CC BY
36
ПРОБЛЕМЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
УДК 621.039.1:620.16; 621.039.54:620.16
И.А. Пушкин, д.т.н., проф.; В.Г. Лапченко, к.т.н.; Д.В. Ряхов
Академия гражданской защиты МЧС России
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ СРЕДСТВ ХИМИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Исследование посвящено термохимическому методу индикации паров легких углеводородов в местах их утечек в подпочвенное пространство. Математически обоснована применимость предложенного метода, показана перспективность его использования. Произведена оценка эффективности использования газоанализатора «Поиск» в системе «результат - стоимость - время».
I.A. Pushkin, V.G. Lapchenko, D.V. Ryazanov
THE NEW APPROACHES TO CREATION OF MEANS OF THE CHEMICAL
AND BIOLOGICAL CONTROL
Research is devoted to a thermochemical method of indication рairs of easy hydrocarbons in places of their outflow in underground space. Mathematical applicability of the offered method is proved, perspectivity of its use is shown. The estimation of efficiency of use of a gas analyzer «Poisk» is made in system «result - cost - time».
Экспрессное обнаружение утечек нефтепродуктов в почве посредством термохимического метода
Как известно из статистических источников, по величине нанесенного ущерба народному хозяйству России загрязнение природной среды нефтью и нефтепродуктами на первом месте. Поэтому в настоящее время в МЧС России уделяется большое внимание проблеме мониторинга экологической обстановки в районах добычи, транспортировки и терминальных пунктов, в связи с необходимостью предотвращения загрязнения грунта нефтью и нефтепродуктами.
На сегодняшний день существует несколько способов проведения мероприятий по исследованию подпочвенного пространства на предмет наличия скрытых утечек жидкого углеводородного топлива, основным из которых является лабораторно-полевой и ландшафтно-геологический метод, основанный на проведении буровых работ и последующим циклом лабораторных исследований с использованием хроматографического и спектрометрического методов определения нефти и нефтепродуктов в почве [1].
Однако все больший интерес приобретает использование средне- и малогабаритных приборов, где индикация паров углеводородных топлив основана на физических, химических и физико-химических методах анализа. К сожалению, большая часть из них может быть реализована в виде громоздких и недостаточно мобильных установок, либо в лабораторных условиях. К недостаткам этих методов также относится высокая стоимость как самого оборудования, так и проведения работ с их использованием.
Перед нами стояла задача разработки метода обнаружения подпочвенных утечек нефтепродуктов, основными требованиями к которому были надежность, оперативность и экономичность. На наш взгляд, отмеченных недостатков лишен предложенный нами термохимический метод индикации взрывоопасных газов и паров жидких углеводородов в почвах.
Как известно, попадая в насыщенную влагой почву, углеводороды мигрируют как не-смешивающиеся с водой жидкости (НВЖ). После первичного поступления и распространения НВЖ дальнейшая их судьба во многом определяется процессами конвективно-диффузионного переноса, испарения, сорбции и растворения [2, 3]. Изменение концентрации
углеводородов как в жидкой, так и в газовой фазе в процессе их фильтрации в почве в случае подпочвенного пролива жидких углеводородов (ЖУВ) описывается системой уравнений:
5с /
H
д1 RН
' D* д-с - и *'
у дz дzJ
дв Н ^ л ^ дG - = -С (*, ,)-£эфф -.
где С - концентрация загрязняющего вещества в жидкой фазе, G - концентрация загрязняющего вещества в паровой фазе, t - время, z - координата, в направлении которой происходит перенос, и - скорость потока вещества, Rн - коэффициент задержки за счет процессов сорбции, Н - константа Генри, R - универсальная газовая постоянная, Dэфф - эффективный коэффициент диффузии газа, Т - температура.
Для проверки модели был произведен расчет распределения концентрации паров УВ в экспериментальной колонне. Сравнение данных лабораторных исследований и расчетов математической модели распространения паров жидких углеводородов в пористой среде почв подтверждает адекватность предложенной математической модели. Главным итогом расчетов стало аналитическое и практическое подтверждение предположения, что при подпочвенной утечке углеводородных топлив пары ЗВ в результате конвективно-диффузионного переноса достигают верхней границы зоны аэрации [4].
Для выполнения задач экспресс-оценки количественного содержания паров ЖУВ в почвенном воздухе зоны аэрации нами был создан опытный образец анализатора газов на основе термохимического датчика.
Сущность метода заключается в измерении теплового эффекта (дополнительного повышения температуры) от реакции окисления горючих газов и паров каталитически активного элемента датчика с дальнейшим преобразованием полученного сигнала.
Испытания анализатора показали хорошую помехоустойчивость при производительности до 10-15 точек замера в час на площади до 1га с одновременным оконтуриванием участка подземного разлива горючего [5].
На рис. 1 представлены результаты комплексного геокартирования нефтегазовой аномалии радиоволновым методом (Н вт - пунктирная линия) и предложенным методом (% об. - сплошная линия, «Поиск»).
Нами проведена оценка эффективности использования газоанализатора «Поиск» по сравнению с методами полного цикла лабораторных исследований и георадарного исследования в системе «стоимость-результат-время». Сравнивая вероятности выполнения задач К поиска мест скрытых утечек нефтепродуктов в подпочвенном пространстве, делаем вывод о том, что:
- газоанализатор «Поиск» имеет наибольшее техническое совершенство, описываемое вероятностью технической подготовленности к выполнению задачи. По сравнению с другими методами обнаружения газоанализатор «Поиск» имеет большую наработку на отказ (8000 часов в год), а также из-за экспрессного характера определения имеет наименьшее время работы;
- из-за простоты исполнения и простоты управления прибором, газоанализатор «Поиск» имеет наибольший показатель степени подготовленности оператора для управления прибором. Так, например, георадар сложен в исполнении, требует от оператора высокой степени подготовленности. Лабораторные исследования проводятся группой специалистов с применением большого количества технических средств.
Применение газоанализатора «Поиск» минимально с точки зрения финансовых затрат. По сравнению со стоимостью полного цикла лабораторных исследований данные затраты снижаются в 30-35 раз. В сравнении с газоанализатором «Поиск» использование георадара дороже в 10-15 раз. Оценка временных затрат позволяет сделать вывод о значительном пре-
имуществе использования газоанализатора «Поиск» перед сравниваемыми методами обнаружения утечек. Одно аналитическое определение в точке занимает всего не более 2-3 минут, тогда как для цикла лабораторных исследований данная величина измеряется десятками минут или даже часов. Общие суммарные временные затраты на проведение работ с использованием георадара также значительно превышают затраты времени при использовании газоанализатора «Поиск».
Рис. 1. Комплексное геокартирование нефтегазовой аномалии
Иллюстрацией предлагаемой методики может служить трехмерный график векторной оценки эффективности выполнения работ по обнаружению мест скрытых подпочвенных утечек (рис. 2).
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, нами были выработаны практические рекомендации по совершенствованию организации и выполнения мероприятий обнаружения мест скрытых утечек жидкого углеводородного топлива (ЖУТ) в подпочвенное пространство, которые позволят более качественно осуществлять на практике работы, связанные с поиском мест подпочвенного нефтепродуктового загрязнения.
Экспресс-методика в определении общего микробного загрязнения
Весь высокоорганизованный органический мир, включая человека, животных и царство растений, обитает в воздушном и водном океане, густо насыщенном микроорганизмами. Микроорганизмы - мельчайшие одноклеточные существа с простейшим ядром и с клеточной стенкой.
Мир микроорганизмов чрезвычайно разнообразен как по видовым и родовым признакам, так и по размерам особей, различающихся друг от друга в сотни и тысячи раз, - от спор, грибов, бактерий до вирусов. В практике санитарно-эпидемиологической службы особое
68
внимание уделяется группе бактерий, поскольку в ней в небольшом количестве присутствуют возбудители инфекционных болезней человека и животных.
Способность бактерий вызывать инфекционные болезни называется патогенностью. Основой патогенности бактерий является их свойство образовывать в организме токсины. Такие бактерии относятся к группе условно-патогенных.
Рис. 2. Векторная оценка эффективности
Обнаружение и установление природы бактерий, выделенных из больных, бактерионосителей или из объектов окружающей среды, входят в сферу деятельности бактериологических исследований, которые проводятся с диагностической целью при инфекционных болезнях, а также при обследовании на бактерионосительство и при определении санитарно-гигиенического состояния объектов окружающей среды.
Основными учреждениями, ведущими санитарно-эпидемиологическую работу, являются государственные санитарно-эпидемиологические станции. Главные задачи этих станций состоят в предупреждении вспышек инфекционных заболеваний и в борьбе с их распространением. В соответствии с этими задачами работа санэпидстанций включает:
предупредительный и текущий санитарный надзор за планировкой и ведением жилищного строительства, по охране атмосферного воздуха от загрязнений выбросами, по охране водоемов от загрязнения бытовыми и производственными водами;
лабораторно-санитарный контроль за качеством питьевой воды и работой водопроводных очистных сооружений;
санитарно-пищевой надзор:
санитарный надзор за больницами, санаториями, детскими учреждениями;
изучение санитарно-эпидемиологического состояния обслуживаемой территории и ее населения;
анализ инфекционной заболеваемости среди населения;
планирование и организация профилактических и санитарно-эпидемиологических мероприятий.
В последние годы в системе охраны здоровья населения и санитарно-эпидемиологического благополучия регистрируется заметное обострение ситуации вследствие растущего общего и бактериального загрязнения воздушной среды, питьевой воды, продуктов питания, помещений и мест наибольшего скопления народа и т.п., а также из-за поя__69
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты
вившейся в последние годы явной угрозы открытых террористических действий с применением как химического, так и бактериологического оружия.
Чрезвычайно тяжелая ситуация с обеспечением населения доброкачественной питьевой водой в большинстве районов России сложилась вследствие использования в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения крайне загрязненных поверхностных водоисточников.
При оценке риска поражения населения недоброкачественной питьевой водой следует учитывать практически повсеместную в Российской Федерации крайне несовершенную технологию очистки воды, связанную со значительным сокращением ассигнований на замену изношенных водопроводных сетей и резким уменьшением обеспеченностью коагулянтами и средствами обеззараживания.
Такая тенденция привела к тому, что в районах потребления плохой питьевой воды сформировались устойчивые зоны развития заболеваемости вирусом гепатита А и острых кишечных инфекций в 2 - 3 раза выше, чем в районах, где используются для водоснабжения защищенные от загрязнений подземные воды. Так, в 1997 году вспыхнуло 112 очагов с острыми кишечными заболеваниями людей, в 2001 году - 155, отчего пострадали десятки тысяч человек.
В основе всех аналитических лабораторных видов микробиологических исследований лежит процесс высевания взятых проб (из воздуха, воды, с твердых поверхностей, из пищевых продуктов, из инфицированных животных и людей) на специально подобранные питательные среды для каждого вида патогенных бактерий.
В процессе оценки санитарно-эпидемиологического состояния объектов окружающей среды (воздушной, водной и твердых поверхностей) и степени их эпидемической опасности на первом этапе, как правило, решаются следующие две основные задачи:
1. Обоснование комплексной санитарно-гигиенической характеристики, основанной на определении численного выражения:
а) общего микробного загрязнения (общего бактериального числа);
б) санитарно-показательных микроорганизмов (индекс бактерий группы кишечной палочки и фекальной кишечной палочки, сальмонелл и др.).
2. Комплексная оценка общего содержания органического вещества в пробе из водной среды, представляющая собой раздел дополнительных санитарно-химических исследований при подозрении на биологическое загрязнение. Она основана на определении содержания аммиака, нитратов, нитритов, биологического потребления кислорода (БПК), окисляемости (ХПК), хлорпоглощаемости, количества растворенного кислорода, массы взвешенных веществ (мутности).
Только после завершения этих двух этапов бактериологические исследования воздушной, водной среды и твердых поверхностей можно переходить в стадию детального изучения каждого выделенного в пробе патогенного микроорганизма.
В процессе санитарно-бактериологического контроля качества и оценки инфекционной опасности продуктов питания применяют одностадийную методику исследования, которая, по мнению профессионалов-микробиологов, представляется "сложной, трудоемкой и, главное, длительной (до 12 дней), что существенно снижает эффективность контроля". По длительности проведения анализов с выделением основных патогенных и санитарно-показательных микроорганизмов этот бактериологический контроль часто превышает сроки реализации многих продуктов, особенно скоропортящихся.
Современные требования обеспечения медико-биологической защиты населения и территорий, оперативного выявления и мониторинга опасных эпидемиологических очагов, а также необходимость проведения в экспрессном режиме всех санитарно-бактериологических исследований при предупреждении или в процессе экстренного подавления вспышек инфекционных заболеваний ставят задачу разработки существенного ускорения применяемых в настоящее время микробиологических анализов совместно с ускоренным выполнением са-нитарно-химических анализов отобранных водных проб в процессе комплексных санитарно-гигиенических и бактериологических исследований и контроля.
Использование методики выполнения химических реакций с воспроизводством люминесцентного эффекта на основе отечественного прибора- анализатора жидких проб ОСЕ-2 позволили нам разработать методику количественного определения общего числа микробных тел в пробе воды, взятой из водоема или полученной методом смыва с твердых поверхностей или со дна чашки после ее экспозиции в воздухе. Этот метод обнаружения в воде и количественного определения в ней числа бактерий сокращает время получения информации по одной отобранной пробе воды с 2-х суток до 10 минут. Это дает возможность осуществления анализа на месте проведения контроля, сводя практически к нулю погрешности, вносимые в отбор, транспортировку, хранение, длительность обработки проб и др. При традиционных методах бактериологических исследований экспрессный метод неприменим в отношении анализа пищевых продуктов. С его помощью нельзя достичь количественного определения наличия общего числа опасных патогенных бактерий отдельно от группы полезных для человека микроорганизмов (молочнокислых бактерий, дрожжевых форм и др.). Для этого вида анализов остается традиционный метод исследования колоний, выросших на питательных средах.
Численное определение общей бактериальной загрязненности водных проб, полученное экспрессным методом с помощью прибора ОСЕ-2, может быть соотнесение с детальной градацией оценки качества воды согласно существующей классификации (например, по Г.В. Хлюпину), что позволяет не только присвоить пробе воды детальную качественную санитарно-гигиеническую характеристику (от "чрезвычайно чистой" до "грязной" с точностью 10-кратного значения интервала по количеству бактерий в 1 мл), но и составить предварительное заключение о возможности присутствия в исследованной пробе воды патогенных (без выделения видов) опасных санитарно-показательных микроорганизмов (бактерии группы Коли, сальмонеллы и др.).
Достаточная надежность такого рода заключения основана на накопленном и обобщенном многолетнем опыте микробиологических исследований, свидетельствующих о практическом отсутствии вредных бактерий в "чрезвычайно чистых " и "чистых водах" (до 10 общего микробного загрязнения в 1 мл), т.е. в пределах санитарно-допустимых норм для питьевой воды, и о значительном загрязнении "грязной" воды санитарно-показательными микроорганизмами (от 105 до 106 и выше общего микробного загрязнения в 1 мл).
Санитарно-химические исследования должны выполняться, в основном, на пробах воды, взятых из поверхностных водоемов, водоисточиков, водонакопителей и др., и в редких случаях из смывов с твердых поверхностей. Эти анализы можно делать наиболее простыми методами (титрованием, калориметрией и т.п.) в полевых условиях с помощью полевой, маршрутной или походной лаборатории, быстро и с достаточной точностью получать информацию о специфическом химическом составе воды, на основании которого в соответствии с имеющимися классификациями вполне допустимо с достаточной достоверностью делать выводы как об общем уровне присутствия антропогенного органического и биологического загрязнения воды, так и о типе и специфике источника, дающего этот вид загрязнения воды, что тесно сопряжено как с общим микробным загрязнением, так и с присутствием в воде недопустимого количества патогенных санитарно-показательных бактерий.
Литература
1. Блинов И.Г., Герасимов В.В., Кошак А.А. Перспективные методы сокращения потерь нефтепродуктов от испарения в резервуарах. - М.: ЦНИИТЭнефтехим. - 1990.
2. Кошак А.А., Блинов И.Г., Новоселов В.Ф. Системы улавливания легких фракций нефти и нефтепродуктов из резервуаров: Учебное пособие. - Уфа, 1991.
3. Пушкин И.А., Лапченко В.Г. Некоторые результаты опытов по изучению движения и трансформации жидких углеводородов в грунте. Предупреждение. Спасение. Помощь. Теория и практика 15 лет в системе МЧС России / Сборник докладов XIV МНПК Академии гражданской защиты МЧС России. Химки (Новогорск): 2007. - С. 152-156.
4. Пушкин И.А., Лапченко В.Г. Экспресс-оценка загрязнения подпочвенного пространства углеводородными топливами / Там же.- С.196-200.
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты
