Лекція 10. Методи вимірювання параметрів водного середовища (2год)

1. Засоби і прилади, методика вимірювання фізичних та органолептичних параметрів водного середовища

Фізичні параметри води є важливими показниками екологічного стану водного середовища. До цих параметрів відносяться: температура, прозорість, кольоровість, вміст розчинених сполук і зважених речовин, швидкість потоку, профіль глибини, характер берегів і дна тощо. Температура прискорює багато хімічних процесів у воді, змінює газообмін і є причиною скидання теплих вод з ТЕС та АЕС. Прозорість води впливає на протікання біологічних процесів у водоймах. Кольоровість є показником того чи іншого забруднення, це саме стосується і запаху. Вже ці візуальні показники можуть вказати на характер забруднення або загальний стан водойми.

Температура. Промислові підприємства, скидаючи теплу воду в природні водойми, створюють теплове забруднення водойм. Особливо це стосується АЕС, які скидають води нагріті до 40-45 o С. Температуру води визначають за допомогою термометрів (спиртових, ртутних). Якщо глибина водойми понад 1 м, то температура визначається через кожен метр глибини. При цьому на глибину понад 1 м термометр потрібно «залінивити», тобто кульку обмазати шаром пластиліну і витримати на глибині кілька хвилин. Лише після цього виймають термометр на поверхню і визначають температуру. Глибину вимірюють шнуром, на якому є поділки, і на кінці якого закріплений термометр і баласт. Ціна поділок термометра – 0,1-0,5 ^o С.

Температуру вимірюють у місцях скиду стічних вод нижче та вище місця скидання. Температуру вимірюють одночасно із відбором проб води. Температуру також вимірюють спеціальним водяним термометром, який має корпус із нижньою камерою, в якій розміщується кулька термометра. При підніманні термометра з водойми, вода залишається в цій камері, що дає точний результат. У водяного термометра є металевий футляр. Кулька цього термометра розміщена в чашці футляра, яка наповнюється водою в момент взяття проби. Чашка захищає резервуар термометра від коливань температур при вийманні його з води на різних рівнях водного джерела і зовнішньої температури. На верхньому кінці футляра є кільце, до якого прикріплюється шнур для занурення термометра у водойму.

При вимірюванні температури потрібно уникати вітру, сонячних променів та інших факторів, які можуть впливати на точність результатів. При визначенні температури термометр у воді потрібно тримати 5–10 хв. У водогінних і насосних устаткуваннях термометр занурюють у струмінь стікаючої води. Температуру визначають через кілька хвилин не виймаючи термометр із струменя.

Каламутність води – це величина обернена прозорості, яка характеризує вміст зважених речовин за їх концентрацією менше 2 мг/л. її вимірюють за допомогою каламутноміра. Визначення полягає у порівнянні каламутності аналізованої води з еталоном, який готується на основі каоліну. У цьому еталоні частинки каоліну менші 0,05 мм. Синє світло пропускають знизу вгору крізь плоске дно скляних циліндрів з водою при одночасному боковому освітленні їх білим світлом від лампи 300 Вт. На основі сили струму і каламутності (мг/л) можна побудувати градуювальну криву.

Швидко і зручно вимірювати каламутність фотоелектричними методами за допомогою турбідіметра. Фотоелектричними методами користуються лише при концентрації зважених речовин менше 100 мг/л. При більшому вмісті визначення проводять гравіметричним методом. Для цього каламутну воду пропускають через беззольний фільтр «синя стрічка» або мембранні фільтри. Кольоровість води (для стічних вод – колір) визначають, як правило, візуально і тому вона відноситься до органолептичних показників води (так само як запах, каламутність і прозорість). Кольоровість може бути причиною забруднень, завислих речовин, цвітіння води тощо. Червонуватий колір – це ознака вмісту заліза, зеленуватий – розмноження синьо-зелених водоростей. Кольоровість визначають колориметричним методом у градусах, порівнюючи з дихроматно-кобальтовою шкалою кольоровості, яку отримують у результаті змішування двох відповідних розчинів у певних співвідношеннях.

Можна визначати кольоровість не тільки за допомогою звичайного колориметра Дюбоска, а й за допомогою ФЕК, КФК, підбираючи відповідний світлофільтр. Світлофільтри підбираються таким чином, щоб поглинання світла при ньому було максимальне. Потім, використовуючи калібрувальну криву за графіком визначають кольоровість води в градусах.

За правилами скидання стічних вод у водойми природна вода при змішуванні повинна залишатися прозорою в шарі завтовшки 10 см. З цією метою в лабораторії визначають ступінь розбавлення води, за якого колір її шару зазначеної товщини стає непомітним. Для цього на світлий аркуш паперу ставлять три скляних циліндра з плоским дном діаметром 20–25 мм. У перший наливають стічну воду висотою 10 см, у другий – таку ж кількість дистильованої води, у третій – стічну воду, яку поступово розбавляють доти, доки вона при огляді зверху не стане однаковою з дистильованою.

2. Класифікація технічних засобів контролю і дослідження рідких середовищ

Існує кілька класифікацій технічних засобів контролю рідких середовищ, зокрема класифікація приладів для контролю вод:

- для вимірювання концентрації забруднюючих речовин;

- для вимірювання фізико-хімічних параметрів;

- для вимірювання узагальнюючих показників (БСК, ХСК тощо).

Прилади можуть бути поділені на: автоматичні та лабораторні аналізатори і сигналізатори. За характером досліджуваних рідин прилади поділяються на: аналізатори вод, інших рідин, а також за властивостями, які досліджуються, на: аналізатори забрудненості і фізико-хімічних властивостей рідин.

У підсумковому варіанті найбільш доцільна така класифікація:

- прилади контролю вод питного призначення;

- прилади контролю комунальних вод;

- прилади контролю водойм рибогосподарського призначення;

- прилади контролю для природних джерел води (поверхневі, підземні, морські);

- прилади контролю для стічних вод.

Але найчастіше класифікують прилади за принципом їхньої дії, а далі за типом речовини, яка визначається (фотоколориметри, полярографи, кондуктометри тощо).

Звертаючи увагу на порядок технологічного циклу екоаналітичного контролю у першу чергу застосовуються ті технічні засоби, які призначені для пошуку джерел забруднення вод. Нажаль, таких приладів розроблено дуже мало. Велика потреба, в так званих експрес-аналізаторах, які повинні бути портативними і простими у використанні. Ряд таких засобів створено як вітчизняною, так і зарубіжною промисловістю.

На другій стадії екоаналітичного контролю важливі засоби відбору проб води. Сюди відносяться різні батометри, бутилі, склянки, насоси з поглинальними патронами тощо.

На третій стадії екоаналітичного циклу важливі засоби підготовки проб води для аналізу. Тут застосовуються загальновживані засоби, такі як центрифуги, сушильні шафи, ексикатори, екстрактори, випарники. За допомогою засобів концентруються, розділяються речовини, підвищується селективність і чутливість майбутнього аналізу.

На четвертій стадії (кількісного вимірювання), так як і у випадках дослідження повітря, застосовують переважно прилади універсального призначення (хроматографи, спектрофотометри, спектрографи, фотоелектроколориметри). Найчастіше застосовують прилади на основі потенціометрії (рН-метри, йономіри); на основі кондуктометрії (кондуктометри) тощо.

3. Технічні засоби оперативного контролю якості природних вод

Перша стадія екоаналітичного контролю забруднення вод є пошук джерел забруднення. Нажаль портативних приладів, які б для цього використовувалися в нашій країні не розроблено. Виключенням є фотоколориметр з протічною кюветою «піка», який не може використовуватися у польових умовах.

Останнім часом з’являються імпортні зразки або переносні лабораторії. Як правило, на сьогодні дослідження проводяться в лабораторних умовах, а цьому передує відбір проб води в необхідних місцях.

На другій стадії аналізу повного циклу необхідно правильно вибрати місце відбору проб. Це залежить від поставленого завдання.

Точність, достовірність, комплексність оцінювання забруднень водного середовища забезпечує використання нових, сучасних приладів моніторингу. Останнім часом у всьому світі впроваджуються автоматизовані системи контролю. Вони поки що виконують не всі необхідні функції, однак їх перевагою є безперервність вимірювань. Автоматизовані системи дають змогу автоматично здійснювати відбір проб води, вимірювання, оброблення та передавання інформації. Прискорення і практично безперервне одержання інформації про якість води за допомогою автоматизованих систем контролю зумовлює необхідність їх широкого використання при моніторингу якості вод суші.

Оперативне контролювання хімічного складу природних вод забезпечує автоматизована система контролю якості води АСЯНС-ВГ (автоматизовані спостереження якості навколишнього середовища – водний горизонт), створена вченими Гідрохімічного інституту Держкомгідромету.

Автоматизована система контролю якості води – комплекс технічних засобів, які вимірюють у часі і просторі фізичні, хімічні і біологічні показники якості води, передають інформацію на центральний пункт управління і попереджають про порушення норм водокористування.

Засоби оперативного автоматичного контролю забруднення вод поділяють на дві групи – автоматичні станції контролю якості води (АСКЯВ), або монітори, і аналізатори. За їх допомогою визначають низку показників якості води таких, як катіони та аніони, а також мінеральні речовини, специфічні (нафтопродукти, важкі метали, пестициди та ін.) та органічні забруднювачі.

 Автоматична станція контролю якості води (АСКЯВ). Це комплексний багатофункціональний пристрій, що дає змогу без участі людини швидко отримувати, опрацьовувати, зберігати і передавати в центр інформацію про фізичні властивості і хімічний склад поверхневих вод.

Пересувні гідрохімічні лабораторії (ПГХЛ). Вони забезпечують оперативне контролювання якості води, яке неможливо здійснити за допомогою АСКЯВ, одержують інформацію безпосередньо на водному об'єкті й одночасно доставляють проби для детального аналізу в стаціонарних лабораторіях.

Стаціонарна гідрохімічна лабораторія (СГХЛ). У постійній, непересувній гідрохімічній лабораторії можна робити хімічний аналіз води, визначати багато компонентів її хімічного складу, отримувати ту інформацію про якість води, яку неспроможні надати АСКЯВ і ПГХЛ.

4. Методи і методика відбору проб стічних вод.

Відбір проб стічних вод регламентується КНД 211.1.0.009-94 “Гідросфера. Відбір проб для визначення складу та властивостей стічних і технологічних вод” (1995);, ДСТУ ISO 5667-2-2003 “Якість води. Відбирання проб. Частина 2. Настанови щодо методів відбирання проб”; ДСТУ ISO 5667-3-2001 “Якість води. Відбирання проб. Частина 3. Настанови щодо зберігання та поводження з пробами”; ДСТУ ISO 5667-10- 2005 “Якість води. Відбирання проб. Частина 10. Настанови щодо відбирання проб стічних вод”.

Відібрана проба повинна, з найбільш можливою повнотою, репрезентувати показники складу та властивостей об'єкту контролю на даний момент або за певний інтервал часу. Способи відбору та зберігання проб мають забезпечити сталість складу та властивостей об'єкту контролю в інтервалі часу між відбором проб та їхнім аналізом. Програма відбору проб (види проб, місця відбору, періодичність, способи відбору, перелік показників, що контролюються та ін.) визначається поставленою метою.

Систематичний відбір проб з метою контролю скидів стічних вод проводиться водокористувачем. Вибірковий або контрольний відбір проб застосовують для забезпечення контролю діяльності водокористувачів. Такий відбір проб здійснюють підрозділи аналітичного контролю органів Мінекобезпеки України на місцях. Проби поділяються на разові та об'єднані (усереднені). Разові проби використовують місцеві органи Мінекобезпеки України під час контролю складу стічних вод та впливу скидання стічних вод на водні об'єкти з метою встановлення можливого забруднення і ступеню забрудненості об'єкту контролю. Таке призначення разових проб відповідає міжнародному стандартові ДСТУ ISO 5667-2:2003.

Разова проба характеризує склад та властивості води у даному місці на момент відбору, її отримують однократним відбором усього, необхідного для аналізу, об'єму води в заданій точці місця відбору. Об'єднана (усереднена) проба має характеризувати склад та властивості води з урахуванням неоднорідності її кількісних та якісних характеристик у часі, просторі. Об'єднану пробу отримують злиттям декількох разових проб, що були відібрані одночасно в заданих місцях, або одержують об'єднанням разових проб, що взяті в одному місці через задані інтервали часу,

Місця відбору проб визначають, базуючись на схемі розташування та взаємодії об'єктів контролю з урахуванням їхніх особливостей та мети контролю. Вода у місці відбору проб повинна добре перемішуватись. Якщо це не виконується, то відбирають проби у різних по глибині місцях з відповідним усередненням за об'ємом. Місця відбору проб окремих потоків мають бути розташовані перед ділянками їхнього змішування, поза зонами можливого впливу підпору.

Проби суміші вод різних потоків слід відбирати у місцях їхнього повного змішування, які визначаються розрахунком або експериментально. Місця відбору проб повинні мати пристрої та стаціонарне обладнання для отримання проби води. Місця відбору проб для стічних вод, що скидаються у водні об'єкти, мають бути обладнані водокористувачами засобами реєстрації вимірювання витрат. Бажано мати автоматичні пробовідбірні пристрої та засоби вимірювання витрат.

Час та частоту відбору проб встановлюють у відповідності з метою контролю, з урахуванням особливостей об'єктів контролю, на основі наявних або спеціально одержаних даних щодо неоднорідності складу та властивостей вод об'єкту контролю. Відбір проб водокористувачем повинен здійснюватись з частотою, що дозволяє контролювати неоднорідність складу або властивостей вод у прийнятих межах з прийнятою ймовірністю. Частоту відбору зменшують до одного разу за період контролю, якщо значення показників складу та властивостей вод у заданому місці відбору стабільні за часом та не виходять за встановлені або нормативні значення припустимих розбіжностей величин показників.

Якщо значення показника, або групи показників, вийшли за межі встановлених припустимих розходжень, для з'ясування причин розходжень частоту відбору підвищують. У період очікуваних або наявних змін складу і властивостей вод об'єкту контролю, що сталися у результаті аварії, повені, ремонту і т.п., проби відбирають у 2-3 рази частіше, ніж звичайно, з відповідним коригуванням частоти відбору, після стабілізації значень показників, що контролюються. Час та частоту відбору проб у місцях систематичного відбору періодично коригують з урахуванням одержаних результатів, а також даних, щодо можливих або наявних змін в об'єктах контролю.

Обладнання для відбору проб вручну, або автоматично, має відповідати вимогам ДСТУ ISO 5667-2:2003. Матеріал пробовідбірного обладнання, що контактує з пробою, не повинен змінювати її склад або властивості. Стаціонарне обладнання пробовідбірних комунікацій у місцях відбору має бути проточним постійної дії без запірної арматури або має бути передбачена можливість його очищення від накопичених домішок. При високій частоті відбору проб застосовують автоматичні пробовідбірники для отримання об'єднаної (усередненої) проби. Об'єм проби при ручному відборі має бути в три рази більшим за об'єм, необхідний для одного визначення усіх показників. При заповненні посуду пробою слід запобігати сильному переміщуванню, розриву струменя або захоплення повітря пробою.

Відбір проб для визначення завислих речовин, нафтопродуктів, показників БСК та ХСК слід проводити в окремий посуд одноразовим наповнюванням без переливу. Відбір проб стоячих вод, або з відкритих випусків над поверхнею скидання, проводять за допомогою пристосувань для дистанційного відбору, у т.ч. ручного типу. Особливості відбору проб для визначення конкретних показників надані у відповідних методиках визначення складу та властивостей вод.

Посуд для відбору та зберігання проб, а також засоби його герметизації, не повинні призводити до змін складу або властивостей проб. Завданням відбору, зберігання та транспортування проб задовольняє посуд, виготовлений з хімічно стійких матеріалів. Посуд для відбору, зберігання, а також транспортування проб повинен мати маркіровку, що не змивається. На відібрану пробу (проби) складається супровідний документ (акт, паспорт), в якому має бути наведена така інформація:

- номер посудини (проби);

- назва проби, мета відбору;

- вид проби (разова або об'єднана) із зазначенням способу усереднення;

- спосіб відбору;

- пункт та місце відбору;

- дані про обробку проби (фільтрування, відстоювання, консервування тощо);

- дата, час та відомості про особу (осіб), яка відбирала пробу.

Дозволяється вносити в паспорт проби додаткові відомості, що роз'яснюють та уточнюють попередні, у тому числі:

- витрата води у місці відбору на момент відбору;

- показники складу та властивостей, що визначені на місці або у точці відбору;

- органолептичні показники та інше.

Зберігання проб припустиме лише в разі неможливості проведення аналізу відразу після відбору. При цьому необхідно враховувати можливі зміни у складі та властивостях проби.

Для збільшення строку зберігання проби, її консервують, з урахуванням таких вимог:

- консерванти даного компоненту або групи компонентів не мають перешкоджати визначенню інших показників;

- метод консервування проби має бути узгоджений з методикою визначення відповідних показників;

- конкретні засоби консервування та строки зберігання проби приймають у відповідності з методиками виконання вимірювань.

Посуд з пробами, призначений для транспортування, має бути упакований у тару, що забезпечує його непошкодженість. Проби транспортують з додержанням необхідних заходів безпеки будь-яким видом транспорту, що забезпечує їхню непошкодженість та своєчасну доставку.

Контроль складу і властивостей стічних вод проводиться з метою визначення відповідності їх складу і властивостей вимогам, встановленим при скиданні вод у водні об'єкти чи системи каналізації. Контроль технологічних вод проводиться з метою визначення відповідності їх складу і властивостей вимогам, встановленим регламентом експлуатації систем зворотного або послідовного водопостачання. З метою перевірки ефективності роботи очисних споруд проводиться контроль складу і властивостей стічних вод на різних ступенях очистки.

Для оцінки впливу скидання стічних вод на стан природних вод проводиться контроль складу і властивостей вод у водних об'єктах, що приймають стічні води. Скидання стічних вод у водні об'єкти допускається лише за умови дотримання нормативів гранично допустимих концентрацій речовин у воді водних об'єктів. Контроль складу і властивостей вод поділяється на державний та відомчий.

Державний контроль здійснюється місцевими органами Державної екологічної інспекції Мінекобезпеки України, на яку згідно з Постановою Кабінету Міністрів від 12 листопада 1993 р. № 925 покладено здійснення державного контролю в галузі охорони навколишнього природного середовища і раціонального використання природних ресурсів.

Відомчий контроль здійснюється службами охорони навколишнього природного середовища підприємств-водокористувачів (далі водокористувачі). У разі відсутності такої служби на підприємстві, відомчий контроль може здійснювати інша спеціалізована організація, яка має відповідний дозвіл місцевого органу Мінекобезпеки України Місцеві органи Державної екологічної інспекції проводять вибірковий контроль складу та властивостей стічних вод та вод водотоків і водойм з метою встановлення достовірності відомчого контролю.

Водокористувачі здійснюють контроль:

- складу і властивостей стічних вод і їх відповідності визначеним нормам скидання;

- складу і властивостей стічних вод на окремих ланках технологічної схеми очистки і використання вод і їх відповідності технологічним регламентам;

- складу і властивостей вод водного об'єкту, до якого скидаються стічні води, і дотримання нормативів якості вод водних об'єктів згідно з встановленим видом водокористування.

Перелік показників складу і властивостей вод, що контролюються, визначається водокористувачем за додатком А згідно з дозволом на спеціальне водокористування і нормативами гранично допустимого скидання забруднюючих речовин з урахуванням особливостей технології виробництва.

В разі стабільності складу і властивостей стічних вод водокористувач має право виконувати контроль за скороченою програмою, включаючи у перелік показників, що контролюються, тільки найбільш характерні для певного виробництва. Стабільність складу і властивостей стічних вод та перелік показників, що включаються до скороченої програми контролю, визначаються водокористувачем чи на його замову компетентною організацією на підставі аналізу результатів вимірювань достатньо представницького ряду на протязі року.

Перелік показників, що контролюються, місця і частота відбору проб поверхневих та стічних вод узгоджуються місцевими органами Мінекобезпеки України за пропозиціями водокористувачів. У разі зміни сировини, технологічного процесу та в інших випадках, що ведуть до зміни складу і властивостей стічних вод, перелік показників, що контролюються, піддягає відповідному уточненню водокористувачем і додатковому узгодженню місцевими органами Мінекобезпеки України.

На водних об'єктах і в системах водовідведення водокористувачами повинні бути обладнані місця для відбору проб води, в тому числі і за територією підприємства, доступні для працівників контролюючих органів. Для кожного забруднюючого інгредієнта, що є у водах, водокористувач повинен мати методики виконання вимірювань, що враховують специфіку конкретних вод з описом процедури підготовки проб для аналізу.

Галузь розповсюдження методик повинна охоплювати весь діапазон вимірювання концентрацій компоненту, що аналізується. З метою підвищення ефективності відомчого контролю стічних та технологічних вод рекомендується впровадження автоматизованих пристроїв вимірювання та об'єднання їх в автоматизовані системи, що дозволяють здійснювати централізований контроль та керування скиданням вод. Результати вимірювань заносяться до журналів, на машинограми чи інші носії інформації.

Водокористувачі подають дані про склад і властивості стічних вод та води водних об'єктів до місцевих органів Мінекобезпеки України за формами і в терміни, визначені Міністерством статистики України. Місцеві органи Мінекобезпеки України здійснюють оцінку достовірності інформації, що подається водокористувачами. Згідно з чинним законодавством водокористувач несе відповідальність за повноту і достовірність інформації про склад і обсяг стічних вод, а також про вплив скидання вод на стан водного об'єкту, в який скидаються стічні води.