Научный журнал
Научное обозрение. Педагогические науки
ISSN 2500-3402
ПИ №ФС77-57475

СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ДЛЯ МЕГАПОЛИСА. МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КАДРОВ

Семенова И.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Московский политехнический университет»
В статье продолжена реализация инновационной методики обучения студентов технических специальностей, разработанная на основе положений федеральной целевой программы «Развитие науки и технологий» на 2014–2020 гг. С целью повышения эрудиции и компетенции будущих специалистов студентам для обучения предлагается дополнительный материал, отражающий последние современные технические решения и технологии, внедренные на передовых европейских и российских предприятиях. В настоящей статье объектом изучения является процесс производства питьевой воды для крупного мегаполиса. На примере Московского региона изложена современная система организации наблюдения и управления водными ресурсами при производстве очищенной воды. Питьевая вода – стратегический продукт. Для обеспечения безопасной жизни в населенные пункты должна постоянно поступать высококачественная вода. Особенностью технологии производства питьевой воды является необходимость учета сильной зависимости состава природных водных источников от антропогенных и климатических условий. Принятая в мире система наблюдения (мониторинга) и управления природными водными ресурсами (СМ ВО) позволяет нивелировать их действия и снижать риски. В статье рассмотрены основные элементы этой системы на примере управления водными ресурсами в Московском мегаполисе. Представлены статистические данные об изменении состава поверхностных вод в результате антропогенных выбросов. Показано, что в 45–50% случаев загрязнения связаны со сбросом в водоемы сточных вод с высоким содержанием азотосодержащих соединений. Приведены экспериментальные данные о составе талых вод, которые образуются весной в результате таяния снега. В талых водах отмечено высокое содержание натрия и повышенные концентрации тяжелых металлов. Показано, что использование в Московском мегаполисе системы наблюдений (мониторинга) и своевременное принятие на основе их данных технических решений позволяет обеспечить получение питьевой воды постоянного минерального состава, независимо от антропогенных и климатических воздействий.
вода
водохранилище
мониторинг
токсичные примеси
анализ
наблюдения
нормативы
автоматические станции контроля
1. Байденко В.И, Селезнева Н.А. Конкурентоспособные образовательные программы: к формированию концепции // Высшее образование в России. 2011. № 5. С. 24–30.
2. Семенова И.В. Инженерно-экологическая система водообеспечения московского мегаполиса. Инновационная методика подготовки инженерно-технических кадров // Научное обозрение. Педагогические науки. 2018. № 4. С. 31–35.
3. Губонина З.И., Семенова И.В. Экология и инновации в технологии неорганических веществ: учеб. пособие. М.: Изд. МГОУ, 2011. 227 с.
4. Семенова И.В., Зыбинский А.М., Зыбина Н.Ю. Адаптация метода масс-спектрального анализа для определения состава воды природных объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2012. № 6 (80). С. 27–29.
5. Данилов-Данильян В.И., Джамалов Р.Г. Водные объекты московской агломерации // Недропользование. ХХI век. 2012. Т. 35. № 5. С. 18–24.
6. Соколова С.А., Федотов А.С., Семенова И.В., Старцева А.И. Разработка эколого-рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) на примере реагента ГИДРО-ИКС для обработки воды // Энергосбережение и водоподготовка. 2005. № 3 (35). С. 35–37.
7. Бюллетень загрязнения окружающей среды Московского региона. М.: Изд. Росгидромет, 2017. С. 19.
8. Иванова Е.И., Семенова И.В. Мониторинг водных природных объектов г. Москвы // Энергосбережение и водоподготовка. 2011. № 1 (69). С. 45–46.
9. Беренбойм Г.М., Венецианов Е.М., Данилов-Данильян В.И. Некоторые научно-технологические проблемы проектирования, создания и функционирования систем мониторинга водных объектов и др. // Вода: химия и экология. 2008. № 2. С. 3–10.
10. Запевалов М.А., Мезенцев Б.М., Семенова И.В., Шаталов Э.В. Автоматические системы гидромониторинга // Методы оценки соответствия. 2013. № 7. С. 28–34.
11. Семенова И.В., Кошелева Л.В., Хорошилов А.В. Хромато-масс-спектрометрическое исследование состава органических примесей в природных коагулянтах // Известия Академии промышленной экологии. 2003. № 1. С. 71–74.
12. Семенова И.В., Зыбина Н.Ю., Щеголева Ю.И. Приоритетные экотоксиканты в природных водах Подмосковья // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. № 3 (83). С. 57–60.
13. Марченко Е.М., Пермяков А.Б., Семенова И.В. Метод водоподготовки для предотвращения накипи и коррозии в системах промышленной энергетики // Энергосбережение и водоподготовка. 2011. № 4. С. 44–48.
14. Хорошилов А.В., Семенова И.В., Тимофеев М.В. Рентгенофлуоресцентная спектроскопия как метод исследования осадков, образующихся в процессе водоподготовки // Известия Академии промышленной экологии. 2003. № 4. С. 61.
15. Сапрыкин А.И., Шелпакова И.В., Чаныщева Т.А., Заксас Н.Н. Некоторые аспекты подготовки проб к атомно-эмиссионному, спектральному и масс-спектральному определению микроэлементов // Журнал аналитической химии 2003. Т. 58. № 3. С. 273–279.

После подписания Болонского соглашения Россия вошла в единое европейское образовательное пространство, объединенное общими принципами формирования процесса. Основной целью такого процесса является подготовка всесторонне образованных специалистов, сочетающих хорошие технические знания с возможностью анализа и принятия решений в нестандартных условиях. Для реализации этого положения в системе высшего профессионального образования России созданы возможности для разработки и практического использования различных конкурентоспособных образовательных программ [1].

Цель работы: реализация инновационной методики подготовки квалифицированных кадров и адаптирование для подготовки инженеров различных специальностей [2].

Предложен материал, который отсутствует в классических учебниках. На примере крупнейшего мегаполиса мира – Московского региона Российской Федерации – рассмотрена система наблюдения и принятия решений по управлению водными ресурсами при подготовке питьевой воды.

Материалы и методы исследования

Использована авторская методика написания учебной литературы на основе современных исследований и технологий, применяемых в отечественной и зарубежной промышленности [3]. Проведено экспериментальное исследование состава талой воды, полученной в различных районах г. Москвы, методом масс-спектрометрии с индуктивносвязанной плазмой [4]. Использованы методы статистического анализа при обработке данных по составу природной и питьевой воды.

Результаты исследования и их обсуждение

Показатели качества питьевой воды. Для обеспечения безопасной жизнедеятельности вода в заданном объеме и надлежащего качества должна непрерывно подаваться в населенные пункты [5]. Качество питьевой воды оценивают по соответствию её состава показателям, разработанными рядом стран и организаций – Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), агентством по охране окружающей среды (США), Европейским союзом (директивы ЕС), аккредитованными организациями по разработке ПДК в России [6]. В таблице приведены некоторые показатели качества воды, принятые в разных странах. Как следует из данных таблицы, значения нормативов сопоставимы между собой. По сравнению с мировыми стандартами в России допускают только более высокое содержание алюминия в питьевой воде.

Некоторые показатели качества питьевой воды по стандартам ряда стран и организаций

Элемент

ВОЗ

USEPА

(США)

ЕС

(Европа)

СанПин 2.1.4.2580-10.

Россия

Вода Москвы-реки

Минерализация

(сухой остаток), мг/л

1000

500

1500

1000

243

Нефтепродукты, мг/л

     

0,3

0,08

Железо (суммарно), мг/л

0,3

0,3

0,2

0,3

0,335

Алюминий, мг/л

0,2

0,2

0,2

0,5

0,05

Медь, мг/л

0,02

0,02

0,01

0,01

0,01

Нитраты, мг/л

50

45

50

45

4,98

Нитриты, мг/л

3

3,5

0,5

3,0

0,02

ОМЧ (общее микробное

число), КОЕ

 

50

10

не более 50

244

Примечание. ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения. USEPA – Агентство по охране окружающей среды США (U.S. Environments Protection Agency). ЕС – Европейское сообщество (European Community, EC).

Характеристика природной воды Московского региона. Водоснабжение Московского мегаполиса осуществляется из поверхностных источников Москворецко-Вазузской и Волжской систем, которые расположены на территории трёх областей – Московской, Тверской и Смоленской [2, 5]. По значению удельного комбинаторного индекса (УКИЗВ) загрязненность воды на отдельных участках Московского тракта меняется от оценки «загрязненная» до оценки «грязная» [7]. Многолетние наблюдения за составом воды в черте города подтверждают высокое бактериальное загрязнение Москва-реки. Mикробиологические показатели исходной воды значительно превышают нормативные требования, предъявляемые к питьевой воде (таблица). Одновременно существует ряд показателей качества поверхностной воды, которые в стационарных условиях слабо подвержены сезонным колебаниям. Минерализация (общее содержание растворимых твердых веществ) незначительно меняется по сезонам года и обычно не превышает 300 мг/л.

Содержание тяжёлых металлов ниже значений ПДК. Незначительные сезонные колебания их концентраций практически не меняют существующего фона. Исключение составляет содержание железа, его средняя концентрация в водоемах составляет 1,1–1,3 ПДК, и увеличивается в половодье. Концентрация нефтепродуктов составляет в среднем 0,04–0,05 мг/л, что в 6–7 раз ниже значений ПДК для воды. Экстремальные ситуации в водоёмах возникают при несанкционированных сбросах неочищенных стоков и в период паводков.

Управление водными ресурсами. Охрана природных вод от влияния антропогенных и климатических факторов относится к числу актуальных вопросов, связанных с безопасностью населения мегаполисов. В 1970-х гг. в Европе для управления природными ресурсами была создана система наблюдений и принятия решений (СППР, DSS – Decision Support System). Одним из подклассов этой системы является мониторинг качества воды и управление водными объектами (СМ ВО). В Московском регионе по этому принципу создан програм- мный комплекс «Река Москва». Он включает в себя три составляющих – проведение мониторинга качества воды, передачу данных анализов в центр управления и их обработку в центре управления для принятия решений по минимизации экологических рисков для окружающей среды [7, 8]. Мониторинг представляет собой сложную систему наблюдения и контроля. Для выполнения поставленной задачи места контроля качества воды должны быть географически обоснованы, время проведения анализов минимизировано. В ОАО «Мосводоканал» создана и хорошо отработана система мониторинга. Контроль организован на всём пути следования воды. Показатели качества воды фиксируются постоянно на станциях автоматического контроля или определяются в ручном режиме службой «Мосводоканала». Все данные анализов поступают в информационную систему «Аналитик + Лаборатория Водоканала» с удобным интерфейсом, разработанную в соответствии с ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». Полученные данные дают возможность скоординировать водохозяйственные мероприятия, не допустить катастрофических явлений на трёх взаимосвязанных системах, питающих Московский мегаполис [7], и обеспечить его устойчивое снабжение качественной питьевой водой. Автоматический контроль осуществляется в автономных, полностью автоматизированных комплексах. Автономная станция контроля качества воды состоит из приемной части, которая включает в себя анализирующие, регистрирующие и передающие устройства. Автоматические станции могут быть выполнены в двух вариантах. В первом варианте измерение параметров воды происходит непосредственно в водоёме. Вода равномерно проходит через приемные камеры, размещенные на определенной глубине. Анализирующий блок улавливает сигналы датчиков и преобразует их в сигнал для автоматической регистрации. Передающее устройство передает информацию по линиям связи на центральный пульт. В другом варианте автоматического контроля насосы осуществляют забор воды из поверхностного источника. Она поступает в измерительный блок, расположенный на берегу. Результаты измерений поступают на блок аппаратуры передачи данных и далее в центр сбора и обработки информации. Автоматические станции контроля определяют 8–11 показателей, повторность измерения которых составляет до 48 раз в сутки. В автоматическом режиме определяют обобщенные показатели состояния водоёма – температуру, водородный показатель, величину окислительного потенциала, электропроводность и др. Используют в основном электрохимические методы анализа. Для изменения применяются многоканальные автоматические анализаторы АМА-201, АМА-201М, АМА-202. Станции могут работать автоматически без присутствия персонала до 15 дней.

В Московском регионе по пути следования воды установлены 7 станций автоматического контроля [7–9]. Группа ученых из Москвы [9] и Обнинска [10] разработала научные основы и накопила большой практический опыт по работе автоматических станций. Цикл работ этих авторов может быть рекомендован для изучения и углублённой подготовки студентов [5, 6, 9, 10]. Передвижные лаборатории используются для экстренного анализа воды в местах аварийного сброса, или для проведения планового контроля в пунктах, не оборудованных автоматическими установками. При плановой работе анализы проводят 1–2 раза в неделю. В передвижных лабораториях могут быть определены до 30 показателей качества воды. Измерительные приборы монтируют на базе транспортных средств. Анализы проводят в автоматическом и ручном режимах, используя электрохимические, фотокалориметрические и химические методы анализа. В системе «Мосводоканала» по тракту движения воды оборудовано около 40 пунктов для забора проб воды. Стационарные лаборатории расположены на всем пути следования природной воды, на станциях водоподготовки и в контрольных пунктах города. В Московском мегаполисе от верховий водоисточников до водозабора на станциях водоподготовки расположено около 140 пунктов контроля. Воду ежедневно анализируют по 15–20 показателям. Анализ питьевой воды в городской распределительной сети осуществляют аккредитованные отделения Центра контроля качества воды г. Москвы. Общее количество отбора проб – более 120. Ежедневно проводят до 4 тысяч определений физико-химических показателей, до четырёхсот – бактериологических и до трёхсот – гидробиологических анализов. В экстремальных случаях возникает необходимость «расшифровки» неизвестного вещества в составе водных природных объектов. Такие анализы являются сложными. Их проводят с использованием современного оборудования и физико-химических методов анализа – масс-, атомно-адсорбционной или атомно-эмиссионной спектроскопии [4], ионной и жидкостной хроматографии [11–13]. При подборе научных публикаций для обучения студентов следует обратить особое внимание на чистоту постановки эксперимента. В статьях должен быть обоснован выбор метода анализа, который зависит от фазового состава примеси. Дополнительно в зависимости от характера природной среды должна быть разработана методика проведения выбранного метода анализа [14, 15]. В г. Москве для проведения анализа в сложных природно-антропогенных условиях создан независимый российско-французский центр контроля качества воды «Роса».

Работа системы СМ ВО Московского мегаполиса в экстремальных условиях. Экстремальные условия при подготовке питьевой воды возникают в период таяния снега и при несанкционированных сбросах неочищенных стоков. В первом случае образуется большая масса талой воды, которая по своим показателям отличается от качества воды в Москве-реке. В талой воде мегаполиса было обнаружено 11 токсичных элементов тяжелых металлов в концентрациях, превышающих значение ПДК (4). Ряд элементов – натрий, калий, магний, кальций и др. – хотя и имели значения концентраций в пределах ПДК, но эти значения были выше, чем в природной воде. На рисунке приведены данные для 4-х элементов – натрия, железа, меди и свинца.

semen1.tif

Относительное содержание элементов в талой воде

Для удобства анализа значения ПДК для каждого элемента приняты за единицу (левый столбец). Далее, средний столбец показывает содержание этого элемента в Москве-реке по отношению к ПДК, а правый столбец – содержание элемента в талой воде по отношению к ПДК. В талой воде значения концентраций элементов по отношению к их концентрации в природной воде были превышены: натрия – в 8 раз, железа – в 2 раза, меди – в 45 раз, свинца – в 12 раз. В мегаполисе талую воду не сбрасывают в реку, снег вывозят на очистные сооружения. Ежегодно в Московской акватории фиксируется 320–360 случаев высокого антропогенного загрязнения воды (7). 72–75 % из них – это превышение содержания соединений азота, что свидетельствует о поступлении в природные водоемы неочищенных хозяйственно-бытовых стоков, в основном из подмосковных городов. В 20 % случаев отмечался повышенный сброс органических веществ. Особую опасность представляет поступление в водоемы токсичных органических веществ промышленного производства – пестицидов и гербицидов, лекарств, СПАВ. Сброс неочищенных стоков с повышенным содержанием металлов был отмечен в 3,5 % случаев.

Заключение

Поверхностные водные источники периодически подвергаются антропогенным и климатическим возмущениям, во время которых концентрации отдельных компонентов многократно возрастают. Для сохранения качества питьевой воды в процесс её подготовки должны быть включены технические решения по регулированию состава природных источников. На примере Московского мегаполиса изложена современная система организации наблюдения и управления водными ресурсами. Показано, что основанные на данных мониторинга, скоординированные водохозяйственные мероприятия, проводимые в рамках взаимосвязанных водных систем, позволяют обеспечить устойчивое водоснабжение города качественной питьевой водой. С целью повышения эрудиции и компетенции будущих специалистов в области водоподготовки изложенный материал предлагается для обучения студентов.


Библиографическая ссылка

Семенова И.В. СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРИРОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ДЛЯ МЕГАПОЛИСА. МЕТОДИКА ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КАДРОВ // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2019. – № 1. – С. 39-43;
URL: https://science-pedagogy.ru/ru/article/view?id=1795 (дата обращения: 23.04.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674