Приборы и средства контроля за природной средой

С. М. Чудновский 
О. И. Лихачева 
 
 
 
ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ  
ЗА ПРИРОДНОЙ СРЕДОЙ 
Учебное пособие 
2-е издание
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 502.002.56(075) 
ББК 34.9я73 
        Ч-84 
Рецензенты: 
А. Г. Гудков - кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения  
и водоотведения Вологодского государственного университета; 
О. Б. Волошина - директор ООО «Росэко»; 
А. И. Дурягин - директор ООО «РАЦИО» 
 
 
Чудновский, С. М., Лихачева, О. И. 
Ч-84           Приборы и средства контроля за природной средой : учебное пособие /  
С. М. Чудновский, О. И. Лихачева. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2019. - 152 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0351-1 
 
 
Изложены основные сведения о приборном и лабораторном контроле состояния окружающей природной среды. Представлены новые способы и приборы контроля. 
Для студентов, обучающихся на экологических направлениях. Может быть 
полезно инженерно-техническим работникам, осуществляющим контроль  
за состоянием природной среды, а также широкому кругу читателей, интересующихся экологией. 
УДК 502.002.56(075) 
ББК 34.9я73 
 
Издание подготовлено к печати в авторской редакции 
Подписано в печать 27.01.2019. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. 
Гарнитура «Таймс». Тираж 1000 экз. Заказ № 802
Семен Матвеевич Чудновский, Ольга Ивановна Лихачева
  Приборы и средства контроля за природной средой
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ИНФРА-ИНЖЕНЕРИЯ»
Тел.: 8 (800) 250-66-01          Е-mail: booking@infra-e.ru           https://infra-e.ru
 
Издательство приглашает к сотрудничеству авторов 
научно-технической литературы
 
 
ISBN 978-5-9729-0351-1        ‹ Чудновский С. М., Лихачева О. И., 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 

ВВЕДЕНИЕ
Решающую роль измерительной техники подчеркнул великий русский
ученый Д.И.Менделеев: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять". Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и
характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и
вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX - начало
XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина XX в. – 50-е годы) к
информационно-измерительным системам. Конец XIX в. характеризовался
первыми успехами радиосвязи и радиоэлектроники. Ее развитие привело к
необходимости создания средств измерительной техники нового типа, рассчитанных на малые входные сигналы, высокие частоты и высокоомные входы. В этих новых средствах измерительной техники использовались радиоэлектронные компоненты – выпрямители, усилители, модуляторы и генераторы (ламповые, транзисторные, на микросхемах), электронно-лучевые трубки (при построении осциллографов) и другие. 
Современное
аналитическое
приборостроение
базируется
на
использовании тонких физических и физико-химических процессов и явлений. 
Реализация многих современных приборов связана с применением новейших
достижений технической кибернетики и электроники, разнообразных материалов, специальных технологий. Это позволяет обеспечить регулярный и
надежный контроль за состоянием основных компонентов природной среды: 
воды, атмосферного воздуха и почвы. 
Вода – это вещество, которое определяет жизнедеятельность человека
практически во всех ее сферах. Поэтому проблемы воды касаются всего человечества. Запасы природной воды не беспредельны. При этом вода, используемая людьми, должна иметь качество, соответствующее виду ее использования
и требованиям органов здравоохранения. Использованная вода, возвращаемая
в окружающую среду, не должна вредить этой среде. Поэтому контроль качества воды является насущной проблемой, без решения которой невозможно
эффективно осуществлять природоохранные мероприятия, производить очистку природных и сточных вод, внедрять экологически чистые технологии. К
сожалению, в настоящее время эти вопросы еще не решаются должным образом. Так, например, управление качеством водных объектов России не отвечает требованиям инженерной экологии из-за плохой организации контроля и
недостаточного оснащения контролирующих организаций современными приборами и оборудованием. В настоящее время  98 % городского населения и
64% сельского имеют централизованное водоснабжение. При этом каждый
второй житель России вынужден использовать воду, не соответствующую по
ряду показателей гигиеническим требованиям, и 80% всех болезней вызвано
именно употреблением некачественной питьевой воды [1, 58]. 
В пособии использованы публикации, связанные с проблемами контроля состояния природных и сточных вод, атмосферного воздуха, почв, мониторинга водохозяйственных и других сооружений, приводятся сведения о новых способах контроля
и измерительных устройствах, разработанных специалистами Вологодского государственного  университета. 
3

1. ЗАДАЧИ, ЦЕЛИ И ПРЕДМЕТ КУРСА «ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА
КОНТРОЛЯ ЗА ПРИРОДНОЙ СРЕДОЙ»
В результате освоения данной дисциплины студент должен: 
знать: задачи, цели и предмет дисциплины; организацию контроля качества воды; современные системы водного мониторинга; критерии качества
воды; понятия и определения, используемые в измерительной технике; основные характеристики средств измерений; приборное измерение прямых показателей качества воды; структуру измерительных систем, их классификацию;  контроль качества питьевой воды; правила эксплуатации контрольноизмерительных приборов.   
уметь: пользоваться фотоэлектроколориметрами и нефелометрами; 
измерять мутность, цветность, рН, редокс-потенциал воды. 
владеть: навыками пользования  пробоотборниками;  методами работы
спектральных приборов;  навыками использования ветромеров, флюгеров, 
анемометров, анеморумбометров, барометров, барографов, психрометров, 
гигрометров, альбедометров, современными технологиями седиментационных экспресс-анализов воды; методиками анализа электрокинетических показателей воды; методами выполнения кондуктометрического и седиментационного анализов воды. 
2.
СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ
Для освоения  данной дисциплины как последующей необходимо  изучение
следующих
дисциплин: 
экологическое
нормирование, 
экологоэкономическая оценка природных ресурсов, математика, физика, химия, экология, почвоведение, охрана окружающей среды, основы научных исследований, обследование, мониторинг и экологическая оценка территорий, геоэкологический мониторинг. 
Требования к «входным» знаниям, умениям и готовности студента, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате
освоения предшествующих дисциплин, включают следующее: 
знать: понятие о качестве окружающей среды и экологическом состоянии территорий; кадастры природных ресурсов; виды загрязнения природной
среды; экологические нормативы и стандарты. 
уметь: вычислять производные и интегралы, решать дифференциальные уравнения; количественно описывать реакции превращения веществ; вычислять показатели гидрологического режима водотоков.  
владеть: социальными методами оценки природных ресурсов; методами и средствами измерения физических величин, решения алгебраических
уравнений (систем), дифференциальных уравнений; методами аналитической
4

геометрии, теории вероятности и математической статистики; методами расчета основных характеристик годового стока и внутригодового распределения; методами и приборами измерения уровней и глубин воды, скоростей течения, расходов воды, речных наносов. 
3. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Все термины и определения, относящиеся к водным объектам, стандартизованы [2, 3]. Для каждого понятия установлен один термин (таблица 1). 
Эти термины обязательны для применения в документации всех видов, а также в научно-технической, учебной и справочной литературе. 
Таблица 1 
Термин
Определение
Водопотребление
Потребление воды из водного объекта или систем водоснабжения
Норма водопотребления
Установленное количество воды на одного жителя или условную единицу, характерную для данного производства
Водохозяйственная
система
Комплекс взаимосвязанных водных объектов и гидротехнических сооружений, предназначенных для обеспечения
рационального использования и охраны вод
Автоматизированная система управления, предназначенная
для выработки и реализации управляющих воздействий на
водоохранный комплекс в соответствии с принятым критерием управления
Автоматизированная
система управления  
водоохранным комплексом (АСУ ВК) 
Качество воды
Характеристика состава и свойств воды, определяющая
пригодность ее для конкретных видов водопользования
Признак,
характеризующийся
наименьшей
безвредной
концентрацией вещества в воде
Лимитирующий признак
вредности вещества в
воде
Регулирование качества
воды
Воздействие на факторы, влияющие на состояние водного
объекта, с целью соблюдения норм качества воды
Водопользование
Использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства
Государственный
водный кадастр
Систематизированный свод данных учета вод по количественным и качественным показателям, регистрации водопользователей, а также данных учета использования вод
Автоматизированная система управления для сбора и распределения данных о качестве воды и предупреждения о
нарушении норм ее качества
Автоматизированная
система контроля
качества воды АСК КВ
Зона санитарной
охраны
Территория и акватория, на которых  устанавливается особый санитарно-эпидемиологический режим для предотвращения ухудшения качества воды источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения и охраны водопроводных сооружений
Сточные воды
Воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека
Норма состава сточных
вод
Перечень веществ, содержащихся в сточных водах, и их
концентрации,
установленные
нормативно-технической
документацией
5

Продолжение табл. 1 
Обработка сточных вод
Воздействие на сточные воды с целью обеспечения их необходимых свойств и состава
Очистка сточных вод
Обработка сточных вод с целью разрушения или удаления
из них определенных веществ
Обеззараживание
сточных вод
Обработка сточных вод с целью удаления из них патогенных и санитарно-показательных микроорганизмов
Нормативно-очищенные
сточные воды
Сточные воды, отведение которых после очистки в водные
объекты не приводит к нарушению норм качества воды в
контролируемом створе или пункте водопользования
Повторное
использование воды
Использование отводимых объектом сточных вод для водоснабжения
Предельно допустимый
сброс вещества в водный
объект (ПДС) 
Масса вещества в сточных водах, максимально допустимая
к отведению с установленным режимом в данном пункте
водного объекта в единицу времени с целью обеспечения
норм качества воды в контрольном пункте.
Загрязняющее воду
вещество
Вещество в воде, вызывающее нарушение норм качества
воды
Микробное загрязнение
вод
Загрязнение вод в результате поступления патогенных и
санитарно-показательных микроорганизмов
Состояние водного
объекта
Характеристика водного объекта по совокупности его количественных (расход воды, скорость течения, глубина
водного объекта, температура воды, рН, БПК и др.) и качественных показателей применительно к видам водопользования
Ассимилирующая способность водного
объекта
Способность водного объекта принимать определенную
массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе или пункте водопользования
Евтрофирование вод
Повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов
Цветение вод
Массовое развитие фитопланктона, вызывающее изменение окраски воды
Вода питьевая
Вода, в которой бактериологические, органолептические
показатели и показатели токсических химических веществ
находятся в пределах норм питьевого водоснабжения
Стратификация водного
объекта
Наличие внутри водной массы слоев, характеризующихся
разной плотностью, температурой, солесодержанием, а
также разным содержанием кислорода или биогенных элементов
Дестратификация
водного объекта
Перемешивание слоев воды в водоеме или резервуаре, приводящее к устранению стратификации
Проба воды
Определенный объем воды, отобранный для исследования
ее состава и свойств
Точечная проба воды
Проба воды, получаемая однократным отбором необходимого объема воды в точке отбора проб
Составная проба воды
Две или более проб воды или их частей, смешиваемых в
заданных пропорциях
Точка отбора пробы
воды
Зафиксированное местоположение отбора пробы воды
6

Окончание табл. 1 
Пробоотборник
Устройство, используемое для отбора проб воды
Консервация пробы
воды
Добавление химического вещества и (или) изменение физических условий для уменьшения возможных искажений определяемых показателей в период между моментом отбора
пробы воды и ее исследованием
Взвешенные вещества
в воде  
Вещества, выделенные из воды путем фильтрования и (или) 
центрифугирования
Общее содержание
примесей в воде  
Общее количество растворенных и взвешенных веществ в
воде
Удельная электропроводность воды
Электропроводность единицы объема воды
Перманганатная
окисляемость
Химическое потребление кислорода при обработке пробы
воды перманганатным ионом при определенных условиях
Бихроматная окисляемость
Химическое потребление кислорода при обработке пробы
воды бихроматным ионом при определенных условиях
Остаточный хлор
Хлор, остающийся в воде после хлорирования в виде свободного или связанного хлора или в обоих видах сразу
Свободный хлор
Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты или (и) гипохлорит-иона
Фенольный индекс
Массовая концентрация фенолов в воде, вступающих в реакцию с 4-аминоантипирином и в определенных условиях образующих с ним окрашенные соединения
Донные отложения
Донные наносы и твердые частицы, образовавшиеся и осевшие на дно водного объекта в результате внутриводоемных
физико-химических и биохимических процессов, происходящих с веществами как естественного, так и техногенного
происхождения
Планктон
Сообщество организмов, состоящее из растений и животных, 
взвешенных в толще воды и дрейфующих с ее потоками
Макрофиты
Высшие водные растения
Водоросли
Группа одно- или многоклеточных низших водных растений, 
включая цианобактерии
Водные сапрофитные
микроорганизмы  
Гетеротрофные микроорганизмы, использующие для питания органические вещества, в том числе продукты жизнедеятельности и останки организмов
Общее микробное
число  
ОМЧ: Общее число мезофильных аэробных и факультативно
анаэробных микроорганизмов, способных образовывать колонии на питательном агаре при температуре 37°С в течение
24 ч, видимые с увеличением в два раза.
Индикаторные микроорганизмы  
Условные группы микроорганизмов, присутствие которых
свидетельствует о наличии антропогенного загрязнения и
(или) недостаточной очистке воды
Санитарнопоказательные микроорганизмы  
Индикаторные микроорганизмы, свидетельствующие о возможном фекальном загрязнении и потенциальной опасности
присутствия в воде возбудителей инфекционных заболеваний
Колифаги
Бактериальные вирусы, способные лизировать Е. coli и формировать при температуре 37 °С через 18-24 ч зоны лизиса
на питательном агаре.
7

4. СЕРТИФИКАЦИЯ ВОДЫ
Вода – это химическое соединение, которое встречается в природе во
множестве состояний, и, по мнению многих ученых, является основой существования жизни на нашей планете. В природе в чистом виде  вода практически не встречается. Очищенная от всех примесей вода называется дистиллированной. На такую воду выдается сертификат в соответствии с ГОСТ 670972. При этом на исходную для дистилляции воду также оформляется сертификат в соответствии с ГОСТ 2874-82. 
Известны три основных агрегатных состояния воды: жидкое, твердое  и
парообразное. Из одного в другое вода переходит при изменении температуры окружающей среды. Выделяют также кристаллическое (снег) и плазменное состояния воды. Вода является универсальным растворителем и слабым
электролитом. Она также делится на натуральную (природную, например, 
морскую) и искусственную (например,  кремниевую, реликтовую, тяжелую) 
воду.  Различают следующие основные виды природной воды: атмосферная
(вода дождей, рос, инея);  поверхностная (вода рек, озер, морей) и  подземная
(артезианская или грунтовая вода).  
Все эти воды отличаются по своему физическому составу и далеко не
все пригодны для потребления человеком (выдается сертификат на воду в соответствии с ГОСТ 27065-86). 
К потреблению человеком пригодны воды: питьевая, минеральная (богатая минеральными веществами и микроэлементами, полезная для здоровья
человека) и техническая вода (которую можно использовать для производственных и бытовых целей, кроме питья). Вода, поступающая в жилища людей
по водопроводу (выдается сертификат на воду в соответствии с ГОСТ 308132002), вне зависимости от своего происхождения, проходит обработку на водоочистных сооружениях (выдается сертификат на воду в соответствии с
ГОСТ Р 51871-2002). 
Питьевая вода (выдается сертификат на воду в соответствии с СанПиН
2.1.4.559-96, ГОСТ 2874-82 и ГОСТ Р 51593-2000) не должна содержать
больше 0,5 грамма различных  минеральных веществ на один литр , не должна иметь запаха, вкуса и цвета, содержать бактериальные и токсичные примеси, должна быть прозрачна. Минеральные воды (выдается сертификат на воду
в соответствии с ГОСТ 13273-88), в зависимости от состава, делятся на гидрокарбонатные, сероводородные,  сульфатные, бромные, иодные, кремнистые, углекислые, радоновые, хлоридные и некоторые другие виды.   В зависимости от степени их минерализации  эти воды делятся на  лечебные (выдается сертификат на воду по ГОСТ 13273-88 и другим нормативным документам), столовые и лечебно-столовые. Лечебные минеральные воды могут ис8

пользоваться как для питья, так и для принятия лечебных ванн (например, радоновых). 
Кроме того, питьевая вода (выдается сертификат на воду в соответствии
с ГОСТ Р 51593-2000, ГОСТ 18190-7) и минеральная вода реализуются в нашей стране через систему торговли в виде бутилированной воды (выдается
сертификат на воду в соответствии с СанПиН 2.1.4.1116-02 и другими нормативными документами) трех видов: 
• минеральной (газированной и негазированной),
• артезианской (ключевой, из горных источников, газированной и негазированной); 
• игристой (не артезианской, но очищенной и обработанной, обязательно газированной). 
5. ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ
5.1. Свойства и классификация природных вод
Природная вода качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов. Ее качественные показатели при отсутствии
антропогенного воздействия зависят от многочисленных климатических, геологических, гидрологических и других природных факторов. Следовательно, 
природная вода – это сложная многокомпонентная система, содержащая растворенные вещества, а также минеральные и органические соединения. 
Проблема охраны природных вод заключается в исключении их загрязнения. Для этого необходимо регулярно, а в некоторых случаях и непрерывно, контролировать показатели качества вод. 
При оценке качества природной воды с точки зрения ее использования
для различных нужд необходимо учитывать не только наличие и концентрацию примесей, но и их фазово-химическое состояние. 
Вода, как
гидрид
кислорода, обладает
рядом
особенностей, отличающих ее от других гидридов. В частности, вода обладает аномальными
температурами кипения и замерзания, имеет плотную аномалию, очень высокую теплоту парообразования, исключительно высокое поверхностное натяжение [4]. 
Существует несколько классификаций природных вод. 
По классификации, предложенной Л.А.Кульским [5], все примеси воды
разделены на четыре группы. 
К первой группе относятся взвешенные вещества, средний размер
которых находится в пределах 10-3 – 10-5 см. Эти примеси обуславливают
мутность воды. 
9

Ко второй группе относятся коллоидно-растворенные примеси и
высокомолекулярные органические соединения с размерами частиц в
пределах 10-5 – 10-6 см. Наличие коллоидных соединений обусловливает не
только мутность, но и цветность воды. 
К третьей труппе относятся молекулярно-растворенные вещества с размером частиц 10-6 – 10-7см. Суммарная приближенная оценка этих
веществ обычно характеризуется несколькими показателями, основным из
которых является показатель окисляемости воды. 
К четвертой группе относятся вещества, диссоциированные в воде на ионы и имеющие степень дисперсности менее 10-7см. Это в основном
соли, поэтому концентрация их характеризуется показателем "общего содержания солей". 
Одной из важнейших является классификация природных вод по степени минерализации: 
а) пресные воды - с содержанием солей до 1,0 г/кг; 
б) солоноватые воды - от 1,0 до 25 г/кг; 
в) соленые воды - от 25 до 50 г/кг; 
г) рассолы - более 50 г/кг. 
Кроме того, в зависимости от целевого назначения, природные воды разделяют на 6 групп: 
1. Хозяйственно-питьевая вода. Показатели качества этой воды
должны соответствовать требованиям Государственного стандарта [6]. К этой
группе относятся также воды, используемые в отдельных отраслях пищевой и бродильной промышленности. 
2. Воды для сельскохозяйственных целей. Они делятся на  две
подгруппы: для орошения и для животноводства. Вода для животноводства, за исключением отдельных показателей, должна соответствовать требованиям, предъявляемым к водам 1-й группы. Основным ограничительным показателем качества воды для орошения является предельная степень минерализации. 
3. Вода для охлаждения действующих агрегатов, химической аппаратуры, печей в металлургической и других видах промышленности. Эта
вода не должна вызывать обрастание или коррозию поверхности агрегатов и труб. Поэтому к данной воде предъявляется ряд ограничительных
требований по жесткости, содержанию минеральных веществ и другим
веществам. 
4. Вода для паросилового хозяйства, например, для питания котлов. Эта  вода  не должна содержать взвешенные вещества, соли, обусловливающие жесткость, растворенный кислород. 
5. Вода для технологических целей промышленности. К такой во10