Выявление источников и факторов, определяющих содержание бенз(а)пирена в воде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат технических наук Шемагонова, Елена Владимировна

• Шемагонова, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шемагонова, Елена Владимировна

Специальности

03.00.16-Экология

05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор М.С. Клявлин

Научный руководитель: кандидат технических наук Л.И. Кантор

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИСТОЧ1ШКИ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Б(а)П (обзор литературы).

1.1 Естественные источники поступления Б(а)П в водный объект.

1.2 Антропогенные источники поступления Б(а)П в водный объект.

1.2.1 Непосредственные источники.

1.2.2 Опосредованные источники.

1.3 Поведение Б(а)П в окружающей среде.

1.3.1 Миграция и трансформация Б(а)П в атмосфере.

1.3.2 Миграция и трансформация Б(а)П в почве.

1.3.3 Миграция и трансформация Б(а)П в водной среде.

1.4 О возможности очистки воды от Б(а)П на водозаборных очистных сооружениях анализ опубликованных данных).

2 ОЦЕНКА ВКЛАДА Б(а)П В ЗАГРЯЗНЕННОСТЬ ВОДОИСТОЧНИКА И ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ТЕХНОГЕННЫМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ 1 И 2 КЛ. ОП.

2.1 Контролируемые техногенные органические вещества I и 2 кл. он. в воде.

2.2 Определение вклада Б(а)П в загрязненность воды техногенными органическими веществами 1 и 2 кл. оп.

2.3 Б(а)П — наилучший предиктор суммарного содержания техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. в водоисточнике.*.

2.3.1 Корреляционный анализ относительного содержания систематических загрязнителей в воде и коэффициентов суммации.

2.3.2 Регрессионный анализ относительного содержания Б(а)П в воде и коэффициентов суммации.

3 ВЫЯВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ И ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ Б(а)П

В ВОДОИСТОЧНИКЕ.

3.1 Оценка загрязненности р. Уфы Б(а)П.

3.1.1 Выявление выбросов в данных содержания Б(а)П в воде р. Уфы.

3.1.2 Цензурирование данных содержания Б(а)П в р. Уфе.

3.1.3 Анализ связи между содержанием Б(а)П в створах р. Уфы.

3.2 Гипотеза о фоновом содержании Б(а)П в р. Уфе.

3.3 Анализ влияния гидрологических условий р. Уфы на содержание Б(а)П в воде.

3.4 Анализ влияния метеорологических условий на содержание Б(а)П в р. Уфе.

3.5 Антропогенные источники загрязнения р. Уфы Б(а)П.

3.5.1 Опосредованные источники.

3.5.2 Непосредственные источники.

3.6 Факторы, обусловливающие загрязнение водного объекта Б(а)П (анализ опубликованных данных).

3.6.1 Факторы, обусловливающие поступление Б(а)П в водный объект от естественных источников.

3.6.2 Факторы, обусловливающие поступление Б(а)П в водный объект от антропогенных источников.

3.7 Выявление и количественная оценка факторов, определяющих содержание Б(а)П в воде р. Уфы.

3.7.1 Анализ детерминированных компонент цензурированных временных рядов содержания Б(а)П в р. Уфе.

3.7.2 Анализ случайных компонент цензурированных временных рядов содержания

Б(а)П в р. Уфе.

3.7.3 Оценка вклада детерминированных и случайных компонент.

3.8 Анализ связи между содержанием Б(а)П в створах р. Уфы на основе компонент загрязнения.

3.9 Анализ антропогенных источников как факторов загрязнения р. Уфы Б(а)П.

3.10 Выявление факторов, обусловливающих влияние сжигания мазута на ТЭЦ2 на загрязненность р. Уфы Б(а)П.

3.11 Построение модели загрязнения р. Уфы Б(а)П от выявленных источников эмиссии на основе корреляционно-регрессионного анализа.

3.12 Прогнозирование содержания Б(а)П в р. Уфе.

3.12.1 Прогнозирование содержания Б(а)П в р. Уфе на основе интенсивности источников эмиссии.

3.12.2 Прогнозирование содержания Б(а)П в р. Уфе на основе модели АРПСС.

3.13 Прогнозирование величины коэффициентов суммации техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. р. Уфы на основе Б(а)П.

4 ВЫЯВЛЕНИИ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СОДЕРЖАНИЕ Б(о)П В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ.

4.1 Оценка загрязненности питьевой воды Б(а)П.

4.1.1 Выявление выбросов в данных содержания Б(а)П в питьевой воде.

4.1.2 Цензурирование данных содержания Б(а)П в питьевой воде

4.2 Гипотеза о закономерном содержании Б(я)П в питьевой воде.

4.3 Выявление и количественная оценка факторов, определяющих содержание Б(я)П в питьевой воде.,.

4.3.1 Анализ детерминированных компонент цензурированных временных рядов содержания Б(а)П в питьевой воде.

4.3.2 Анализ случайных компонент цензурированных временных рядов содержания Б(а)П в питьевой воде.

4.3.3 Оценка вклада детерминированных и случайных компонент.

4.4 Оценка эффективности снижения содержания Б(д)П в воде в процессе водоподготовки.

4.5 Прогнозирование содержания Б(а)П в питьевой воде.

5 МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ И АНАЛИЗА.

5.1 Расчет суммарного содержания техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. в воде.

5.2 Количественная оценка содержания Б(а)П в воде.

5.2.1 Выявление выбросов в данных содержания Б(а)П в воде.

5.3 Гипотезы относительно распределения данных содержания Б(а)П в воде.

5.4 Методы аппроксимации зависимостей: корреляционно-регрессионный анализ.

5.5 Анализ временных рядов содержания Б(а)П в воде.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выявление источников и факторов, определяющих содержание бенз(а)пирена в воде»

Постоянно возрастающее антропогенное воздействие на окружающую среду приводит к интенсивному загрязнению источников водоснабжения вредными химическими веществами. В водной среде циркулирует огромное количество ксенобиотиков техногенного происхождения. Среди них выделяют органические вещества - приоритетные токсиканты, которые обладают повышенной вредностью и имеют способность к накоплению в объектах окружающей среды. К таким веществам относится бенз(а)пирен (Б(а)П), который является глобально распространенным токсикантом и обнаруживается в атмосфере, почвах, водных объектах. Высокая стабильность Б(а)П в окружающей среде (в воде, воздухе, смоге, почвах, под действием УФ-излучения, озона, микроорганизмов) обусловливает его присутствие в питьевой воде. В Российской Федерации установлены предельно-допустимые концентрации (ПДК) для Б(а)П в воде водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового назначения и ^ для питьевой воды 5 нг/дм3.

Актуальность изучения содержания Б(а)П в воде с помощью методов математической статистики обусловлена несколькими причинами. Б(а)П входит в группу полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), представляющих наибольшую опасность для здоровья населения. Он обладает самой высокой канцерогенной и мутагенной активностью из типичных ПАУ и поэтому включен в группу шести приоритетных ПАУ, которые в соответствии с рекомендациями ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения) должны контролироваться в природных поверхностных водах и питьевой воде, и в группу шестнадцати приоритетных ПАУ - по требованиям ЕС (Европейского сообщества) и ЕРА (Агентство по охране окружающей среды, США). В мае 2002 г. Российская Федерация приняла Стокгольмскую конвенцию о стойких органических загрязнителях 2001 г., в рамках которой обязуется осуществлять на национальном и международном уровнях научные исследования, разработки, мониторинг и сотрудничество в отношении стойких органических загрязнителей по таким, в частности, вопросам, как источники и выбросы в окружающую среду и присутствие, уровни в и окружающей среде и соответствующие тенденции.

Обнаружение Б(а)П в поверхностных водных объектах свидетельствует о присутствии в них других канцерогенных и неканцерогенных ПАУ, индикатором которых в окружающей среде он является. По уровню содержания Б(а)П в воде можно судить об общем содержании приоритетных ПАУ.

Источниками загрязнения природной среды ПАУ являются практически все важнейшие отрасли промышленности, поэтому повышенному риску загрязнения Б(а)П подвержены ^ водоисточники, расположенные в урбанизированных районах. Изложенное выше предопределяет необходимость знаний об особенностях и оценки влияния промышленных объектов на экологическое состояние водоисточника. В связи с этим целью работы является выявление источников и факторов, определяющих содержание Б(а)П в воде водоисточника и питьевой воде.

Работа выполнена по постановлению Правительства Российской федерации от 05.09.2001 г. № 660 «О федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», а также по приказу Министерства образования России от 02.11.2001 г. № 3544 «О проведении открытого конкурса па размещение заказов на выполнение работ по реализации федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы». Тема выполняемого проекта «Научно-образовательно-технологический центр по мониторингу водоисточников и обеспечению качества питьевой воды из источников, подверженных техногенным загрязнениям» (Государственный контракт № П0026/1183 от 11.09.2002г. и дополнение к государственному контрактуй" 1004 от 18.06.2003 г.).

Задачи исследования:

• определение вклада Б(а)П в загрязненность воды;

• выявление и количественная оценка факторов, определяющих содержание Б(а)П в воде;

• выявление источников загрязнения водного объекта Б(а)П;

• оценка барьерной роли водопроводных очистных сооружений и инфильтрациои-ных водозаборов в отношении Б(а)П;

• оценка возможности прогнозирования содержания Б(а)П в воде.

Решение поставленных задач привело к следующим основным результатам:

Анализ коэффициентов суммации, характеризующих суммарное содержание контролируемых техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. в воде р. Уфы в 1995-2000 гг. свидетельствует, что вклад в них Б(а)П составляет 58+66% для трех створов в среднем, что в 3,3+3,5 раза превышает суммарные доли всех остальных систематических и несистематических загрязнителей. При этом значения коэффициентов суммации практически пропорциональны относительному содержанию Б(а)П в воде (коэффициенты пропорциональности равны 1,66, 1,42 и 1,40 для створов ИВ1, ПВ и ИВ2 соответственно). Результаты анализа данных за 1995-2003 гг. свидетельствуют, что коэффициенты пропорциональности изменились незначительно и составляют 1,71; 1,13 и 1,57 для створов ИВ1, ПВ и ИВ2 соотвественно. Эту связь можно представить в виде теоретического уравнения, которое может быть использовано для прогнозирования значений коэффициентов суммации с точностью более 70%.

В данных содержания Б(а)П в водоисточнике в 1995-2000 гг. выявлены выбросы, которые оцениваются как 1,5+8,7 пг/дм3. Установлено, что содержание Б(а)П в воде является результатом закономерных (детерминированных) процессов загрязнения, а также воздействия, носящего случайный характер, вклад которых в загрязнение водоисточника Б(а)П оценивается как 50-52% и 48-50% соответственно. Уровень содержания Б(а)П в створе ИВ1, расположенного выше по течению реки от города и промышленной зоны, и в створах ПВ и ИВ2, находящихся вблизи от промышленной зоны и в черте города сопоставим, и составляет 0,5+0,6 нг/дм3. Содержание Б(а)П в водоисточнике характеризуется сезонной изменчивостью - створ ИВ1 имеет четыре сезонных периода изменения содержания Б(я)П в воде (два «зимних» и два «летних»), створы ПВ и ИВ2 - два сезонных периода («зимний» и «летний»). Зимние периоды имеют повышенные сезонные индексы, а летние - пониженные (1,04-1,17 и 0,75-0,92 соответственно).

Дополнительная обработка данных, накопленных с 1995 г. ко второй половине 2003 г., позволила провести сравнительную оценку результатов исследования, проведенного по данным содержания Б(а)П в р. Уфе в 1995-2000 гг. По данным за 1995-2003, установлено, что вклад закономерных и случайных факторов загрязнения р. Уфы Б(а)П в этот период также составляет приблизительно 1:1, а закономерности сезонных изменений сохраняются для всех створов (сезонные индексы являются повышенными в зимний период и пониженными в летний: 1,06-1,25 и 0,65-0,86 соответственно).

Сочетанием анализа временных рядов и корреляционно-регрессионного анализа выявлены источники, оказывающие прямое влияние на загрязнение водоисточника Б(а)П в 1995-2000 гг. - автотранспорт, сжигание мазута на ТЭЦ2 и судоходство. Сравнительный анализ данных за 1995-2003 гг. подтверждает существование высокозначимых зависимостей между источниками эмиссии и загрязненностью р. Уфы Б(а)П. Вклад каждого из источников в загрязнение створов р. Уфы Б(а)П оценивается как: автотранспорта - 14+15%, сжигания мазута на ТЭЦ2 - 32-5-85%, судоходства по р. Уфе - 48+54%.

В данных содержания Б(а)П в питьевой воде в 1995-2000 гг. отмечены выбросы, которые оцениваются как 1,6-5-4,8 пг/дм3 для трех водозаборов. В целом выбросы Б(а)П в данных содержания в питьевой воде совпадают с периодами их появления в водоисточнике. Установлено, что на содержание Б(а)П в питьевой воде определяющим образом влияет его содержание в водоисточнике - концентрация Б(а)П в питьевой воде более чем на 80% определяется его содержанием в р. Уфе, а закономерности содержания Б(а)П в воде в целом сохраняются. В концентрации Б(а)П в питьевой воде в 1995-2000 гг. выделена детерминированная компонента, которая составляет в среднем 51+53% и случайная компонента - 47+49%. Питьевая вода инфильтрационных водозаборов ИВ1 и ИВ2 характеризуются двумя сезонными периодами («зимним» и «летним», а поверхностный ПВ - четырьмя сезонными периодами (двумя «зимними» и двумя «летними») изменения содержания Б(а)П в воде. Зимние периоды имеют повышенные сезонные индексы, а летние пониженные (1,11-1,42 и 0,67-0,85 соответственно).

Эффективность снижения содержания Б(а)П в питьевой воде инфильтрационных водозаборов ИВ1 и ИВ2 различна и составила для ИВ1 - 37% в среднем, для ИВ2 - 11% в среднем в 1995-2000 гг. Эффективность работы очистных сооружений ПВ составила 11% в среднем. Дополнительная обработка данных содержания Б(а)П в питьевой воде водозаборов, накопленных с 1995 г. ко второй половине 2003 г., показала, что соотношение вкладов детерминированных и случайных компонент и сезонные изменения содержания Б(а)П в питьевой воде в 1995-2003 гг. остается практически без изменений, а эффективность снижения содержания Б(а)П в воде за последние три года повысилась в ~ 2 раза и составляет 60%, 24% и 26% соответственно для ИВ1, ПВ и ИВ2.

На основании полученных результатов разработаны модель прогнозирования содержания Б(а)П в водоисточиике па краткосрочный (6 мес.) и долгосрочный (12 мес.) периоды в зависимости от интенсивности выбросов выявленных источииков эмиссии и с использованием авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего с точностью более 70%; содержания Б(а)П в питьевой воде в зависимости от его содержания в водоисточнике с точностью более 70% для ИВ 1 и ПВ, 50%-75% - для ИВ2.

1 ИСТОЧНИКИ, ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ Б(а)П (обзор литературы)

Изучение проблемы содержания Б(а)П в поверхностных водоисточниках начато в 60-х годах XX века. Исследования [55] содержания Б(а)П в водных объектах, проведенные в это время, показали, что концентрации Б(а)П могут колебаться в широких пределах: в грунтовых водах 1+10 мкг/м3, в поверхностных водах - 20+100 мкг/м3, в сильно загрязненных поверхностных водах - свыше 100 мкг/м3.

К 1970 гг. появились сведения о содержании Б(а)П во внутренних водоемах Советского Союза [52]: в фоновых районах оно составляло п -0,1 нг/л, в урбанизированных районах - более 10 нг/л. В ряде водоемов США в 70-е годы содержание Б(а)П достигало 80 нг/л [142], в озерах Германии - 25 нг/л [104]. Содержание Б(а)П в поверхностных водах может составлять до 13000 нг/л, водопроводных - 0+1000 нг/л, в ливневых стоках - 10+1000 нг/л, подземных водах - 0,1+6 нг/л [188].

К настоящему времени опубликовано множество данных об источниках эмиссии Б(я)П в окружающую среду, его содержании в водных объектах, водной растительности, микро- и мак-рооргаиизмах, донных отложениях. В обзоре литературы суммированы сведения об основных естественных и антропогенных источниках эмиссии Б(а)П, его миграции и трансформации в окружающей среде. Эти сведения позволяют выделить среди источников эмиссии Б(а)П приоритетные, оказывающие наибольшее влияние на загрязненность водоисточника Б(д)П.

Заключение диссертации по теме «Экология», Шемагонова, Елена Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что доля Б(я)П в коэффициентах суммации контролируемых техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. для водоисточника (р. Уфа) является доминирующей; величина коэффициентов суммации практически пропорциональна его относительному содержанию в воде (коэффициенты пропорциональности составляют от 1,1 до 1,7 для трех створов р. Уфы).

Впервые использован анализ временных рядов для изучения содержания Б(л)П в воде. Установлено, что:

• выбросами можно считать концентрации Б(д)П 1,5-8,7 нг/дм3;

• соотношение случайной и закономерной составляющей в концентрации Б(я)П в водоисточнике соответствует 1 : 1 даже при исключении выбросов;

• створ ИВ1 имеет четыре сезонных периода изменения содержания Б(я)П в воде (два «зимних» п два «летних»), створы ПВ п ИВ2 - два сезонных периода изменения содержания Б(я)П в воде («зимний» и «летний»). Зимние периоды имеют повышенные сезонные индексы, а летние пониженные (1,06-1,25 и 0,65-0,86 соответственно). Сочетанием анализа временных рядов и корреляционно-регрессионного анализа выявлены источники, оказывающие прямое влияние на загрязнение водоисточника Б(«)П: автотранспорт, сжигание мазута на ТЭЦ2 и судоходство. Оценен вклад каждого из них в концентрацию Б(«)П в водоисточнике - автотранспорта 14*15%, сжигании мазута на ТЭЦ2 32*85%, судоходства - 48*54%.

Содержание Б(а)П в питьевой воде и в воде водоисточника характеризуются одинаковыми закономерностями. Концентрация Б(я)П в питьевой воде более чем на 80% определяется его содержанием в водоисточнике. Эффективность (средняя) снижения содержания Б(а)П в питьевой воде составляет в 1995-2000 гг. для ИВ1 - 37% , ПВ -11%, ИВ2 - 11%; в 2001-2003 гг. этот показатель возрос в 2 раза. Разработаны модели прогнозирования:

• содержания Б(я)П в водоисточнике на краткосрочный (6 мес.) и долгосрочный (12 мес.) периоды в зависимости от интенсивности выбросов выявленных источников эмиссии и с использованием авторсгрессип и проинтегрированного скользящего среднего с точностью прогноза более 70%

• содержания Б(л)П в питьевой поде в зависимости от содержания в водоисточнике с точностью более 70% для ИВ1 и ПВ, 50%-75% - для ИВ2;

• значений коэффициента суммации контролируемых техногенных органических веществ 1 и 2 кл. оп. для водоисточника на основе относительного содержания в воде Б(«)П с точностью более 70%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шемагонова, Елена Владимировна, 2004 год

1. Абдрахманов Р.Ф. Влияние техногенеза на качество воды Павловского водохранилища. Автореферат диссертации. Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1991. - 28 с.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 280 с.

3. Алексеева Т.А., Теплицкая Т.А. Спектрофлуометрические методы анализа ароматических углеводородов в природных и техногенных средах. -J1., 1981. -216 с.

4. Амиров Я.С., Гимаев Р.Н., Сайфуллин Н.Р. Техпико-экопомические аспекты промышленной экологии. 4.1. Защита атмосферного воздуха: Учебное пособие. Уфа: Изд-во УГ-НТУ, 1995.-273 с.

5. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. Пер. с англ. М.: Мир, 1999. - 271 с.

6. Аншиц А.Г., Поляков П.В., Кучеренко А.В. и др. Экологические аспекты производства алюминия электролизом: Аналит.обзор.-Новосибирск: Изд.ГПНТБ АН СССР, 1991.-92 с.

7. Аншиц А.Г., Суздорф А.Р., Куртеева Л.И. Сопоставление канцерогенной опасности продуктов карбонизации средне- и высокотемпературных пеков и анодных масс на их основе // Химия в интересах устойчивого развития, 1998. № 6. С. 41.

8. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.М. Технология сжигания газа и мазута в парогенераторах. -Л.: Недра, 1976.-272 с.

9. И. Бабий В.Ф., Донина И.Л. и др. В кн.: Мало- и безотходны технологии в энергетике как средства защиты окружающей среды и повышения эффективного использования топлив. Мат. Всесоюзн. Совещ., Москва, 1985, ч.1, С. 189.

10. Беджер Г.М. Химические основы канцерогенной активности.- М: Медицина, 1966.- 124с.

11. Богданов М.В. Гигиеническая оценка эффективности биологической очистки сточных водоисточник шпалопропиточных заводов // Гигиена и санитария, 1976. № 11. С. 40.

12. Богдановский Г.А. Химическая экология: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994. - 237 с.

13. Боровиков В. Statistical искусство анализа данных па компьютере. Для профессионалов. -СПб.: Питер, 2001. 656 е.: ил.1617,1819,20,21,22,23,24