Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологический мониторинг тригалогенметанов в питьевой воде и воде водоисточника

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологический мониторинг тригалогенметанов в питьевой воде и воде водоисточника"

На правах рукописи

ХАРАБРИН СЕРГЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНОВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ И ВОДЕ ВОДОИСТОЧНИКА (на примере поверхностного и инфильтрационных водозаборов г. Уфы)

Специальности: 03.00.16 - «Экология»

05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2004

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и в муниципальном унитарном предприятии "Уфаводоканал".

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Кантор Евгений Абрамович;

кандидат технических наук Кантор Лев Исаакович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Назаров Владимир Дмитриевич; доктор химических наук, профессор Майстренко Валерий Николаевич.

Ведущая организация Уфимский государственный авиационный

технический университет

Защита состоится «22» декабря 2004 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу:

450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «19 » НОЯБРЯ 2004 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ----Абдульминев К. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время антропогенная нагрузка на природные водоемы, являющиеся источниками для получения питьевой воды, неуклонно возрастает. Наиболее опасными для человека загрязнителями являются различные патогенные микроорганизмы. Поэтому в технологии водоподготовки важнейшая роль принадлежит процессу обеззараживания и, в частности, хлорированию. Однако использование хлора приводит к образованию хлорорганических соединений, доминирующее значение среди которых принадлежит трагалогенме-танам (ТГМ). Последние относятся к токсичным органическим соединениям и отнесены ко II классу опасности. Поэтому знание общих закономерностей образования ТГМ необходимо для обоснованного управления технологией водоподготовки с целью снижения количества ТГМ в питьевой воде.

Основанием для проведения работы явилось Постановление 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 приказ Министерства образования России от 02.11.2001 г. № 3544 "О проведении открытого конкурса на размещение заказов на выполнение работ по реализации федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы" и реализация 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 контракту 1004 от 18.06.2003 г.).

Цель работы - мониторинг состояния воды р. Уфы и питьевой воды в отношении ТГМ с целью выявления общих закономерностей и факторов, влияющих на образование ТГМ для разработки научно обоснованных мероприятий, направленных на снижение концентрации ТГМ в питьевой воде. Задачи исследования:

- мониторинг состояния воды р. Уфы в отношении техногенных органических соединений в створах поверхностного и инфильтрационных водозаборов с целью выявления соединений, влияющих на загрязненность воды р. Уфа;

- мониторинг качества питьевой воды с целью выявления закономерностей изменения концентрации ТГМ на водозаборах различного типа с использованием анализа временных рядов (АВР);

- выявление факторов, определяющих концентрацию ТГМ в питьевой воде на водозаборах различного типа сочетанием метода АВР и корреляционно -регрессионного анализа;

- прогнозирование концентрации ТГМ в питьевой воде на водозаборах различного типа сочетанием метода АВР и корреляционно-регрессионного анализа;

- выявление периодов, в которых возможно снижение концентрации ТГМ в питьевой воде за счет технологических мероприятий в условиях действующего поверхностного водозабора.

Научная новизна

1. Методом теории нечетких множеств проведен мониторинг состояния воды источника питьевого водоснабжения и выявлено, что зимне-весенний период для р. Уфы характеризуется повышенным содержанием техногенных органических загрязнителей I и II классов опасности.

2. Впервые использован АВР для мониторинга ТГМ в питьевой воде поверхностного и инфильтрационных водозаборов. Получено, что вклад в изменчивость временного ряда концентрации ТГМ для поверхностного водозабора определяется главным образом сезонной составляющей. Инфильтрационные водозаборы характеризуются сглаженным, по сравнению с поверхностным, характером образования ТГМ. Случайная составляющая доминирует в изменении количества бромсодержащих ТГМ.

3. Сочетанием корреляционно-регрессионного и АВР выявлены факторы и получены математические зависимости, позволяющие прогнозировать концентрацию ТГМ в питьевой воде на уровне точности методик измерения.

Практическая значимость

показано, что переход от поверхностного водозабора к инфильтрационному от одного водоисточника позволяет снизить концентрацию ТГМ в 2 и более раза;

обоснована возможность снижения концентрации ТГМ в период с мая по октябрь с помощью известных технологий.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции, посвященной 100-летию Уфимского водопровода; VII Международной научно - технической практической конференции при Международной специализированной выставке «Строительство, коммунальное хозяйство, энерго-ресурсосбережение», (г. Уфа, 2003 г.); на конференции, посвященной Международному дню воды «Эколого-водохозяйственные проблемы региона Южного Урала», (г. Уфа, 2003 г.); на II Всероссийской научной INTERNET-конференции http:Wwww.conf.rusoil.net, (г. Уфа, 2003 г.), на шестом международном конгрессе ЭКВАТЕК-2004 (г. Москва, 2004 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей, 8 тезисов докладов.

Структура работы

Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, двух приложений (163 страниц, 21 иллюстрации, 47 таблиц), и библиографии из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана необходимость мониторинга ТГМ в воде источника водоснабжения и в питьевой воде с целью обеспечения современных требований, предъявляемых к качеству питьевой воды. Определены задачи, решаемые в диссертации.

В первой главе (обзор литературы) рассмотрено состояние проблемы загрязнения воды водоисточника ТГМ. Описаны закономерности и факторы, влияющие на образование ТГМ при хлорировании воды. Рассмотрены способы и методы, позволяющие снижать содержание ТГМ в питьевой воде. В обзоре приведены эмпирические зависимости концентрации ТГМ в питьевой воде от показателей качества исходной воды и дозы хлора.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Вторая глава посвящена мониторингу качества воды р. Уфы в отношении техногенных загрязнителей органического происхождения в створах Северного ковшового (СВ) водозабора из поверхностного водоисточника, Изякского (ИВ) и Южного (ЮВ) инфильтрационных водозаборов. Исследования проведены на основании данных аналитического контроля содержания органических соединений в р. Уфе, выполненных МУП «Уфаводоканал» в 1994-2002 гг.

Мониторинг состояния воды р. Уфы по техногенным загрязнителям может быть рассмотрен как многокритериальная задача принятия решения. Поэтому для оценки загрязненности воды р. Уфа органическими веществами использован подход, базирующийся на основных положениях теории нечетких множеств и теории принятия решения. В качестве критерия, который позволяет суммарно оценить не только концентрацию вещества, но и его вклад в общую токсичность воды, нами использован коэффициент суммации.

у1 С факт _ СФАКТ СФАКТ | СФАКТ (1)

мПДК, пдк, пдк2 ■■• пдк» (1)

где С1ФАКТ, ..., С н Ф А к т - фактические концентрации индивидуальных химических веществ; ПДК1,..., ПДКН - предельно допустимые концентрации химических веществ в воде.

Для формализации задач исследования качества воды р. Уфы в отношении органических загрязнителей определены цели и критерии (табл. 1). Решение многокритериальных задач ранжирования проведено в три этапа.

Таблица 1

Цели и критерии задач ранжирования_

Задача 1 Задача 2

Цели Ранжирование временных периодов по степени загрязнения воды органическими веществами Ранжирование органических веществ по степени их влияния на загрязненность воды

Критерии Коэффициент суммации Относительная концентрация вещества-загрязнителя

Этап 1. По каждому критерию для каждого объекта (временной период для задачи 1 или конкретное вещество для задачи 2) строятся функции принадлежности которые характеризуют степень загрязненности временного периода суммарно по органическим веществам или конкретным органическим веществом. Таким образом, каждому объекту ставятся в соответствие К

чисел Чем ближе значение функции принадлежности к 1, тем

загрязненней рассматриваемый временной период.

Этап 2. Решением многокритериальной задачи ранжирования объектов по набору показателей принимаем некое нечеткое подмножество, для элементов которого агрегирующая функция вычисляется по формуле

Этап 3. После вычисления значений агрегирующей функции каждому у -му временному периоду ставится в соответствие единственный числовой параметр ц-*, у' = 1,./У. Упорядочиванием всех объектов в соответствии со значениями этого полученного параметра решается поставленная задача упорядочения по набору признаков.

Таким образом, в качестве решения задачи 1 выступает временной период, который является наиболее загрязненным органическими веществами.

В качестве решения задачи 2 выступают органические соединения, которые существенно влияют на загрязненность воды р. Уфы в рассматриваемый временной период.

Нами проведено ранжирование временных периодов по степени загрязнения органическими веществами как I и II, III и IV классов опасности отдельно, так и по совокупному влиянию органических веществ МУ классов опасности. Каждому месяцу, в соответствии с вычисленным агрегирующим параметром, присвоен ранг от первого до двенадцатого. Более «грязным» месяцам соответствуют высокие значения рангов. Результаты решения задачи ранжирования временных периодов в створах СВ, ИВ и ЮВ показывают (табл. 2), что по сумме органических соединений I и II классов опасности загрязненным является зимне-весенний период. Значения рангов изменяются в пределах от 7 до 12. При этом зимние месяцы имеют достаточно высокие и в некоторых случаях максимальные ранги. Как по совокупному влиянию органических веществ всех классов опасности, так и по веществам I и II классов опасности наиболее «грязным» следует признать январь. Март и апрель - паводковый период, характеризуется высокими значениями рангов - 11 и 10 соответственно. Отмеченные ухудшения характерны для всех створов. Минимальный уровень загрязнения р. Уфы наблюдается в осенне-летний период. Наиболее чистым по сумме органических веществ и веществам I и II классов опасности следует признать август. Низким содержанием органических соединений характеризуются июль, сентябрь, ранги которых соответственно равны 3 и 2. По веществам III и IV классов опасности наиболее «грязным» месяцем является апрель, а наиболее «чистым» - декабрь.

По совокупному влиянию веществ МУ классов и по сумме органических веществ I и II классов опасности значения рангов одинаковые или незначительно отличаются (табл. 2). Это свидетельствует о решающем влиянии на загряз-

ненность воды органических веществ I и II классов опасности. По веществам III и IV классов опасности не наблюдается четких границ между «плохим» и «хорошим» периодами.

Таблица 2

Водозабор Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ЮВ свертка 0,79 0,64 0,71 0,68 0,56 0,41 0,46 0,32 0,54 0,54 0,50 0,47

ранг 12 9 11 10 8 2 3 1 6 6 5 4

ИВ свертка 0,69 0,55 0,72 0,54 0,67 0,71 0,44 0,43 0,39 0,38 0,51 0,48

ранг 10 8 12 7 9 11 4 3 2 1 6 5

СВ свертка 0,59 0,64 0,51 0,70 0,49 0,52 0,45 0,46 0,59 0,43 0,54 0,58

ранг 10 11 5 12 4 6 2 3 9 1 7 8

Итоговая свертка 0,69 0,61 0,65 0,64 0,57 0,55 0,45 0,40 0,51 0,45 0,52 0,51

Итоговый ранг 12 9 11 10 8 7 2 1 4 2 6 5

по органическим веществам 1и2 классов опасности

Водозабор Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ЮВ свертка 0,81 0,61 0,67 0,69 0,60 0,47 0,42 0,34 0,47 0,47 0,61 0,49

ранг 12 8 10 11 7 5 2 1 3 3 8 6

ИВ свертка 0,74 0,46 0,81 0,67 0,67 0,63 0,42 0,43 0,23 0,35 0,53 0,55

ранг 11 5 12 10 9 8 3 4 1 2 6 7

СВ свертка 0,64 0,60 0,51 0,65 0,46 0,57 0,46 0,44 0,59 0,49 0,55 0,52

ранг 11 10 5 12 2 8 2 1 9 4 7 6

Итоговая свертка 0,73 0,56 0,66 0,67 0,58 0,56 0,43 0,40 0,43 0,44 0,57 0,52

Итоговый ранг 12 7 10 11 9 6 3 1 2 4 8 5

по органическим веществам 3 и 4 классов опасности

Водозабор Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ЮВ свертка 0,60 0,70 0,59 0,69 0,45 0,35 0,65 0,44 0,48 0,48 0,41 0,47

ранг 9 12 8 11 4 1 10 3 6 6 2 5

ИВ свертка 0,42 0,61 0,45 0,56 0,55 0,67 0,58 0,54 0,56 0,58 0,55 0,39

ранг 2 11 3 7 5 12 9 4 7 9 5 1

СВ свертка 0,50 0,45 0,48 0,68 0,61 0,54 0,60 0,58 0,58 0,41 0,44 0,53

ранг 5 3 4 12 11 7 10 8 9 1 2 6

Итоговая свертка 0,51 0,59 0,51 0,64 0,54 0,52 0,61 0,52 0,54 0,49 0,47 0,46

Итоговый ранг 4 10 4 12 8 6 11 6 9 3 2 1

Решение задачи ранжирования органических веществ по степени их влияния на загрязненность воды показывает, что характерными загрязнителями воды р. Уфы являются бенз (а)пирен, хлороформ, тетрахлорметан, у - ГХЦГ, метафос, карбофос. В отдельных створах отмечены также 2,4 - дихлорфенокси-уксусная кислота, трихлорэтилен, бромдихлорметан. В целом за весь период наблюдений и по характерным периодам, полученным на основании решения задачи ранжирования периодов, выявлено, что группа приоритетных загрязнителей не меняется (табл. 3).

Максимальные значения рангов (31-36) для соединений, включенных в группу ТГМ, характерны для хлороформа. Однако следует подчеркнуть, что концентрация хлороформа, обнаруживаемая в воде р. Уфе (в среднем 0,3 мкг/дм3)

соответствует вкладу в коэффициент суммации менее 0,015, и не оказывает существенного влияния на качество питьевой воды.

Таблица 3

Ранги органических веществ, существенно влияющих _на загрязненность воды р. Уфы в створах водозаборов_

ИНГРЕДИЕНТЫ

I

I

ИВ

СВ

§ к

Л

о

к «

о т

о §

§ к

Л

о

к «

о т

о §

§

К Л

о

К «

о т

о §

1 Хлороформ

60

35

33

35

32

31

33

33

2 1,2-Дихяорэтан

20

23

24

22

24

27

23

20

3 Тетрахлорметан

6

34

34

34

33

33

34

34

4 Бенз(а)пирен

0,005

33

35

31

35

36

36

36

5 Бромдихлорметан

30

18

25

13

20

29

20

23

6 Бромоформ

100

12

10

7 Дибромхлорметан

30

17

18

16

17

14

15

12

2

9

7

9

8

9

Третья глава посвящена мониторингу загрязнения ТГМ питьевой воды поверхностного (СВ) и инфильтрационных (ИВ и ЮВ) водозаборов.

Суммарное количество образующихся ТГМ нами оценено по содержанию хлора и брома в ТГМ по формулам:

где ТГМ(С1), ТГМ(Вг) - концентрация хлора и брома, содержащихся в ТГМ, в 1 дм3 воды, мкг С1/дм3, мкг Вг/дм3 соответственно, m - содержание вещества в воде, мкг/дм3, М - молярная масса вещества, мкг/моль

Мониторинг проведен на основании данных аналитического контроля за содержанием органических соединений в питьевой воде, выполненных центром аналитического контроля качества воды МУП «Уфаводоканал» в 1994-2002 гг. Из рассчитанных значений образованы последовательности, которые представляют собой временные ряды: по ТГМ(С1) с 1994 по 2002 год (108 значений), по ТГМ(Вг) с 1995 по 2002 год (96 значений). В качестве примера приведены данные для СВ (рис.1) Полученные последовательности изучены методом анализа временных рядов, который позволяет дифференцировать ряд аналитических наблюдений на закономерную, случайную составляющие, а также выделить сезонную компоненту

Для выделения детерминированных составляющих принята аддитивная модель

х,=^+е,=(1г,+с, (4)

где х- элементы временного ряда; 4 - детерминированная составляющая; е, - случайная составляющая; Щ+е1 - тренд-циклическая компонента; — сезонная компонента, 1=1, .... п - порядковые номера элементов временного ряда, соответствующие месяцу.

Так как циклическая компонента с, специально не исследована, тренд-циклическая компонента обозначена й,.

Рис. 1. Временные ряды содержания ТГМ(С1) и ТТМ(Вг) в питьевой воде СВ.

Сезонная декомпозиция проведена с использованием модели (4). В качестве тренда рассмотрено простое скользящее среднее. Для оценки сезонной компоненты рассчитаны сезонные индексы по формуле:

Э; =

ттт'^

X +1

+.)Р

^Ир)-

(5)

Для временных рядов ТГМ(С1) иТГМ(В1) х равняется 7 и 6 соответственно.

Расчет случайной компоненты £, произведен исходя из принятой модели (4).Для полученных последовательностей е, определены среднеквадратичные отклонения (СКО). Вклад компонент в исходные значения ряда рассчитан путем оценки изменений общей суммы квадратов отклонений элементов ряда за счет суммы квадратов отклонений вносимых трендом, сезонностью и случайными колебаниями.

Результаты расчетов показывают, что содержание ТГМ(С1), характеризуемое трендом для поверхностного водозабора, выше, чем для инфильтрацион-

ных в 1,8-3,5 раза (рис. 2). Суммарная доза хлора для поверхностного водозабора также выше приблизительно в 3-4 раза (табл. 4).

О 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 % 102 108

месяц

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Рис. 2. Тренд-циклические компоненты временных рядов ТГМ(С1) в питьевой воде различных водозаборов

Таблица 4

Дозы хлора (детерминированные компоненты) на различных

водозаборах, мг/дм3

Месяц СВ ИВ ЮВ

суммарная доза первичная доза вторичная доза

январь 1,54 0,46 1,14 0,62 0,51

февраль 1,23 0,32 0,94 0,62 0,51

март 1,15 0,35 0,84 0,64 0,49

апрель 1,71 0,45 1,27 0,61 0,49

май 2,24 0,67 1,59 0,71 0,57

июнь 2,61 1,23 1,46 0,63 0,57

июль 2,78 1,42 1,35 0,59 0,60

август 2,56 1,37 1,21 0,62 0,63

сентябрь 2,14 1,08 1,09 0,66 0,56

октябрь 1,82 0,86 0,97 0,63 0,55

ноябрь 1,73 0,55 1,16 0,62 0,56

декабрь 1,70 0,44 1,30 0,61 0,51

ср. значение 1,94 0,77 1,19 0,63 0,55

3,0 - -- — - — — I 2¿ - -СВ-<^ИВ-»-ЮВ

0 б 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 % 102 108

месяц

1994 1995 19% 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Рис. 3.Тренд-циклические компоненты временных рядов доз хлора на различных водозаборах

Увеличение дозы хлора в период t=72... 102 (рис. 3) проявляется в росте тренда содержания ТГМ(С1) (рис. 2), что можно проследить для СВ в период 1=72...102 и для ИВ в период t=68... 102 (август 1999-2002 гг.). Уменьшение дозы хлора приводит к снижению тренда ТГМ(С1) в период t=l.. .24 (рис. 2).

Результаты расчетов детерминированных компонент показывают, что выраженная сезонность во временных рядах ТГМ(С1) наблюдается только на поверхностном водозаборе (рис. 4), что подтверждается высоким значением коэффициента сезонности (табл. 5).

60 . - — - - -I 50 — — — — - - _ ! __ I _ _ , .

с 40 -С8 —ЮВ -о—ИВ--1. —I А. - . -

% 30 _____ _ _ V

20 - — --------Т~ — +"

012 3456789 10 11 12

Месяц

Рис. 4. Детерминированные компоненты временных рядов ТГМ(С1) в питьевой воде различных водозаборов.

Таблица 5

Содержание ТГМ(С1) (детерминированная компонента)

при различных дозах хлора, мкг С1/дм3

Месяц СВ ИВ юв

1,80* 1,86* 1,93* 0,59* 0,63* 0,67* 0,49* 0,55* 0,59*

январь 8,46 15,42 21,18 2,81 6,68 9,95 4,66 5,36 6,97

февраль 5,14 8,85 10,54 3,70 9,14 13,47 3,09 3,59 3,97

март 9,21 9,27 7,47 5,27 8,69 10,41 3,16 3,49 3,46

апрель 8,80 11,83 13,18 5,78 9,16 11,16 5,18 4,69 3,28

май 9,73 14,63 19,79 5,65 10,16 13,41 4,44 5,19 5,44

июнь 32,97 35,95 38,64 7,07 7,70 8,45 6,26 6,28 6,98

июль 31,66 34,37 34,23 4,12 7,01 8,97 5,61 6,43 7,10

август 42,89 51,96 52,86 7,87 9,76 9,57 7,79 7,39 6,10

сентябрь 23,18 33,16 40,21 4,77 7,69 9,17 5,15 5,42 5,12

октябрь 26,24 32,01 39,45 5,24 10,33 14,20 4,41 4,75 5,11

ноябрь 13,80 19,52 21,58 3,34 8,17 12,19 5,36 5,53 5,07

декабрь 10,95 18,13 23,19 3,05 7,36 10,84 3,03 4,26 5,23

сумма значений 223,0 285,1 322,3 58,6 101,9 131,8 58,14 62,38 63,83

среднее значение 18,59 23,76 26,86 4,89 8,49 10,98 4,85 5,20 5,32

Коэф. сезонности 2,0 1,8 1,7 1,0 0,4 0,5 1,0 0,8 0,7

ско 8,3 12,0 14,7 2,9 4,2 4,7 2,0 1,9 1,5

* - среднемноголетняя доза хлора за рассматриваемый период, мг/дм

Максимально сезонные колебания увеличивают концентрацию ТГМ(С1) в зависимости от дозы хлора до 42,9-52,9 мкг С1/дм3 при средней концентрации 18,6-26,9 мкг С1/дм3 (табл. 5). Максимальные концентрации ТГМ(С1) приходят-

ся на период июнь-октябрь (рис. 4) и соответствуют максимуму вторичной дозы хлора (рис. 5).

0123456789 10 11Месяц12

Рис.5. Детерминированные компоненты временного ряда дозы хлора СВ

ИВ и ЮВ по сравнению с СВ характеризуются сглаженными сезонными изменениями концентрации ТГМ(С1) (рис.4), что предопределяет низкий коэффициент сезонности (табл. 5). Максимальные сезонные колебания увеличивают концентрацию ТГМ(С1) на ИВ в зависимости от дозы хлора до 7,87-14,2 мкг О/дм3 при средней концентрации 4,9-11,0 мкг С1/дм3 (табл. 5). На ЮВ концентрация ТГМ(С1) в зависимости от дозы хлора увеличивается до 7,8 мкг О/дм3 при средней концентрации 4,85-5,2 мкг О/дм3. Увеличение дозы хлора проявляется в повышении детерминированной составляющей, снижении коэффициента сезонности, увеличении СКО случайной составляющей процесса (табл. 5) на всех водозаборах. Исключение отмечено по СКО для ЮВ, возможно связано с особенностями анализируемого объекта.

Качество воды ИВ и ЮВ в отношении образования ТГМ(С1) практически одинаково. Отличие в концентрациях ТГМ(С1) на этих водозаборах объясняется большим временем контакта воды с хлором на ИВ, которое обусловливает более высокие дозы хлора (табл. 4). Более высокие дозы хлора на ИВ связаны с тем, что управление процессом хлорирования осуществляется по остаточному хлору в воде, концентрация которого поддерживается постоянной.

Связь между временем контакта, дозой хлора и концентрацией ТГМ(С1) показана на примере ЮВ. Усреднением данных девятилетних наблюдений получено соотношение между концентрацией ТГМ(С1), временем контакта и дозой хлора для ЮВ (рис. 6). Увеличение продолжительности контакта воды с хлором предопределяет необходимость повышения дозы хлора, что повышает концентрацию ТГМ(С1).

Рис. 6. Изменение концентрации ТГМ(С1) на ЮВ в зависимости от дозы хлора и времени контакта

-•-при дозе хлора 0,53 мг/дм3

-♦--при дозе хлора 0,42 мг/дм3

-*-среднее значение

Время контакта в резервуарах чистой воды составляет 0,75 часа, а в резервуарах верхней зоны с учетом времени добегания по сетям составляет 2,5 часа.

Содержание брома в ТГМ(Вг), характеризуемое тренд-циклическими компонентами, практически одинаково для всех водозаборов (рис. 7).

Рис. 7. Тренд-циклические компоненты временных рядов ТГМ(Вг) в питьевой воде различных водозаборов Сезонные увеличения концентрация ТГМ(Вг), по сравнению с изменением концентрации ТГМ(С1), незначительны (табл. 6). Значение коэффициента сезонности показывает (табл. 6), что наиболее выражены сезонные изменения концентрации ТГМ(Вг) на СВ (рис. 9). Концентрация возрастает до 7,35 мкг Вг/дм3 в июле при средней концентрации 3,37 мкг Вг/дм3 (табл. 6).

Рост концентрации в июле-августе, можно объяснить тем, что одним из источников образования бромсодержащих ТГМ являются примеси брома в хлоре1, доза которого в этот период максимальна (рис. 6).

Таблица 6

Содержание ТГМ(Вг) (детерминированная компонента) при различных дозах хлора, мкг Вг/дм 3

Месяц СВ ИВ ЮВ

1,86* 0,63* 0,55*

январь 3,64 2,56 2,48

февраль 2,50 3,33 1,59

март 3,72 3,97 2,40

апрель 2,36 4,83 2,24

май 1,16 4,02 2,56

июнь 2,53 3,58 1,74

июль 7,35 2,39 1,60

август 5,49 3,59 2,47

сентябрь 4,56 3,37 2,65

октябрь 3,95 4,05 2,08

ноябрь 2,55 2,24 2,16

декабрь 2,96 2,87 1,61

Сумма значений 42,77 40,8 25,58

Среднее значение 3,37 3,32 2,05

Коэф. сезонности 1,74 0,76 0,5

ско 3,38 1,48 1,09

среднемноголетняя

доза

хлора,

мг/дм3_

1 Васильева А.И., Вождаева М.Ю., Гагарина Л.Н и др. Источники образования броморганических соединений в питьевой воде (сообщение 2)//Тезисы докладов IV Всероссийской конференции Экоаналитика 2000. - Краснодар, 2000. - С. 282-284.

*

о - - —

0123456789 10 II 12

Месяц

Рис. 8. Детерминированные компоненты временных рядов ТГМ(Вг) в питьевой воде различных водозаборов

На ЮВ максимальная концентрация ТГМ(Вг) отмечена в сентябре (рис. 8), и составляет 2,65 мкг Br/дм3 при среднегодовой концентрации 2,05 мкг Вг/дм3 (табл. 6).Следует отметить, что количество ТГМ(Вг) на ИВ всегда больше, чем на ЮВ (рис. 8), что, по всей вероятности, связано с более высокими дозами хлора на ИВ (табл. 4).

В процессе образования ТГМ(С1) на ИВ при больших дозах хлора и более продолжительном времени контакта преобладает закономерный процесс, доминирующий вклад в общую изменчивость вносит тренд-циклическая составляющая (табл. 7). Для ЮВ большее влияние оказывает случайная составляющая, что можно объяснить непродолжительным временем контакта воды с хлором от точки его ввода до точки пробоотбора. На СВ основной вклад в изменчивость временного ряда ТГМ(С1) вносит сезонная составляющая.

Изменчивость временных рядов ТГМ(Вг) на всех водозаборах, обусловливается случайной компонентой. Высокий вклад случайной составляющей объясняется малой концентрацией бромсодержащих ТГМ в питьевой воде и погрешностью анализа (табл. 7).

Таблица 7

Вклад компонент (%) в изменчивость временных рядов ТГМ(С1) и ТГМ(Вг)

Компонента СВ ИВ ЮВ

ТГМ(С1)

Тренд-циклическая 21,5 52,5 17,0

Сезонная 44,1 3,7 23,0

Случайная 34,4 43,8 60,0

Временной ряд 100,0 100,0 100,0

ТГМ(ВГ)

Тренд-циклическая 12,0 26,1 17,7

Сезонная 17,2 15,3 8,2

Случайная 70,8 58,6 74,1

Временной ряд 100,0 100,0 100,0

Четвертая глава посвящена прогнозированию концентрации ТГМ в питьевой воде на водозаборах различного типа.

Для изучения взаимосвязи ТГМ(С1) с показателями качества питьевой воды проведен корреляционно-регрессионный анализ, на основании которого составлены уравнения регрессии (табл. 8).

Таблица 8

Уравнения регрессии, полученные с использованием временных рядов ТГМ(С1)

Уравнения, значения коэффициентов

Статистические критерии

Я2

Р

Б

(1.1) 64,0 98,0

83,6

75,3

0,0000

0,0000

0,0080 2,70

58,58

7,87

92,0

91,4

0,0000 6,86

0,0022 3,15

0,0000 6,50

0,0000 16,93

0,0000 10,16

0,0026 3,08

126,0 3431

536,9 208,9

152,7

573,6

566,5

Примечаения 1. Дхлом - суммарная доза хлора, ш!т'\ Дхлорль Дхлорм - первичная и вторичная доза хлора соответственно, мг/дм!; ПМОрекл, ПМОрчв - перманганатная оквсмемость воды р. Уфы и питьевой воды соот-

ветственно, мг 02/дм3; Трчв - температура питьевой воды, "С; рНрЕКА» рНрчв - значение рН воды р. Уфы и питьевой воды соответственно, С1ост - остаточный свободный хлор, мг/дм . Здесь и далее Я - коэффициент детерминации, %; р - уровень значимости нулевой гипотезы; I - критерий Стьюденга; Б - критерий Фишера 2. Диапазоны изменения показателей качества вводы для поверхностного водозабора СВ. Дхлора=0,79 . 4,11 мг/дм3; Дхлора|-0,20...1,95 мг/дм3, ДХЛОрд2=0,35...2,4 мг/дм5, ПМОрЕКА=1 ...6,6 мг02/дм3,пм0рч8'0,5...2,8 мг

3 Диапазоны юменения показателей качества воды для инфильтрационньгх водозаборов ИВ, ЮВ: Дхло-рА=0,34...0,93 мг/дм3; ПМОрчвН)^... 1,6 мг02/дм ; Трчв=2... 16, "С; рНрЧв=7,0 ...8,1.

6

{

В качестве зависимых показателей приняты временные ряды концентрации ТГМ(С1) в питьевой воде исследуемых водозаборов. В качестве независимых показателей приняты соответствующие временные ряды окисляемости, температуры, рН, дозы хлора и остаточного хлора на инфильтрационных водозаборах. Технология подготовки питьевой на СВ предполагает двойное хлорирование, поэтому оценено влияние первичной и вторичной доз хлора на процесс образования ТГМ. В связи с чем доза хлора представлена в виде двух временных рядов.

На СВ технологически режим хлорирования назначается в зависимости от показателей качества воды. Первичная доза назначается по остаточному свободному хлору, концентрация которого контролируется перед блоком фильтрования и поддерживается на уровне 0,1 мг/дм3. Вторичная доза хлора назначается по остаточному свободному хлору, концентрация которого поддерживается на уровне 0,3-0,5 мг/дм3 на выходе из резервуаров чистой воды. Необходимо отметить, что определяющим параметром процесса хлорирования является остаточное содержание активного хлора, которое поддерживается постоянным, то есть дозу хлора в

этом случае можно считать интегральным показателем, который учитывает изменение окисляемости, рН и температуры воды. Поэтому процесс образования ТГМ рассмотрен как процесс, зависящий только от дозы хлора. Для установления связи между показателями качества воды и дозой хлора составлены уравнения регрессии, где доза хлора принята как независимый показатель.

Для исключения влияния случайности уравнения регрессии построены с использованием детерминированных компонент временных рядов (табл. 9). Результаты свидетельствуют (табл. 9), что исключение случайной компоненты увеличивается коэффициент детерминации.

Таблица 9

Уравнения регрессии для детерминированных компонент _временных рядов ТГМ(С1)_

Уравнения, значения коэффициентов

Статистические критерии

Я2

Б

ИВ

(1.8) 98,5

708,9

(1.9) 97,5 0,000 22,92

525,2

ЮВ

(1.10) 97,9

508,0

(1.11) 98,4 0,0000 26,24

688,6

СВ

(1.12) 96,7 0,0000 17,93 321,5

(1.13) 97,2 178,5

0,0000 3,41

0,0000 8,39

Необходимо отметить, что при построении уравнений регрессии по детерминированным компонентам временных рядов, полученных с использованием в качестве тренда среднемноголетнего значения, из модели (1.12) исключена вторичная доза хлора, так как коэффициент при этом показателе статистически не значим. Это можно объяснить тем, что сезонные изменения концентрации ТГМ(С1) обусловлены в основном первичной дозой хлора, что подтверждается высокими значения коэффициентов корреляции между ТГМ(С1) и первичной дозой хлора. Временной ряд вторичной дозы хлора плохо коррелирует с временным рядом ТГМ(С1), и поэтому она исключена из уравнения (1.12).

Для исключения фактора сезонности целесообразно рассмотреть помесячно период с 1994 по 2003 год. На основании проведенных расчетов установлено, что вторичная доза хлора также оказывает влияние на образование ТГМ в отдельные месяцы.

Для улучшения точности прогноза выполнена сезонная декомпозиция периода с 1999 по 2002 годы, характеризующегося повышенными дозами хлора. Выбор этого периода обусловлен тем, что дозы хлора, применяемые в рассматриваемый период, соответствуют дозам хлора, применяемым в 2003 году на СВ. На основании проведенных расчетов получены уравнения регрессии с использованием детерминированных компонент для периода с повышенными дозами хлора (табл. 10).

Таблица 10

Уравнения регрессии для детерминированных компонент временных рядов

Уравнения, значения коэффициентов Статистические критерии

Я2 Р 1 Р

СВ

ТГМ(С1)=К8х Л,(ДхлораО+К9х &,(Дхлора2) (1.14) К8=33,67 К9=6,3б 97,68 0,0000 0,0003 12,73 4,09 715,5

Л,(ДхлоРА1)=а8х с11,(ПМ0река)+Р8х <ВД>Екд) (1.15) а.8=0,078 08=0,063 96,7 0,0000 0,0000 5,7 14,3 498,8

<11,(ДхЛ0РА2)=О9Х «адТМОрчв) (1.16) 09=0,88 96,7 0,0000 44,9 2014

На основании полученных уравнений регрессии рассчитаны прогнозные значения концентрации ТГМ(С1) на 2003 год (рис. 9) .

234ЭО/5УШИ месяц 1

Рис. 9. Прогноз концентрации ТГМ(С1) на 2003 год на СВ(а), ЮВ(б)

В связи с тем, что ошибка прогноза концентрации ТГМ(С1), рассчитанная по уравнениям (1.12), (1.13) на ИВ значительно выше, чем для других водозаборов, то для повышения тонности прогноза выполнена сезонная декомпозиция периода с 2000 по 2002 годы, характеризующегося повышенными дозами хлора. Выбор этого периода обусловлен тем, что дозы хлора, применяемые в рассматриваемый период, соответствуют дозам хлора, применяемым в 2003 году на ИВ

На основании проведенных расчетов, получены уравнения регрессии с использованием детерминированных компонент для периода с повышенными дозами хлора для ИВ (табл. 11).

Таблица 11

Уравнения регрессии для детерминированных компонент временных рядов _ТГМ(С1) для ИВ в период с повышенными дозами хлора_

Уравнения, Статистические критерии

значения коэффициентов Я2 Р г Б

ИВ

ТГМ(С1)=КюхЛ,(Дхлора) (1.17) 97,0 357,5

Кю=аюх <ВДШОрчв) аю=30,91 (1.18) 96,7 0,000 18,02 324,6

Рис. 10. Прогноз концентрации ТГМ(С1) на 2003 год на ИВ

(для периода с повышенными концентрациями ТГМ(С1)) Оценка ошибки прогноза проведена с использованием метода анализа временных рядов по формуле:

д=Ь_АХ1оо%

(6)

Формула (6) для оценки ошибки прогноза концентрации ТГМ(С1) примет вид: . (ТГМ(С1)2Ю! ± Л(ТГМ(С1))Р_......(7)

Л = -

ЛС1Ш(С1)Я)

Для оценки влияния случайной компоненты на точность прогнозирования концентрации ТГМ(С1) на различных водозаборах рассчитан прогнозный интервал (ПИ), полученный как сумма и разность детерминированной компоненты и случайной компоненты:

ПИ = (1,±е1 (8)

С учетом того, что в качестве принято СКО временного ряда ТГМ(С1), формула (8) примет вид:

пи=а, ± ско (9)

Отклонение от прогнозного интервала оценено по формуле:

Ав =

(ТГМ(С1)2ТО + ПИ) ск(тгм(С1)2003)

(10)

где ПИ - крайнее значение прогнозного интервала концентрации ТГМ(С1), мкг/дм3.

Таблица 12

Точность прогноза для СВ с учетом случайной компоненты

Месяц Значения ТГМ(С1) за 2003 год, мкг С1/дм3 Расчетные значения ^ ТГМ(С1), мкг С1/дм3 Ошибка прогноза Д,% ско Прогнозный интервал значений ТГМ(С1), мкг С1/дм3 Отклонение Де от прогнозного интервала истинных значений ТГМ(С1), %

январь 23,67 19,66 20,40 9,27 10,39-28,93 в интервале

февраль 13,38 16,52 19,01 5,33 11,19-21,85 в интервале

март 13,46 13,25 1,58 3,29 9,96-16,54 в интервале

апрель 12,63 19,52 35,30 7,32 12,2 - 26,84 в интервале

май 19,55 27,3 28,39 9,53 17,77-36,83 в интервале

июнь 57,17 43,93 30,14 17,66 26,27-61,59 в интервале

июль 69,36 42,43 63,47 15,15 27,28 - 57,58 20,0

август 43,39 39,01 11,23 37,06 1,95-76,07 в интервале

сентябрь 42,12 28,39 48,36 20,47 7,92-48,86 в интервале

октябрь 22,67 20,09 12,84 16,94 3,15-37,03 в интервале

ноябрь 29,63 17,34 70,88 9,12 8,22 - 26,46 12,0

декабрь 22,75 12,75 78,43 10,27 2,48 - 23,02 в интервале

среднее 35,00

Таблица 13

Точность прогноза для ЮВ с учетом случайной компоненты

Месяц Значения ТГМ(С1) за 2003 год,3 мкг С1/дм3 Расчетные значения ^ ТГМ(С1), мкг О/дм5 Ошибка прогао- заД, % СКО Прогнозный интервал значений ТГМ(С1), мкг С1/дм3 Отклонение от прогнозного интервала истинных значений ТГМ(С1), %

январь 4,85 4,84 0,21 1,9 2,94 - 6,74 в интервале

февраль 4,03 4,08 1,23 1,9 2,18 - 5,98 в интервале

март 4,44 3,75 18,40 1,9 1,85-5,65 в интервале

апрель 5,02 3,00 67,33 1,9 1,10-4,90 в интервале

май 7,85 5,51 42,47 1,9 3,61-7,41 6,0

июнь 7,36 6,32 16,46 1,9 4,42 - 8,22 в интервале

июль 7,07 6,41 10,30 1,9 4,51 - 8,31 в интервале

август 5,59 6,42 12,93 1,9 4,52 - 8,32 в интервале

сентябрь 4,86 4,01 21,20 1,9 2,11-5,91 в интервале

октябрь 5,11 4,15 23,13 1,9 2,25 - 6,05 в интервале

ноябрь 3,57 3,45 3,48 1,9 1,55-5,35 в интервале

декабрь 4,33 2,96 46,28 1,9 1,06-4,86 в интервале

среднее 21,95

На основании проведенных расчетов установлено, что ошибка прогноза концентрации ТГМ(С1) в питьевой воде на различных водозаборах в среднем составляет от 22 до 35%. Погрешность методик измерения концентрации веществ,

включенных в группу ТГМ, в зависимости от вида методики измерения, концентрации и типа детектируемого вещества, составляет в среднем 22-50%.

Таким образом, ошибка прогноза соответствует погрешности используемых методик измерения.

Таблица 14

Точность прогноза для ИВ с учетом случайной компоненты

для периода с повышенными концентрациями ТГМ(С1)

Месяц Значения ТГМ(С1)за 2003год, мкг а/ДМ3 Расчетные значения ТГМ(С1), мкг С1/дм Ошибка прогноза Д,% СКО Прогнозный интервал значений ТГМ(С1), мкг С1/дм3 Отклонение ДЕ от прогнозного интервала истинных значений ТГМ(С1),%

январь 22,39 17,80 25,79 4,7 13,10-22,50 интервал

февраль 11,84 15,58 24,01 4,7 10,88-20,28 интервал

март 16,92 13,41 26,17 4,7 8,71-18,11 интервал

апрель 9,15 8,65 5,78 4,7 3,95 - 13,35 интервал

май 9,70 13,85 29,96 4,7 9,15 - 18,55 интервал

июнь 17,98 15,33 17,29 4,7 10,63-20,03 интервал

июль 22,00 16,57 32,77 4,7 11,87-21,27 интервал

август 16,02 17,31 7,45 4,7 12,61 - 22,01 интервал

сентябрь 9,91 13,20 24,92 4,7 8,50-17,90 интервал

октябрь 20,50 13,91 47,38 4,7 9,21 - 18,61 10,18

ноябрь 18,09 14,59 23,99 4,7 9,89-19,29 интервал

декабрь 21,89 13,35 63,97 4,7 8,65-18,05 21,25

среднее 27,46

Результаты проведенных исследований позволяют предложить рекомендации по снижению концентрации ТГМ в питьевой воде.

В настоящее время качество воды, получаемой на водозаборах МУП «Уфаводоканал», отвечает требованиям нормативных документов в отношении ТГМ. Однако с предполагаемым вступлением Российской Федерации во Всемирную торговую организацию Министерством здравоохранения готовятся к пересмотру нормативные документы с учетом гармонизации требований к качеству питьевой воды в соответствии с рекомендациями Европейского союза и Всемирной организации здравоохранения. В связи с чем нормативы на содержание ТГМ в питьевой воде будут изменены. К 2008 г. планируется ввод норм, соответствующих рекомендациям ВОЗ (суммарное содержание ТГМ не должно превышать 100 мкг/дм3). Норматив ВОЗ в пересчете на ТГМ(С1) с учетом данных, приведенных в табл. 15, и формулы (2) составит для ИВ и ЮВ:

Таким образом, содержание ТГМ(С1) в питьевой воде ИВ и ЮВ (по средним значениям детерминированных компонент табл. 5) в 6-13 раз ниже норматива ВОЗ. Дальнейшее повышение барьерной роли инфильтрационных водозаборов без увеличения дозы хлора возможно с применением известных методов. Например, применение УФ-обеззараживания совместно с хлорированием. Это позволит снизить дозу хлора и тем самым добиться снижения концентрации ТГМ в питьевой воде. Снижения количества ТГМ также можно добиться с применением методов, направленных на уменьшение содержания предшественников образования галогенорганических соединений, например, использование мембранной технологии или ее сочетания с сорбционными методами обработки.

Таблица 15

Соотношения между соединениями, включенными в группу ТГМ,

на водозаборах различного типа

Соединение Содержание, %

Инфильтрационные водозаборы Поверхностный водозабор

ИВ ЮВ

Хлороформ 63,3 67,7 84,3

Бромдихлорметан 22,6 19,3 11,2

Дибромхлорметан 9,9 7,6 2,0

Бромоформ 4,3 5,4 2,5

Среднее содержание ТГМ(С1) в питьевой воде СВ (по средним значениям детерминированных компонент табл. 5) ниже норматива ВОЗ в 2,85-4 раза. Однако в отдельные периоды (например, июль-август) возникает возможность существенного повышения концентрации ТГМ, что определяет необходимость повышения барьерной роли сооружений водоподготовки.

Для Северного поверхностного ковшового водопровода в первую очередь необходимо снижать концентрацию ТГМ в питьевой воде в период с июня по октябрь, так как именно в этот период образуется 67,5% от общего количества, образующегося за весь год. Для достижения этого необходимо:

1) повысить интенсивность извлечения органических соединений, предшественников образования ТГМ на стадиях, предшествующих вторичному хлорированию;

2) использование УФ-обеззараживания в сочетании с периодическим первичным хлорированием, что позволит минимизировать первичную дозу хлора в период паводка, так как она главным образом влияет на процесс образования ТГМ в этот период;

3) использование порошкообразного активированного угля (ПАУ) и ультрафильтрации для интенсификации процессов удаления предшественников образования ТГМ.

Для выявления дополнительных закономерностей и факторов в образовании ТГМ для периода июнь-октябрь рекомендуется увеличить частоту проведе-

ния анализов до 1 раза в декаду, что позволит уточнить зависимость образования ТГМ и выявить факторы, обусловливающие этот процесс, повысить точность прогнозирования. Таким образом, снижение количества образующихся ТГМ в указанный период приведет к общему снижению ТГМ в питьевой воде СВ.

ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного мониторинга состояния источника питьевого водоснабжения с помощью метода нечетких множеств установлено:

- вода р. Уфы в зимне-весенний период является более загрязненной относительно летне-осеннего периода по органическим загрязнителям I и II классов опасности;

- состав органических загрязнителей по контролируемым показателям воды р. Уфы принципиально не меняется в летне-осенний и зимне-весенний периоды;

- фоновая суммарная концентрации ТГМ в воде р. Уфа не превышает 0,3 мкг/дм3 и не оказывает существенного влияния на качество питьевой воды.

2. Впервые для мониторинга состояния питьевой воды использован метод анализа временных рядов, с помощью которого из временных рядов ТГМ(С1) и ТГМ(Вг) выделены тренд-циклическая, сезонная и случайная составляющие. Выявлено:

1) Тренд временного ряда ТГМ(С1) на поверхностном водозаборе выше в среднем 1,8-3,5 раза, чем на инфильтрационных. Наибольший вклад в изменчивость временного ряда ТГМ(С1), вносит сезонная составляющая -44,1% при высоких значениях коэффициента сезонности - 1,8. Инфильтра-ционные водозаборы характеризуются сглаженным образованием ТГМ(С1), вклад сезонной составляющей не превышает для ЮВ - 23%, при значении коэффициента сезонности - 0,8; для ИВ - не более 3,7% при значении коэффициента сезонности 0,4.

2) Тренды временного ряда ТГМ(Вг) практически не отличаются для всех водозаборов. Сезонность в образовании бромсодержащих ТГМ проявляется только на поверхностном водозаборе в июле и мае. Случайная составляющая доминирует в изменении временного ряда ТГМ(Вг) на всех водозаборах. Вклад случайной компоненты в зависимости от водозабора составляет 58,6-74,1%.

3. Мониторинг периодов, характеризующихся различными дозами хлора, установленно свидетельствует, что при увеличении дозы хлора увеличивается тренд, снижается значение коэффициента сезонности, увеличивается СКО случайной компоненты.

4. С помощью мониторинга состояния питьевой воды инфильтрационных водозаборов установлено, что вода ЮВ и ИВ в отношении образования ТГМ(С1) мало отличается, о чем свидетельствует подобие трендов, сезонных индексов, качественный и количественный характер компонентного состава

ТГМ(С1) и ТГМ(Вг). Незначительные отличия объясняются разным временем контакта и дозой хлора.

5. На основании мониторинга качества питьевой воды различных водозаборов определено, что отношение хлора к брому, содержащихся в ТГМ, по детерминированной компоненте практически постоянно для всего года и составляет для инфильтрационных водозаборов 2,5, а для поверхностного - 7,1.

6. Сочетанием корреляционно-регрессионного и анализа временных рядов получены математические зависимости и выявлены факторы, главным образом влияющие на процесс образования ТГМ(С1) со значениями коэффициентов детерминации более 94%. Предложены математические зависимости для прогнозирования концентрации ТГМ(С1) в питьевой воде различных водозаборов с ошибкой прогнозирования в среднем 22-35%.

7. Установлено, что на инфильтрационных водозаборах достигнут уровень содержания ТГМ, отвечающий рекомендациям ВОЗ, ввод которых планируется к 2008 году. На поверхностном водозаборе снижение концентрации может быть достигнуто в результате:

- снижения окисляемости питьевой воды за счет интенсификации процессов удаления органических соединений коагуляцией (замена сернокислого алюминия на оксихлорид алюминия), отстаиванием (применение тонкополочных модулей, механическое перемешивание) и фильтрованием (использование мелкозернистых фильтрующих материалов);

- снижения первичной дозы хлора, использования УФ-обеззараживания в сочетании с периодическим первичным хлорированием;

- использования ПАУ в период июнь-октябрь для интенсификации процессов удаления предшественников образования ТГМ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Шаймухаметов Ф.А., Харабрин С.В. Использование мембранных технологий в процессе подготовки питьевой воды//Сборник тезисов докладов научно-технической конференции, посвященной 100-летию Уфимского водопровода. (25-26 июня 2001 г.). - Уфа: Изд-во УГНТУ. - С. 113.

2. Шаймухаметов Ф.А., Харабрин С. В. Использование мембран «Владипор» в различных процессах разделения// Сборник тезисов докладов научно-технической конференции, посвященной 100-летию Уфимского водопровода. (25-26 июня 2001 г.). - Уфа: Изд-во УГНТУ - С. 145.

3. С.В. Харабрин, О.Г. Кантор, Л.И. Кантор, Е.А. Кантор. Оценка сезонных изменений качества воды в водоисточнике// Башкирский химический журнал. -2003.-Т. 10,№1.-С. 87-89.

4. Харабрин С.В., Кантор О.Г., Кантор Л.И., Кантор Е.А. Выявление органических соединений, наибольшим образом влияющих на загрязненность воды р. Уфы// Проблемы строительного комплекса России: Материалы VII Международной практической научно - технической конференции при VII Международ-

24 »2 37 29

ной специализированной выставке "Строительство, коммунальное хозяйство, энерго-ресурсосбережение-2003". - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003 г. - С. 153.

5. Харабрин С.В., Кантор Л.И., Кантор Е.А Основные органические загрязнители реки Уфа// Сборник тезисов, посвященных Международному дню воды "Эколого-водохозяйственные проблемы региона Южного Урала". - Уфа: Изд-во НИИБЖД, 2003. - С. 66.

6. Харабрин А.В., Харабрин С.В., Кантор Л.И., Кантор Е.А., Клявлин М.С. Об изменении мутности, цветности, перманганатной окисляемости и рН воды реки Уфа//Башкирский химический журнал. 2003. - Т. 10. - № 3. - С. 80-81.

7. Харабрин А.В., Харабрин С.В., Кантор Л.И., Кантор Е.А., Клявлин М.С. Сопоставление показателей качества воды реки Уфа по мутности, цветности, окисляемости и рН в створах городских водозаборов//Башкирский химический журнал. - 2003. - Т. 10. - № 3. - С. 82-83.

8. Харабрин С.В., Харабрин А.В., Кантор Е.А, Кантор Л.И. Сезонные изменения концентрации тригалогенметанов на водозаборах разного типа//Сборник тезисов II Всероссийской научной ШТЕЯМЕТ-конференции. - Уфа: Изд-во «Реактив». 2003 - С. 113-114. Ьир:\\^^^'.сопГ.гшоП.пе1:.

9. Харабрин С.В., Харабрин А.В., Кантор Е.А., Кантор Л.И. Влияние дозы хлора на сезонность образования тригалогенметанов на водозаборах разного типа// II Всероссийская научная ШТЕЯКЕТ-конференция: Сборник тезисов. -Уфа: Изд-во «Реактив». 2003. - С.115-116. http:\\www.conf.rusoil.net.

10. Харабрин С.В., Кантор Е.А., Кантор Л.И.. Влияния типа водозабора на сезонные изменения концентрации бромсодержащих тригалогенмета-нов//Сборник тезисов VIII Международной научно-технической конференции при VIII Международной специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство. Энергосбережение - 2004». - Уфа: Изд-во УГНТУ. -Т. 1.-2004.-С 180-181.

11. Кантор Л.И., Харабрин С.В. Выявление особенностей изменения концентрации бромсодержащих тригалогенметанов в питьевой воде двух инфильтрационных и поверхностного водозаборов// Вода и экология. - 2004. - № 1. - С. 7-9.

12. Кантор Л.И., Харабрин С.В. Некоторые закономерности образования три-галогенметанов при обеззараживании воды// Водоснабжение и санитарная техника. -2004. - № 4. - 4.2. - С 45-47.

13. Харабрин С.В., Кантор Л.И. Особенности образования тригалогенметанов в воде инфильтрационных водозаборов// ЭКВАТЕК-2004: Материалы VI международного конгресса. (1-4 июня 2004 г.). М., 2004 - Ч.1. - С. 522-523.

Подписано в печать 17.11.2004. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 1,00. Уч.-изд. л. 0,98. Тираж 90 экз. Заказ № 09 Полиграфия DISETAN, г. Уфа, пр. Октября, 133

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Харабрин, Сергей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНАМИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Источники загрязнения природных вод тригалогенметанами.

1.1.1 Сточные воды, как источники тригалогенметанов.

1.1.2 Влияние атмосферы на содержание тригалогенметанов в водоисточниках.

1.2 Факторы, влияющие на образование тригалогенметанов при хлорировании воды.

1.2.1 Качественный и количественный состав природных органических веществ.

1.2.2 Техногенные органические вещества.

1.2.3 Доза хлорирующего агента и время контакта.

1.2.4 Влияние рН, температуры воды.

1.2.5 Природа хлорирующего агента.

1.2.6 Бромсодержащие тригалогенметаны.

1.2.7 Прогнозирование концентрации тригалогенметанов в питьевой воде

1.2.8 Неорганический состав примесей воды.

1.3 Влияние процессов подготовки питьевой воды на количественный и качественный состав тригалогенметанов.

1.3.1 Обеззараживание и окисление.

1.3.2 Коагуляция, отстаивание, флокуляция, фильтрование.

1.3.3 Прочие технологические процессы подготовки воды.

1.3.4 Влияние различных типов водозаборов.

2 ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ТРИГАЛОГЕМЕТАНАМИ ВОДЫ Р. УФА.

2.1 Постановка задачи и критерии оценки качества воды.

2.2 Решение задачи 1.

2.3 Анализ результатов решения задачи 1.

2.4 Решение задачи 2.

2.5 Анализ результатов решения задачи 2.

3 ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНАМИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ РАЗНЫХ ВОДОЗАБОРОВ.

3.1 Обоснование подхода к расчету содержания тригалогеметанов.

3.2 Сведения из теории временных рядов.

3.3 Анализ автокорреляционных функций и периодограмм временных рядов.

3.4 Анализ результатов, полученных методом сезонной декомпозиции.

3.4.1 Анализ тренд-циклических компонент временных рядов ТГМ(С1).

3.4.2 Анализ тренд-циклических компонент временных рядов ТГМ(Вг)

3.4.3 Анализ сезонных компонент временных рядов ТГМ(С1).

3.4.3.1. Оценка влияния типа тренда на значения сезонных индексов.

3.4.3.2. Оценка сезонности в изменении ТГМ(С1).

3.4.3.3. Оценка сезонности в изменении ТГМ(Вг).

3.5 Оценка влияния времени контакта на концентрацию ТГМ(С1).

3.6 Оценка соотношения ТГМ(С1) к ТГМ(Вг) на разных водозаборах.

3.7 Изучение соотношения между тригалогенметанами на водозаборах разного типа.

3.8 Оценка стабильности сезонных индексов временных рядов.

3.9 Анализ нерегулярных составляющих временных рядов.

3.10 Оценка вкладов различных компонент в общую изменчивость временных рядов.

4 ВЫЯВЛЕНИЕ ФАКТОРОВ, ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ ВЛИЯЮЩИХ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНОВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ.

4.1 Краткие сведения из теории корреляционно-регрессионного анализа.

4.2 Уравнения регрессии для выявления взаимосвязи концентрации ТГМ(С1) и показателей качества воды.

4.3 Уравнения регрессии для выявления взаимосвязи концентрации ТГМ(С1) и показателей качества воды для детерминированных компонент временных рядов.

5 МЕРОПРИЯТИЯ НАПРАВЛЕННЫЕ НА СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТРИГАЛОГЕНМЕТАНОВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ РАЗЛИЧНЫХ ВОДОЗАБОРОВ.

6 ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экологический мониторинг тригалогенметанов в питьевой воде и воде водоисточника"

А

Известно, что галогенорганические соединения обладают высокой токсичностью, являются канцерогенными и мутагенными веществами. В связи с чем, присутствие их в питьевой воде нежелательно. В то же время большое количество разнообразных химических производств невозможно без использования соединений, относящихся к этому классу. В практической деятельности человека широкое распространение имеют полимеры, пестициды, растворители, в * составе которых содержится хлор и бром. В Российской Федерации подавляющее большинство централизованных систем водоподготовки использует воду поверхностных и инфильтрационных водозаборов. Очевидно, что в этом случае существует вероятность загрязнения водоисточника и питьевой воды галоге-норганическими соединениями.

Поскольку в процессах обеззараживания широко используются такие реагенты, как жидкий хлор, гипохлориты натрия и кальция, диоксид хлора, хлорамин и другие, то еще одним источником хлорорганических соединений в пить

V- евой воде являются продукты хлорирования органических соединений аллох-тонного и техногенного происхождения [40].

Из галогенорганических соединений, существенно влияющих на загрязненность природных и питьевых вод органическими веществами, выделяют летучие галогенорганические соединения (ЛГС), и среди них тригалогенметаны (ТГМ) [21, 23, 37, 39, 46, 51, 54]. В группу этих соединений входят хлороформ, бромдихлорметан, дибромхлорметан и бромоформ [1, 38, 52, 62], которые относятся ко второму классу опасности, и имеют низкие значения предельно-допустимых концентраций (ПДК) - 200, 30, 30, 100 мкг/дм , соответственно СанПиН.

В связи с предполагаемым вступлением Российской Федерации в Все-т мирную торговую организацию необходима корректировка требований и нормативов во всех сферах деятельности в соответствии с нормативами Европейского союза.

Пересмотр требований к качеству питьевой воды в соответствии с рекомендациями Европейского союза и Всемирной Организации здравоохранения предполагает введение новых ПДК на содержание вредных соединений в питьевой воде: для хлороформа, бромдихлорметана, дибромхлорметана и бромол форма составят 60, 30, 30, 100 мкг/дм , соответственно. Кроме того, хлороформ и дибромхлорметан переводятся в I класс опасности.

В этой связи, выявление общих закономерностей и факторов, обуславливающих качественный и количественный состав ТГМ в питьевой воде, представляется весьма актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с постановлением 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 с приказом Министерства образования России от 02.11.2001 г. № 3544 "О проведении открытого конкурса на размещение заказов на выполнение работ по реализации федеральной целевой программы "Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы", и реализация 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 контракту 1004 от 18.06.2003 г.).