Методическое обеспечение ЭАК с метрологическим сопровождением

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский технологический университет

Талапова Дина Ермекқызы

Эколого-аналитический контроль окружающей среды

Промышленных предприятий

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

 специальность 5В050700 – «Биотехнология»

Алматы 2018

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Алматинский технологический университет

Факультет Пищевых производств

Кафедра Пищевая биотехнология

                                 ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

На тему: Эколого-аналитический контроль окружающей среды промышленных предприятий

Исполнитель:

Обучающийся 4 курса специальности 5В050700 – «Биотехнология»

Талапова Д.Е _____________ «___» апреля 2017 г.

Руководитель:

К.б.н. доцент

Шаповалов Ю.А ___________ «___» апреля 2017 г.

Допущен к защите:

Зав, кафедрой «ПБ» к.б.н., профессор

Лесова Ж.Т.    ____________ «___» апреля 2017 г.

Нормоконтролер:

И.о. доцент, к.т.н.

Шамбулова Г.Д. ____________ «___» апреля 2017 г.

Декан «ПФ», д.т.н., профессор

Байболова Л.К. _____________ «___» апреля 2017 г.

Алматы 2018

Содержание

Нормативные ссылки

В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:

1. Экологический Кодекс РК (с изменениями и дополнениями по состоянию на 22.07.2011 г.).

2. Водный Кодекс РК (с изменениями и дополнениями по состоянию на 19.03.2010 г.).

3. «Концепция развития эколого-аналитического контроля в области охраны окружающей среды РК на 2005-2007 годы». (Приказ Министра охраны окружающей среды РК от 2 февраля 2005 г. № 32-п.)

4. Приказ Министра охраны окружающей среды РК «О типовой лаборатории» от 2 августа 2005 года № 213-П.

5. Закон РК «Об обеспечении единства измерений» от 07.06.2000 г. № 53-II.

6. Закон РК «Об аккредитации в области оценки соответствия» от 05.07.2008 г.

7. Концепция эколого-аналитического контроля, принятая в качестве программы в Российской Федерации. http://unc.ssu.samara.ru/book3/1_1.html

8. Директива Совета 96/61/EC от 24 сентября 1996 г. по интегрированному предотвращению загрязнения и контролю.

9. Директива Совета и Европарламента 2000/76 от 4 декабря 2004 г. по сжиганию отходов.

10. Директива Совета и Европарламента 2001/80 от 23 октября 2001 г. по ограничению выбросов в атмосферу определенных загрязнителей в результате деятельности крупных мусоросжигательных заводов.

11. Решение Комиссии от 17 июля 2000 г. о внедрении Европейского реестра выбросов загрязнителей (ЕРВЗ) в соответствии со Статьей 15 Директивы Совета 96/61/EC по интегрированному предотвращению загрязнения и контролю (ИПЗК).

12. Постановление Европарламента и Совета (ЕС) № 166/2006 от 18.01.2006 г. о создании Европейского Реестра Выбросов и Движения Загрязнителей и внесении поправок к Директивам Совета 91/689/EEC и 96/61/EC.

13. Информация Конференции Европейской Комиссии «На пути к устойчивому производству в расширенном Евросоюзе – Интегрированное Предотвращение Загрязнения и Контроль (ИПЗК)», вся информация на английском языке http://www.ecologic-events.de/ippc/en/index.htm

Определения

В настоящей работе применяют следующие термины с соответствующими определениями.

Аккредитация -официальное признание того, что лаборатория юридически правомочна осуществлять конкретные измерения конкретных объектов и их показателей. Согласно действующим правиламсистемы аккредитации лабораторий, область аккредитации лаборатории определена документом, приложенным к паспорту лаборатории (в самостоятельном виде указанный термин официально не используется).

Аттестация МВИ -процедура установления и подтверждения соответствия методик выполнения измерений (МВИ) предъявляемым к ней метрологическим требованиям.

Вредное (загрязняющее) вещество - химическое или биологическое вещество либо смесь таких веществ, которые содержатся в атмосферном воздухе и которые в определенных концентрациях, превышающих предельно-допустимые нормативы, оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Загрязняющее вещество(ЗВ)- химическое или биологическое вещество либо смесь таких веществ, которые содержатся в атмосферном воздухе и которые в определенных концентрациях оказывают вредное воздействие на здоровье человека и окружающую природную среду.

Загрязнение окружающей среды - поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

Имеющиесятехнологии- означает такие технологии, которые разработаны в достаточном масштабе для внедрения в соответствующем секторе промышленности, в экономически и технически целесообразных условиях, с учетом затрат и выгод, вне зависимости используются или производятся ли они внутри или вне территории стран-членов, в случае, когда они разумно доступны для владельца предприятия.

Методики выполнения измерений (МВИ) - совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной погрешностью.

Нормативы в области охраны окружающей среды- установленные нормативы качества окружающей среды и нормативы допустимого воздействия на нее, при соблюдении которых обеспечивается устойчивое функционирование естественных экологических систем и сохраняется биологическое разнообразие.

Ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ) - временный гигиенический норматив для загрязняющего атмосферу вещества, устанавливаемый расчетным методом для целей проектирования промышленных объектов.

Предельно-допустимаяконцентрация (ПДК) -показательвоздействияодного или нескольких вредных (загрязняющих) веществ на атмосферный воздух, превышение которого приводит к вредному воздействию на здоровье человека и окружающую среду.

Природная среда - совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов.

Производственный экологический контроль - комплекс работ, осуществляемых субъектом хозяйственной и иной деятельности в целях обеспечения выполнения в процессе хозяйственной и иной деятельности мероприятий по охране окружающей среды, рациональному использованию и восстановлению природных ресурсов, а также в целях соблюдения требований, установленных законодательством, в области охраны окружающей среды.

Производственный эколого-аналитический контроль - составная часть производственного экологического контроля, предусматривающая получение данных о качественном и количественном содержании веществ и показателей, в установленных объектах контроля, с применением методов аналитической химии, физических измерений, санитарно-биологических методов, биотестирования, биоиндикации и др.

Экологический мониторинг– наблюдение за изменениями в экологических системах (биогеоценозы), природных комплексах, за их продуктивностью, а также динамикой запасов полезных ископаемых, водных, земельных и растительных ресурсов.

Обозначения и сокращения

Реферат

Данная дипломная работа изложена на 97 страницах машинописного текста. Состоит из 3 глав, введения, заключения, списка использованных источников и содержит 9 таблиц и 12 рисунков.

Актуальность темы:

Интенсивная индустриальная деятельность человека вызвала тотальное загрязнение экосистемы Земли отходами производства, которые существенно ухудшают качество жизни людей. В результате антропогенной деятельности значительные территории Казахстана загрязнены техногенными экотоксикантами, вследствие чего наблюдается ухудшение экологической обстановки многих регионов республики. В этой связи проблема объективной комплексной оценки техногенно-экологической нагруженности исследуемых объектов, а также анализа текущего состояния загрязнения окружающей среды (ОС), прогнозирования масштабов заражения токсичными веществами в привязке не только к техногенным источникам загрязнения, но и к негативным экологическим последствиям состояния ОС, является весьма актуальной проблемой Казахстана. 

Цель:анализ эффективности, существующей в Республике Казахстан системы ЭАК, а также научно-техническое обоснование целесообразности оптимизации системы эколого-аналитического контроля объектов ОС с использованием биологического и физико-химических методов анализа.

Задачи:

- определение контролируемых объектов и компонентов;

- обеспечение нормативно-технической и правовой регламентацией;

- создание методической базы;

- аппаратурное обеспечение;

- метрологическое обеспечение;

- обеспечение качественной химической информацией.

Контролируемыми объектами являются:

- воды - пресные, подземные, поверхностные, талые, морские, сточные, атмосферные осадки;

- воздух – атмосферный, городов и промышленных зон (промвыбросы), природных биосферных заповедников (фон), рабочей зоны;

- почвы (загрязнения);

- донные отложения (загрязнения);

- растения, пища и корма, животные ткани (загрязнения).

Текущее состояние эколого-аналитического контроля в РК, что значительные территории загрязнены техногенными экотоксикантами, вследствие чего наблюдается ухудшение экологической обстановки многих регионов республики.

Известно, что любые изменения природной среды связаны с протекающими в ней химическими и химико-биологическими процессами. Одной из важных задач современной аналитической химии является изучение химико-биологических процессов, а также закономерностей, сопровождающих эти процессы. Химико-биологические процессы, реализуемые в природе, протекают одновременно в трех природных средах: атмосфере, почве, воде, формируя единую систему - биосферу.

Для контроля в РК созданы базовые документы, регламентирующие деятельность в области ЭАК. К одним из наиболее важных документов, обеспечивающих экологическую безопасность Казахстана относят Экологический [4] и Водный [5] Кодексы РК, в которых описываются существующие виды государственного экологического контроля в области ООС.

В настоящее время Казахстан переживает период перехода к рыночной экономике. От того, как быстро будет преодолен разрыв в качестве продукции и услуг между Казахстаном и развитыми странами, зависит перспектива Казахстана выступать на равных партнерских отношениях в роли гармонично развитой передовой страны с высоким технологическим уровнем и качеством жизни граждан, соответствующих стандартам XXI века. Поэтому качество является одним из важнейших факторов реализации национальных интересов Казахстана в экономической, социальной, международной, информационной, образовательной и экологической сферах деятельности.

В последние годы для решения задач экологического контроля и мониторинга все шире начинает использоваться космическая техника. Получаемые с помощью систем спутниковой связи и оптико-электронных средств высокого разрешения данные используются для построения многослойных электронных карт различной тематической направленности. Космические средства мониторинга в сочетании с наземными системами ЭАК позволяют создать мощную информационную базу для управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью на региональном, национальном и глобальном уровнях.

В эколого-аналитических исследованияхиспользуют ферментативные анализаторы токсичности.Различают два типа биосенсоров, отличающихся между собой способом генерации аналитического сигнала. Согласно первому, генерируемый сигнал вызывается физическими изменениями биомолеку­лы, например, оптических параметров, заряда, плотности и др., при ее связывании с анализируемым веществом. Ко второму типу относят биосенсоры, в которых протекают химические превращения, сопровож­дающиеся образованием детектируемого продукта реакции.

Также проводят мониторинг воздуха на содержание фосфорорганических отравляющих веществ. Одной из задач мониторинга на территории объек­тов по уничтожению химического оружия (ХО) и в зонах защитных мероприятий является обеспечение санитарно-гигиенических норм труда, для чего должен проводиться непрерывный автоматический контроль воздуха рабочей зоны и вентиляционных выбросов на наличие токсичных веществ. Технические средства аналитического контроля должны выявлять опасные вещества в количествах, соответствующих их ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКрз).

Одним из наиболее перспективных путей повышения производи­тельности труда аналитических служб является использование в их работе проточно-инжекционных методов анализа. Принцип проточно-инжекционного анализа (ПИА) основан на смешении потоков растворов реагентов, в результате реакции между которыми образуется соедине­ние, концентрацию которого можно определить каким-либо из извест­ных физико-химических методов. Пробы анализируемых веществ вводят­ся импульсно или непрерывно в поток реагентов, перемещающихся по капиллярному или колоночному реактору с помощью насоса. Следует отметить, что на сигнал проточно-инжекционного анализатора суще­ственное влияние оказывают скорость потока, турбулентность и за­вихрения в жидкостях, пристеночные эффекты.

Учитывая механизм воздействия токсических соединений на биологические объекты, в большинстве случаев связанные с ингибированием метаболитических превращений в клетках, контролируемых фер­ментами, можно прийти к выводу о целесообразности в качест­ве аналитического сигнала при определении различных токсичных со­единений использовать ингибирующее действие этих соединений на ферментативные системы. Используя ключевые ферменты, контролиру­ющие важнейшие метаболитические пути, можно создать физико-химический анализатор для количественного дифференциального и интег­рального определения различных типов ядов, токсичных веществ и их смесей. В конечном счете, используя мультиферментные системы, катализирующие широкий набор параллельно и последовательно идущих реакций, можно разработать автоматический анализатор, достаточно точно моделирующий суммарное воздействие загрязнений атмосферного воздуха или воды на биологические объекты и тем самым дающий ре­зультат определения токсичности, однозначно коррелирующийся с воз­действием на биосферу. Преимуществом такого анализатора является возможность его использования в едином аппаратурном оформлении для анализа широкого набора индивидуальных токсических веществ и выполнения общей экологической экспертизы, для чего потребуется только замена используемых реагентов.

Что дает исследование электроферментативного анализатора токсичности, включающего предреактор?

Изучая изменение величины сигнала от длины предреактора при определении прозерина с концентрацией 3,75∙10^-4 мг/мл и хлорофо­са - 1∙10^-1 мг/мл, установили, что для этих двух ингибиторов длина предреактора должна быть чуть более 100 см.

Из градуировочной характеристики для определения прозерина можно сделать вывод, что разработанный метод по­зволяет устойчиво определять концентрации ингибитора в диапазоне 10^-4-10^-3 мг/мл.

При проведении предварительного биотестирования используется принцип воздействия токсических веществ на люминесцирующие бактерии Photobacteriumphosphoreum, который заложен в основу работы приборов Микротокс 5ТМ (Beckman, США) и Биотокс-10М (Россия).

Исследование правовой, а также нормативно-технической документации, регламентирующей ЭАК показало, что ряд документов разработаны в системе Казгидромета, другие - в системе по водным ресурсам, в рамках Казэпиднадзора и т.д. Ведомственная разобщенность выявила отрицательное влияние существующей в Казахстане системы разработки нормативно-технических документов для выработки общей государственной политики в области ЭАК.

Рассмотрены принципы ингибиторного анализа токсических соединений, описываются существующие ферментативные методы анализа ЗВ, а также приводится перечень промышленных биосенсоров, используемых в ЭАК. Принцип действия ферментативных анализаторов основывается на ингибировании биоката­литических систем токсичными веществами. Были разработаны проточные электроферментативные анализаторы токсичности на основе фермента холинэстеразы. Анализаторы в качестве основного узла включали ферментативный реактор и ре­гистрирующий блок, фиксирующий кинетику протекания ферментативных процессов. Для проточных ферментативных анализаторов нами была разработана теория ингибиторного ферментативного анализа. Были изучены закономерности изменения величины сигнала в ферментативной аналитической системе в зависимости от условий проведения анализа и концентраций ЗВ.

Введение

Интенcивнaя индуcтриальнaя деятельнocть челoвeка вызвaлa тотальнoe зaгрязнениe экoсиcтемы Земли отходами производства, которые существенно ухудшают качество жизни людей. В peзультате антpoпогенной деятельности значительные теppитории РК загpязнены техногенными экотоксикантами, вследствие чего наблюдается ухудшение экологической обстановки многих регионов peспублики. В этой связи проблeма объективной комплeксной оценки техногенно-экологической нагруженности исследуемых объектов, а также анализа текущего cocтояния загрязнения окpужающей среды (ОС), прогнозиpoвания масштабов заpaжения токсичными вещecтвами в привязке не только к техногенным источникам загрязнения, но и к негативным экологическим пocледствиямcocтояния OC, является весьма актуальной проблемой Kaзахстана. 

Спиcoк документов, на которых ocновывается эколого-аналитический контроль (ЭAK) в Kaзахстане, пpeдставлен в разделах «Нормативные ссылки» и «Список использованных иcтoчников» [2-8]. В дипломной paботе использованы матеpиалы Экологического [4] и Водного Кодекса РК [5], «Концепция paзвития эколого-аналитического контpoля в области охраны ОС в Pecпублике Kaзахстан на 2005-2007 годы» (Приказ Министра охраны окpужающей среды РК от 02 февраля 2005 год № 32-п) [6], а также информационные данные эколого-аналитических иccледований.

Согласно пpинятой в Kaзахстане Концепции эколого-аналитического контроля возникла пpoблема совеpшенствования, существующего ЭАК охpaны ОС может быть peшена при комплексном выполнении pяда взаимосвязанных задач: состояния ноpмативно-технического, методического, аппаpaтурного, метpoлогического обеспечения и пpaвовой регламентации ЭАК.

Peзультаты эколого-аналитических исследований пpeдставлены в таблице 1 «Пepeчень приоритетных показателей (загрязняющих веществ - ЗВ), подлежащих ЭАК в объектах ОС, опpeделяемых инструментальными методами измерений», в которой приведены: наименование объекта, нopмирующие документы на объект, опpeделяемые ЗB в указанных объектах, нopмативные документы на методы испытаний, выполняемых по гостированным и метрологически аттecтованным методикам выполнения измepeний (МВИ), внесенным в Государственный реестр (ГР) МВИ РК и сpeдства измерения (СИ), внесенные в ГР СИ РК.

На ceгодняшний день пpoблему эффективного, дocтоверного и опеpaтивного ЭАК призваны решать эколого-аналитические лабоpaтории, аккредитованные на техническую компетентность в системе технического peгулирования TOO «Национальный центр аккредитации», котopoму делегированы полномочия Госудapственного органа PK по аккредитации указанных лабopaторий в соответствии с требованиями СТ РК ИСО/МЭК 17025-2007 «Общие требования к компетентнocти испытательных и калибpoвочных лабораторий».

В Kaзахстане на сегодняшний день имеется115аккpeдитованных лабораторий в области охраны OC, с действующими cpoками аккредитации, включенные в Единый peecтр органов по сертификации иcпытательных лабораторий (центров) таможенного coюза с указанием номера Гocpeгистрации, местонахождения, cpoка выдачи и окончания peгистрации, а также описанием и пepeчнем заявленной ими области аккpeдитации.

Уpoвень технической ocнащенности аккpeдитованных лабopаторий в значительной степени отличается друг от друга и зависит от их отpaслевой принадлежности. Kaк пpaвило, эколого-аналитические лабopaтории, относящиеся к нефтегазовой, металлуpгической, гopнодобывающей промышленнocти, укомплектованы высокотехнологичным эколого-аналитическим обopудованием на уpoвне миpoвых стандаpтов в то время, как пищевая и дpугие отpaсли, существенно отстают по техническому оснащению.

В ЭAK при оценке cocтояния приpoдных экосистем используется широкий набop обopудования, обеспечивающего высокую точность и достоверность получаемых peзультатов. Для современного оборудования характерны высокая чувствительность, точность и разрешающая способность систем измерения (СИ) с обеспечением высокой скорости проведения эколого-аналитических измерений. Ряд приборов способны в сложных образцах анализируемых проб идентифицировать, в частности, органические вещества, находящиеся в следовых количествах. В дипломе приводится перечень эколого-аналитических СИ, внесенных в Госреестр СИ РК и применяемых при проведении ЭАК, их технические и метрологические характеристики.

В соответствии с направлением исследований изучались существующие в мире концепции ЭАК, использующие современные образцы аналитического оборудования. Особое внимание уделялось Российской концепции ЭАК. Это связано с тем, что РК признает нормативно-методологические документы в области аналитического контроля и мониторинга, разработанные в бывшем СССР, а также Российской Федерации, но прошедшие в установленном порядке процедуру признания их правомочности на территории РК. В этой связи была рассмотрена нормативно-техническая, методологическая и правовая регламентация ЭАК, а также методическое, метрологическое и аппаратурное обеспечение, которое включает 807 наименований методик и документов.

Организация и обеспечение ЭАК требует решения комплекса взаимосвязанных задач:

- определение контролируемых объектов и компонентов;

- обеспечение нормативно-технической и правовой регламентацией;

- создание методической базы;

- аппаратурное обеспечение;

- метрологическое обеспечение;

- обеспечение качественной химической информацией.

Контролируемыми объектами являются:

- воды - пресные, подземные, поверхностные, талые, морские, сточные, атмосферные осадки;

- воздух – атмосферный, городов и промышленных зон (промвыбросы), природных биосферных заповедников (фон), рабочей зоны;

- почвы (загрязнения);

- донные отложения (загрязнения);

-растения, пища и корма, животные ткани (загрязнения).

Исследование правовой, а также нормативно-технической документации (НТД), регламентирующих ЭАК показало, что в Казахстане существует множество документов по самым различным аспектам ЭАК. Нормативно-техническая регламентация ЭАК в РК представлена следующими нормирующими документами: предельно-допустимыми концентрациями (ПДК); ориентировочным безопасным уровнем воздействия (ОБУВ); санитарными правилами и нормами (СанПиН); нормами радиационной безопасности (НРБ-99); гигиеническими нормативами (ГН); предельно-допустимыми выбросами (ПДВ) и предельно-допустимыми сбросами (ПДС) предприятий и организаций.

Методическое обеспечение с метрологическим сопровождением отражено в: Международных стандартах (ИСО); Государственных стандартах СССР (ГОСТ); Государственных стандартах РК ИСО (ГОСТ РК, ИСО); Государственных стандартах РК (СТ ГОСТ РК); Руководящих документах (РД); Методиках выполнения измерений (МВИ); Природоохранных нормативных документах (ПНД) РК; Методических инструкциях (МИ) и Методических руководствах (МР), Методических указаниях по контролю (МУК).

Перечисленные выше документы действуют в системе Казгидромета, другие - в системе Комитета по водным ресурсам, третьи в рамках Казсанэпиднадзора и т.д. Такая ведомственная разобщенность выявила отрицательное влияние существующей в Казахстане системы разработки нормативно-технических документов для выработки общих государственных принципов ЭАК. В связи с этим в РК в настоящее время остро стоит задача создания единых НТД, регламентирующих требования к организации и проведению ЭАК с учетом специфики каждой из связанных с ним структур.

Цельювыполняемой темы является анализ эффективности, существующей в РК системы ЭАК, а также научно-техническое обоснование целесообразности оптимизации системы эколого-аналитического контроля объектов ОС с использованием биологического и физико-химических методов анализа.

В результате выполненной темы дипломной работы получены следующие результаты:

1. Проведен анализ имеющейся в РК нормативно-технической и приборно-аппаратурной базы для реализации эколого-аналитических исследований.

2. Изучены передовые зарубежные подходы по осуществлению ЭАК в развитых странах.

3.Проведены исследования электроферментативного анализатора токсичности.

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Текущее состояние эколого-аналитического контроля вРеспублике Казахстан

В мире за последние десятилетия наблюдается резкое усиление конфликта между ускоренным развитием промышленного производства и сохранением среды обитания человечества. Интенсивное воздействие человека на природу вызвало загрязнение ОС отходами производства, которые существенно ухудшают качество жизни людей. Известно, что активные антропогенные нагрузки приводят к деградации почвы, ухудшению качества воды, обеднению и изменению видового состава флоры и фауны, негативно отражаясь на процессах сохранения и естественной регенерации природных ресурсов.

В Казахстане, в результате антропогенной деятельности, значительные территории также загрязнены техногенными экотоксикантами, вследствие чего наблюдается ухудшение экологической обстановки многих регионов республики.

Мировой общественности давно известно, что современный Казахстан характеризуется весьма напряженной экологической ситуацией. Ряд таких крупных экологических проблем, как Приаралье (пыльно-солевые выносы со дна осушенного Аральского моря обнаружены даже на территориях Скандинавских стран), территории, прилегающие к полигонам Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИЯП), Капустин Яр (Западно-Казахстанская область), Азгир (Атырауская область), шельфовая зона северо-восточной части казахстанского побережья Каспийского моря приняли межрегиональный и, более того, трансконтинентальный характер. Как известно, береговая линия казахстанской части северо-восточного Каспия очень пологая и во время сгонно-нагонных явлений морская вода распространяется вглубь суши на 25-30 км, затопляя нефтяные скважины и огромные территории, занятые под сельхозугодья, а при сгоне вода уносит в Каспийское море нефтепродукты и пестициды, оставляя соляные озера, которые вызывают засоление и эрозию почв. 

В настоящее время в мире остро встала проблема замены грязных «коричневых» технологий, для которых характерна низкая эффективность и высокая энергозатратность, на новые - экологически безопасные «зеленые» технологии, лишенные этих недостатков [1]. При реализации Концепциипо переходу РК к «зеленой экономике» будут решаться задачи сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) и загрязняющих веществ в атмосферу, восстановление и возвращение в хозяйственное использование засоленных и деградированных земель, улучшение качества поверхностных вод и др.

В этой связи проблема объективной комплексной оценки техногенно-экологической нагруженности исследуемых объектов, а также анализа текущего состояния загрязнения окружающей среды (ОС), прогнозирования масштабов заражения токсичными веществами в привязке не только к техногенным источникам загрязнения, но и к негативным экологическим последствиям, является весьма актуальной для Казахстана. 

Согласно принятой в Казахстане указанной «Концепции…» по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике» возникшая проблема совершенствования, существующего ЭАК ООС может быть решена при комплексном выполнении ряда взаимосвязанных составляющих: состояния нормативно-технического, методического, аппаратурного, метрологического обеспечения и правовой регламентации ЭАК.

Целью настоящей дипломной работыбыл анализ эффективности, существующей в РК системы ЭАК. Научно-техническое обоснование оптимизации системы ЭАК объектов ОС с использованием биологических и физико-химических методов анализа.

Задачами исследования по данной теме являются:

- сбор информации и анализ текущего состояния ЭАК в РК;

- изучение существующих в мире концепций ЭАК, использующих современное эколого-аналитическое оборудование;

Известно, что любые изменения природной среды связаны с протекающими в ней химическими и химико-биологическими процессами. Одной из важных задач современной аналитической химии является изучение химико-биологических процессов, а также закономерностей, сопровождающих эти процессы. Химико-биологические процессы, реализуемые в природе, протекают одновременно в трех природных средах: атмосфере, почве, воде, формируя единую систему - биосферу. Присутствующие в биосфере химические и биологические компоненты распределяются в трех средах (фазах): атмосфера, вода, почва, находясь при этом в динамическом равновесии, как это представлено на схеме рис.1. В связи с этим, для получения реальной картины экологического состояния изучаемого региона, необходимо иметь достоверные данные о качественном и количественном составе токсических веществ и их распределении дифференцированно в каждой из вышеназванных трех сред.

Рисунок 1 - Модель распределения токсических веществ в биосфере,

где:  их концентрация в атмосфере, воде, почве и

соответствующие константы равновесия: К₁, К₂, К₃

Результаты аналитических исследований представлены в табл.1 «Перечень приоритетных показателей (загрязняющих веществ - ЗВ), подлежащих ЭАК в объектах ОС, определяемых инструментальными методами измерений», в которой приведены: наименование объекта, нормирующие документы на объект, определяемые ЗВ в указанных объектах, нормативные документы на методы испытаний, выполняемых по гостированным и метрологически аттестованным методикам выполнения измерений (МВИ), внесенным в Государственный реестр МВИ РК, а средства измерений (СИ) - в Государственный реестр СИ РК.

В настоящее время проблему эффективного, достоверного, оперативного и правомочного ЭАК призваны решать эколого-аналитические лаборатории, аккредитованные в установленном порядке, на техническую компетентность в системе технического регулирования ТОО «Национальный центр аккредитации», которому делегированы полномочия Государственного органа РК по аккредитации указанных лабораторий в соответствии с СТ РК ИСО/МЭК 17025-2007 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». На сегодняшний день в Казахстане функционируют 115 аккредитованных лабораторий в области ООС (с действующими сроками аккредитации), включенные в Единый реестр органов по сертификации испытательных лабораторий (центров) таможенного союза. При этом уровень технической оснащенности аккредитованных лабораторий в значительной степени отличается друг от друга и зависит от их отраслевой принадлежности. Как правило, эколого-аналитические лаборатории, относящиеся к нефтегазовой, металлургической, горнодобывающей промышленности республики оснащены высокотехнологичным эколого-аналитическим оборудованием на уровне мировых стандартов в то время, как пищевая и другие отрасли существенно отстают по техническому оснащению.

В ЭАК при оценке состояния природных экосистем используется широкий набор современных средств измерений с обеспечением высокой точности и достоверности получаемых результатов. Многие приборы способны в сложных образцах анализируемых проб идентифицировать индивидуальные вещества, в частности, органические вещества, находящиеся в следовых количествах. Идентификация токсических веществ из сложной смеси, разделение родственных или изомерных соединений и их количественное определение представляет, как правило, очень трудоемкую химико-аналитическую задачу.

Кроме того, одним из важных элементов ЭАК является система пробоподготовки определяемых веществ, которая существенным образом влияет на конечные результаты измерений. В этой связи представлены некоторые виды вспомогательного оборудования, не подлежащего госпроверке, но необходимого в эколого-аналитических исследованиях для проведения эффективной пробоподготовки.

Сложившаяся в Казахстане система оценки качества воздуха, воды и почвы базируется на единственно признаваемом критерии - предельно-допустимых концентраций (ПДК) индивидуальных веществ. Использование критерия ПДК для обнаружения загрязняющих веществ в биосфере имеет ряд существенных недостатков. Одним из которых является то, что токсическое вещество в объектах ОС, как правило, находится в сложной смеси с другими веществами, возможно, также проявляющими токсические свойства. Следует отметить, что продукты трансформации подвижных форм экотоксикантов в процессе их миграции и аккумуляции в природных объектах и средах в зависимости от зональных подтипов почв, качественного и количественного состава водных объектов и донных отложений образуют продукты трансформации, которые могут являться еще более токсичными, чем исходные вещества. Это приводит к тому, что суммарная токсичность компонентов будет оказывать значительно более разрушающий физиологический эффект на биологические системы, нежели индивидуальное вещество, для которого определена ПДК.

Следует признать, что развитие и использование только химико-аналитического направления ЭАК не способно обеспечить все возрастающие требования в области ООС. Разработка и, тем более, техническая реализация методов обнаружения всей гаммытоксических ингредиентов требует чрезвычайно больших затрат, учитывая, что список токсических компонентов постоянно пополняется, а интенсивная индустриальная деятельность человека приводит к появлению в ОС все новых экотоксикантов и решение чисто химико-аналитической задачи по отдельным компонентам и их комбинациям не позволяет однозначно предсказать интегральное токсическое влияние на биосферу. К тому же экономически нецелесообразно постоянно привлекать весь дорогостоящий арсенал аналитической химии по всем точкам контроля без предварительного теста на общую токсичность. В связи с вышесказанным очевидна необходимость решения задачи по созданию технически совершенных тестов обнаружения общей токсичности различных объектов ОС, которые в отличие от чисто биологических методов отличались бы высокой скоростью и уровнем автоматизации. Следует обратить особое внимание на возможности ингибиторного ферментативного метода анализа для обнаружения токсических соединений различного происхождения в ОС.

Учитывая вышеизложенное,впредставленномдипломеописана теория, показывающая зависи­мость аналитического сигнала от концентрации ингибирующего веще­ства, что позволяет оптимизировать работу кинетического анализатора для каждого конкретного типа ингибирования. При определении токсичности интерес вызывает не концентрация ингибиторов, а торможение биохимических, в частности, фермента­тивных процессов, вызванное ими. Таким образом, метод дает удобную и простую связь между уровнем токсичности и аналитическим сигналом. При этом возможно определение общего токсичного воздействия суммы ин­гредиентов с учетом их суммарной удельной токсичности, что осуществляется автоматически в ходе ферментативного процесса и является не­сомненным преимуществом метода.

В дипломе рассматривается вопрос расчета метрологических характеристик результатов измерений при малой выборке. Приводятся понятия средней выборки, единичного отклонения, дается определение дисперсии, стандартного отклонения, относительного стандартного отклонения, дисперсии среднего арифметического, стандартного отклонения среднего арифметического и среднеквадратичного отклонения при разной доверительной вероятности, а также значимость системной ошибки при проведении анализа.

1.2 Правовая регламентация эколого-аналитического контроля

В РК созданы базовые документы, регламентирующие деятельность в области ЭАК. К одним из наиболее важных документов, обеспечивающих экологическую безопасность Казахстана относят Экологический[4] и Водный[5] Кодексы РК, в которых описываются существующие виды государственного экологического контроля в области ООС. Определены задачи ЭАК и государственные органы, которые наделены полномочиями, осуществлять ЭАК. Приводится перечень прав должностных лиц, осуществляющих государственный экологический контроль. Одной из основных задач ЭАК является предупреждение нарушений в области экологического законодательства Республики Казахстан.

Ранее, в Казгидромете функционировала многоцелевая многоуровневая информационная система, представлявшая разветвленную мониторинговую и гидрометеорологическую сеть по получению данных о загрязнении компонентов природной среды и осуществлявшая:

- сбор, обработку гидрометеорологических материалов;

- наблюдения за состоянием компонентов биосферы;

- оценку и прогноз уровня загрязнения биосферы;

-обеспечение органов госуправления гидрометеорологической информацией, а также данными о загрязнении компонентов природной среды.

Указанная мониторинговая сеть по загрязнению компонентов природной среды, выполнявшая функции и задачигосударственного мониторинга,былапостроенапо иерархическому принципу и состояла из 3-х уровней:

–первый- станции наблюдений (метеостанции, гидрологические посты, посты наблюдений за загрязнением атмосферного воздуха), на которых осуществлялись метеонаблюдения и выполнялась первичная обработка данных, отбор проб атмосферных осадков, снежного покрова, отбор проб атмосферного воздуха на радиоактивное загрязнение, полученных с фильтрующих установок (ФУ) и пентадных проб, собранных в течение 5 суток на горизонтальные планшеты, с последующей их пересылкой в Центр мониторинга загрязнения природной среды (ЦМЗПС), г.Алматы;

– второй– местные территориальные лаборатории по наблюдению за загрязнением природной среды (ЛНЗПС), осуществлявшие отбор проб воды, атмосферного воздуха, почвы на загрязняющие вещества, выполнявшие химанализ и последующую обработку, обобщение и анализ полученных результатов,а также передачейполученной информации в ЦМЗПС;

– третий – Центр мониторинга загрязнения природной среды (ЦМЗПС), находившийся в г.Алматы, осуществлял:

– функции головного методического центра по мониторингу загрязнения природной среды (по всем компонентам природной среды: атмосферный воздух, атмосферные осадки, снежный покров, поверхностные воды, почва, радиационное загрязнение);

– выполнение анализов пробатмосферных осадков, снежного покрова, поступавших с мониторинговой сети,физико-химическими методами(на тяжелые металлы атомно-абсорбционным методом) ирадиометрических анализов (гамма-спектрометрическим методом) на радиоактивное загрязнение;

– обобщение данных по загрязнению природной среды, поступавших со всей мониторинговой сети, проводил оценку состояния природной среды на территории республики, формировал и вел государственный банк данных по загрязнению природной среды РК, на основании которых представлял вышеперечисленную информацию в ежеквартальный «Экологический бюллетень», издаваемый Министерством экологии и биоресурсов РК, выпускал ежегодники по загрязнению воды, воздуха, почвы, радиационной обстановке, в целом, по республике.

На сегодняшний день государственная гидрометеорологическая и мониторинговая сеть по загрязнению природной среды практически претерпела значительные негативные изменения и сокращения.

Устойчивое сохранение природы требует соблюдения требований Экологического и Водного Кодексов РК, а также принятых законов, в которых регламентируется взаимосвязь между различными видами антропогенной деятельности и изменениями, происходящими в природной среде. Согласно действующему законодательству, признаются три вида экологического контроля: государственный мониторинг, производственный экологический мониторинг и общественный мониторинг.

Основными задачами каждого вида мониторингов являются [9]:

1. Государственный экологический мониторинг и контроль включают наблюдение за состоянием компонентов природной среды и ее изменениями под действием антропогенной нагрузки и осуществление комплекса мер, в частности: определение приоритетов контроля, использование существующих инструментов контроля, проведение инспекторских проверок, сбор, анализ, учет данных аналитического контроля и иной информации, необходимой для осуществления государственного экологического контроля.

2. Производственный экологический мониторинг – соблюдение основных требований и обязанностей природопользования, выполнение экологических программ, а также утвержденных нормативов качества к окружающей природной среде, лимитированных для каждого действующего предприятия.

3. Общественный мониторинг – активная деятельность общественных экологических организаций, повышение доступности экологической информации, эффективности оповещения населения и освещение в средствах массовой информации, привлечение внимания общественности к конкретным экологическим проблемам и т.д. Согласно «Резолюции о доступе информации, участии общественности в процессе принятия решений и доступе к правосудию по вопросам, касающимся окружающей среды», принятой при подписании Конвенции в Орхусе, Дания, 23-25 июня 1998 г., в которой подчеркивается важность роли общественности при решении экологических проблем и выработка механизма усовершенствования и распространения экологической информации.В отдельных случаях проводят фрагментарный мониторинг проводя маршрутные наблюдения путем экспедиционных выездов.

В настоящее время в развитых странах для получения оперативной и достоверной экологической информации о состоянии ОС используется автоматизированная система наблюдений и контроля (АСНК), которая предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения биосферы. Технические возможности регистрации, передачи, хранения и обработки данных о загрязнении позволили разработать основные принципы функционирования АСНК за состоянием биосферы. Система АСНК, в частности, позволяет непрерывно получать информацию о метеорологических параметрах: скорость и направление ветра,атмосферное давление, влажность и температура воздуха, а также оконцентрациях примесей ЗВ в атмосферном воздухе населенных пунктов или около крупных промышленных предприятий. Обмен информацией в АСНК осуществляется по коммутируемым телефонным каналам или беспроводной системе на базе сенсорных сетей. Сети беспроводных интеллектуальных датчиков являются динамично развивающимся новым направлением беспроводных технологий. По мнению экспертов, в ближайшем будущем эта технология окажет заметное влияние на решение многих задач ЭАК.

1.3 Нормативно-техническое обеспечение

К нормативно-техническому обеспечению относят нормативно-методическую документацию, разработанную в системе Министерства охраны окружающей среды РК и Министерства здравоохранения РК, а также в ряде отраслевых и научных институтов в области ООС. К таким, наиболее важным документам ЭАК, можно отнести: предельно-допустимые концентрации (ПДК); санитарные правила и нормы (СанПиН); гигиенические нормативы (ГН); нормы радиационной безопасности СанПиН № 565 от 29.07.2010г. (НРБ-99). На территории Казахстана используется также нормативный документ ОБУВ (ориентировочный безопасный уровень воздействия), в котором приведены временные гигиенические нормативы для загрязняющих атмосферу веществ, установленные расчетным путем, для целей проектирования промышленных объектов. Перечисленные выше нормативно-технические документы служат основными критериями, оценивающими состояние объектов ОС.

Нормирование выбросов ЗВ в окружающую среду, возможно, контролировать также путем установления предельно-допустимых выбросов (ПДВ) в атмосферу и предельно-допустимых сбросов (ПДС) со сточными водами. Расчеты ПДВ и ПДС производятся на основании рекомендаций, данных в методиках расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Нормативы ПДВ и ПДС утверждаются местными природоохранными органами с учетом замечаний органов Госэпиднадзора.

Переченьпринятых вКазахстане нормативно-технических документов,применительнок объектам ЭАК, представлен в таблицах 1 и 3, некоторые приводятся в списке использованных источников [10-29].

1.4Контролируемые объекты

Основной задачей ЭАК является организация контроля за соблюдением нормативов качества состояния объектов ОС: атмосферы, воздуха, воды, почвы, в том числе реализация производственного эколого-аналитического контроля (ПЭК).Обычно при производственном экологическом контроле наблюдения за уровнем загрязнения компонентовОС проводятся посезонно: в течение весеннего, летнего, осеннего и зимнего периодов.

ПЭК включает в себя контроль за деятельностью предприятия в части ООС, т.е. за:

– источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, том числе стационарных и передвижных;

– системамивентиляционных и пылегазоочистных установок, предназначенных для очистки отходящих газов;

– источниками сбросов загрязняющих веществ в водные объекты, в подземные грунты (естественный дренаж), на рельеф местности (поля фильтрации, пруды-накопители, пруды-испарители), состояние системы канализации и сети водоотведения;

– системами очистки отработанных технологических вод;

– водозаборами, системами оборотного и повторного водоснабжения (при выходе загрязняющих веществ в ОС через очистные сооружения);

– источниками образования отходов производства;

– объектами размещения и утилизации отходов производства и потребления (полигоны, площадки для хранения нефтешламов, буровых растворов, люминесцентных ламп, ветоши и т.д.);

– складами и хранилищами сырья, материалов, реагентов, готовойпродукции;

– объектамиОС, расположенных в пределах промышленных площадок, территориями (акваториями), где осуществляется природопользование, зонами воздействия, в том числена границах санитарно-защитных зон(СЗЗ), предприятий;

– почвенным покровом, качественным и количественным составом природных вод,и загрязненных по вине субъекта хозяйственной и иной деятельности.

ПЭК включает в себя проведение экологического контроля за состоянием:

– воздушного бассейна на границе СЗЗ;

– сточных, подземных, поверхностных вод;

– почвы;

– растительного покрова;

– животного мира;

– отходов производства и потребления;

– радиационного фона.

I. Атмосферный воздух

Контроль за эмиссией загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу осуществляется:

– на источникахвыбросовЗВ в атмосферу (ПЭК включает источники, входящие в план-график контроля ЗВ за соблюдением нормативов ПДВ)

– на границе СЗЗ (с подветренной стороны и по четырем румбам ветров);

– в рабочей и производственной зонах по направлению ветра от источников выбросов ЗВ дограницы СЗЗс шагом 250-300 м;

– на границе селитебной зоны.

ПЭК на источниках выбросов ЗВ в атмосферу осуществляется в соответствии с план-графиком, разработанным в проектно-нормативной документации, в котором определенынормативы предельно-допустимых выбросов (ПДВ) и периодичность контроля.Контроль за эмиссиями ЗВ в атмосферу проводится методом инструментальных замеров непосредственно на источниках выбросовпри работе технологического оборудования в форсированном режиме. При отсутствии возможности проведения прямых инструментальных замеров применяются расчетные методы определения объемов эмиссий.

II.Cточные, подземные и поверхностные воды

Проведение ПЭК за состоянием сточных, подземных и поверхностных вод осуществляется путем анализа соответствующих проб:

– сточных (отработанных производственных) вод при их сбросе на очистные сооружения, поля фильтрации, пруды-испарители;

– подземных вод на ближайшей гидрогеологической скважине;

– ближайших поверхностных и соровыхвод;

– снежного покрова.

Контроль сточных вод, отводимых на поля испарения, осуществляется путем отбора и анализа проб сточной воды из распределительных колодцев (перед сбросом).

Контроль за качеством подземных вод определяется отбором и анализом проб воды из гидрогеологических скважин.

Если в зоне влияния производственной деятельности предприятия находятся источники поверхностных вод, то также определяется и качество поверхностных вод.

III. Почвенный покров

При проведении ПЭК контроль за почвенным покровом проводится следующим образом:

– отбор проб почв по регулярной сети от источников загрязнений и на границах СЗЗ для определения концентраций нефтепродуктов и тяжелых металлов;

– отбор геохимических проб по регулярной сети с шагом 250м, местах складирования металлолома, границах СЗЗ для определения концентраций тяжелых металлов;

– отбор проб почв в качестве фоновых образцов (вне зоны влияния производственнойдеятельности);

– сопоставление результатов с существующими нормативами ифоновыми значениями.

Отбор и подготовка проб почвы производятся согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовка проб для химического анализа». Пробы отбираются по сторонам света (север, юг, запад, восток) с одного горизонта на глубине от 0-20см.

IV. Растительный покров и животный мир (флора и фауна)

При проведении производственного экологического контроля для оценки состояния растительного покрова (флоры) и животного мира (фауны) проводится визуальная оценка состояния растительного покрова и наличия представителей животного мира, в том числе и птиц (орнитофауна) на границе СЗЗ и за границами СЗЗ (фоновые показатели), так как состояние наземной растительности, наличие и плотность заселения представителей животного мира в районе деятельности предприятия, по сравнению с фоновыми показателями, качественно характеризуют загрязнение воздушного бассейна и почвенного покрова.

При повышенных уровнях загрязнения почвы наблюдается угнетение (поражение) видового состава растительного покрова. При необходимости для оценки возможного изменения растительного покрова на территории деятельности предприятия собирают образцы наиболее часто встречающихся видов эндемичных растений. Образцы собранных растений, а также образцы тех же растений, не подверженных антропогенному влиянию, собранных вне санитарно-защитных зон (фоновые образцы), исследуются на содержание нефтепродуктов и тяжелых металлов спектрально-эмиссионным методом с последующим проведением критического анализа результатов.

ПЭК предусматривает и проведение мониторинга по изменению численности эндемичных видов фауны с целью выявления данных о возможном выпадении отдельных видов.

V. Отходы

Контроль за отходами включает всю систему управления отходами от момента образования до удаления, включая сбор, утилизацию и размещение отходов. Контролируется соответствие системы управления отходами проектным решениям, заявленным в нормативах размещения отходов, а также места размещения отходов, их соответствие экологическим и санитарно-эпидемиологическим требованиям. Контролируются журналы по учету образования и размещения опасных и коммунальных отходов (вид, количество, свойства, происхождение), маркировка упаковок с опасными отходами. Контролируются места хранения и захоронения отходов (при их наличии), отбираются и анализируются пробы воздуха, почвы и подземных вод для определения воздействий на ОС.В целом, контроль за накопителями производственных и бытовых отходов производится на соответствие установленным нормам.

VI. Радиационный контроль

Контроль радиационного фона приземного слоя атмосферы состоит в проведении замеровпо регулярной сети на территории деятельности предприятия для определения фоновогогамма-излучения и на границе СЗЗ. Исследования проводятсяпереносными радиометрами, измеряющими гамма-активность в мкР/ч. Замеры осуществляются при положении датчика радиометра на уровне 0,05 метра от обследуемой поверхности. Продолжительность измерения гамма-фона в фиксированной точке составляет не более 5 секунд. Результаты радиометрических замеров сопоставляются с нормами радиационной безопасности.

Методическое обеспечение ЭАК с метрологическим сопровождением

Согласно законаРК "Об обеспечении единства измерений" методики выполнения измерений (МВИ), применяемые при аналитическом контроле и мониторинге, должны быть метрологический аттестованы и внесены в Государственный Реестр МВИ РК. Используемые национальные стандарты зарубежных государств, а также международные стандарты должны проходить обязательную учетную регистрацию в РГП "Казахстанский институт метрологии". В рамках международных соглашений Казахстан признает нормативно-методологические документы в области аналитического контроля и мониторинга, разработанные в бывшем СССР, а также Российской Федерации [2], но прошедшие в установленном порядке процедуру признания их правомочности на территории республики.

Таким образом, методическое обеспечение системы ЭАК в Казахстане имеет аббревиатуры: ГОСТ, ГОСТ РК, ИСО, ПНД РК, МИ, МУК, МР, которые в большинстве своем внесены в Госреестр МВИ РК, а требуемое в них аппаратурное обеспечение – в Госреестр СИ РК.

 Ряд аккредитованных лабораторий Казахстана, выполняющих анализы по экспорт ориентированной продукции, прошли международную аккредитацию в соответствии с требованиями ИСО/МЭК 17025-2007, являясь постоянными ассоциативными членами ILAC (ИЛАК - Международная кооперация по аккредитации лабораторий), постоянно совершенствуют и повышают эффективность системы менеджмента. В целях упрощения международного признания правомочности методик выполнения измерений (испытаний), а также результатов измерений, выполняемых аккредитованными лабораториями, члены ИЛАК, подписавшие Соглашение о взаимном признании (MLA) обязуются признавать эквивалентность протоколов испытаний и измерений, выдаваемых аккредитованными лабораториями республики и аккредитованными всеми другими членами ИЛАК, подписавшими Соглашение о взаимном признании.

В рамках решения этих задач 25 июля 2008 года ТОО «Национальный центр аккредитации» и РГП «Казахстанский институт метрологии» подписали соглашение о сотрудничестве в области технического регулирования, аккредитации, оценки соответствия и метрологии.

Перечень используемого в Республике Казахстане методическогообеспечения, применяемого в ЭАК, приводится в таблицах 2 и 3, а также в списке использованных источников [30-35].

Таблица 1 – Перечень нормативно-технической документации ЭАК

Таблица 2 – Методическое обеспечение ЭАК РК