Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ И ГРУНТОВЫХ ВОД

Настоящее изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно для отбора проб промышленных загрязняющих веществ (ЗВ), воздействующих на почву. Устройство предназначено для отбора проб и последующего количественного определения опасных промышленных поллютантов, воздействующих на почву из воздуха в форме аэрозолей на единицу площади почвенного покрова. Устройство позволяет производить отбор проб для верхнего почвенного покрова в условиях воздействия ЗВ, находящихся как в водорастворимом, так и в водонерастворимом состояниях, и является формой репрезентативной пробы при контроле промышленного воздействия в данной территориальной точке в течение заданного периода наблюдений. Устройство позволяет исключить влияние на достоверность результатов мониторинга ряда природных факторов, таких как процессы делокализации ЗВ в почве под воздействием атмосферных осадков, позволяет определить особенности поведения ЗВ в почвенном покрове с учетом различных природных факторов в течение определенного периода времени.

Из существующего уровня техники известны следующие устройства для отбора проб почвы при мониторинге воздействия поллютантов: устройства представляют собой буры, лопаты штыковые и дополняются пластиковыми пакетами, шпателями и металлическими и пластиковыми ножами (ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»; ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб»). С помощью этих устройств осуществляется следующий способ отбора проб почвы: точечные пробы почвы отбирают ножом, или шпателем, или почвенным буром из прикопок на выбранной площадке. Размер площадки составляет не менее 10×10 м. На выбранной площадке отбирается не менее 5 точечных проб почвы массой 0,5 кг методом «конверта», которые отбирают послойно с глубины 0-5 и 5-20 см. Для контроля загрязнения легкомигрирующими веществами точечные пробы отбирают по генетическим горизонтам на всю глубину почвенного профиля. Отбор проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа проводят не менее 1 раза в год, для контроля загрязнения тяжелыми металлами - не менее 1 раза в 3 года. Проба почвы извлекается с определенной площади и глубины, помещается в полиэтиленовый пакет и направляется в лабораторию для определения содержания ЗВ. Очистка устройств производится шпателем или ножом, отделенные от устройств частицы почвы также помещаются в тот же пакет. Недостатком устройств и способа является то, что их использование не учитывает особенностей поведения различных ЗВ в окружающей среде, в частности в почве, как, например, химических превращений, диффузии в почвенном слое, условий локализации и делокализации поллютантов. В результате этого, определение содержания промышленных ЗВ в такой пробе не дает полного представления об уровне воздействия промышленного объекта и носит вероятностный характер, т.к. химические вещества, попавшие в почву, в период между отбором проб находились в условиях различных процессов, происходящих в почвах: физических (механических), физико-химических, химических, биогенных. В этом способе для получения сведений о техногенном воздействии необходимо проводить изучение фоновых или исходных значений содержания ЗВ в почве.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для сбора атмосферных осадков в условиях наблюдения за выбросами производств (РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы», Государственный комитет СССР по гидрометеорологии, Министерство здравоохранения СССР, М.: 1991). Устройства для сбора проб осадков представляют собой эмалированные, стеклянные или пластиковые емкости, в которые вставляется воронка из химически-стойкого материала. Воронка вставляется в емкость таким образом, чтобы не было попадания жидкости по ее внешней стороне. Установка для сбора осадков монтируется в штативе на столе, расположенном над уровнем земли на 130-150 см. Устройства располагаются на специальных наблюдательных площадках и закрепляются в вертикальном положении. Способ отбора проб заключается в следующем: отобранные из устройства в течение периода наблюдений осадки направляются для проведения анализа на содержание ЗВ. Недостатком устройств является то, что они не позволяют определить превращения ЗВ в почве и предназначены для наблюдения за атмосферными процессами. Кроме этого, устройства требуют организации специальной наблюдательной площадки и специального обслуживания. В связи с этим существует вероятность случайного повреждения или поломки устройства во время проведения наблюдений.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка способа отбора проб ЗВ, воздействующих на почву, с использованием специальных устройств, которые позволяют дать более точную информацию о количественном и качественном составе ЗВ, за счет того, что исключается их трансформация в поверхностном почвенном слое под воздействием атмосферных осадков и за счет биологических процессов.

Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство представляет собой двухсекционную разборную пластиковую конструкцию, имеющую две части, которые разделены фильтровальной перегородкой; верхняя часть имеет открытую поверхность с фиксированной площадью, в которую помещается незагрязненный грунт или легкофильтрующий инертный материал, например песок; фильтровальная перегородка позволяет отделить жидкую фракцию от твердой и состоит из перфорированной перегородки и фильтрующего материала; нижняя часть, предназначенная для сбора жидкой фракции, представляет собой герметичную емкость с входным отверстием, имеется возможность отделения от верхней части и фильтрующей перегородки. Площадь открытой поверхности верхней части устройства составляет 50-300 см², высота верхней части 5-20 см, высота нижней части 20-100 см. Устройство устанавливается в углублении в грунте таким образом, чтобы открытая поверхность ее верхней части находилась на уровне поверхности почвенного покрова. Установка устройства в углублении в грунте позволяет снизить вероятность случайного повреждения устройства во время наблюдения.

Устройство может быть изготовлено из вторичного сырья, а именно из бывших в употреблении пластиковых бутылок, объемом 1-10 дм³ после их специальной обработки для исключения влияния возможных загрязнений на результаты мониторинга.

Отбор проб осуществляется следующим образом: устройство устанавливается в углублении в грунте на определенное время проведения наблюдений промышленного воздействия. После этого устройство извлекается из углубления и заменяется на новое. Из верхней части устройства извлекается фильтрующий материал, который помещается в полиэтиленовый пакет. Фильтрат из нижней части помещается в герметичную пластиковую емкость. Фильтрующий материал и фильтрат направляют на исследование содержания в них ЗВ. По полученным данным с учетом площади поверхности устройства рассчитывается удельное воздействие ЗВ на единицу площади почвы.

Отбор проб может быть организован методом «конверта», при этом выбирается участок наблюдения, на котором устанавливается не менее 5 устройств. После окончания наблюдений фильтрующий материал и фильтрат из всех устройств объединяются и усредняются. Усредненная проба фильтрующего материала и фильтрата направляется на определение содержания ЗВ.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков, является то, что устройство представляет собой систему, изолированную от остального почвенного покрова. ЗВ, попадая на открытую поверхность устройства, не способно мигрировать в почве вне ее пределов, при этом водонерастворимые виды ЗВ накапливаются в верхней части устройства, а водорастворимые - в нижней. Исследование содержания и форм ЗВ в верхней и нижней частях устройства дает представление как об общем количественном техногенном воздействии, осуществляемом за счет учета водорастворимых форм в нижней части устройства, так и о поведении промышленных загрязнений под действием различных природных факторов на рассматриваемый почвенный покров, что позволяет принимать обоснованные технические решения по защите почвы и загрязняемой территории от воздействия производств. Использование для изготовления устройства легкодоступного вторичного сырья позволяет снизить затраты на его изготовление и, как следствие, снизить затраты, и упростить проведение мониторинга промышленного загрязнения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 изображен вид устройства, установленного для проведения мониторинга загрязнения почвенного покрова (формула изобретения);

На фиг. 2 изображен разобранный вид устройства, изготовленного из бывших в употреблении пластиковых бутылей (зависимый пункт формулы);

На фиг. 3 изображен вид устройства, изготовленного из бывших в употреблении пластиковых бутылей, в сборе (зависимый пункт формулы).

Устройство (формула изобретения - фиг. 1) состоит из верхней 1 и нижней частей 2. Верхняя часть, высотой 5-20 см, имеет пластиковую стенку, открытую поверхность площадью 50-300 см², перфорированную перегородку, на которую укладывается фильтрующая ткань 3. Размеры верхней части соответствуют объему пробы почвы, извлекаемой при помощи штыковой лопаты, которая используется для отбора проб почвы при исследовании загрязнения почв по методике (ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»; ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб»). Уменьшение размера верхней части по высоте менее 5 см увеличивает вероятность случайного повреждения устройства во время наблюдения, т.к. верхняя часть будет незначительно углублена в грунте; увеличение размера по высоте более 20 см требует изготовления углубления в грунте, куда будет вставляться устройство в сборе, большей глубины, требуется больше инертного материала для заполнения верхней части, что увеличивает сопротивление фильтрации. Фиксированная площадь открытой поверхности позволяет сделать расчет удельного воздействия ЗВ на единицу площади. Площадь открытой поверхности верхней части менее 50 см² уменьшает вероятность попадания ЗВ в устройство. Увеличение площади открытой поверхности верхней части более 300 см² усложняет устройство, требует большего объема нижней части, а также увеличивает трудоемкость изготовления углубления в грунте для устройства.

Нижняя часть 2, с таким же или большим диаметром, как и верхняя, высотой 20-100 см, представляет собой пластиковую емкость с входным отверстием и герметичным днищем для сбора фильтрата из верхней части. Уменьшение размера нижней части по высоте менее 20 см приводит к необходимости более частого извлечения фильтрата, что уменьшает период наблюдения, также увеличивается вероятность переполнения нижней части фильтратом, что может влиять на точность анализа ЗВ, попавшего в устройство. Увеличение размера по высоте более 100 см усложняет конструкцию устройства и усложняет его установку в грунте в сборе, так как усложняется изготовление углублений в грунте, особенно при ручном способе их изготовления. Верхняя и нижняя части соединены разборным соединительным устройством 4. Смонтированное устройство устанавливается вертикально в специально приготовленном углублении в грунте 5 таким образом, чтобы открытая поверхность устройства находилась на одном уровне с поверхностью почвенного покрова. Установка устройства в сборе в углублении в грунте позволяет снизить вероятность случайного повреждения устройства во время наблюдения.

В верхнюю часть устройства помещается образец незагрязненного грунта или инертный легкофильтрующий материал, например песок 6. Материал, помещаемый в верхнюю часть устройства, должен быть инертным, чтобы не вступать в химическую реакцию с ЗВ, что может привести к искажению результатов анализа пробы. Инертность материала позволяет исследовать различные формы ЗВ, оказавшиеся в устройстве в результате наблюдения промышленного воздействия, что обеспечивает качество мониторинга. Материал может обладать сорбционными свойствами, однако условие не является обязательным, так как устройство представляет собой замкнутую систему с открытой поверхностью только в верхней части устройства. ЗВ, попав в устройство, будет находиться в нем в течение всего периода наблюдения. Материал должен иметь низкое сопротивление фильтрации, чтобы исключить перелив атмосферных осадков в виде дождя через край верхней части и обеспечить накапливание фильтрата в нижней части устройства. Фильтрующий материал должен быть кислотоустойчивым для определения кислоторастворимых форм ЗВ, накапливающихся в нем. Кроме песка, можно использовать оксид алюминия, активированный уголь, торф, мелкий щебень, пластиковую крошку, опил, текстиль, измельченное стекло. Основным требованием к материалу является отсутствие в нем примесей наблюдаемых ЗВ. Поэтому перед использованием необходима очистка материала от примесей, в частности необходима промывка песка. Выбор материала определяется имеющимися экономическими возможностями и свойствами ЗВ. Использование незагрязненного, очищенного от примесей ЗВ материала позволяет исключить необходимость исследования фонового содержания ЗВ и исходного содержания ЗВ в почвах перед началом наблюдений в соответствии с методикой. (ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа»; ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб»).

Слив фильтрата из верхней части в нижнюю осуществляется через патрубок или сливное отверстие 7.

Устройство (зависимый пункт формулы - фиг. 2) может быть изготовлено из бывших в употреблении пластиковых бутылей, что снижает стоимость ее изготовления за счет использования вторичных ресурсов. Верхняя часть 1 выполнена из пластиковой бутыли, у которой удалено днище. Высота бутыли с удаленным днищем составляет 5-20 см. Перфорированная перегородка изготавливается из пробки бутыли, в которой делаются отверстия диаметром 3-5 мм 8, на которую укладывается фильтрующая ткань 3. Меньший диаметр отверстий приводит к забиванию их твердыми частицами в процессе фильтрации, больший диаметр 0 к проскоку через перегородку частиц твердой фазы. Нижняя часть устройства 2 изготавливается из пластиковой бутыли, в которой, за счет удаления горловины, образуется входное отверстие с диаметром большим или равным горловине бутыли для верхней части устройства. Соединительное устройство 4 выполнено из пластиковой бутыли, в которой отделяются верхняя и нижняя сужающиеся части. В нижнюю часть может вставляться пластиковая трубка 9, с внутренним диаметром 3-5 мм, для выравнивания давления в нижней части с поверхностью почвенного покрова для создания постоянной движущей силы фильтрации атмосферных осадков через слой фильтрующего материала в верхней части устройства. Меньший диаметр трубки приводит к ее забиванию твердыми частицами, больший диаметр может привести к попаданию осадков через трубку в нижнюю часть устройства за счет уменьшения сил поверхностного напряжения на срезе трубки. Трубка используется, если верхняя часть монтируется с нижней частью устройства герметично, при этом один конец трубки вставляется в нижнюю часть, другой - выводится на поверхность почвенного покрова.

Устройство, изготовленное из пластиковых бутылей, монтируется следующим образом (фиг. 3). Пробка с отверстиями накручивается на горловину верхней части 1. На верхнюю часть монтируется соединительное устройство 4 и закрепляется скотчем. Полученная конструкция переворачивается и соединяется с нижней частью 2, в которую может быть вставлена пластиковая трубка 9 для выравнивания давления. Соединительное устройство 4 скрепляется с нижней частью 2 скотчем. В верхнюю часть устройства на перфорированную перегородку укладывается фильтровальная ткань. После этого верхнюю часть устройства заполняют инертным легкофильтрующим материалом. Устройство в сборе вставляется в углубление в грунте, так чтобы верхняя часть находилась на уровне почвенного покрова для мониторинга поверхностного воздействия. Высота и объем нижней части устройства могут быть увеличены за счет прикрепления к ней фрагмента одной или нескольких бутылей такого же диаметра с удаленной горловиной или с другим диаметром большего объема, что увеличивает период наблюдения без переполнения фильтратом нижней части.

Отбор пробы для определения техногенного воздействия осуществляется следующим образом. Выбирается площадка для проведения мониторинга, на которой размечаются места для установки устройств по мониторингу воздействия ЗВ. С использованием бура или другого приспособления делается углубление в грунте, в которое устанавливаются устройства. Устройства устанавливаются на время, необходимое для проведения наблюдения техногенного воздействия. При этом ЗВ будут оседать на поверхность верхней части, заполненной инертным фильтрующим материалом, в котором не содержатся ЗВ, например промытым и очищенным песком. Атмосферные осадки в виде дождя и талого снега будут фильтроваться в верхней части через инертный фильтрующий материал и поступать в нижнюю часть устройства. Для забора проб необходимо извлечь устройство из углубления и отделить верхнюю часть от нижней. Соединительное устройство 4 разбирается, и верхняя часть 1 отделяется от нижней части 2. Фильтрующий материал из верхней части извлекается и помещается в пластиковый пакет. Из нижней части жидкая фракция переливается в пластиковую бутыль. Пакет и бутыль направляются в лабораторию для количественного определения ЗВ в растворимых и нерастворимых (кислоторастворимых) формах. После этого проводится очистка поверхностей верхней и нижней части; фильтровальная ткань удаляется и заменяется на новую; верхняя и нижняя часть соединяются, и устройство снова устанавливается в углублении в грунте, после чего в верхнюю его часть засыпается легкофильтрующий материал. Устройство готово к продолжению работы. Для ускорения работы, извлеченное из грунта устройство может быть заменено на новое.

Отбор пробы воздействия ЗВ методом «конверта» осуществляется следующим образом. Выбирается площадка для проведения мониторинга, на которой размечаются места для установки устройств по мониторингу воздействия ЗВ методом «конверта». С использованием бура или другого приспособления делается углубление в грунте, в которое устанавливаются устройства. Для метода «конверта» на выбранной площадке должно быть установлено не менее 5 устройств, после проведения наблюдений, фильтрующий материал извлекается из всех устройств, размещенных на выбранной площадке, объединяется и усредняется. Усредненная проба направляется на определение содержания ЗВ. Фильтрат из нижней части устройств также объединяется и усредняется и направляется на анализ содержания ЗВ. Извлеченные из углублений в грунте на выбранной площадке устройства заменяются на новые и мониторинг воздействия ЗВ может быть продолжен.

Пример. Разработанный способ отбора проб воздействия ЗВ с использованием специальных устройств был опробован для оценки загрязнения окружающей среды соединениями марганца в г. Воткинска. Марганец входит в состав некоторых присадок к топливам для автотранспорта и может попадать в окружающую среду с выхлопными газами. Были выбраны 5 площадок для проведения мониторинга. 2 площадки были организованы вблизи федеральной автотрассы и городского транспортного узла. 3 площадки были установлены на территории игровых площадок детского сада. На этих площадках с помощью бура были сделаны углубления в грунте, в которые были помещены устройства для мониторинга. Мониторинг проводился с мая по сентябрь 2012 г. После окончания периода мониторинга устройства были извлечены, для каждой из площадок проведено усреднение фильтрующего материала (песка) и фильтрата, и определено содержание марганца как поллютанта. Анализ содержания марганца проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе «Shimadzu-AA7000» Результаты анализа приведены в таблице.

Полученные данные свидетельствуют, что зоны отбора городских проб (№1 и №5), расположенные рядом с федеральной трассой и на достаточно оживленном перекрестке городских автомагистралей соответственно, подвергаются значительной техногенной нагрузке со стороны автотранспорта, в частности, в виде соединений марганца. Участки для прогулок в детском саду испытывают меньшее негативное воздействие ЗВ антропогенного происхождения.

ПДК марганца составляет 700 мг/кг воздушно-сухой почвы. Из таблицы видно, что загрязнение марганцем от автотранспорта с мая по сентябрь для выбранных площадок существенно ниже ПДК. Метод позволяет определить количество ЗВ, попавшего на данную площадь за рассматриваемый период.