в перспективе это возможно; типичным примером является, например, оценка качества автомобильного бензина по октановому числу; случай «в пределах», когда результат измерений, получаемый в виде доверительного интервала Хн - Хв, находится в пределах норматива качества объекта испытаний, задаваемого в виде интервала Хон - Хт; данный случай применяется в системе экологического мониторинга, например, при оценке качества воды по водородному показателю (рН).
В настоящее время в стране отсутствует единый стандартизованный подход по оценке соответствия объекта испытаний его функциональному назначению. В результате этого в ведомствах разрабатываются и применяются свои подходы, противоречащие в ряде случаев друг другу. Это не может способствовать обеспечению единства принятия управленческих решений в области «оценки соответствия». Поэтому разработка научно обоснованного подхода по оценке степени загрязнения компонентов окружающей среды с последующей стандартизацией его на государственном уровне и внедрением в систему экологического мониторинга представляется актуальным, что и явилось одной из задач данной работы.
Система одноуровневой оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды
При выполнении соотношений (20) и (21) объект испытаний признается качественным. При этом необходимо иметь в виду, что соотношения (18) - (21) могут быть использованы в практической деятельности, если процедура получения измерительной информации, описываемая в методиках выполнения измерений, является качественной.
Предлагаемый подход по обеспечению единства оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды совпадает концептуально со стандартизованным международным подходом, регламентированным в ГОСТР ИСО 5725-1 [16]: «...нельзя установить фактическое различие между полученным результатом измерений и какой-либо точной величиной, если она лежит в области неизбежных случайных погрешностей измерительной процедуры...»
Предложенный подход является общим, включая в себя, как частные случаи, применяемые в настоящее время в стране подходы [11-14].
Неучет погрешности измерений при оценке соответствия объектов их функциональному назначению, который регламентируется, например, в стандартах [11-13], возможен. Однако для этого необходимо установить условия, при которых погрешностью измерений в COOT. (1) можно пренебречь, чего не было сделано в стандартах [11-13].
С этой целью проиллюстрируем выбор таких условий на примере определения массовой концентрации ртути в питьевой воде, используя COOT. (31)-(35)раздела3.1.
Из сопоставления соотношений (34) и (35) можно сделать вывод о том, что лишь с уменьшением погрешности измерений до допускаемого уровня можно ею пренебречь при оценке степени загрязнения компонентов окружающей среды. Такой уровень, по-видимому, может быть установлен только путем достижения согласия между хозяйствующим субъектом и представителем контролирующей организации.
Таким образом, степень загрязнения компонентов окружающей среды признается для случая «не более» допустимой, если выполняется соот. (18), а не соот. (1). При этом результат измерений X в соотношении (18) регламентирован в [14] как «показатель соответствия» объекта его функциональному назначению. Значение этого показателя можно конкретизировать для системы экологического мониторинга как «метрологический норматив допустимого воздействия загрязняющих окружающую среду химических веществ». В табл. 3 приведена зависимость указанного метрологического норматива X от приписанной МВИ относительной погрешности измерений 8пр. При этом значение X приведено в единицах норматива содержания загрязняющего компонента окружающей среды Х0 с использованием соот. (18) в виде равенства при а = 1.
В настоящее время в стране установлены нормативы содержания загрязняющих веществ компонентов окружающей среды (вода, воздух, почва) для 5240 загрязняющих окружающую среду химических веществ [4]. Зная приписанные МВИ погрешности измерений Дпрдля них и используя соотношение (18) в виде равенства (при a = l) или данные табл. 3, можно определить значение указанного метрологического норматива.
Система одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений
Оценка степени загрязнения компонентов окружающей среды проводится путем сопоставления полученных в лаборатории результатов измерений с нормативами содержания загрязняющих веществ компонентов окружающей среды. В связи с тем, что указанная оценка базируется на измерительной информации, то процедура её получения, описываемая в методиках выполнения измерений должна быть качественной: измерения должны быть качественными и чувствительными на уровне нормативов содержания загрязняющих веществ компонентов окружающей среды. 3.1. Система одноуровневой оценки и обеспечения качества измерений
В разделе 1.2. [126-130, 136] показано, что при нормировании качества измерений отсутствует единый стандартизованный подход. Так, для всех контролируемых загрязняющих химических веществ в почвах [29] и в атмосферном воздухе [27] установлен один норматив качества измерений в виде нормы относительной погрешности измерений ±25%. Для природных и сточных вод значение этого норматива изменяется, как правило, от ± 10 до ±70% в зависимости от контролируемого загрязняющего вещества [12]. В данном разделе представлены результаты анализа указанного состояния дел и предложен единый подход по данному виду нормирования качества измерений. При этом вначале в качестве объекта исследования выбрана вода, а затем - атмосферный воздух и почва.
Питьевая вода. В таблице 5 приведены нормы относительной погрешности измерений показателей состава и свойств питьевой воды (кроме бактериологических), установленные в 1987 и 2002 годах на уровне нормативов качества питьевой воды с указанием класса опасности контролируемых загрязняющих химических веществ. В результате анализа данных, представленных в таблице 5, установлено следующее.
