Мониторинг качества воздуха означает систематическое измерение загрязнителей атмосферного воздуха, чтобы иметь возможность оценить воздействие на уязвимые реципиенты (например, людей, животных, растения и произведения искусства) на основе стандартов и руководств, основанных на наблюдаемых воздействиях, и/или установить источник загрязнения атмосферного воздуха (причинный анализ).

На концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе влияет пространственная или временная изменчивость выбросов вредных веществ и динамика их рассеивания в воздухе. Как следствие, возникают заметные суточные и годовые колебания концентраций. Определить единым образом все эти различные вариации качества воздуха (на статистическом языке — совокупность состояний качества воздуха) практически невозможно. Таким образом, измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе всегда носят характер случайных пространственных или временных выборок.

Планирование измерений

Первым шагом в планировании измерения является как можно более точная формулировка цели измерения. Важные вопросы и области деятельности по мониторингу качества воздуха включают:

Измерение площади:

• репрезентативное определение экспозиции на одном участке (общий мониторинг воздуха)
• репрезентативное измерение ранее существовавшего загрязнения в районе планируемого объекта (разрешение, TA Luft (Техническая инструкция, воздух))
• предупреждение о смоге (зимний смог, высокая концентрация озона)
• измерения в горячих точках загрязнения воздуха для оценки максимального воздействия на реципиенты (EU-NO₂ руководство, измерения в уличных каньонах в соответствии с Федеральным законом Германии о контроле за выбросами)
• проверка результатов мер по борьбе с загрязнением и тенденций с течением времени
• скрининговые измерения
• научные исследования - например, перенос загрязнителей воздуха, химические превращения, калибровка расчетов рассеивания.

 

Измерение объекта:

• измерения в ответ на жалобы
• установление источников выбросов, причинно-следственный анализ
• измерения при пожарах и аварийных выбросах
• проверка успешности мер по сокращению
• мониторинг заводских неорганизованных выбросов.

 

Целью планирования измерений является использование адекватных процедур измерения и оценки для получения ответов на конкретные вопросы с достаточной определенностью и с минимально возможными затратами.

Пример параметров, которые следует использовать для планирования измерений, представлен в таблице 1 применительно к оценке загрязнения воздуха в районе планируемого промышленного объекта. Признавая, что формальные требования различаются в зависимости от юрисдикции, следует отметить, что здесь делается конкретная ссылка на немецкие процедуры лицензирования промышленных объектов.

Таблица 1. Параметры планирования измерений при измерении концентраций загрязнений атмосферного воздуха (с примером применения)

 

Пример в таблице 1 показывает случай измерительной сети, которая должна максимально репрезентативно контролировать качество воздуха в конкретной области для сравнения с установленными пределами качества воздуха. Идея, лежащая в основе этого подхода, заключается в том, что производится случайный выбор мест измерения, чтобы охватить одинаковые места в районе с разным качеством воздуха (например, жилые районы, улицы, промышленные зоны, парки, центры городов, пригороды). Этот подход может быть очень дорогостоящим на больших территориях из-за необходимого количества точек измерения.

Таким образом, другая концепция измерительной сети начинается с репрезентативно выбранных измерительных участков. Если измерения различного качества воздуха проводятся в наиболее важных местах и ​​известна продолжительность пребывания защищаемых объектов в этих «микросредах», то можно определить воздействие. Этот подход можно распространить на другие микроокружения (например, внутренние помещения, автомобили) для оценки общего воздействия. Моделирование диффузии или скрининговые измерения могут помочь в выборе правильных мест измерения.

Третий подход заключается в измерении в точках предполагаемого наибольшего воздействия (например, для NO₂ и бензол в уличных каньонах). Если стандарты оценки соблюдены на этом сайте, существует достаточная вероятность того, что это будет иметь место и на всех других сайтах. Этот подход, основанный на сосредоточении внимания на критических точках, требует относительно небольшого количества точек измерения, но они должны быть выбраны с особой тщательностью. Этот конкретный метод рискует переоценить реальное воздействие.

Параметры периода времени измерения, оценки данных измерений и частоты измерений, по существу, задаются в определении стандартов оценки (пределов) и желаемого уровня достоверности результатов. Пороговые пределы и периферийные условия, которые следует учитывать при планировании измерений, взаимосвязаны. Используя непрерывные процедуры измерения, можно достичь практически непрерывного во времени разрешения. Но это необходимо только при мониторинге пиковых значений и/или для предупреждений о смоге; например, для мониторинга среднегодовых значений достаточно прерывистых измерений.

Следующий раздел посвящен описанию возможностей процедур измерения и контроля качества как дополнительного параметра, важного для планирования измерений.

Гарантия качества

Проведение измерений концентраций загрязнителей атмосферного воздуха может быть дорогостоящим, а результаты могут повлиять на принятие важных решений с серьезными экономическими или экологическими последствиями. Поэтому меры по обеспечению качества являются неотъемлемой частью процесса измерения. Здесь следует различать два направления.

Процедурно-ориентированные меры

Каждая полная процедура измерения состоит из нескольких этапов: отбор проб, подготовка проб и очистка; разделение, обнаружение (заключительный аналитический этап); сбор и оценка данных. В некоторых случаях, особенно при непрерывном измерении неорганических газов, некоторые этапы процедуры могут быть опущены (например, разделение). При проведении измерений следует стремиться к полному соблюдению процедур. Процедуры, которые стандартизированы и, таким образом, всесторонне задокументированы, должны соблюдаться в форме стандартов DIN/ISO, стандартов CEN или руководств VDI.

Меры, ориентированные на пользователя

Использование стандартизированного и проверенного оборудования и процедур для измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе само по себе не может обеспечить приемлемое качество, если пользователь не использует адекватные методы контроля качества. Серия стандартов DIN/EN/ISO 9000 (стандарты управления качеством и обеспечения качества), EN 45000 (определяет требования к испытательным лабораториям) и ISO Guide 25 (общие требования к компетентности калибровочных и испытательных лабораторий) важны для пользователей. целенаправленные меры по обеспечению качества.

Важные аспекты мер контроля качества пользователя включают:

• принятие и применение содержания мер в смысле надлежащей лабораторной практики (GLP)
• правильное обслуживание измерительного оборудования, квалифицированные мероприятия по устранению сбоев и обеспечению ремонта
• проведение калибровок и регулярных проверок для обеспечения надлежащего функционирования
• проведение межлабораторных испытаний.

 

Процедуры измерения

Процедуры измерения неорганических газов

Существует множество процедур измерения для широкого диапазона неорганических газов. Мы будем различать ручные и автоматические методы.

Ручные процедуры

В случае ручных процедур измерения неорганических газов измеряемое вещество обычно адсорбируется во время отбора проб в растворе или твердом материале. В большинстве случаев фотометрическое определение проводят после получения соответствующей цветовой реакции. Несколько ручных процедур измерения имеют особое значение в качестве эталонных процедур. Из-за относительно высоких затрат на персонал эти ручные процедуры сегодня редко проводятся для полевых измерений, когда доступны альтернативные автоматические процедуры. Наиболее важные процедуры кратко описаны в таблице 2.

Таблица 2. Процедуры ручного измерения неорганических газов

DL = предел обнаружения; с = стандартное отклонение; отн. s = относительное s.

Особым вариантом отбора проб, используемым в основном в связи с ручными процедурами измерения, является трубка для диффузионного разделения (денудер). Метод денудера направлен на разделение фаз газа и частиц за счет использования их различных скоростей диффузии. Таким образом, он часто используется для сложных задач разделения (например, аммиак и соединения аммония; оксиды азота, азотная кислота и нитраты; оксиды серы, серная кислота и сульфаты или галогениды/галогениды водорода). В классическом методе денюдера тестовый воздух всасывается через стеклянную трубку со специальным покрытием, в зависимости от собираемого(ых) материала(ов). Техника денюдера получила дальнейшее развитие во многих вариациях, а также частично автоматизирована. Он значительно расширил возможности дифференцированного отбора проб, но в зависимости от варианта может быть очень трудоемким, а правильное использование требует большого опыта.

Автоматизированные процедуры

На рынке существует множество различных мониторов непрерывного измерения диоксида серы, оксидов азота, монооксида углерода и озона. По большей части они используются, в частности, в измерительных сетях. Наиболее важные особенности отдельных методов собраны в таблице 3.

Таблица 3. Автоматизированные процедуры измерения неорганических газов

 

Здесь следует подчеркнуть, что все автоматические процедуры измерения, основанные на химико-физических принципах, должны быть откалиброваны с использованием (ручных) эталонных процедур. Поскольку автоматическое оборудование в измерительных сетях часто работает в течение длительных периодов времени (например, несколько недель) без непосредственного контроля со стороны человека, необходимо, чтобы их правильное функционирование регулярно и автоматически проверялось. Как правило, это делается с использованием нулевого и контрольного газов, которые могут быть получены несколькими способами (подготовка окружающего воздуха, газовые баллоны под давлением, проницаемость, диффузия, статическое и динамическое разбавление).

Методики измерения пылеобразующих загрязнителей воздуха и их состава

Среди твердых загрязнителей атмосферного воздуха выделяют пыль и взвешенные частицы (ВВ). Пыль состоит из более крупных частиц, которые оседают на землю из-за своего размера и толщины. SPM включает в себя фракцию частиц, которая рассеяна в атмосфере квазистабильным и квазигомогенным образом и поэтому остается во взвешенном состоянии в течение определенного времени.

Измерение взвешенных твердых частиц и соединений металлов в ВЗМ

Как и в случае с измерениями газообразных загрязнителей воздуха, можно различать непрерывные и периодические процедуры измерения SPM. Как правило, взвесь сначала отделяют на стекловолоконных или мембранных фильтрах. Это следует за гравиметрическим или радиометрическим определением. В зависимости от отбора проб можно провести различие между процедурой измерения общего количества взвешенных частиц без фракционирования по размеру частиц и процедурой фракционирования для измерения мелкодисперсной пыли.

Преимущества и недостатки измерения фракционированной взвешенной пыли оспариваются на международном уровне. В Германии, например, все пороговые значения и стандарты оценки основаны на общем количестве взвешенных частиц. Это означает, что по большей части выполняются только общие измерения SPM. В США, наоборот, очень распространена так называемая процедура PM-10 (твердые частицы £10 мкм). В эту процедуру включаются только частицы с аэродинамическим диаметром до 10 мкм (50-процентная часть включения), которые вдыхаются и могут попасть в легкие. План состоит в том, чтобы ввести процедуру PM-10 в Европейский Союз в качестве эталонной процедуры. Стоимость фракционированных измерений взвешенных частиц значительно выше, чем для измерения общей взвешенной пыли, поскольку измерительные устройства должны быть оснащены специальными, дорогостоящими пробоотборными головками, которые требуют дорогостоящего обслуживания. Таблица 4 содержит подробную информацию о наиболее важных процедурах измерения СЗМ.

Таблица 4. Процедуры измерения взвешенных твердых частиц (ВЧ)

 

В последнее время также были разработаны автоматические устройства смены фильтров, которые вмещают большее количество фильтров и подают их в пробоотборник один за другим через определенные промежутки времени. Открытые фильтры хранятся в магазине. Пределы обнаружения для процедур фильтрации составляют от 5 до 10 мкг/м.³ пыли, как правило.

Наконец, следует упомянуть метод черного дыма для измерений SPM. Поступивший из Великобритании, он был включен в руководящие принципы ЕС для SO.₂ и взвешенная пыль. В этой процедуре почернение фильтра с покрытием измеряется рефлекторным фотометром после отбора проб. Значения черного дыма, полученные таким образом фотометрически, переводятся в гравиметрические единицы (мкг/м³) с помощью калибровочной кривой. Поскольку эта калибровочная функция в значительной степени зависит от состава пыли, особенно от содержания в ней сажи, преобразование в гравиметрические единицы проблематично.

В настоящее время соединения металлов часто рутинно определяют в иммиссионных пробах взвешенной пыли. Как правило, за сбором взвешенной пыли на фильтрах следует химическое растворение отделенной пыли, поскольку наиболее распространенные конечные аналитические стадии предполагают преобразование металлических и металлоидных соединений в водном растворе. На практике наиболее важными методами являются атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) и спектроскопия с плазменным возбуждением (ИСП-ОЭС). Другими методами определения металлических соединений во взвешенной пыли являются рентгенофлуоресцентный анализ, полярография и нейтронно-активационный анализ. Хотя металлические соединения измеряются уже более десяти лет как компонент взвешенных частиц в наружном воздухе в определенных точках измерения, важные вопросы остаются без ответа. Таким образом, обычный отбор проб путем отделения взвешенной пыли на фильтрах предполагает, что отделение соединений тяжелых металлов на фильтре завершено. Однако в литературе были обнаружены более ранние указания, ставящие это под сомнение. Результаты очень неоднородны.

Еще одна проблема заключается в том, что при анализе металлических соединений во взвешенной пыли с использованием обычных методик измерения невозможно различить разные формы соединений или отдельные соединения соответствующих элементов. Хотя во многих случаях можно провести адекватные общие определения, желательно провести более тщательную дифференциацию с некоторыми особенно канцерогенными металлами (As, Cd, Cr, Ni, Co, Be). Часто существуют большие различия в канцерогенном действии элементов и их отдельных соединений (например, соединения хрома в степенях окисления III и VI - канцерогенными являются только соединения шестой степени). В таких случаях желательно конкретное измерение отдельных соединений (видовой анализ). Несмотря на важность этой проблемы, в измерительной технике предпринимаются лишь первые попытки видового анализа.

Измерение пылевых осадков и металлических соединений в пылевых осадках

Для сбора пыли используются два принципиально разных метода:

• отбор проб в сборных сосудах

• отбор проб на клейких поверхностях.

 

Популярной процедурой измерения выпадения пыли (осаждаемой пыли) является так называемая процедура Бергергофа. При этой процедуре все атмосферные осадки (сухие и влажные отложения) собираются в течение 30 ± 2 дней в сосуды на высоте от 1.5 до 2.0 м над землей (объемное отложение). Затем сосуды для сбора доставляют в лабораторию и готовят (фильтруют, выпаривают воду, сушат, взвешивают). Результат рассчитывается на основе площади поверхности собирающего сосуда и времени воздействия в граммах на квадратный метр и дня (г/м²г). Относительный предел обнаружения 0.035 г/м²d.

Дополнительные методы сбора пыли включают устройство Лизеганга-Лёбнера и методы сбора осевшей пыли на клейкой пленке.

Все результаты измерений пылепада являются относительными величинами, которые зависят от используемого устройства, поскольку на отделение пыли влияют условия потока на устройстве и другие параметры. Различия в значениях измерений, полученных с помощью различных процедур, могут достигать 50 %.

Немаловажным является и состав осажденной пыли, например содержание свинца, кадмия и других металлических соединений. Аналитические процедуры, используемые для этого, в основном такие же, как и для взвешенной пыли.

Измерение специальных материалов в виде пыли

Специальные материалы в виде пыли включают асбест и сажу. Сбор волокон в качестве загрязнителей воздуха важен, поскольку асбест классифицируется как подтвержденный канцерогенный материал. Волокна диаметром D ≤ 3 мкм и длиной L ≥ 5 мкм, где L:D ≥ 3, считаются канцерогенными. Процедуры измерения волокнистых материалов заключаются в подсчете под микроскопом волокон, которые были отделены на фильтрах. Только электронно-микроскопические методы могут рассматриваться для измерений в атмосферном воздухе. Волокна разделяются на пористых фильтрах с золотым покрытием. Перед исследованием в электронном сканирующем микроскопе образец освобождается от органических веществ путем плазменного сжигания прямо на фильтре. Волокна подсчитываются на части поверхности фильтра, выбираются случайным образом и классифицируются по геометрии и типу волокна. С помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDXA) волокна асбеста, волокна сульфата кальция и другие неорганические волокна можно дифференцировать по элементному составу. Вся процедура чрезвычайно дорогая и требует максимальной осторожности для достижения надежных результатов.

Сажа в виде частиц, выбрасываемых дизельными двигателями, стала актуальной, поскольку дизельная сажа также была отнесена к канцерогенным. Из-за ее изменяющегося и сложного состава, а также из-за того, что различные компоненты также выбрасываются из других источников, для дизельной сажи не существует специальной процедуры измерения. Тем не менее, чтобы сказать что-то конкретное о концентрациях в окружающем воздухе, сажу условно определяют как элементарный углерод, как часть общего углерода. Его измеряют после отбора проб и этапа экстракции и/или термической десорбции. Определение содержания углерода осуществляется сжиганием в токе кислорода и кулонометрическим титрованием или недисперсионным ИК-детектированием образующегося в процессе углекислого газа.

Так называемый эталометр и фотоэлектрический датчик аэрозолей также используются для измерения сажи, в принципе.

Измерение влажных отложений

Наряду с сухими отложениями, мокрые отложения в виде дождя, снега, тумана и росы представляют собой важнейшие средства, с помощью которых вредные вещества попадают из воздуха в почву, воду или поверхности растений.

Чтобы четко отличить влажные отложения во время дождя и снега (туман и роса представляют особую проблему) от измерения общего осаждения (объемное осаждение, см. выше раздел «Измерение пылевых осадков и металлических соединений») и сухих осаждений, отверстие для сбора прикрыто, когда нет дождя (мокрый пробоотборник), используются для отбора проб. В датчиках дождя, которые в основном работают по принципу изменения проводимости, крышка открывается, когда начинается дождь, и снова закрывается, когда дождь прекращается.

Образцы переносятся через воронку (открытая площадь около 500 см² и более) в затемненный и по возможности изолированный сборный контейнер (из стекла или полиэтилена только для неорганических компонентов).

Как правило, анализ собранной воды на неорганические компоненты можно проводить без пробоподготовки. Воду следует отцентрифугировать или отфильтровать, если она заметно мутная. Электропроводность, значение pH и важные анионы (NO₃ ^– , SO₄ ^2- Cl^–) и катионы (Ca²⁺К⁺Mg²⁺На⁺, NH₄ ⁺ и так далее) регулярно измеряются. Нестабильные микроэлементы и промежуточные состояния, такие как H₂O₂ или HSO₃ ^– также измеряются в исследовательских целях.

Для анализа используются процедуры, которые обычно доступны для водных растворов, такие как кондуктометрия для определения проводимости, электроды для значений pH, атомно-адсорбционная спектроскопия для катионов (см. раздел «Измерение специальных материалов в виде пыли» выше) и все чаще ионообменная хроматография. с определением проводимости для анионов.

Органические соединения извлекаются из дождевой воды, например, дихлорметаном или выдуваются аргоном и адсорбируются с помощью трубок Tenax (только легколетучие вещества). Затем материалы подвергают газохроматографическому анализу (см. «Методики измерения органических загрязнителей воздуха» ниже).

Сухое осаждение напрямую связано с концентрацией в окружающем воздухе. Однако разность концентраций переносимых по воздуху вредных веществ во время дождя относительно невелика, поэтому для измерения влажных отложений достаточно широкоячеистых измерительных сетей. Примеры включают европейскую сеть измерений ЕМЕП, в которой данные о поступлении сульфатных и нитратных ионов, некоторых катионов и значений pH осадков собираются примерно на 90 станциях. В Северной Америке также существуют обширные измерительные сети.

Процедуры оптических измерений на больших расстояниях

В то время как методы, описанные до сих пор, улавливают загрязнение воздуха в одной точке, методы оптических измерений на больших расстояниях измеряют интегрированным образом на световых путях в несколько километров или определяют пространственное распределение. Они используют характеристики поглощения газов в атмосфере в УФ-, видимой или ИК-области спектра и основаны на законе Ламберта-Бера, согласно которому произведение пути света и концентрации пропорционально измеренному поглощению. Если отправитель и получатель измерительной установки меняют длину волны, то можно параллельно или последовательно измерять несколько компонентов одним прибором.

На практике системы измерения, указанные в таблице 5, играют наибольшую роль.

Таблица 5. Процедуры измерений на больших расстояниях

LIDAR = Обнаружение света и определение дальности; DIAL = лидар с дифференциальным поглощением.

 

Процедуры измерения органических загрязнителей воздуха

Измерение загрязнения воздуха органическими компонентами осложняется, прежде всего, разнообразием материалов этого класса соединений. Несколько сотен отдельных компонентов с очень разными токсикологическими, химическими и физическими характеристиками охвачены общим названием «органические загрязнители воздуха» в реестрах выбросов и планах качества воздуха в густонаселенных районах.

В частности, из-за больших различий в потенциальном воздействии сбор соответствующих отдельных компонентов все больше и больше заменяет ранее использовавшиеся процедуры суммирования (например, пламенно-ионизационный детектор, метод общего содержания углерода), результаты которых не могут быть оценены токсикологически. Однако метод FID сохранил определенное значение в связи с короткой разделительной колонной для выделения метана, фотохимически не очень реакционноспособного, и для сбора прекурсоров летучих органических соединений (ЛОС) для образования фотоокислителей.

Частая необходимость разделения сложных смесей органических соединений на соответствующие индивидуальные компоненты превращает их измерение в практическую задачу прикладной хроматографии. Хроматографические процедуры являются методами выбора, когда органические соединения достаточно стабильны термически и химически. Для органических материалов с реакционноспособными функциональными группами отдельные процедуры, использующие физические характеристики функциональных групп или химические реакции для обнаружения, продолжают оставаться в силе.

Примеры включают использование аминов для превращения альдегидов в гидразоны с последующим фотометрическим измерением; дериватизация 2,4-динитрофенилгидразином и выделение образовавшегося 2,4-гидразона; или образование азокрасителей с p-нитроанилин для обнаружения фенолов и крезолов.

Среди хроматографических процедур газовая хроматография (ГХ) и жидкостная хроматография высокого давления (ВЭЖХ) чаще всего используются для разделения часто сложных смесей. Для газовой хроматографии сегодня почти исключительно используются разделительные колонки очень узкого диаметра (примерно от 0.2 до 0.3 мм и длиной от 30 до 100 м), так называемые капиллярные колонки высокого разрешения (HRGC). Доступен ряд детекторов для обнаружения отдельных компонентов после разделительной колонны, таких как вышеупомянутый FID, ECD (детектор захвата электронов, специально для электрофильных заменителей, таких как галоген), PID (детектор фотоионизации, который особенно чувствителен к ароматическим углеводородам и другим системам p-электронов) и NPD (термоионный детектор специально для соединений азота и фосфора). В ВЭЖХ используются специальные проточные детекторы, которые, например, выполнены в виде проточной кюветы УФ-спектрометра.

Особенно эффективным, но и особенно дорогим является использование в качестве детектора масс-спектрометра. Действительно достоверная идентификация, особенно с неизвестными смесями соединений, часто возможна только по масс-спектру органического соединения. Качественная информация о так называемом времени удерживания (времени пребывания материала в колонке), содержащаяся в хроматограмме с обычными детекторами, дополняется специфическим обнаружением отдельных компонентов масс-фрагментограммами с высокой чувствительностью обнаружения.

Отбор проб должен быть рассмотрен до фактического анализа. Выбор метода отбора проб определяется в первую очередь летучестью, а также ожидаемым диапазоном концентраций, полярностью и химической стабильностью. Кроме того, для нелетучих соединений необходимо выбирать между измерениями концентрации и осаждения.

В таблице 6 представлен обзор общих процедур мониторинга воздуха для активного обогащения и хроматографического анализа органических соединений с примерами их применения.

Таблица 6. Обзор распространенных хроматографических методик измерения качества воздуха органических соединений (с примерами применения)

ГХ = газовая хроматография; ГХ-МС = ГХ/масс-спектроскопия; ПИД = пламенно-ионизационный детектор; HRGC/ECD = ГХ/ECD высокого разрешения; ECD = детектор захвата электронов; ВЭЖХ = высокоэффективная жидкостная хроматография. ФИД = фотоионизационный детектор.

 

Измерения осаждения органических соединений с низкой летучестью (например, дибензодиоксинов и дибензофуранов (ПХДД/ПХДФ), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ)) приобретают все большее значение с точки зрения воздействия на окружающую среду. Поскольку пища является основным источником потребления человеком, большое значение имеет воздушно-капельный перенос веществ на пищевые растения. Однако есть свидетельства того, что перенос материала в виде осаждения твердых частиц менее важен, чем сухое осаждение квазигазообразных соединений.

Для измерения общего осаждения используются стандартные устройства для осаждения пыли (например, метод Бергергофа), которые были слегка модифицированы путем затемнения в качестве защиты от проникновения яркого света. Важные технические проблемы измерения, такие как ресуспендирование уже отделенных частиц, испарение или возможное фотолитическое разложение, в настоящее время систематически исследуются с целью улучшения неоптимальных процедур отбора проб органических соединений.

Ольфактометрические исследования

Ольфактометрические исследования иммиссии используются при мониторинге для количественной оценки жалоб на запах и для определения исходного уровня загрязнения в процедурах лицензирования. Они служат в первую очередь для оценки того, следует ли классифицировать существующие или ожидаемые запахи как значимые.

В принципе можно выделить три методологических подхода:

• измерение концентрации эмиссии (количества единиц запаха) ольфактометром и последующее моделирование дисперсии

• измерение отдельных компонентов (например, NH₃) или смеси соединений (например, газовая хроматография газов со свалок), если они адекватно характеризуют запах

• определение запаха путем осмотра.

 

Первая возможность сочетает измерение выбросов с моделированием и, строго говоря, не может быть отнесена к термину «мониторинг качества воздуха». В третьем методе в качестве детектора используется нос человека со значительно меньшей точностью по сравнению с физико-химическими методами.

Подробная информация об инспекциях, планах измерений и оценке результатов содержится, например, в правилах охраны окружающей среды некоторых земель Германии.

Процедуры скрининговых измерений

Упрощенные процедуры измерения иногда используются для подготовительных исследований (скрининг). Примеры включают пассивные пробоотборники, пробирки и биологические процедуры. При использовании пассивных (диффузионных) пробоотборников испытуемый материал собирается с помощью свободно протекающих процессов, таких как диффузия, проникновение или адсорбция, в простые формы коллекторов (трубки, пластины) и обогащается пропитанными фильтрами, сетками или другими адсорбционными средами. Таким образом, так называемый активный отбор проб (всасывание пробы воздуха насосом) не происходит. Обогащенное количество материала, определяемое аналитически по определенному времени выдержки, переводится в единицы концентрации на основе физических законов (например, диффузии) с помощью времени сбора и геометрических параметров коллектора. Методология основана на области гигиены труда (индивидуальный отбор проб) и измерения воздуха в помещениях, но она все чаще используется для измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Обзор можно найти в Brown 1993.

Детекторные трубки часто используются для отбора проб и быстрого предварительного анализа газов. Через стеклянную трубку, заполненную адсорбирующим реагентом, соответствующим поставленной задаче, всасывается определенный объем испытуемого воздуха. Содержимое трубки меняет цвет в зависимости от концентрации определяемого материала, присутствующего в исследуемом воздухе. Небольшие пробирки часто используются при мониторинге рабочих мест или в качестве быстрой процедуры в случае несчастных случаев, таких как пожары. Они не используются для рутинных измерений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе из-за, как правило, слишком высоких пределов обнаружения и слишком ограниченной селективности. Детекторные пробирки доступны для множества материалов в различных диапазонах концентраций.

Среди биологических процедур в рутинном мониторинге приняты два метода. При стандартизированной процедуре воздействия лишайника уровень смертности лишайника определяется в течение времени воздействия 300 дней. В другой процедуре французская пастбищная трава подвергается воздействию в течение 14 ± 1 дня. Затем определяется величина прироста. Обе методики служат для суммарного определения влияния концентраций загрязняющих веществ в воздухе.

Сети мониторинга качества воздуха

Во всем мире используются самые разнообразные типы сетей контроля качества воздуха. Следует проводить различие между измерительными сетями, состоящими из автоматических, управляемых компьютером измерительных станций (измерительных контейнеров), и виртуальными измерительными сетями, которые лишь определяют места измерения для различных типов измерений концентрации загрязняющих веществ в воздухе в виде заданной сетки. Задачи и концепции измерительных сетей обсуждались выше.

Сети непрерывного мониторинга

Постоянно действующие измерительные сети основаны на автоматических измерительных станциях и служат в основном для мониторинга качества воздуха в городских районах. Измеряются загрязнители воздуха, такие как диоксид серы ( SO₂), пыль, монооксид азота (NO), диоксид азота (NO₂), окись углерода (CO), озон (O₃), и в некоторой степени также сумма углеводородов (свободный метан, C_nH_m) или отдельные органические компоненты (например, бензол, толуол, ксилолы). Кроме того, в зависимости от необходимости включаются метеорологические параметры, такие как направление ветра, скорость ветра, температура воздуха, относительная влажность, осадки, глобальная радиация или радиационный баланс.

Измерительное оборудование, используемое в измерительных станциях, обычно состоит из анализатора, блока калибровки и управляющей электроники, которая контролирует все измерительное оборудование и содержит стандартизированный интерфейс для сбора данных. В дополнение к измеренным значениям измерительное оборудование выдает так называемые сигналы состояния об ошибках и рабочем состоянии. Калибровка устройств автоматически проверяется компьютером через регулярные промежутки времени.

Как правило, измерительные станции подключаются стационарными линиями передачи данных, телефонными соединениями или другими системами передачи данных к компьютеру (технологическому компьютеру, рабочей станции или ПК, в зависимости от объема системы), в который вводятся, обрабатываются и отображается. Компьютеры измерительной сети и, при необходимости, специально обученный персонал постоянно контролируют превышение различных пороговых значений. Таким образом, критические ситуации с качеством воздуха могут быть распознаны в любое время. Это очень важно, особенно для мониторинга критических ситуаций со смогом зимой и летом (фотооксиданты) и для текущей информации населения.

Сети измерений для случайных выборок

Помимо сети телеметрических измерений, в различной степени используются и другие измерительные системы для мониторинга качества воздуха. Примеры включают (иногда частично автоматизированные) измерительные сети для определения:

• пылеотложение и его компоненты
• взвешенная пыль (ВП) и ее компоненты
• углеводороды и хлорированные углеводороды
• малолетучие органические вещества (диоксины, фураны, полихлорбифенилы).

 

Ряд веществ, измеренных таким образом, были классифицированы как канцерогены, такие как соединения кадмия, ПАУ или бензол. Поэтому мониторинг их особенно важен.

В качестве примера комплексной программы в таблице 7 приведены результаты мониторинга качества воздуха, систематически проводимого в земле Северный Рейн-Вестфалия, которая с населением 18 миллионов человек является самой густонаселенной землей Германии.

Таблица 7. Систематический мониторинг качества воздуха в Северном Рейне-Вестфалии (Германия)

 

Назад

Управление загрязнением воздуха

Задача менеджера системы контроля загрязнения воздуха состоит в том, чтобы гарантировать, что чрезмерные концентрации загрязнителей воздуха не достигнут восприимчивой цели. Целями могут быть люди, растения, животные и материалы. Во всех случаях мы должны иметь дело с наиболее чувствительными из каждой из этих групп. Загрязнители воздуха могут включать газы, пары, аэрозоли и, в некоторых случаях, биологически опасные материалы. Хорошо спроектированная система предотвратит попадание на цель вредных концентраций загрязнителя.

Большинство систем контроля за загрязнением воздуха включают комбинацию нескольких методов контроля, обычно комбинацию технологических и административных мер контроля, а в более крупных или сложных источниках может применяться более одного типа технологического контроля.

В идеале выбор соответствующих элементов управления будет производиться в контексте решаемой проблемы.

• Что выделяется, в какой концентрации?
• Каковы цели? Какая цель наиболее чувствительна?
• Каковы приемлемые уровни кратковременного воздействия?
• Каковы приемлемые уровни долгосрочного воздействия?
• Какую комбинацию средств контроля следует выбрать, чтобы гарантировать, что уровни краткосрочного и долгосрочного воздействия не превышаются?

 

В таблице 1 описаны этапы этого процесса.

 

---

Таблица 1. Этапы выбора контроля за загрязнением

 

 

* При установке уровней воздействия на шаге 3 следует помнить, что эти воздействия являются общими воздействиями, а не только воздействием растения. Как только допустимый уровень установлен, фоновые уровни и вклады от других предприятий просто вычитаются, чтобы определить максимальное количество, которое завод может выбрасывать, не превышая допустимый уровень воздействия. Если этого не сделать и трем заводам будет разрешено выбрасывать максимальное количество, целевые группы будут подвергаться воздействию в три раза превышающего допустимый уровень.

** Некоторые материалы, такие как канцерогены, не имеют порогового значения, ниже которого вредные воздействия не проявляются. Таким образом, пока часть материала попадает в окружающую среду, существует некоторый риск для целевых групп населения. В этом случае уровень отсутствия эффекта не может быть установлен (отличный от нуля). Вместо этого должен быть установлен приемлемый уровень риска. Обычно это устанавливается в диапазоне от 1 неблагоприятного исхода на 100,000 1,000,000 до XNUMX XNUMX XNUMX человек, подвергшихся воздействию.

---

 

Некоторые юрисдикции проделали часть работы, установив стандарты, основанные на максимальной концентрации загрязнителя, которую может получить восприимчивая цель. С этим типом стандарта менеджеру не нужно выполнять Шаги 2 и 3, так как это уже сделал регулирующий орган. В рамках этой системы менеджер должен установить только стандарты неконтролируемых выбросов для каждого загрязняющего вещества (этап 1), а затем определить, какие средства контроля необходимы для соблюдения стандарта (этап 4).

Имея стандарты качества воздуха, регулирующие органы могут измерять индивидуальное воздействие и, таким образом, определять, подвергается ли кто-либо воздействию потенциально вредных уровней. Предполагается, что стандарты, установленные в этих условиях, достаточно низкие, чтобы защитить наиболее восприимчивую целевую группу. Это не всегда безопасное предположение. Как показано в таблице 2, общие стандарты качества воздуха могут сильно различаться. Стандарты качества воздуха для диоксида серы варьируются от 30 до 140 мкг/м.³. Для менее часто регулируемых материалов этот разброс может быть еще больше (от 1.2 до 1,718 мкг/мXNUMX).³), как показано в таблице 3 для бензола. Это неудивительно, учитывая, что экономика может играть такую ​​же большую роль в установлении стандартов, как и токсикология. Если стандарт не установлен на достаточно низком уровне для защиты уязвимых групп населения, никто не получает должного обслуживания. Облученные группы населения имеют чувство ложной уверенности и могут неосознанно подвергаться риску. Эмитент может сначала почувствовать, что он выиграл от мягкого стандарта, но если влияние в сообществе потребует от компании перепроектировать свои средства контроля или установить новые средства контроля, затраты могут быть выше, чем при правильном выполнении в первый раз.

Таблица 2. Диапазон стандартов качества воздуха для обычно контролируемого загрязнителя воздуха (диоксид серы)

 

Таблица 3. Диапазон стандартов качества воздуха для менее контролируемого загрязнителя воздуха (бензола)

Уровни были стандартизированы для времени усреднения 24 часа, чтобы облегчить сравнение.

(Адаптировано из Calabrese and Kenyon 1991.)

 

Иногда этот поэтапный подход к выбору средств контроля за загрязнением воздуха не дает результатов, и регулирующие органы и проектировщики сразу переходят к «универсальному решению». Одним из таких методов является наилучшая доступная технология управления (BACT). Предполагается, что при использовании наилучшего сочетания скрубберов, фильтров и передовых методов работы с источником выбросов будет достигнут достаточно низкий уровень выбросов, чтобы защитить наиболее восприимчивую целевую группу. Часто результирующий уровень выбросов будет ниже минимума, необходимого для защиты наиболее уязвимых целей. Таким образом, все ненужные воздействия должны быть устранены. Примеры BACT приведены в таблице 4.

Таблица 4. Отдельные примеры наилучших доступных технологий контроля (BACT), показывающие используемый метод контроля и предполагаемую эффективность

 

BACT сама по себе не обеспечивает адекватных уровней контроля. Хотя это лучшая система управления, основанная на средствах управления очисткой газа и передовых методах эксплуатации, BACT может оказаться недостаточно эффективной, если источником является крупное предприятие или если оно расположено рядом с чувствительной целью. Следует протестировать наилучшую доступную технологию контроля, чтобы убедиться, что она действительно достаточно хороша. Полученные стандарты выбросов следует проверить, чтобы определить, могут ли они по-прежнему быть вредными даже при использовании наилучших средств контроля очистки газа. Если стандарты выбросов по-прежнему вредны, возможно, придется рассмотреть другие основные средства контроля, такие как выбор более безопасных процессов или материалов или перемещение в менее чувствительную зону.

Еще одно «универсальное решение», позволяющее обходить некоторые этапы, — стандарты производительности исходного кода. Многие юрисдикции устанавливают стандарты выбросов, которые не могут быть превышены. Стандарты выбросов основаны на выбросах в источнике. Обычно это работает хорошо, но, как и BACT, они могут быть ненадежными. Уровни должны быть достаточно низкими, чтобы поддерживать максимальные выбросы на достаточно низком уровне, чтобы защитить восприимчивые целевые группы населения от типичных выбросов. Однако, как и в случае с наилучшей доступной технологией контроля, этого может быть недостаточно для защиты всех, где есть крупные источники выбросов или близлежащие уязвимые группы населения. В этом случае необходимо использовать другие процедуры для обеспечения безопасности всех целевых групп.

И BACT, и стандарты выбросов имеют основную ошибку. Они предполагают, что при соблюдении определенных критериев на заводе целевые группы будут автоматически защищены. Это не обязательно так, но как только такая система принята законом, воздействие на цель становится второстепенным по сравнению с соблюдением закона.

В качестве минимальных критериев контроля следует использовать стандарты BACT и стандарты выбросов источников или критерии проектирования. Если BACT или критерии выбросов защитят восприимчивые цели, то их можно использовать по назначению, в противном случае необходимо использовать другие административные меры.

Контрольные меры

Контроль можно разделить на два основных вида контроля - технологический и административный. Технологический контроль определяется здесь как оборудование, установленное на источнике выбросов для снижения содержания загрязняющих веществ в газовом потоке до уровня, приемлемого для населения и обеспечивающего защиту наиболее чувствительной цели. Административный контроль определяется здесь как другие меры контроля.

Технологический контроль

Системы газоочистки размещаются у источника перед дымовой трубой для удаления загрязняющих веществ из газового потока перед его выбросом в окружающую среду. В таблице 5 приведены краткие сведения о различных классах систем газоочистки.

Таблица 5. Методы газоочистки для удаления вредных газов, паров и твердых частиц из промышленных технологических выбросов

 

Газоочиститель является частью сложной системы, состоящей из вытяжек, воздуховодов, вентиляторов, очистителей и дымовых труб. Конструкция, производительность и техническое обслуживание каждой части влияют на производительность всех других частей и системы в целом.

Следует отметить, что эффективность системы сильно различается для каждого типа очистителя в зависимости от его конструкции, подводимой энергии и характеристик газового потока и загрязняющего вещества. В результате эффективность выборки в таблице 5 является лишь приблизительной. Различия в эффективности мокрых скрубберов показаны в таблице 5. Эффективность улавливания мокрых скрубберов увеличивается с 98.5 % для частиц размером 5 мкм до 45 % для частиц размером 1 мкм при том же перепаде давления в скруббере (6.8 дюймов вод. )). Для частиц того же размера, 1 мкм, эффективность повышается с 45% при 6.8 вес. до 99.95 при 50 вес. Использование универсальных устройств не рекомендуется.

удаление отходов

При выборе и проектировании систем газоочистки необходимо уделить особое внимание безопасной утилизации собранного материала. Как показано в таблице 6, некоторые процессы производят большое количество загрязняющих веществ. Если большая часть загрязняющих веществ собирается газоочистным оборудованием, может возникнуть проблема утилизации опасных отходов.

Таблица 6. Примеры уровней неконтролируемых выбросов для выбранных промышленных процессов

 

В некоторых случаях отходы могут содержать ценные продукты, которые могут быть переработаны, например, тяжелые металлы с плавильного завода или растворитель с покрасочной линии. Отходы можно использовать в качестве сырья для другого промышленного процесса — например, диоксид серы, собранный в виде серной кислоты, можно использовать в производстве удобрений.

Там, где отходы не могут быть переработаны или повторно использованы, удаление может быть непростым. Не только объем может быть проблемой, но они могут быть опасны сами по себе. Например, если серную кислоту, извлеченную из котла или плавильного завода, нельзя использовать повторно, перед утилизацией ее необходимо будет дополнительно обработать для нейтрализации.

Дисперсия

Рассеивание может снизить концентрацию загрязняющего вещества в мишени. Однако следует помнить, что дисперсия не снижает общего количества материала, покидающего растение. Высокий стек позволяет шлейфу только распространяться и растворяться до того, как он достигнет уровня земли, где, вероятно, существуют уязвимые цели. Если загрязняющее вещество в первую очередь неприятно, например, имеет запах, дисперсия может быть приемлемой. Однако, если материал стойкий или кумулятивный, например, тяжелые металлы, разбавление может не решить проблему загрязнения воздуха.

Дисперсию следует использовать с осторожностью. Необходимо учитывать местные метеорологические и земные условия. Например, в более холодном климате, особенно при наличии снежного покрова, могут возникать частые температурные инверсии, которые могут задерживать загрязняющие вещества близко к земле, что приводит к неожиданно высокому воздействию. Точно так же, если завод расположен в долине, шлейфы могут перемещаться вверх и вниз по долине или быть заблокированы окружающими холмами, так что они не распространяются и не рассеиваются, как ожидалось.

Административный контроль

В дополнение к технологическим системам существует еще одна группа элементов управления, которые необходимо учитывать при общем проектировании системы контроля загрязнения воздуха. По большей части они исходят от основных инструментов промышленной гигиены.

подмена

Одним из предпочтительных методов гигиены труда для контроля опасностей окружающей среды на рабочем месте является замена более безопасных материалов или процессов. Если можно использовать более безопасный процесс или материал и избежать вредных выбросов, тип или эффективность контроля становится академическим. Лучше избежать проблемы, чем пытаться исправить плохое первое решение. Примеры замещения включают использование более чистых видов топлива, покрытия для бестарного хранения и снижение температуры в сушилках.

Это относится как к мелким закупкам, так и к основным критериям проектирования завода. Если приобретаются только экологически безопасные продукты или процессы, не будет риска для окружающей среды, как внутри, так и снаружи. Если сделана неправильная покупка, оставшаяся часть программы состоит из попыток компенсировать это первое решение. Если приобретается недорогой, но опасный продукт или процесс, могут потребоваться специальные процедуры обращения и оборудование, а также специальные методы утилизации. В результате недорогостоящий товар может иметь только низкую цену покупки, но высокую цену его использования и утилизации. Возможно, более безопасный, но более дорогой материал или процесс были бы менее затратными в долгосрочной перспективе.

Местная вентиляция

Необходимы средства контроля для всех выявленных проблем, которых нельзя избежать путем замены более безопасных материалов или методов. Выбросы начинаются на отдельном рабочем месте, а не в штабеле. Система вентиляции, которая улавливает и контролирует выбросы в источнике, поможет защитить сообщество, если она правильно спроектирована. Вытяжки и воздуховоды вентиляционной системы являются частью общей системы контроля загрязнения воздуха.

Предпочтение отдается местной системе вентиляции. Он не разбавляет загрязняющие вещества и обеспечивает концентрированный газовый поток, который легче очистить перед выбросом в окружающую среду. Газоочистное оборудование более эффективно при очистке воздуха с повышенной концентрацией загрязняющих веществ. Например, улавливающий колпак над разливочным желобом металлической печи предотвратит попадание загрязняющих веществ в окружающую среду, а дымовые газы направит в систему газоочистки. В таблице 5 видно, что эффективность очистки для абсорбционных и адсорбционных очистителей увеличивается с концентрацией загрязнителя, а конденсационные очистители не рекомендуются для низких уровней (<2,000 частей на миллион) загрязняющих веществ.

Если загрязняющие вещества не улавливаются в источнике, а выходят через окна и вентиляционные отверстия, они становятся неконтролируемыми неконтролируемыми выбросами. В некоторых случаях эти неконтролируемые летучие выбросы могут оказать значительное влияние на ближайшие окрестности.

Isolation

Изоляция — расположение предприятия вдали от уязвимых целей — может быть основным методом контроля, когда технические меры сами по себе неадекватны. Это может быть единственным средством достижения приемлемого уровня контроля, когда необходимо полагаться на наилучшую доступную технологию контроля (BACT). Если после применения наилучших доступных мер контроля целевая группа все еще находится в группе риска, необходимо рассмотреть вопрос о поиске альтернативного места, где нет уязвимых групп населения.

Изоляция, как указано выше, является средством отделения отдельного растения от восприимчивых мишеней. Другая система изоляции — это когда местные власти используют зонирование, чтобы отделить классы отраслей от уязвимых целей. После того как предприятия отделены от целевых групп населения, им нельзя разрешать переселяться рядом с объектом. Хотя это кажется здравым смыслом, оно не используется так часто, как следовало бы.

Рабочие процедуры

Рабочие процедуры должны быть разработаны для обеспечения правильного и безопасного использования оборудования без риска для работников или окружающей среды. Сложные системы загрязнения воздуха должны правильно обслуживаться и эксплуатироваться, если они хотят выполнять свою работу должным образом. Важным фактором в этом является обучение персонала. Персонал должен быть обучен тому, как использовать и обслуживать оборудование, чтобы уменьшить или устранить количество опасных материалов, выбрасываемых на рабочее место или в общество. В некоторых случаях BACT полагается на передовую практику для обеспечения приемлемых результатов.

Мониторинг в реальном времени

Система, основанная на мониторинге в реальном времени, не популярна и не используется повсеместно. В этом случае непрерывный мониторинг выбросов и метеорологический мониторинг можно сочетать с моделированием рассеивания для прогнозирования воздействия с подветренной стороны. Когда прогнозируемые воздействия приближаются к допустимым уровням, информация используется для снижения производительности и выбросов. Это неэффективный метод, но он может быть приемлемым методом временного контроля для существующего объекта.

Наоборот, объявлять предупреждения для населения, когда условия таковы, что могут существовать чрезмерные концентрации загрязняющих веществ, чтобы население могло принять соответствующие меры. Например, если разослано предупреждение о том, что атмосферные условия таковы, что уровни диоксида серы с подветренной стороны от плавильного завода являются чрезмерными, восприимчивые группы населения, такие как астматики, будут знать, что им нельзя выходить на улицу. Опять же, это может быть приемлемым временным контролем, пока не будут установлены постоянные меры контроля.

Атмосферный и метеорологический мониторинг в режиме реального времени иногда используется, чтобы избежать или уменьшить крупные случаи загрязнения воздуха, когда могут существовать несколько источников. Когда становится очевидным, что вероятны чрезмерные уровни загрязнения воздуха, использование автомобилей в личных целях может быть ограничено, а основные предприятия, производящие выбросы, закрываются.

Техническое обслуживание/уборка

Во всех случаях эффективность средств контроля зависит от надлежащего обслуживания; оборудование должно работать по назначению. Необходимо поддерживать и использовать не только средства контроля загрязнения воздуха по назначению, но и процессы, генерирующие потенциальные выбросы, должны поддерживаться и должным образом эксплуатироваться. Примером промышленного процесса является сушилка для щепы с неисправным регулятором температуры; если сушилка работает при слишком высокой температуре, она будет выделять больше материалов и, возможно, другой тип материала из сушащейся древесины. Примером технического обслуживания газоочистки, влияющего на выбросы, может быть плохо обслуживаемый рукавный фильтр со сломанными рукавами, которые позволяют твердым частицам проходить через фильтр.

Ведение домашнего хозяйства также играет важную роль в контроле общих выбросов. Пыль, которая не удаляется быстро внутри установки, может повторно уноситься и представлять опасность для персонала. Если пыль выносится за пределы предприятия, она представляет опасность для населения. Плохое ведение хозяйства на заводском дворе может представлять значительный риск для общества. Непокрытые сыпучие материалы, растительные отходы или пыль, поднятая транспортными средствами, могут привести к тому, что загрязняющие вещества будут переноситься ветром в населенные пункты. Поддержание двора в чистоте, использование надлежащих контейнеров или складских площадок важно для снижения общего объема выбросов. Система должна быть не только правильно спроектирована, но и должным образом использоваться, если нужно защитить сообщество.

Наихудшим примером плохого технического обслуживания и уборки может быть установка по извлечению свинца со сломанным конвейером для свинцовой пыли. Пыли позволяли выходить из конвейера до тех пор, пока куча не стала настолько высокой, что пыль могла соскальзывать по куче и вылетать в разбитое окно. Затем местные ветры разнесли пыль по окрестностям.

Оборудование для отбора проб выбросов

Исходный отбор проб может выполняться по нескольким причинам:

• Для характеристики выбросов. Чтобы разработать систему контроля загрязнения воздуха, нужно знать, что выбрасывается в атмосферу. Должен быть известен не только объем газа, но и количество, характер и, в случае твердых частиц, распределение по размерам выбрасываемого материала. Та же информация необходима для каталогизации общих выбросов в районе.

• Для проверки работоспособности оборудования. После того, как система контроля загрязнения воздуха куплена, ее следует протестировать, чтобы убедиться, что она выполняет намеченную работу.

• Как часть системы управления. Когда выбросы постоянно контролируются, данные можно использовать для точной настройки системы контроля загрязнения воздуха или работы самой установки.

• Для определения соответствия. Когда нормативные стандарты включают предельные значения выбросов, можно использовать отбор проб выбросов для определения соответствия или несоответствия стандартам.

 

Тип используемой системы отбора проб будет зависеть от причины отбора проб, затрат, наличия технологий и подготовки персонала.

Видимые выбросы

Если есть желание уменьшить загрязняющую способность воздуха, улучшить видимость или предотвратить попадание аэрозолей в атмосферу, стандарты могут быть основаны на видимых излучениях.

Видимые выбросы состоят из мелких частиц или окрашенных газов. Чем непрозрачнее шлейф, тем больше материала выбрасывается. Эта характеристика очевидна с первого взгляда, и для оценки уровней выбросов можно использовать обученных наблюдателей. Использование этого метода оценки стандартов выбросов имеет несколько преимуществ:

• Не требуется дорогостоящее оборудование.

• Один человек может сделать много наблюдений за день.

• Операторы предприятия могут быстро оценить влияние изменений процесса с минимальными затратами.

• Нарушителей можно цитировать без трудоемкой проверки источника.

• Сомнительные выбросы могут быть обнаружены, а фактические выбросы затем определены путем тестирования источника, как описано в следующих разделах.

 

Экстрактивный отбор проб

Гораздо более строгий метод отбора проб требует, чтобы образец газового потока был взят из дымовой трубы и проанализирован. Хотя это звучит просто, это не означает простой метод выборки.

Пробу следует отбирать изокинетически, особенно при сборе твердых частиц. Изокинетический отбор проб определяется как отбор проб путем втягивания образца в пробоотборный зонд с той же скоростью, с которой материал движется в штабеле или воздуховоде. Это делается путем измерения скорости газового потока с помощью трубки Пито и последующего регулирования частоты отбора проб таким образом, чтобы проба поступала в зонд с той же скоростью. Это важно при отборе проб твердых частиц, поскольку более крупные и тяжелые частицы не будут следовать за изменением направления или скорости. В результате концентрация более крупных частиц в пробе не будет репрезентативной для газового потока, и проба будет неточной.

Схема отбора проб диоксида серы показана на рис. 1. Она непростая, и для правильного отбора проб требуется обученный оператор. Если необходимо отобрать пробу, отличную от двуокиси серы, импинджеры и ледяную баню можно снять и вставить соответствующее устройство для сбора.

Рис. 1. Схема изокинетической линии отбора проб диоксида серы

Экстрактивный отбор проб, особенно изокинетический отбор проб, может быть очень точным и универсальным и имеет несколько применений:

• Это общепризнанный метод отбора проб с адекватным контролем качества, поэтому его можно использовать для определения соответствия стандартам.

• Потенциальная точность метода делает его пригодным для проверки работоспособности нового контрольного оборудования.

• Поскольку пробы могут быть собраны и проанализированы в контролируемых лабораторных условиях для многих компонентов, это полезно для характеристики газового потока.

 

Упрощенная и автоматизированная система отбора проб может быть подключена к непрерывному анализатору газа (электрохимический, ультрафиолетовый фотометрический или пламенно-ионизационный датчик) или анализатору твердых частиц (нефелометр) для непрерывного мониторинга выбросов. Это может предоставить документацию о выбросах и мгновенное рабочее состояние системы контроля загрязнения воздуха.

Отбор проб на месте

Выбросы также могут быть отобраны в стеке. На рис. 2 представлен простой трансмиссометр, используемый для измерения содержания материалов в газовом потоке. В этом примере луч света проецируется через стопку на фотоэлемент. Частицы или окрашенный газ будут поглощать или блокировать часть света. Чем больше материала, тем меньше света попадет на фотоэлемент. (См. рис. 2.)

Рис. 2. Простой трансмиссометр для измерения содержания твердых частиц в дымовой трубе

Используя различные источники света и детекторы, такие как ультрафиолетовый свет (УФ), можно обнаружить газы, прозрачные для видимого света. Эти устройства могут быть настроены на конкретные газы и, таким образом, могут измерять концентрацию газа в потоке отходов.

An на месте Преимущество системы мониторинга перед экстракционной состоит в том, что она может измерять концентрацию по всей дымовой трубе или воздуховоду, в то время как экстракционный метод измеряет концентрацию только в точке, из которой была извлечена проба. Это может привести к значительной ошибке, если поток анализируемого газа плохо перемешан. Однако экстрактивный метод предлагает больше методов анализа и, следовательно, может использоваться в большем количестве приложений.

С на месте обеспечивает непрерывное считывание, его можно использовать для документирования выбросов или для точной настройки операционной системы.

 

Назад

Эта статья предназначена для того, чтобы дать читателю представление о доступных в настоящее время технологиях борьбы с загрязнением воды, основываясь на обсуждении тенденций и случаев, представленных Хеспанхолем и Хелмером в главе Опасности для здоровья из окружающей среды. В следующих разделах рассматриваются проблемы борьбы с загрязнением воды, сначала под заголовком «Контроль за загрязнением поверхностных вод», а затем под заголовком «Контроль за загрязнением подземных вод».

Контроль загрязнения поверхностных вод

Определение загрязнения воды

Загрязнение воды относится к качественному состоянию загрязнения или нечистоты в гидрологических водах определенного региона, например водораздела. Это происходит в результате события или процесса, который вызывает снижение полезности земных вод, особенно в отношении воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Процесс загрязнения подчеркивает потерю чистоты из-за загрязнения, что также подразумевает вторжение или контакт с внешним источником в качестве причины. Термин «испорченный» применяется к чрезвычайно низким уровням загрязнения воды, например, к их первоначальному повреждению и распаду. Осквернение является результатом загрязнения и предполагает нарушение или осквернение.

Гидрологические воды

Природные воды Земли можно рассматривать как непрерывно циркулирующую систему, как показано на рис. 1, который дает графическую иллюстрацию вод в гидрологическом цикле, включая как поверхностные, так и подземные воды.

Рисунок 1. Гидрологический цикл

В качестве эталона качества воды можно использовать дистиллированную воду (H₂О) представляют собой высшее состояние чистоты. Воды в гидрологическом цикле можно рассматривать как естественные, но не чистые. Они загрязняются как в результате естественной, так и человеческой деятельности. Эффекты естественной деградации могут возникать из множества источников - от фауны, флоры, извержений вулканов, ударов молнии, вызывающих пожары и т. д., которые в долгосрочной перспективе считаются преобладающими фоновыми уровнями для научных целей.

Антропогенное загрязнение нарушает естественный баланс, накладывая друг на друга отходы, выбрасываемые из различных источников. Загрязняющие вещества могут попасть в воды гидрологического цикла в любой момент. Например: атмосферные осадки (дожди) могут быть загрязнены загрязнителями воздуха; поверхностные воды могут загрязняться в процессе стока с водосборов; нечистоты могут сбрасываться в ручьи и реки; а подземные воды могут загрязняться в результате инфильтрации и подземного загрязнения.

 

 

На рис. 2 показано распределение гидрологических вод. Загрязнение затем накладывается на эти воды и поэтому может рассматриваться как неестественное или несбалансированное состояние окружающей среды. Процесс загрязнения может протекать в водах любой части гидрологического цикла и более выражен на земной поверхности в виде стока с водосборов в ручьи и реки. Однако загрязнение подземных вод также оказывает серьезное воздействие на окружающую среду и обсуждается после раздела, посвященного загрязнению поверхностных вод.

Рисунок 2. Распределение осадков

Водосборные источники загрязнения воды

Водоразделы являются источником загрязнения поверхностных вод. Водосборный бассейн определяется как участок земной поверхности, на который падают, накапливаются, используются, утилизируются и в конечном итоге сбрасываются в ручьи, реки или другие водоемы гидрологические воды. Он состоит из дренажной системы с окончательным стоком или сбором в ручье или реке. Водосборными бассейнами обычно называют водосборные бассейны крупных рек. На рисунке 3 представлен гидрологический цикл на региональном водоразделе. Для региона расположение различных вод может быть записано в виде простого уравнения, которое является основным уравнением гидрологии, написанным Виссманом, Льюисом и Кнаппом (1989); типичные единицы мм/год:

П - Р - Г - Э - Т = ±S

где:

P = осадки (т.е. дождь, снегопад, град)

R = сток или поверхностный сток водораздела

G = подземные воды

E = испарение

T = транспирация

S = поверхностное хранение

Рисунок 3. Региональный гидрологический цикл

Осадки рассматриваются как инициирующая форма вышеуказанного гидрологического бюджета. Термин сток является синонимом течения реки. Под хранилищем понимаются резервуары или системы задержания, в которых собирается вода; например, искусственная плотина (заграждение) на реке создает резервуар для хранения воды. Подземные воды собираются как система хранения и могут перетекать из одного места в другое; он может быть входящим или выходящим по отношению к поверхностным водотокам. Испарение — это явление с поверхности воды, а транспирация связана с передачей от биоты.

 

 

 

 

 

 

 

Хотя водосборные бассейны могут сильно различаться по размеру, некоторые дренажные системы по определению загрязнения воды классифицируются как городские или негородские (сельскохозяйственные, сельские, неосвоенные) по своему характеру. Загрязнение, происходящее в этих дренажных системах, происходит из следующих источников:

Источники точек: сброс сточных вод в принимающий водный объект в определенном месте, например, в канализационной трубе или каком-либо концентрированном выпускном отверстии системы.

Неточечные (рассеянные) источники: загрязнение, поступающее в принимающий водный объект из рассредоточенных источников в водосборе; характерен слив несобранных дождевых стоков в ручей. Неточечные источники также иногда называют «рассеянными» водами; однако термин «рассредоточенный» рассматривается как более описательный.

Перемежающиеся источники: из точки или источника, который разряжается при определенных обстоятельствах, например, в условиях перегрузки; типичны комбинированные переливы канализационных стоков в периоды сильных ливневых стоков.

Загрязнители воды в ручьях и реках

Когда вредные отходы из вышеуказанных источников сбрасываются в ручьи или другие водоемы, они становятся загрязняющими веществами, которые были классифицированы и описаны в предыдущем разделе. Загрязнители или загрязняющие вещества, которые попадают в водоем, можно дополнительно разделить на:

• разлагаемые (неконсервативные) загрязнители: примеси, которые со временем разлагаются на безвредные вещества или которые могут быть удалены методами очистки; то есть некоторые органические материалы и химические вещества, бытовые сточные воды, тепло, питательные вещества для растений, большинство бактерий и вирусов, некоторые отложения
• неразлагаемые (консервативные) загрязнители: примеси, которые сохраняются в водной среде и не уменьшают концентрацию, если только не разбавлены или не удалены путем обработки; то есть некоторые органические и неорганические химические вещества, соли, коллоидные суспензии
• опасные загрязнители воды: сложные формы вредных отходов, включая токсичные микроэлементы, некоторые неорганические и органические соединения.
• радионуклидные загрязнители: материалы, подвергшиеся воздействию радиоактивного источника.

 

Правила контроля за загрязнением воды

Широко применимые правила контроля загрязнения воды обычно обнародуются национальными правительственными агентствами, а более подробные правила - штатами, провинциями, муниципалитетами, водными районами, заповедными районами, комиссиями по санитарии и другими. На национальном уровне и уровне штата (или провинции) эту ответственность обычно несут агентства по охране окружающей среды (EPA) и министерства здравоохранения. При обсуждении правил ниже формат и некоторые части следуют примеру стандартов качества воды, применяемых в настоящее время в штате Огайо США.

Обозначения использования качества воды

Конечной целью борьбы с загрязнением воды будет нулевой сброс загрязняющих веществ в водные объекты; однако полное достижение этой цели обычно экономически нецелесообразно. Предпочтительным подходом является установление ограничений на выбросы отходов для разумной защиты здоровья человека и окружающей среды. Хотя эти стандарты могут сильно различаться в разных юрисдикциях, обозначения использования для конкретных водоемов обычно являются основой, как кратко описано ниже.

Водоснабжение включает в себя:

• общественное водоснабжение: вода, которая при обычной очистке будет пригодна для потребления человеком
• сельскохозяйственное снабжение: воды, пригодные для орошения и водопоя скота без очистки
• промышленное/коммерческое снабжение: воды, пригодные для промышленного и коммерческого использования, с очисткой или без нее.

 

Рекреационные мероприятия включают в себя:

• воды для купания: воды, которые в определенные сезоны пригодны для купания, в соответствии с качеством воды, а также защитными условиями и сооружениями.
• Важный контакт: воды, которые в определенные сезоны подходят для полного контакта с телом, такого как плавание, гребля на каноэ и подводное плавание с минимальной угрозой для здоровья населения из-за качества воды.
• вторичный контакт: воды, которые в определенные сезоны подходят для отдыха с частичным контактом с телом, такого как, помимо прочего, переход вброд, с минимальной угрозой для здоровья населения из-за качества воды.

 

Общественные водные ресурсы классифицируются как водные объекты, которые находятся в пределах парковых систем, водно-болотных угодий, территорий дикой природы, диких, живописных и рекреационных рек и государственных озер, а также воды, имеющие исключительное рекреационное или экологическое значение.

Среда обитания водных обитателей

Типичные обозначения будут варьироваться в зависимости от климата, но относятся к условиям в водоемах для поддержки и поддержания определенных водных организмов, особенно различных видов рыб. Например, обозначения использования в умеренном климате в соответствии с положениями Агентства по охране окружающей среды штата Огайо (EPA) перечислены ниже без подробных описаний:

• теплая вода
• ограниченная теплая вода
• исключительная теплая вода
• модифицированная теплая вода
• сезонный лосось
• холодная вода
• ограниченный ресурс воды.

 

Критерии контроля загрязнения воды

Природные воды и сточные воды охарактеризованы с точки зрения их физического, химического и биологического состава. Основные физические свойства, химические и биологические компоненты сточных вод и их источников составляют длинный список, приведенный в учебнике Меткалфом и Эдди (1991). Аналитические методы для этих определений приведены в широко используемом руководстве, озаглавленном Стандартные методы исследования воды и сточных вод Американской ассоциацией общественного здравоохранения (1995 г.).

Каждый назначенный водный объект должен контролироваться в соответствии с правилами, которые могут состоять как из основных, так и из более подробных числовых критериев, как кратко описано ниже.

Базовая свобода от загрязнения. Насколько это практически возможно, все водоемы должны соответствовать основным критериям «Пяти свобод от загрязнения»:

1. не содержать взвешенных твердых частиц или других веществ, попадающих в воду в результате деятельности человека и оседающих с образованием гнилостных или иных нежелательных отложений ила или оказывающих неблагоприятное воздействие на водную флору и фауну
2. свободными от плавающих обломков, нефти, накипи и других плавучих материалов, попадающих в воды в результате деятельности человека в количествах, достаточных для того, чтобы иметь неприглядный вид или вызывать деградацию
3. свободным от материалов, попадающих в воду в результате деятельности человека, создающих цвет, запах или другие условия в такой степени, чтобы создавать неудобства
4. свободные от веществ, попадающих в воды в результате деятельности человека, в концентрациях, токсичных или вредных для человека, животных или водных организмов и/или быстро летальных в зоне смешения
5. свободны от питательных веществ, попадающих в воду в результате деятельности человека, в концентрациях, вызывающих неприятный рост водных сорняков и водорослей.

 

Критериями качества воды являются числовые ограничения и рекомендации по контролю химических, биологических и токсичных компонентов в водоемах.

Поскольку сегодня используется более 70,000 XNUMX химических соединений, нецелесообразно определять контроль каждого из них. Однако критерии для химических веществ могут быть установлены на основе ограничений, поскольку они в первую очередь относятся к трем основным классам потребления и воздействия:

Класс 1: Химические критерии защиты здоровья человека имеют первостепенное значение и должны устанавливаться в соответствии с рекомендациями государственных органов здравоохранения, ВОЗ и признанных организаций, занимающихся исследованиями в области здравоохранения.

Класс 2: Химические критерии контроля подачи сельскохозяйственной воды должны основываться на признанных научных исследованиях и рекомендациях, которые защитят от неблагоприятного воздействия на сельскохозяйственные культуры и домашний скот в результате орошения сельскохозяйственных культур и поения скота.

Класс 3: Химические критерии защиты водной флоры и фауны должны основываться на признанных научных исследованиях чувствительности этих видов к определенным химическим веществам, а также в связи с потреблением человеком рыбы и морепродуктов.

Критерии сточных вод связаны с ограничениями на загрязняющие компоненты, присутствующие в сточных водах, и являются еще одним методом контроля. Они могут быть установлены как в зависимости от водохозяйственного назначения водоемов, так и в связи с указанными выше классами по химическим признакам.

Биологические критерии основаны на условиях обитания в водоемах, которые необходимы для поддержания водной жизни.

Органическое содержание сточных вод и природных вод

Валовое содержание органического вещества наиболее важно для характеристики загрязняющей способности как сточных, так и природных вод. Для этой цели обычно используются три лабораторных теста:

Биохимическая потребность в кислороде (БПК): пятидневный БПК (БПК5) является наиболее широко используемым параметром; этот тест измеряет растворенный кислород, используемый микроорганизмами в биохимическом окислении органического вещества за этот период.

Химическая потребность в кислороде (ХПК): этот тест предназначен для измерения органических веществ в бытовых и промышленных отходах, которые содержат соединения, токсичные для биологической жизни; это мера кислородного эквивалента органического вещества, которое может быть окислено.

Общий органический углерод (TOC): этот тест особенно применим к небольшим концентрациям органических веществ в воде; это мера органического вещества, которое окисляется до двуокиси углерода.

Правила антидеградационной политики

Правила политики предотвращения деградации - это еще один подход к предотвращению распространения загрязнения воды за пределами определенных преобладающих условий. Например, политика предотвращения деградации стандартов качества воды Агентства по охране окружающей среды штата Огайо состоит из трех уровней защиты:

Tier 1: существующие виды использования должны поддерживаться и защищаться. Не допускается дальнейшее ухудшение качества воды, которое могло бы помешать существующим целевым видам использования.

Tier 2: Далее, качество воды должно быть лучше, чем то, которое необходимо для защиты использования, если только не будет доказано, что более низкое качество воды необходимо для важного экономического или социального развития, как это определено директором EPA.

Tier 3: Наконец, необходимо поддерживать и защищать качество водных ресурсов. Существующее качество окружающей воды не должно ухудшаться из-за каких-либо веществ, признанных токсичными или препятствующими любому использованию по назначению. Допускается сброс в водные объекты повышенных загрязняющих веществ, если они не приводят к снижению существующего качества воды.

Зоны смешивания сбросов загрязнителей воды и моделирование распределения сточных вод

Зоны смешивания — это области в водоеме, которые позволяют сбросу очищенных или неочищенных сточных вод достичь стабилизированных условий, как показано на рисунке 4 для текущего потока. Сток изначально находится в переходном состоянии, которое постепенно разбавляется от исходной концентрации до условий принимающей воды. Его не следует рассматривать как объект лечения, и он может быть очерчен с определенными ограничениями.

Рисунок 4. Зоны смешивания

Как правило, зоны смешивания не должны:

• препятствовать миграции, выживанию, размножению или росту водных видов

• включают нерестилища или места нагула

• включают водозаборы общего пользования

• включать места для купания

• составляют более 1/2 ширины ручья

• составляют более 1/2 площади поперечного сечения устья ручья

• простираться вниз по течению на расстояние, более чем в пять раз превышающее ширину потока.

 

Исследования по распределению нагрузки сточных вод стали важными из-за высокой стоимости контроля биогенных элементов в сбросах сточных вод, чтобы избежать эвтрофикации в русле (определение приведено ниже). В этих исследованиях обычно используется использование компьютерных моделей для моделирования условий качества воды в ручье, особенно в отношении питательных веществ, таких как формы азота и фосфора, которые влияют на динамику растворенного кислорода. Традиционные модели качества воды этого типа представлены моделью QUAL2E Агентства по охране окружающей среды США, которая была описана Брауном и Барнуэллом (1987). Более поздняя модель, предложенная Taylor (1995), представляет собой вседневную модель (ODM), которая включает моделирование воздействия корневой растительности на динамику питательных веществ и растворенного кислорода в потоке.

Положения об отклонении

Все правила контроля за загрязнением воды ограничены в совершенстве и поэтому должны включать положения, которые допускают оценочное отклонение на основе определенных условий, которые могут помешать немедленному или полному соблюдению.

Оценка и управление рисками, связанными с загрязнением воды

Вышеупомянутые правила контроля загрязнения воды являются типичными подходами правительства во всем мире для достижения соответствия стандартам качества воды и лимитам сброса сточных вод. Как правило, эти правила были установлены на основе факторов здоровья и научных исследований; там, где существует некоторая неопределенность в отношении возможных эффектов, часто применяются коэффициенты безопасности. Выполнение некоторых из этих правил может быть неразумным и чрезвычайно дорогостоящим как для общества в целом, так и для частного предприятия. Поэтому растет озабоченность по поводу более эффективного распределения ресурсов для достижения целей по улучшению качества воды. Как указывалось ранее при обсуждении гидрологических вод, первозданной чистоты не существует даже в природных водах.

Растущий технологический подход поощряет оценку и управление экологическими рисками при установлении правил загрязнения воды. Концепция основана на анализе экологических выгод и издержек при соблюдении стандартов или ограничений. Parkhurst (1995) предложил применять оценку водного экологического риска в качестве вспомогательного средства при установлении контрольных пределов загрязнения воды, особенно применительно к защите водной флоры и фауны. Такие методы оценки риска могут применяться для оценки экологических последствий химических концентраций для широкого диапазона условий загрязнения поверхностных вод, включая:

• точечное загрязнение

• загрязнение из неточечных источников

• существующие загрязненные отложения в руслах рек

• объекты опасных отходов, относящиеся к водным объектам

• анализ существующих критериев контроля загрязнения воды.

 

Предлагаемый метод состоит из трех уровней; как показано на рисунке 5, который иллюстрирует этот подход.

Рисунок 5. Методы проведения оценки риска для последовательных уровней анализа. Уровень 1: уровень проверки; Уровень 2: Количественная оценка потенциально значительных рисков; Уровень 3: Количественная оценка риска для конкретного объекта

Загрязнение воды в озерах и водохранилищах

Озера и водохранилища обеспечивают объемное накопление притока водосбора и могут иметь длительные периоды промывки по сравнению с быстрым притоком и оттоком на участке протекающего ручья. Поэтому они вызывают особую озабоченность в отношении удержания определенных компонентов, особенно питательных веществ, включая формы азота и фосфора, которые способствуют эвтрофикации. Эвтрофикация – это естественный процесс старения, при котором содержание воды обогащается органическими веществами, что приводит к доминированию нежелательной водной растительности, такой как водоросли, водяной гиацинт и так далее. Эвтрофический процесс имеет тенденцию к сокращению водной жизни и оказывает пагубное воздействие на растворенный кислород. Как естественные, так и культурные источники питательных веществ могут способствовать этому процессу, как это показано Преулом (1974) на рисунке 6, на котором схематично показаны источники и поглотители питательных веществ для озера Санапи в американском штате Нью-Гемпшир.

Рисунок 6. Схематический перечень источников и поглотителей питательных веществ (азота и фосфора) для озера Сунапи, штат Нью-Гэмпшир (США).

Озера и водохранилища, конечно, могут быть отобраны и проанализированы для определения их трофического статуса. Аналитические исследования обычно начинаются с базового баланса питательных веществ, такого как:

(питательные вещества, поступающие в озеро) = (питательные вещества, выходящие из озера) + (задержание питательных веществ в озере)

Этот базовый баланс можно дополнительно расширить, включив в него различные источники, показанные на рисунке 6.

Время промывки является показателем относительной удерживающей способности озерной системы. Мелкие озера, такие как озеро Эри, имеют относительно короткое время промывки и связаны с усиленной эвтрофикацией, поскольку мелководные озера часто более благоприятны для роста водных растений. Глубокие озера, такие как озеро Тахо и озеро Верхнее, имеют очень длительные периоды промывки, которые обычно связаны с озерами с минимальной эвтрофикацией, поскольку до настоящего времени они не были перегружены, а также потому, что их крайние глубины не способствуют интенсивному росту водных растений. кроме эпилимниона (верхняя зона). Озера в этой категории обычно классифицируются как олиготрофные на том основании, что они относительно бедны питательными веществами и поддерживают минимальный рост воды, такой как водоросли.

Представляет интерес сравнить время промывки некоторых крупных озер США, как сообщает Pecor (1973), используя следующую основу расчета:

время промывки озера (LFT) = (объем водохранилища)/(отток из озера)

Некоторые примеры: озеро Вабеса (Мичиган), LFT = 0.30 года; Хоутон-Лейк (Мичиган), 1.4 года; Озеро Эри, 2.6 года; Озеро Верхнее, 191 год; Озеро Тахо, 700 лет.

Хотя взаимосвязь между процессом эвтрофикации и содержанием питательных веществ сложна, фосфор обычно считается ограничивающим питательным веществом. Основываясь на полностью смешанных условиях, Сойер (1947) сообщил, что цветение водорослей имеет тенденцию происходить, если значения азота превышают 0.3 мг/л, а фосфора превышает 0.01 мг/л. В стратифицированных озерах и водохранилищах низкий уровень растворенного кислорода в гиполиминионе является ранним признаком эвтрофикации. Vollenweider (1968, 1969) разработал критические уровни нагрузки по общему фосфору и общему азоту для ряда озер, исходя из нагрузки по питательным веществам, средней глубины и трофического состояния. Для сравнения работы по этому вопросу Диллон (1974) опубликовал критический обзор модели баланса питательных веществ Волленвейдера и других родственных моделей. Также доступны более современные компьютерные модели для моделирования азотно-фосфорных циклов при колебаниях температуры.

Загрязнение воды в эстуариях

Эстуарий — промежуточный проход воды между устьем реки и морским побережьем. Этот проход представляет собой участок устья реки с притоком реки (пресной воды) вверх по течению и сбросом воды вниз по течению в постоянно меняющийся нижний бьеф морской воды (соленой воды). Эстуарии постоянно подвергаются воздействию приливных колебаний и являются одними из самых сложных водоемов, с которыми приходится сталкиваться в борьбе с загрязнением воды. Доминирующими особенностями эстуария являются переменная соленость, соляной клин или граница между соленой и пресной водой, а также часто большие участки мелководья с мутной водой, лежащие над илистыми отмелями и солончаками. Питательные вещества в основном поступают в эстуарий из впадающей реки и в сочетании с морской средой обитания обеспечивают обильное производство биоты и морской жизни. Особенно желательны морепродукты, добытые в устьях рек.

С точки зрения загрязнения воды эстуарии по отдельности сложны и обычно требуют специальных исследований с использованием обширных полевых исследований и компьютерного моделирования. Для дальнейшего базового понимания читатель может обратиться к Reish 1979, посвященному загрязнению морской среды и эстуариев; и Reid and Wood 1976 по экологии внутренних вод и устьев рек.

Загрязнение воды в морской среде

Океаны можно рассматривать как конечное место приема воды или поглотителя, поскольку отходы, переносимые реками, в конечном итоге попадают в эту морскую среду. Хотя океаны представляют собой обширные массы соленой воды с, казалось бы, неограниченной способностью к ассимиляции, загрязнение, как правило, портит береговые линии и еще больше влияет на морскую жизнь.

Источники морских загрязнителей включают многие из тех, которые встречаются в наземных сточных водах, а также другие источники, связанные с морскими операциями. Ограниченный список приведен ниже:

• бытовые сточные воды и ил, промышленные отходы, твердые отходы, судовые отходы

• отходы рыболовства, отложения и питательные вещества из рек и поверхностного стока

• разливы нефти, отходы морской разведки и добычи нефти, дноуглубительные работы

• тепло, радиоактивные отходы, отходы химических веществ, пестициды и гербициды.

 

Каждое из вышеперечисленных требует особого обращения и методов борьбы. Сброс бытовых сточных вод и осадков сточных вод через стоки в океан, возможно, является основным источником загрязнения морской среды.

Чтобы узнать о современных технологиях по этому вопросу, читатель может обратиться к книге Bishop (1983) о загрязнении морской среды и борьбе с ним.

Методы снижения загрязнения при сбросе сточных вод

Крупномасштабная очистка сточных вод обычно осуществляется муниципалитетами, санитарными районами, промышленными предприятиями, коммерческими предприятиями и различными комиссиями по контролю загрязнения. Цель здесь состоит в том, чтобы описать современные методы очистки городских сточных вод, а затем дать некоторое представление об очистке промышленных отходов и более передовых методах.

В общем, все процессы очистки сточных вод могут быть сгруппированы по физическим, химическим или биологическим типам, и один или несколько из них могут использоваться для получения желаемого продукта сточных вод. Эта классификационная группировка является наиболее подходящей для понимания подходов к очистке сточных вод и представлена ​​в таблице 1.

Таблица 1. Общая классификация операций и процессов очистки сточных вод

 

Современные методы очистки сточных вод

Охват здесь ограничен и предназначен для предоставления концептуального обзора современных методов очистки сточных вод во всем мире, а не подробных проектных данных. В отношении последнего читатель отсылается к Metcalf and Eddy 1991.

Муниципальные сточные воды вместе с некоторой примесью промышленных/коммерческих отходов очищаются в системах, обычно использующих первичную, вторичную и третичную очистку следующим образом:

Система первичной обработки: Предварительная обработка ® Первичное отстаивание ® Обеззараживание (хлорирование) ® Сточные воды

Система вторичной очистки: Предварительная обработка ® Первичное отстаивание ® Биологическая установка ® Вторичное отстаивание ® Дезинфекция (хлорирование) ® Сток в поток

Система третичной очистки: Предварительная обработка ® Первичное отстаивание ® Биологическая установка ® Вторичное отстаивание ® Третичная установка ® Обеззараживание (хлорирование) ® Сток в поток

На рис. 7 дополнительно показана схема традиционной системы очистки сточных вод. Далее следуют обзорные описания вышеуказанных процессов.

Рисунок 7. Принципиальная схема традиционной очистки сточных вод

Первичное лечение

Основная цель первичной очистки муниципальных сточных вод, включая бытовые сточные воды, смешанные с некоторыми промышленными/коммерческими отходами, заключается в удалении взвешенных твердых частиц и осветлении сточных вод, чтобы сделать их пригодными для биологической очистки. После некоторой предварительной обработки, такой как просеивание, удаление песка и измельчение, основным процессом первичного осаждения является отстаивание неочищенных сточных вод в больших отстойниках на период до нескольких часов. Этот процесс удаляет от 50 до 75% всех взвешенных твердых частиц, которые удаляются в виде нижнего шлама, собираемого для отдельной обработки. Сливной сток из процесса затем направляется на вторичную очистку. В некоторых случаях для повышения степени первичной очистки могут применяться химические вещества.

Вторичная обработка

Та часть органического содержимого сточных вод, которая мелко взвешена или растворена и не удалена в ходе первичного процесса, подвергается вторичной очистке. Общепринятые формы вторичной очистки, которые обычно используются, включают капельные фильтры, биологические контакторы, такие как вращающиеся диски, активный ил, пруды для стабилизации отходов, системы аэрируемых прудов и методы обработки земли, включая системы водно-болотных угодий. Все эти системы будут признаны использующими биологические процессы в той или иной форме. Наиболее распространенные из этих процессов кратко обсуждаются ниже.

Биологические контакторные системы. Капельные фильтры являются одной из самых ранних форм этого метода вторичной очистки и до сих пор широко используются с некоторыми усовершенствованными методами применения. При этой очистке сточные воды из первичных резервуаров равномерно наносятся на слой наполнителя, такого как камень или синтетический пластик. Равномерное распределение обычно достигается за счет просачивания жидкости из перфорированного трубопровода, периодически или непрерывно вращающегося над слоем, в соответствии с желаемым процессом. В зависимости от уровня органической и гидравлической нагрузки капельные фильтры могут удалять до 95% органического содержимого, обычно анализируемого как биохимическая потребность в кислороде (БПК). Существует множество других более современных биологических контакторных систем, которые могут обеспечить удаление при очистке в том же диапазоне; некоторые из этих методов обладают особыми преимуществами, особенно применимыми в определенных ограничивающих условиях, таких как пространство, климат и т.д. Следует отметить, что последующий вторичный отстойник считается необходимой частью завершения процесса. При вторичном отстаивании некоторое количество так называемого гумусового шлама отводится как нижний сток, а верхний сток сбрасывается как вторичный сток.

Активированный ил. В наиболее распространенной форме этого биологического процесса первично очищенные сточные воды поступают в резервуар с активным илом, содержащий ранее существовавшую биологическую суспензию, называемую активным илом. Эта смесь называется взвешенными твердыми веществами в смешанной жидкости (MLSS), и период контакта обычно составляет от нескольких часов до 24 часов или более, в зависимости от желаемых результатов. В течение этого периода смесь сильно аэрируется и перемешивается для повышения аэробной биологической активности. По мере завершения процесса часть смеси (MLSS) отбирается и возвращается в приток для продолжения процесса биологической активации. После блока активного ила предусмотрено вторичное отстаивание с целью отстаивания взвеси активного ила и сброса осветленного стока в качестве стока. Процесс способен удалять до 95% входящего БПК.

Третичное лечение

Третий уровень очистки может быть обеспечен, если требуется более высокая степень удаления загрязняющих веществ. Эта форма очистки обычно может включать песчаную фильтрацию, стабилизационные пруды, методы захоронения, водно-болотные угодья и другие системы, которые дополнительно стабилизируют вторичные стоки.

Обеззараживание стоков

Дезинфекция обычно требуется для снижения количества бактерий и патогенов до приемлемого уровня. Хлорирование, диоксид хлора, озон и ультрафиолетовое излучение являются наиболее часто используемыми процессами.

Общая эффективность очистных сооружений

Сточные воды включают широкий спектр компонентов, которые обычно классифицируются как взвешенные и растворенные твердые вещества, неорганические компоненты и органические компоненты.

Эффективность системы очистки можно измерить с точки зрения процентного удаления этих компонентов. Общие параметры измерения:

• БПК: биохимическая потребность в кислороде, измеренная в мг/л

• Наложенный платеж: химическое потребление кислорода, измеренное в мг/л

• TSS: общее количество взвешенных веществ, измеренное в мг/л

• TDS: общее количество растворенных твердых веществ, измеренное в мг/л

• формы азота: включая нитраты и аммиак, измеренные в мг/л (нитраты представляют особую опасность как питательное вещество при эвтрофикации)

• фосфат: измеряется в мг/л (также представляет особый интерес как питательное вещество при эвтрофикации)

• pH: степень кислотности, измеряемая числом от 1 (самая кислая) до 14 (самая щелочная)

• количество колиформных бактерий: измерено как наиболее вероятное число на 100 мл (Этерихия и фекальные колиформные бактерии являются наиболее распространенными индикаторами).

 

Очистка промышленных сточных вод

Виды промышленных отходов

Промышленные (не бытовые) отходы многочисленны и сильно различаются по составу; они могут быть сильно кислыми или щелочными и часто требуют подробного лабораторного анализа. Перед выпиской может потребоваться специальное лечение, чтобы обезвредить их. Токсичность вызывает большую озабоченность при удалении промышленных сточных вод.

Типичные промышленные отходы включают: целлюлозно-бумажные, скотобойни, пивоваренные, кожевенные, пищевые, консервные, химические, нефтяные, текстильные, сахарные, прачечные, мясные и птицеводческие отходы, кормление свиней, переработку и многие другие. Начальным этапом разработки схемы очистки является обследование промышленных отходов, которое позволяет получить данные об изменениях характеристик потока и отходов. Нежелательные характеристики отходов, перечисленные Экенфельдером (1989), можно резюмировать следующим образом:

• растворимая органика, вызывающая истощение растворенного кислорода

• взвешенные вещества

• следовые органические вещества

• тяжелые металлы, цианид и токсичные органические вещества

• цвет и мутность

• азот и фосфор

• огнеупорные вещества, устойчивые к биоразложению

• нефть и плавучий материал

• летучие материалы.

 

Агентство по охране окружающей среды США дополнительно определило список токсичных органических и неорганических химических веществ с конкретными ограничениями при выдаче разрешений на сброс. Список включает более 100 соединений и слишком велик, чтобы его можно было перепечатать здесь, но его можно запросить в Агентстве по охране окружающей среды.

Методы лечения

Обращение с промышленными отходами является более специализированным, чем обращение с бытовыми отходами; однако там, где они поддаются биологическому восстановлению, они обычно обрабатываются с использованием методов, аналогичных ранее описанным (подходы вторичной/третичной биологической очистки) для муниципальных систем.

Пруды для стабилизации отходов являются распространенным методом органической очистки сточных вод при наличии достаточной площади земли. Проточные пруды обычно классифицируют в зависимости от их бактериальной активности как аэробные, факультативные или анаэробные. Аэрируемые пруды снабжаются кислородом с помощью диффузионных или механических систем аэрации.

На рис. 8 и 9 показаны эскизы прудов-стабилизаторов отходов.

Рисунок 8. Двухкамерный стабилизационный пруд: схема поперечного сечения

Рисунок 9. Типы аэрируемых лагун: принципиальная схема

Предотвращение загрязнения и минимизация отходов

Когда промышленные отходы внутризаводских операций и процессов анализируются у их источника, их часто можно контролировать, чтобы предотвратить значительные выбросы загрязняющих веществ.

Методы рециркуляции являются важными подходами в программах предотвращения загрязнения. Примером тематического исследования является план рециркуляции сточных вод кожевенного завода, опубликованный Preul (1981), который включал восстановление/повторное использование хрома наряду с полной рециркуляцией всех сточных вод кожевенного завода без сброса стоков в какой-либо поток, за исключением чрезвычайных ситуаций. Блок-схема этой системы показана на рисунке 10.

Рисунок 10. Блок-схема системы рециркуляции сточных вод кожевенного завода.

Чтобы узнать о последних инновациях в этой технологии, читатель может найти публикацию по предотвращению загрязнения и минимизации отходов, подготовленную Федерацией водной среды (1995 г.).

Передовые методы очистки сточных вод

Существует ряд передовых методов для более высокой степени удаления компонентов загрязнения, которые могут потребоваться. Общий список включает:

фильтрация (песочная и мультимедийная)

химическое осаждение

адсорбция углем

электродиализ

дистилляция

нитрификация

сбор водорослей

рекультивация стоков

микронапряжение

отгонка аммиака

обратный осмос

ионный обмен

заявка на землю

денитрификация

заболоченные.

Наиболее подходящий процесс для любой ситуации должен быть определен на основе качества и количества неочищенных сточных вод, требований к получаемой воде и, конечно же, затрат. Для получения дополнительной информации см. Metcalf and Eddy 1991, в котором есть глава о усовершенствованной очистке сточных вод.

Тематическое исследование передовой очистки сточных вод

Тематическое исследование Проекта очистки сточных вод региона Дан, обсуждавшееся в другом месте этой главы, представляет собой прекрасный пример инновационных методов очистки и регенерации сточных вод.

Тепловое загрязнение

Термическое загрязнение представляет собой форму промышленных отходов, определяемую как вредное повышение или понижение нормальной температуры воды в принимающих водах, вызванное отведением тепла от искусственных сооружений. Основными отраслями промышленности, производящими сбросное тепло, являются электростанции, работающие на ископаемом топливе (нефть, газ и уголь), а также атомные электростанции, сталелитейные заводы, нефтеперерабатывающие заводы, химические заводы, целлюлозно-бумажные комбинаты, винокуренные заводы и прачечные. Особую озабоченность вызывает электроэнергетика, которая обеспечивает энергией многие страны (например, около 80% в США).

Воздействие сбросного тепла на приемные воды

Влияние на способность ассимиляции отходов

• Тепло увеличивает биологическое окисление.

• Тепло снижает насыщение воды кислородом и снижает скорость естественной реоксигенации.

• Чистое воздействие тепла обычно вредно в теплые месяцы года.

• Эффект зимы может быть полезен в более холодном климате, где ледовые условия разрушаются, а поверхностная аэрация обеспечивается для рыб и водных организмов.

 

Влияние на водную жизнь

Многие виды имеют предельные температурные пределы и нуждаются в защите, особенно на участках ручья или водоема, подверженных тепловому воздействию. Например, в ручьях с холодной водой обычно водится самая крупная спортивная рыба, такая как форель и лосось, тогда как в теплых водах обычно обитают крупные популяции рыбы, а некоторые виды, такие как щука и окунь, обитают в водах с промежуточной температурой.

Рис. 11. Теплообмен на границах приемного сечения воды

Термический анализ в приемных водах

На рис. 11 показаны различные формы естественного теплообмена на границах принимающей воды. Когда тепло сбрасывается в принимающую воду, например, в реку, важно проанализировать способность реки к тепловым добавкам. Температурный профиль реки можно рассчитать, решив тепловой баланс, аналогичный тому, который используется при расчете кривых понижения содержания растворенного кислорода. Основные факторы теплового баланса показаны на рис. 12 для участка реки между точками А и В. Каждый фактор требует отдельного расчета в зависимости от определенных тепловых переменных. Как и в случае с балансом растворенного кислорода, температурный баланс представляет собой просто сумму температурных активов и пассивов для данного раздела. Другие более сложные аналитические подходы доступны в литературе по этому вопросу. Результаты расчетов теплового баланса могут быть использованы для установления ограничений по расходу тепла и, возможно, определенных ограничений по использованию водоема.

Рисунок 12. Мощность реки для тепловых добавок

Контроль теплового загрязнения

Основными подходами к контролю теплового загрязнения являются:

• повышение эффективности работы силовой установки

• градирни

• изолированные пруды-охладители

• рассмотрение альтернативных методов производства электроэнергии, таких как гидроэнергетика.

 

Там, где физические условия благоприятны в определенных пределах окружающей среды, гидроэлектроэнергия должна рассматриваться как альтернатива выработке энергии на ископаемом топливе или атомной энергии. При производстве гидроэлектроэнергии не происходит утилизации тепла и сброса сточных вод, вызывающих загрязнение воды.

Контроль загрязнения подземных вод

Важность подземных вод

Поскольку мировые запасы воды широко добываются из водоносных горизонтов, очень важно, чтобы эти источники снабжения были защищены. Подсчитано, что более 95% запасов пресной воды на Земле находится под землей; По данным Геологической службы США за 50 год, в Соединенных Штатах примерно 1984% питьевой воды поступает из колодцев. Поскольку загрязнение и движение подземных вод носят тонкий и невидимый характер, анализу и контролю этой формы деградации воды иногда уделяется меньше внимания, чем загрязнению поверхностных вод, которое гораздо более очевидно.

Рисунок 13. Гидрологический цикл и источники загрязнения подземных вод

Источники подземного загрязнения

На рис. 13 показан гидрологический цикл с наложенными источниками загрязнения подземных вод. Полный список потенциальных источников подземного загрязнения обширен; однако для иллюстрации наиболее очевидными источниками являются:

• сбросы промышленных отходов

• загрязненные водотоки, соприкасающиеся с водоносными горизонтами

• горные работы

• утилизация твердых и опасных отходов

• подземные резервуары для хранения, например, для нефти

• ирригационные системы

• искусственная подпитка

• вторжение морской воды

• разливы

• загрязненные водоемы с проницаемым дном

• колодцы для захоронения

• поля плитки септика и выщелачивающие ямы

• неправильное бурение скважины

• сельскохозяйственные работы

• соли против обледенения дорог.

 

Конкретные загрязняющие вещества в подземном загрязнении далее классифицируются как:

• нежелательные химические составляющие (типичный, не полный список) - органические и неорганические (например, хлорид, сульфат, железо, марганец, натрий, калий)

• общая жесткость и общее количество растворенных твердых веществ

• токсичные составляющие (типичные, неполный список) - нитраты, мышьяк, хром, свинец, цианид, медь, фенолы, растворенная ртуть

• нежелательные физические характеристики - вкус, цвет и запах

• пестициды и гербициды - хлорированные углеводороды и другие

• радиоактивные материалы - различные формы радиоактивности

• биологические - бактерии, вирусы, паразиты и так далее

• кислотные (низкий рН) или едкие (высокий рН).

 

Из вышеперечисленного нитраты вызывают особую озабоченность как в грунтовых, так и в поверхностных водах. В подземных водах нитраты могут вызывать метгемоглобинемию (детский цианоз). Они также вызывают пагубные последствия эвтрофикации в поверхностных водах и встречаются в широком диапазоне водных ресурсов, как сообщает Preul (1991). Преул (1964, 1967, 1972) и Преул и Шрёпфер (1968) также сообщали о подземном перемещении азота и других загрязняющих веществ.

Путешествие загрязнения в подземном домене

Движение подземных вод чрезвычайно медленное и малозаметное по сравнению с движением поверхностных вод в гидрологическом цикле. Для простого понимания движения обычных подземных вод в условиях идеального стационарного потока закон Дарси является основным подходом к оценке движения подземных вод при низких числах Рейнольдса. (R):

V = K(dh/dl)

где:

V = скорость грунтовых вод в водоносном горизонте, м/сут.

К = коэффициент проницаемости водоносного горизонта

(dh/dl) = гидравлический градиент, который представляет собой движущую силу движения.

При перемещении загрязняющих веществ под землей обычные подземные воды ( H₂O) обычно является несущей жидкостью и может быть рассчитана для движения со скоростью в соответствии с параметрами закона Дарси. Однако скорость перемещения или скорость загрязняющего вещества, такого как органическое или неорганическое химическое вещество, может различаться из-за процессов адвекции и гидродинамической дисперсии. Некоторые ионы движутся медленнее или быстрее, чем общая скорость потока подземных вод в результате реакций в среде водоносного горизонта, поэтому их можно разделить на «реагирующие» и «нереагирующие». Реакции, как правило, имеют следующие формы:

• физические реакции между загрязняющим веществом и водоносным горизонтом и/или транспортирующей жидкостью

• химические реакции между загрязняющим веществом и водоносным горизонтом и/или транспортирующей жидкостью

• Биологическое действие на загрязнитель.

 

Для реагирующих и не реагирующих подземных загрязнителей характерны следующие характеристики:

• реагирующие загрязнители - хром, ион аммония, кальций, натрий, железо и т.д.; катионы в целом; биологические составляющие; радиоактивные компоненты

• не вступающие в реакцию загрязнители – хлориды, нитраты, сульфаты и так далее; некоторые анионы; некоторые химические пестициды и гербициды.

 

Сначала может показаться, что реагирующие загрязнители являются наихудшим типом, но это может быть не всегда так, потому что реакции задерживают или замедляют перенос концентраций загрязняющих веществ, в то время как перемещение нереагирующих загрязнителей может быть в значительной степени беспрепятственным. В настоящее время доступны некоторые «мягкие» бытовые и сельскохозяйственные продукты, которые со временем биологически разлагаются и, следовательно, исключают возможность загрязнения грунтовых вод.

восстановление водоносного горизонта

Предотвращение подземного загрязнения, очевидно, является лучшим подходом; однако о неконтролируемом существовании загрязненных грунтовых вод обычно становится известно уже после их возникновения, например, по жалобам местных водопользователей. К сожалению, к тому времени, когда проблема будет распознана, может быть нанесен серьезный ущерб, и потребуется устранение. Реабилитация может потребовать обширных гидрогеологических полевых исследований с лабораторным анализом проб воды, чтобы установить степень концентрации загрязняющих веществ и распространение шлейфов. Часто для первоначального отбора проб можно использовать существующие колодцы, но в тяжелых случаях может потребоваться обширное бурение и отбор проб воды. Затем эти данные можно проанализировать, чтобы установить текущие условия и сделать прогнозы будущих условий. Анализ распространения загрязнения подземных вод является специализированной областью, часто требующей использования компьютерных моделей для лучшего понимания динамики подземных вод и прогнозирования при различных ограничениях. Для этой цели в литературе имеется ряд двух- и трехмерных компьютерных моделей. За более подробными аналитическими подходами читатель может обратиться к книге Freeze and Cherry (1987).

Предотвращение загрязнения

Предпочтительным подходом к защите ресурсов подземных вод является предотвращение загрязнения. Хотя стандарты питьевой воды обычно применяются к использованию запасов подземных вод, запасы сырой воды требуют защиты от загрязнения. Государственные органы, такие как министерства здравоохранения, агентства по природным ресурсам и агентства по охране окружающей среды, как правило, несут ответственность за такую ​​деятельность. Усилия по контролю загрязнения подземных вод в основном направлены на защиту водоносных горизонтов и предотвращение загрязнения.

Предотвращение загрязнения требует контроля за землепользованием в форме зонирования и определенных правил. Законы могут применяться к предотвращению конкретных функций, особенно применимых к точечным источникам или действиям, которые потенциально могут вызвать загрязнение. Контроль с помощью зонирования землепользования является инструментом охраны подземных вод, который наиболее эффективен на муниципальном или окружном уровне управления. Программы защиты водоносных горизонтов и устьев колодцев, как обсуждается ниже, являются яркими примерами предотвращения загрязнения.

Программа защиты водоносного горизонта требует установления границ водоносного горизонта и областей его питания. Водоносные горизонты могут быть безнапорными или напорными, и поэтому для принятия такого решения их необходимо проанализировать гидрологом. Большинство основных водоносных горизонтов в целом хорошо известны в развитых странах, но в других районах могут потребоваться полевые исследования и гидрогеологический анализ. Ключевым элементом программы по защите водоносного горизонта от ухудшения качества воды является контроль землепользования над водоносным горизонтом и зонами его питания.

Защита устья скважины представляет собой более точный и ограниченный подход, который применяется к области пополнения запасов конкретной скважины. Федеральное правительство США в соответствии с поправками, принятыми в 1986 г. к Закону о безопасной питьевой воде (SDWA) (1984 г.), теперь требует, чтобы для колодцев общественного водоснабжения были установлены специальные зоны защиты устья колодца. Защитная зона устья колодца (WHPA) определяется в SDWA как «участок поверхности и недр, окружающий колодец или колодезное поле, снабжающий общественную систему водоснабжения, через который загрязняющие вещества с достаточной вероятностью могут двигаться к такому колодцу или колодцу и достигать его». поле." Основной целью программы WHPA, как указано Агентством по охране окружающей среды США (1987 г.), является оконтуривание зон защиты скважин на основе выбранных критериев, эксплуатации скважин и гидрогеологических соображений.

 

Назад

Концепция и дизайн

Проект рекультивации муниципальных сточных вод Данского региона является крупнейшим проектом такого рода в мире. Он состоит из сооружений по очистке и пополнению подземных вод городских сточных вод из столичного региона региона Дан - конгломерата из восьми городов, сосредоточенных вокруг Тель-Авива, Израиль, с общим населением около 1.5 миллиона жителей. Проект создан с целью сбора, очистки и утилизации городских сточных вод. Восстановленные стоки после относительно длительного пребывания в подземном водоносном горизонте перекачиваются для неограниченного использования в сельском хозяйстве, орошая засушливый Негев (южная часть Израиля). Общая схема проекта представлена ​​на рисунке 1. Проект был основан в 1960-х годах и постоянно развивается. В настоящее время система собирает и обрабатывает около 110 x 10⁶ m³ в год. Через несколько лет, на завершающем этапе, система будет обрабатывать от 150 до 170 x 10⁶ m³ в год.

Рисунок 1. Станция очистки сточных вод Данского региона: схема

Известно, что очистные сооружения создают множество проблем для окружающей среды и гигиены труда. Проект «Регион Дан» представляет собой уникальную систему национального значения, которая сочетает в себе национальную пользу со значительной экономией водных ресурсов, высокой эффективностью очистки и производством недорогой воды, не создавая при этом чрезмерных профессиональных вредностей.

При проектировании, установке и повседневной эксплуатации системы особое внимание уделялось санитарии воды и гигиене труда. Приняты все необходимые меры предосторожности, чтобы очищенные сточные воды были практически такими же безопасными, как обычная питьевая вода, в случае их случайного употребления или проглатывания людьми. Аналогичным образом, надлежащее внимание было уделено вопросу сведения к минимуму любого потенциального воздействия аварий или других биологических, химических или физических опасностей, которые могут затронуть либо рабочих на самих очистных сооружениях, либо других рабочих, занятых удалением и использованием в сельском хозяйстве. исправленной воды.

На первом этапе проекта сточные воды подвергались биологической очистке системой прудов факультативного окисления с рециркуляцией и дополнительной химической очисткой известково-магниевым процессом с последующим задержанием стоков с высоким рН в «полировочных прудах». Частично очищенные сточные воды пополнялись в региональный подземный водоносный горизонт через распределительные бассейны Сорек.

На втором этапе сточные воды, поступающие на очистные сооружения, подвергаются механо-биологической очистке методом активного ила с нитрификацией-денитрификацией. Вторичные стоки пополняются в подземные воды посредством отстойников Явне 1 и Явне 2.

Полная система состоит из ряда различных элементов, дополняющих друг друга:

• система очистки сточных вод, состоящая из установки активного ила (биомеханическая установка), которая перерабатывает большую часть отходов, и системы прудов окисления и полировки, используемых в основном для очистки избыточных потоков сточных вод.

• система пополнения подземных вод для очищенных сточных вод, состоящая из распределительных бассейнов на двух разных участках (Явне и Сорек), которые периодически затапливаются; поглощенные сточные воды проходят через ненасыщенную зону почвы и часть водоносного горизонта и создают специальную зону, предназначенную для дополнительной очистки сточных вод и сезонного хранения, которая называется SAT (почвенно-водоносная обработка).

• сети наблюдательных скважин (всего 53 скважины), которые окружают бассейны подпитки и позволяют контролировать эффективность процесса очистки

• сеть восстановительных скважин (всего 74 действующих скважины в 1993 г.), которые окружают участки пополнения

• специальная и отдельная магистраль подачи регенерированной воды для неограниченного орошения сельскохозяйственных угодий в Негеве; эта магистраль называется «Третья линия Негева» и дополняет систему водоснабжения Негева, которая включает в себя еще две основные магистрали подачи пресной воды.

• установка хлорирования стоков, состоящая в настоящее время из трех участков хлорирования (еще два будут добавлены в будущем)

• шесть рабочих резервуаров вдоль системы транспортировки, которые регулируют количество перекачиваемой и потребляемой воды по системе

• система распределения сточных вод, состоящая из 13 основных напорных зон вдоль канализационной магистрали, которые подают очищенную воду потребителям

• комплексная система мониторинга, которая наблюдает и контролирует всю работу проекта.

 

Описание системы рекультивации

Общая схема системы рекультивации представлена ​​на рисунке 1, а блок-схема на рисунке 2. Система состоит из следующих сегментов: очистные сооружения, поля подпитки, восстановительные колодцы, транспортно-распределительная система, установка хлорирования и комплексный мониторинг. система.

Рисунок 2. Блок-схема проекта Dan Region Project

Станция очистки сточных вод

Станция очистки сточных вод агломерации области Дан принимает бытовые отходы восьми городов региона, а также перерабатывает часть их промышленных отходов. Завод расположен в песчаных дюнах Ришон-Ле-Цион и основан в основном на вторичной очистке отходов методом активного ила. Часть отходов, в основном во время пиковых стоков, обрабатывается в другой, более старой системе прудов-окислителей, занимающих площадь 300 акров. Две системы вместе могут обрабатывать в настоящее время около 110 x 10⁶ m³ в год.

Поля перезарядки

Сточные воды очистных сооружений перекачиваются на три разных участка, расположенных в пределах региональных песчаных дюн, где они распределяются по песку и просачиваются вниз в подземный водоносный горизонт для временного хранения и дополнительной обработки в зависимости от времени. Два из распределительных бассейнов используются для подпитки стоков механо-биологических очистных сооружений. Это Явне 1 (60 акров, расположен в 7 км южнее завода) и Явне 2 (45 акров, 10 км южнее завода); третий бассейн предназначен для подпитки смеси стоков бассейнов окисления и определенной фракции биомеханических очистных сооружений, необходимой для повышения качества стоков до необходимого уровня. Это участок Сорек площадью около 60 акров, расположенный к востоку от прудов.

Восстановительные скважины

Вокруг мест подпитки имеется сеть наблюдательных колодцев, через которые осуществляется повторная откачка подпиточной воды. Не все из 74 скважин, находящихся в эксплуатации в 1993 г., работали в течение всего проекта. В 1993 году из скважин системы было извлечено около 95 миллионов кубометров воды, которые были закачаны в Третью линию Негева.

Системы транспортировки и распределения

Вода, откачиваемая из различных добывающих скважин, собирается в транспортно-распределительную систему Третьей линии. Транспортная система состоит из трех участков общей протяженностью 87 км и диаметром от 48 до 70 дюймов. Вдоль транспортной системы были построены шесть различных оперативных резервуаров, «плавающих» на основной линии, чтобы регулировать расход воды в системе. Эксплуатационный объем этих резервуаров составляет от 10,000 XNUMX м³ в 100,000 м³.

Вода, поступающая в систему Третьей линии, поставлялась потребителям в 1993 году по системе из 13 основных напорных зон. К этим напорным зонам подключены многочисленные водопотребители, в основном фермерские хозяйства.

Система хлорирования

Целью хлорирования, проводимого на Третьей линии, является «разрыв связи человека», что означает устранение любой возможности существования микроорганизмов человеческого происхождения в воде Третьей линии. В ходе мониторинга установлено, что во время пребывания исправленной воды в водоемах происходит значительное увеличение фекальной микрофлоры. Поэтому было решено добавить больше точек хлорирования вдоль линии, и к 1993 году в обычном режиме работали три отдельных точки хлорирования. В ближайшее время к системе добавятся еще два пункта хлорирования. Остаточный хлор колеблется от 0.4 до 1.0 мг/л свободного хлора. Этот метод, при котором в различных точках системы поддерживаются низкие концентрации свободного хлора, а не разовая массивная доза в начале линии, обеспечивает разрыв связи между людьми и в то же время позволяет рыбам жить в водоемах. . Кроме того, этот метод хлорирования будет обеззараживать воду на нижних участках транспортно-распределительной системы в случае попадания загрязняющих веществ в систему в точке ниже по течению от начальной точки хлорирования.

Система мониторинга

Работа системы мелиорации Третьей линии Негева зависит от рутинного функционирования установки мониторинга, которая контролируется и контролируется профессиональной и независимой научной организацией. Этим органом является Научно-исследовательский институт Техниона - Израильский технологический институт в Хайфе, Израиль.

Создание независимой системы мониторинга является обязательным требованием Министерства здравоохранения Израиля, местного органа власти в соответствии с Постановлением об общественном здравоохранении Израиля. Необходимость создания такой системы мониторинга связана с тем, что:

1. Этот проект по очистке сточных вод является крупнейшим в мире.
2. Он включает в себя некоторые нестандартные элементы, с которыми еще не экспериментировали.
3. Очищенную воду планируется использовать для неограниченного полива сельскохозяйственных культур.

 

Таким образом, основная роль системы мониторинга заключается в обеспечении химического и санитарного качества воды, подаваемой системой, и в предупреждении о любых изменениях качества воды. Кроме того, группа мониторинга отслеживает весь проект рекультивации региона Дан, а также исследует некоторые аспекты, такие как обычная работа завода и химико-биологическое качество воды. Это необходимо для того, чтобы определить пригодность воды Третьей линии для неограниченного орошения не только с санитарной, но и с сельскохозяйственной точки зрения.

Предварительный план мониторинга был разработан и подготовлен компанией Mekoroth Water Co., основным израильским поставщиком воды и оператором проекта Dan Region. Специально назначенный руководящий комитет периодически пересматривал программу мониторинга и модифицировал ее в соответствии с накопленным опытом, полученным в ходе рутинной работы. Программа мониторинга касалась различных точек отбора проб вдоль системы Третьей линии, различных исследуемых параметров и частоты отбора проб. В предварительной программе речь шла о различных сегментах системы, а именно о добывающих скважинах, транспортной магистрали, резервуарах, ограниченном количестве подключений к потребителям, а также о наличии колодцев с питьевой водой в непосредственной близости от завода. Перечень параметров, включенных в график мониторинга Третьей очереди, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Список исследуемых параметров

 

Мониторинг восстановительных скважин

Программа отбора проб из добывающих скважин основана на двухмесячном или трехмесячном измерении нескольких «параметров-индикаторов» (таблица 2). Когда концентрация хлоридов в отобранной скважине превышает более чем на 15 % исходный уровень хлоридов в скважине, это интерпретируется как «значительное» увеличение доли извлеченных стоков в составе подземных водоносных вод, и скважина переводится в следующая категория выборки. Здесь определяются 23 «параметра-характеристики» один раз в три месяца. В части скважин раз в год проводится полное исследование воды, включающее 54 различных параметра.

Таблица 2. Различные параметры, исследованные в добывающих скважинах

 

Мониторинг системы транспортировки

Транспортная система протяженностью 87 км контролируется в семи центральных точках вдоль линии сточных вод. В этих точках один раз в месяц отбираются образцы по 16 различным параметрам. Это: ПХФД, ДО, Т, ЕС, СС₁₀, SS₅₅, УФ, ТУРБ, НЕТ₃ ⁺, PTOT, ALKM, DOC, TOTB, TCOL, FCOL и ENTR. Параметры, изменение которых в системе не предполагается, измеряются только в двух точках отбора проб – в начале и в конце транспортной линии. Это: Cl, K, Na, Ca, Mg, HARD, B, DS, SO.₄ ^-2, NH₄ ⁺НЕТ₂ ^– и МБА. В этих двух точках отбора проб раз в год отбираются пробы различных тяжелых металлов (Zn, Sr, Sn, Se, Pb, Ni, Mo, Mn, Li, Hg, Fe, Cu, Cr, Co, Cd, Ba, As, Ал, Аг).

Мониторинг водоемов

Схема мониторинга водохранилищ Третьей линии основана в основном на изучении ограниченного числа параметров, которые служат индикаторами биологического развития водоемов, а также для определения поступления внешних загрязняющих веществ. Раз в месяц отбираются пять резервуаров для: PHFD, T, DO, Total SS, Volatile SS, DOC, CLRL, RSCL, TCOL, FCOL, STRP и ALG. В этих пяти резервуарах также раз в два месяца отбираются пробы кремния. Все эти параметры также замеряются на другом водохранилище, Зохар Б, с периодичностью шесть раз в год.

Обзор

Проект мелиорации региона Дан поставляет высококачественную регенерированную воду для неограниченного орошения израильского Негева.

Первый этап этого проекта находится в частичной эксплуатации с 1970 г. и в полной эксплуатации с 1977 г. С 1970 по 1993 г. общий объем неочищенных сточных вод в пруды факультативного окисления составил 373 млн куб. 243 млн м1974 было выкачано из водоносного горизонта в период 1993–1993 гг. и поставлено на юг страны. Часть воды была потеряна, в основном из-за испарения и просачивания из прудов. В 6.9 г. эти потери составили около 1994% неочищенных сточных вод, поступающих на завод первой очереди (Канарек, XNUMX г.).

Механо-биологические очистные сооружения второй очереди проекта находятся в эксплуатации с 1987 года. За период эксплуатации 1987-1993 годов на механико-биологические очистные сооружения было передано в общей сложности неочищенных сточных вод 478 млн м1993. В 103 году около 95 млн м8 воды (XNUMX млн мXNUMX регенерированной воды плюс XNUMX млн мXNUMX питьевой воды) было передано через систему и использовано для неограниченного орошения Негева.

Вода восстановительных скважин представляет собой качество воды подземного водоносного горизонта. Качество воды водоносного горизонта постоянно меняется в результате просачивания в него сточных вод. Качество воды водоносного горизонта приближается к качеству сточных вод по тем параметрам, на которые не влияют процессы очистки почвенно-водоносного горизонта (SAT), в то время как параметры, на которые влияет прохождение через слои почвы (например, органический углерод и так далее) показывают значительно более низкие значения. Обращает на себя внимание содержание хлоридов в воде водоносного горизонта, которое за последние четыре года увеличилось на 15-26%, о чем свидетельствует изменение качества воды в восстановительных скважинах. Это изменение указывает на постоянное замещение воды водоносного горизонта сточными водами со значительно более высоким содержанием хлоридов.

На качество воды шести водохранилищ системы Третьей линии влияют биологические и химические изменения, происходящие в открытых водоемах. Содержание кислорода повышено в результате фотосинтеза водорослей и за счет растворения атмосферного кислорода. Концентрации различных видов бактерий также увеличиваются в результате случайного загрязнения водоемов разнообразной водной фауной, проживающей вблизи водоемов.

Качество воды, подаваемой потребителям по системе, зависит от качества воды из добывающих скважин и водохранилищ. Обязательное хлорирование воды в системе представляет собой дополнительную защиту от ошибочного использования воды в качестве питьевой. Сравнение данных по воде Третьей линии с требованиями Министерства здравоохранения Израиля к качеству сточных вод, которые будут использоваться для неограниченного сельскохозяйственного использования, показывает, что в большинстве случаев качество воды полностью удовлетворяет требованиям.

В заключение можно сказать, что система рекуперации и утилизации сточных вод «Третья линия» стала успешным экологическим и национальным израильским проектом. Это решило проблему санитарной утилизации сточных вод Данского района и в то же время увеличило водный баланс страны примерно на 5%. В такой засушливой стране, как Израиль, где запасы воды, особенно для сельскохозяйственных целей, весьма ограничены, это реальный вклад.

Затраты на подпитку и техническое обслуживание очищенной воды в 1993 г. составляли около 3 центов США за мXNUMX.³ (0.093 шекеля/м³).

Система работает с конца 1960-х годов под строгим контролем Министерства здравоохранения Израиля и отдела безопасности и гигиены труда Mekoroth. Сообщений о каких-либо профессиональных заболеваниях, вызванных работой этой сложной и всеобъемлющей системы, не поступало.

 

Назад