Formation of a unified system of wastewater quality control of industrial enterprises

^{ПРАКТИКА. Кардинально исправить положение с все нарастающим дефицитом питьевой воды невозможно — разве что резко сократить количество её потребителей. Но принять меры к её очистке и тем самым замедлить деградацию окружающей среды - вполне можно. Об этом материал, представленный участником нашего проекта, ученым Павлом Сухониным. Несмотря на обилие математического аппарата и библиографических ссылок, он достаточно популярен и понятен без пояснений.}

Интенсификация промышленности и сельского хозяйства, рост городов, развитие экономики в целом возможны лишь при условии сохранения и умножения запасов пресной воды.

Затраты на сохранение и воспроизводство качества воды занимают первое место среди всех расходов человечества на охрану природы.

Суммарная стоимость пресной воды намного дороже любого другого вида используемого сырья.

Это обусловлено ростом объемов продукции, формированием новых очень водоемких отраслей:

Так, на производство 1 т расходуется воды

• стали до 300 м3,
• бумаги — 900 м3,
• капрона — 5600 м3.

Рост энергетики также приводит к резкому увеличению потребления воды.

Современные тепловые электростанции мощностью в 1 млн. кВт используют в год 1,2-1,6 км3 воды, а атомные — до 3,5 км3.

Наиболее крупный потребитель воды — сельское хозяйство.

Среднемировой расход воды для производства 1 кг растительной пищи составляет 2 тыс. л воды, а 1 кг мяса — 20 тыс. л.

Для орошения гектара хлопкового поля необходимо 5 тыс. м3, а рисового — 15-20 тыс. м3 воды за сезон.

В целом в мире

• 71 % потребляемой воды расходуется сельским хозяйством,
• 23%—промышленностью,
• 6%—на коммунально-бытовые нужды.

Нехватку пресных вод в тех или иных регионах земного шара вызывает не прямое водопотребление гидроресурсов, а их качественное истощение. За последние десятилетия все более значительную часть круговорота пресных вод стали составлять промышленные и коммунальные стоки.

В определенных размерах сброс сточных вод в естественные водоемы допустим, так как природно-аквальные комплексы способны к самоочищению. При достаточно большом содержании в воде кислорода микроорганизмы превращают органические вещества стоков в минеральные соли. Часть органики потребляется рыбами. Минеральные соли, в свою очередь, усваиваются растениями. Если сброс нечистот превышает возможности природно-аквальных комплексов к самоочищению, происходит их деградация. При этом быстро расходуется кислород, растворенный в воде, что приводит к нарушению биологических процессов, прекращению процессов самоочистки. В результате степень загрязнения вод возрастает настолько, что резко снижаются возможности их использования, — происходит качественное истощение водных ресурсов.

Даже после самой совершенной очистки стоки очистных станций содержат не менее 10-20% наиболее стойких загрязнителей. Поэтому для вторичного использования очищенных стоков необходимо 12-кратное их разбавление чистыми естественными водами с большим содержанием кислорода. С каждым годом все более значительные объемы воды расходуются на разбавление как очищенных, так и неочищенных стоков. В результате во многих регионах мира все водоемы в той или иной степени загрязнены. Уже в настоящее время при относительно небольшом количестве сточных вод (примерно 600 км3 в год) на их разбавление расходуется около 30% устойчивого стока рек мира. Несмотря на совершенствование промышленных технологий количество сточных вод растет. При нынешних темпах развития к 2050 г. на их разбавление потребуется израсходовать все мировые ресурсы речного стока.

Сброс недоочищенных сточных вод в поверхностные водоемы хозяйствующими субъектами по эффекту воздействия можно приравнять к террористическим актам (отравление источников питьевой воды), что создает дополнительную антропогенную нагрузку на водоем и резко снижает его способность к естественному восстановлению.

Современное состояние комплекса вопросов в сфере контроля за сточными водами (хозяйственно-бытовыми, промышленными, стоки полигонов ТБО), сбрасываемыми (попадающими) в поверхностные водоемы, позволяет сделать вывод, что защищенность населения и среды его обитания от опасных биологических и химических факторов не доведена до уровня, при котором отсутствуют недопустимые риски причинения вреда жизни и здоровью людей, окружающей среде и экономике. На фоне значительного общего ухудшения санитарно-эпидемиологической, ветеринарно-санитарной, фитосанитарной и экологической обстановки в мире, а так же развития промышленной деятельности, появились новые биологические и химические угрозы, обусловленные различиями в уровне развития и технологической оснащенности территорий.

Стало очевидным, что нужно быть готовым к:

- переносам на территорию сопредельных регионов известных и неизвестных ранее неэндемичных патогенов, экопатогенов и иных химических загрязняющих веществ;
- загрязнению грунтовых вод и водоносных горизонтов высокотоксичными стоками полигонов ТБО смешанного состава в высококонцентрированных значениях, при которых не представляется возможным определение их состава ввиду протекающих в теле полигона химических и биохимических реакциях с участием био и медицинских отходов (особенно данная проблема актуальна в дождливые и паводковые периоды)
- несанкционированному и безграмотному использованию в сельскохозяйственной практике различных средств защиты растений и агрохимикатов, а также потенциально опасных генно и инженерно-модифицированных организмов,
- появлению на территориях опасных и особо опасных биологических агентов и химических веществ на базе новейших достижений в области геномики, протеомики, генной инженерии патогенов, экопатогенов, а также органической и неорганической химии в случае умышленного или неумышленного их попадания в водные среды;
- возникновению ситуаций, представляющих угрозу экосистеме, жизни и здоровью населения при авариях природного и техногенного характера, а так же при потенциальных террористических угрозах.

Существующая практика контроля за качеством сточных вод методом отбора проб не отражает всей картины фактически сбрасываемых в него загрязнений. При оценке уровня воздействия антропогенных нагрузок на окружающую среду в настоящее время используется понятие НДС (нормативно допустимые сбросы), устанавливаемые органами роспотребнадзора. В подавляющем большинстве случаев контроль проводится методом отбора проб с последующим аналитической проработкой.

Недостатками данной практики являются:

• низкая степень оперативности (подавляющее большинство фактов наличия ЗВ в водоеме фиксируется по гибели биоты спустя значительное время после сброса)
• низкая достоверность (в лучшем случае контролируется менее 1 % загрязнений и между отбором проб и их анализом проходит значительный временной период)
• некорректность (в момент отбора выброс отсутствует, т.к. повсеместно имеет место практика сброса ЗВ в ночное время)
• т.н. «человеческий фактор», формирующий условия для использования коррупционных схем ухода от ответственности.
• Необходимость проведения сложных дорогостоящих анализов (количество анализов от 30 и выше) с привлечением высококвалифицированных специалистов

Выходом из сложившейся ситуации является оптимизация системы контроля до измерения 2-х основных параметров наличия загрязняющих веществ в водной среде:

Суммарного показателя, отражающего воздействие токсинов и загрязняющих веществ на водный биоценоз - «суммарная токсичность». Применительно к водам поверхностных водоемов данный параметр предлагается определять по реакции биоты (фито и зоо-планктона, простейших и бактерий, присутствующих в каждом природном водоеме) на изменение параметров воды; т.е. не фиксировать не само воздействие, а его «следы» по аналогии с датчиками пожарной сигнализации, которые фиксируют сопутствующие пожару «следы» (температура, задымление и т.п.)
Уровень содержания РОВ (растворенных органических веществ), который кореллируется с параметром ХПК (химическое потребление кислорода), т.е сколько кислорода требуется для окисления присутствующей в водном растворе органики.

Сочетание показаний датчиков по вышеуказанным параметрам на базе средств аппаратного контроля позволит сформировать достаточно объективную картину качества стоков, сбрасываемых в поверхностные водоемы.

Реализация данной задачи может быть достигнута путем функционирования системы контроля в рамках программы экологической безопасности, предусматривающей категорирование, прогнозирование, предупреждение и парирование угроз экологической, химической, биологической и террористической опасности, принятие оперативных взвешенных управленческих решений, основанных на объективной информации, ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций в результате воздействия опасных факторов на окружающую среду. При этом следует понимать, что затраты на ликвидацию последствий ЧС, техногенных аварий и катастроф в 20 - 25 раз выше затрат, необходимых для проведения упреждающих мероприятий (в том числе и предотвращения распространения очага поражения в случае его раннего выявления).

Необходимо отметить, что к числу приоритетных загрязнителей (взвешенные вещества, оксиды азота, углерода, серы, полиароматические углеводы и тяжелые металлы), за которыми ведется наблюдение, следует также отнести суперэкотоксиканты (полихлорированные бифенилы и диоксины), которые, как правило, обладают эффектом пролонгированного действия, последствия которого проявляются не сразу (при этом степень поражения и уровень негативного воздействия чрезвычайно высок, а в ряде случаев может быть приравнен к химическому и биологическому оружию).

Формирование региональных систем экологической безопасности водных бассейнов и контроля качества источников водозабора, совмещенных с системой раннего оповещения возникающих чрезвычайных ситуаций позволит гарантировано обеспечить оперативное выполнение предупредительных мероприятий по недопущению развития экологических рисков как для жителей прибрежных населенных пунктов, так и для ценоза водоема (водного бассейна) в целом; а разработка соответствующего программного обеспечения позволит сформировать шкалу определения экономической оценки нанесенного ущерба с выставлением объективно обоснованных штрафных санкций в отношении виновника загрязнения и обоснованных дополнительных платежей на проведение мероприятий по предотвращению последствий сброса недоочищенных сточных вод с превышением ПДК; при этом практически будет исключен т.н. «человеческий фактор» и возможность использования коррупционных схем ухода нарушителей от ответственности.

Комплекс аппаратного контроля по схеме « ОХЛ-монитор –СЛ-датчик» технически реализован группой специалистов, входящих в Экспертный Совет «Чистая вода» и прошел апробацию при строительстве экологической обсерватории Желтого моря (Институт Желтого моря провинции Шаньдун АН КНР).

Возможности коммерческого использование предложенной системы:

Установка оборудования в узловых точках канализационных коллекторов позволит в режиме реального времени контролировать величину ХПК в сточных водах и оперативно локализировать источник несанкционированного сброса ЗВ с превышением ПДК. Кроме того уровень превышения ПДК позволит определить величину дополнительной нагрузки на КОС и обоснованно выставить нарушителям штрафные санкции, пропорциональные дополнительным затратам на обработку насанкционированного выброса.
Практическое использование данного метода в поверхностных водоемах позволит сформировать систему раннего оповещения возникающих чрезвычайных ситуаций с локализацией источника залпового выброса загрязняющих веществ. Это позволит обеспечить оперативное выполнение предупредительных мероприятий по недопущению развития экологических рисков как для жителей прибрежных населенных пунктов, так и для природного ценоза водоема в целом. А разработка соответствующего дополнительного программного обеспечения позволит сформировать шкалу определения экономической оценки нанесенного ущерба с выставлением объективно обоснованных штрафных санкций в отношении виновника загрязнения; при этом практически будет исключен т.н. «человеческий фактор» и ухода нарушителей от ответственности.
Экологическая обсерватория может являться системой раннего оповещения в случае возникновения террористических угроз.
Информация о состоянии поверхностных источников воды в рамках Российской Федерации может быть выведена на единый диспетчерский пульт, что сформирует возможность выставления обоснованных международных штрафных санкций в случае поступления загрязняющих веществ из сопредельных стран в пограничные водоемы.
Создание систем экологических обсерваторий в акваториях портов позволит контролировать как общий уровень наличия загрязнений акватории, так и суда, заходящие в порт на предмет несанкционированнного сброса ЗВ в воды порта, что позволит выявлять нарушителей и выставлять обоснованные штрафные санкции по отношению к ним
Система приборных датчиков, установленная вблизи нефте и газо-добывающих платформ позволит своевременно выявлять и оперативно проводить комплекс предупредительных мероприятий по предотвращению загрязнений антропогенного характера, равно как предупреждать экологические угрозы близрасположенным прибрежным территориям.
При соответствующей доработке СЛ-датчиков и разработке соответствующего программного обеспечения экологическая обсерватория может выступать в качестве системы раннего предупреждения землетрясений и цунами.
После отработки режимов работы обсерватории на опытно-демонстрационной площадке, данный алгоритм в качестве интеллектуального продукта «Полезная модель с наполнением» может быть предложен в качестве товарного продукта на международный рынок, что в свою очередь может иметь повышенный спрос со стороны международных экологических структур.

Приложение 1

Химразведка в водной среде — противодействие экологической агрессии

Экологическая агрессия — преднамеренная диверсионная и/или террористическая деятельность, средством которой является нарушение функционирования жизненно важных биосферных комплексов, например, искусственные эпизоотии, разрушение агрокультурных ландшафтов и биогеоценозов вселением опасных видов (колорадского жука, древоточцев, водного гиацинта, рачков и т.п.), загрязнение химическими и биологическими агентами водотоков и водоемов, обеспечивающих питьевое водоснабжение населения, загрязнение промысловых акваторий и водотоков веществами, резко снижающими их биопродуктивность.

В 2009 году был тихий юбилей: число искусственно синтезированных химических соединений достигло ста миллионов, но до сих пор в водной среде нормировано содержание не более трех тысяч веществ. Практически все синтезированные соединения есть искусственные химические конструкты, поэтому эволюционно сложившаяся биота не имеет механизмов их ассимиляции, поэтому около ста миллионов веществ не могут не быть токсичными, мутагенными, канцерогенными и т.п.

Концепция экологического контроля «приоритетных веществ» (то есть, наиболее производимых и наиболее токсичных) в корне порочна: современные химические комбинаты — это гибкое производство, которое грамотный химик-технолог переведет за считанные дни на крупнотоннажный выпуск любого вещества, затребованного как естественным ходом развития промышленности, так и экологическим агрессором.

Формулировка задачи: создать всероссийскую сеть автоматических датчиков-извещателей о появлении любого априори неизвестного опасного вещества и расположить датчики во всех точках водных объектов, уязвимых в диверсионно-террористическом отношении и точках вероятных аварийных загрязнений вод.

Общее решение задачи: дублировать существующие сети датчиков-извещателей пожарной сигнализации и охранной сигнализации сетями на основе функционально-стоимостных аналогов этих датчиков — датчиков нового типа, называемых датчиками экологической сигнализации (ДЭС). Адресаты информации от сети ДЭС — МВД РФ (экологическая полиция), МЧС РФ, СК РФ.

Частное (биологическое и химическое) решение задачи: неспецифическая химразведка в водной среде, основанная на том, что любое негативное воздействие любого вещества априори неизвестной природы быстро (за минуты-десятки минут) влияет на метаболизм бактериопланктона и фитопланктона водных экосистем. Об изменении метаболизма можно судить по изменению общего количества и свойств растворенных в воде органических молекул прижизненных и посмертных внешних метаболитов планктона. Этот принцип сформулирован в 2006 году и назван «молекулярная биоиндикация».

Частное (техническое и приборное) решение задачи: разработаны не требующие заправки реагентами, обслуживания и ревизии автоматические портативные датчики общего количества и свойств растворенного органического вещества (РОВ) водных экосистем — прототипы ДЭС. Датчики используют самостоятельно получаемый из воздуха озон как окислитель РОВ в непрерывном потоке протекающей воды и регистрируют в реальном времени характер хемилюминесценции при озонолизе РОВ.

Перспектива. Раннее выявление фактов экологической агрессии химическими сенсорами — первый шаг. Необходимо создавать ситуационные аналитические центры, способные предвидеть и опережать ходы экологических агрессоров.

Сведения об авторах:

Воронцов Александр Михайлович - доктор технических наук, эксперт Комитета Государственной Думы по природным ресурсам, природопользованию и экологии.
Никанорова Марина Николаевна - кандидат химических наук, доцент, заместитель директора Центра экологической безопасности Балтийского института экологии, политики и права, Санкт-Петербург.
Сухонин Павел Николаевич – доктор философских наук, эксперт Комитета Государственной Думы по природным ресурсам, природопользованию и экологии.

Приложение 2

Обоснование предлагаемых методов. Научная новизна

1. Методы молекулярной биоиндикации, основанные на изменении характеристик сонолюминесценции потока водной пробы

Проведенные исследования работы экспериментальной установки для регистрации СЛ свечения в потоке водной пробы показали научную состоятельность, а так же перспективность данного подхода в решении поставленных задач. Полученные спектры возбуждения СЛ некоторых водных растворов при различных концентрациях растворенных органических и неорганических веществ позволяют во времени определять качественные характеристики исследуемых растворов, что в свою очередь дает возможность выявления гидрохимических аномалий исследуемых сред, связанных с появлением в водной среде различных загрязнений

Применение СЛ в классической аналитике практически невозможно в силу подверженности СЛ вариациям содержания органических и неорганических веществ, коллоидных частиц, любых ингибиторов и катализаторов СЛ, веществ, обладающих хромофорными группами в ультрафиолетовом и видимом оптическом диапазоне спектра, растворенных и эмульгированных веществ с различными значениями физических характеристик (теплоемкость, упругость паров и т.п.). Но именно это и делает интенсивность СЛ, выраженную в единицах фототока СЛ, перспективным аналитическим параметром для обнаружения в пробах вод аномалий практически любой природы. Это может быть основой неселективного метода индикации места и времени аварийных или нелегальных сбросов априори неизвестных опасных соединений.

Низкочастотное (десятки килогерц) ультразвуковое (УЗ) воздействие на водные растворы приводит к образованию мультипузырьковой кавитационной зоны, причем, стационарная концентрация кавитационных пузырьков достигается уже через десятые доли секунды после начала УЗ воздействия. Кавитация приводит к расщеплению молекул воды и образованию активных радикалов и окислителей вида Н., ОН. и Н2О2, то есть, эффект свечения, возникающего при формировании мультипузырьковой кавитационной зоны, достаточно сложен: в водных растворах возбуждение СЛ и ХЛ происходит одновременно и по различным механизмам. Принято считать, что интенсивность СЛ пропорциональна содержанию неорганических ионов в воде, зависит от содержания и состава растворенных газов, от количества «зародышей» кавитации – взвесей твердых частиц, и что практически все растворенные органические вещества выступают как тушители люминесценции, однако, недавние исследования (G. Price, M. Margulis, I. Margulis, 2002) демонстрируют более сложные зависимости СЛ водных растворов от их состава. Необходимо отметить, что известные зависимости, полученные в непроточных ячейках, не всегда возможно использовать при описании процессов возбуждения СЛ в потоке пробы, поскольку в объем кавитационной зоны постоянно поступают реагенты, участвующие в звукохимических реакциях, многие из этих реагентов в непроточных ячейках разрушаются в первые моменты УЗ воздействия и их вклад в СЛ не может быть учтен.

Внешний вид варианта лабораторной установки для исследования сонолюминесценции (боковое кварцевое окно проточной ячейки)

Состояние разработки:

Для исследования СЛ в потоке природной воды были разработаны несколько вариантов установок, содержащих проточные ячейки, в объеме которых создавали ультразвуковую кавитацию. При возюуждении возникает обратное свечение, улавливаемое датчиком. Уровень свечения пропорционален количеству загрязнений в водной среде. Частотный диапазон свечения кореллируется с качественными показателями загрязнителей.

Внешний вид установки для исследования СЛ с боковым кварцевым окном проточной ячейки приведен на рисунке.

2. Метод определения общего содержания РОВ в потоке водной пробы, основанный на озонохемилюминесценции и автоматические приборы для непрерывного измерения ХПК х сточных вод

Возможность разработки датчиков, удовлетворяющих перечисленным требованиям, открылась тогда, когда был предложен метод озонохемилюминесцентного (ОХЛ) контроля РОВ, основанный на том, что в качестве реагента-окислителя применен автоматически генерируемый газообразный озон вместо заранее приготовляемых растворов бихромата, хромата, перманганата или пероксида водорода, как это было принято в стандартных методах.

Способность различных окислителей реагировать с органическими соединениями в водной среде определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала реакции с участием этих окислителей.

Наиболее удобным аналитическим параметром контроля РОВ служит величина фототока люминесценции. Люминесцентные методы часто используют в аналитике природных вод благодаря их высокой чувствительности, экспрессности, простоте инструментального оформления.

Решение возбуждать хемилюминесценцию РОВ окислением его озоном в потоке водной пробы оказалось удачным: во-первых, озон — более сильный окислитель, чем большинство перечисленных, во-вторых, он может быть получен из атмосферного воздуха в любой точке, где производят измерения, что исключает необходимость периодического обслуживания и заправки прибора, в-третьих, при окислении РОВ озоном мгновенно возникает хемилюминесценция, пропорциональная общему содержанию РОВ.

Инструментальным оформлением этого метода являются разработанные приборы WQMI-01 и OSM-02.

Согласно Сертификату о калибровке средств измерений №174 от 16.12.2008 анализатора суммарного содержания органических веществ в водной среде OSM-02, абсолютная погрешность измерений составляет ±0,1 мгО2/л в диапазоне измерений ХПК (0,1-200) мгО2/л.

Прибор не реагирует на мешающее влияние неорганических восстановителей (они не люминесцируют при озонолизе), влияние солености вод на показания прибора настолько незначительно, что он работоспособен даже в морской воде, что подтверждается совместными исследованиями в Желтом море на базе Академии наук провинции Шаньдун КНР.

Описание ОХЛ-датчика серии ОСМ

В международном стандарте ИСО 6060 представлен метод определения ХПК воды, который применим к большинству вод со значением ХПК выше 30 мгО2/дм3. Максимальное значение ХПК, которое можно определить в неразбавленной пробе, 700 мг/дм3. Метод не применим к высокоминерализованным водам, таким как морские воды, содержащим (после разбавления) более 2000 мг/дм3 хлорида.

Химическое потребление кислорода (ХПК) - общая концентрация кислорода, равная количеству бихромата, потребленному растворенным и взвешенным веществом при обработке пробы воды данным окислителем в определенных условиях. Определение ХПК бихроматным методом заключается в нагревании с обратным холодильником испытуемой пробы в концентрированной серной кислоте с известным количеством бихромата калия в присутствии серебряного катализатора в течение определенного промежутка времени. Затем проводят титрование остатка бихромата калия солью Мора и рассчитывают значение ХПК по количеству восстановленного бихромата.

Критерий ХПК широко используется при определении суммарного содержания органических соединений в водах, поскольку аналитические методы его определения относительно просты и не требуют использования сложной аппаратуры. Однако они достаточно трудоемки, продолжительны по времени, работы проводятся с агрессивными средами и токсичными веществами (причем, необходима утилизация токсичных отходов – серная кислота, ртуть II, хром Ш, хром VI), воспроизводимость результатов измерений – низка, узок диапазон достоверных измерений значений критерия ХПК.

Общее время, затрачиваемое на определение 1 пробы по стандарту ИСО 6060 составляет 4 часа.

Обычно содержание ХПК сточных вод, поступающих на очистку городских сооружений, достигает (200—900) мг/дм3, в воде после биологической очистки остается до (50—300) мг/дм3, а после доочистки на фильтрах — (20—40) мг/дм3.

Сравнительные характеристики имеющихся автоматических систем определения органики в воде

Общий вид озонохемилюминесцентного монитора (ОХЛ-монитора) качества природных вод OSM-2

Сферы применения и потенциальные потребители: