Новый метод экологического мониторинга поверхностного источника водоснабжения на содержание марганца

Аспирант А.Г. Горюнова, к.х.н. И.В. Росин, д.х.н. С.С. Бабкина

Московский государственный открытый университет

Среди волнующих человечество жизненно важных проблем одно из первых мест занимает проблема охраны окружающей среды. Исключительно большое значение в жизни человека имеет вода. Вода является составной частью биосферы, от которой зависит состояние животного и растительного мира. Она применяется во всех областях народного хозяйства и в быту. В связи с развитием промышленности, ростом городов расход воды все увеличивается. Одновременно усиливается загрязнение воды промышленными и бытовыми отходами, в которых присутствуют токсичные вещества, в частности тяжелые металлы. Это приводит к нарушению естественных процессов самоочищения водоемов, наносит ущерб их обитателям. Для контроля экологического состояния водоисточников актуальна разработка новых экспрессных методов экологического мониторинга.

Одним из основных микроэлементов, влияющих на качество поверхностных, грунтовых и подземных вод, является марганец. В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160 мкг/дм³, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм³, в подземных - n·102 - n·103 мкг/дм³. Для водоемов санитарно-бытового использования установлена ПДК (по иону марганца), равная 0,1 мг/дм³ [4].

Избыточное накопление марганца в организме человека сказывается, в первую очередь, на функционировании центральной нервной системы. Это проявляется в утомляемости, сонливости, ухудшении функций памяти. Марганец является политропным ядом, поражающим также легкие, сердечно-сосудистую и гепатобиллиарную системы, вызывает аллергический и мутагенный эффект. Поэтому содержание марганца в воде строго нормируется, а разработка новых экспрессных и экономичных методов количественного определения марганца актуальна и практически значима.

Для нейтрализации отрицательного воздействия загрязненных вод на здоровье населения была сформирована разветвленная сеть мониторинга, призванная обеспечивать станции водоподготовки информацией о возможных изменениях качества исходной воды. Поэтому работы по созданию «виртуального» мониторинга, основанного на формировании прогнозной информации о качестве поверхностных вод, приобретают особую значимость. Это необходимо для своевременного обнаружения возможного загрязнения водоисточников различными токсикантами, включая марганец, и принятия соответствующих решений по его локализации и ликвидации. Таким образом, целью данного исследования явилась разработка нового экономичного и экспрессного прогнозного метода экомониторинга воды на содержание марганца по данным результатов анализа других основных параметров воды, например, мутности, цветности, показателю кислотности рН, щелочности и т.д.

Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным колебаниям. На рис. 1 изображено сезонное изменение концентрации марганца (С_Mn ) в реке Москве у поселка Рублево. Приведено среднее изменение С_Mn за шесть лет (2003 – 2009 годы).

Рис. 1. Сезонное изменение концентрации марганца в реке Москве у поселка Рублево.

Для решения поставленных задач в течение последних 10 лет проводилось изучение сезонных и годовых изменений основных параметров качества воды на р. Москве у поселка Рублево. Исследовались такие основные показатели качества воды, как, например, содержание марганца, мутность, цветность и ряд других параметров. На основе полученных данных были построены графики сезонных изменений всех исследованных параметров качества воды и проведен их анализ.

В результате проведенных исследований были выявлены корреляционные зависимости между концентрацией марганца в воде и такими основными параметрами качества воды как цветность и мутность. Однако при довольно стабильных корреляционных зависимостях построить графики С_Mn – мутность и С_Mn – цветность для дальнейшего определения по ним концентрации марганца в воде не удается из-за большого разброса точек калибровочных графиков. Причиной этого является постоянное изменение соотношений С_Mn – мутность и С_Mn – цветность во времени, то есть величины этих соотношений зависят от времени отбора проб и проведения определений.

Определения С_Mn выполняли в соответствии с МВИ № 01.1:1.4.2:2.15-05 «Методика выполнения измерений массовой концентрации марганца в пробах природных и питьевых вод, атмосферных осадков и снежных покровов фотометрическим методом с применением фотометра Spectroquant Nova 60» [1]. Показатель мутности воды определяли по ПНД Ф 14.1:2:4.213-05 «Методика выполнения измерений мутности питьевых, природных и сточных вод турбидиметрическим методом по каолину и по формазину» [2], а показатель цветности – по ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности» [3]. Брали отношения данных величин и строили их зависимости от времени. Как показали дальнейшие эксперименты изменения соотношения С_Mn/мутность (рис. 2) и С_Mn/цветность (рис. 3) от времени довольно хорошо описываются уравнениями шестого порядка.

Рис. 2. Зависимость отношения С_Mn/мутность (В) от времени (в месяцах).

Рис. 3. Зависимость отношения С_Mn/цветность (А) от времени (в месяцах).

Как следует из полученных графиков коэффициент вариации R² для первого случая составляет 0,66, а для второго − 0,89.

Таким образом, полученные нами уравнения могут быть использованы для прогнозирования содержания марганца в воде по результатам анализа ее мутности и/или цветности в любой период времени без проведения непосредственного анализа самого марганца. Учитывая устойчивость выявленных закономерностей их использование возможно без какой-либо корректировки, то есть без повторного построения градуировочного графика, в течение 7-10 лет.

Экспериментально установленные зависимости, описанные уравнениями, дают нам возможность определять содержание марганца в воде, не делая анализа. Новый метод является простым, быстрым и надежным методом косвенного ежедневного определения (прогнозирования) содержания марганца в воде источников водоснабжения. Этот метод позволяет увеличить надежность всей системы контроля качества природных вод, более оперативно устанавливать источник возможного их загрязнения марганцем. Новый метод определения концентрации марганца уменьшает расход дорогостоящих реактивов. Все это дает возможность получить положительный экономический эффект.

Литература:

1. МВИ № 01.1:1.4.2:2.15-0505 «Методика выполнения измерений массовой концентрации марганца в пробах природных и питьевых вод, атмосферных осадков и снежных покровов фотометрическим методом с применением фотометра Spectroquant Nova 60». (Свидетельство об аттестации методики выполнения измерений № 01.1.03.320/05) / Федеральное агентство по образованию, «Санкт-Петербургский государственный университет», Научно-исследовательский институт химии.

2. ПНД Ф 14.1:2:4.213-05 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений мутности питьевых, природных и сточных вод турбидиметрическим методом по каолину и по формазину» / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору Москва 2005г.

3. ГОСТ Р 52769-2007 «Вода. Методы определения цветности» / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии Москва 2007г.

4. ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». / Москва Тнорматив 2005г.