Способ определения способности водоема к самоочищению

(ЗИэ 6 01 й 33/ ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ удалят нияиэпринят нвний и, немил.С опреде прияти Водя Щи доотаточ храннос о времени нет удобн ых методовдоемов его в условиях и непосредрямыми изказателеиие экологиК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.,(21) 4774963/13(71) Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР(БВ) Ащепкова Л.Я. и др. Прогнозирование , экологических процессов. Новосибирск: Наукэ, 1986, с.26-74.Камшилов М,М, Экологическиевспектызагрязнения водных объектов и принципи-:альные пути борьбы с ним. - Гидробиологи-ческий журнал, 1979, Т.15, ЬЬ 31, с.3-10Алимов А.ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем. -Гидробиологический журнал. 1990,.т.26, Ь 6, с,3-12. Изобретение относится к охране окружващей среды, в именно к контролю за экологическим состоянием водоемов и за уровнем нарастающего загрязнения водоемов. Оно может быть использовано при проведении мониторинга и перспективного прогнозирования состояния водоемов, при планировании использования водоема для решения определенных народнохозяйственных задач: оценки пригодности использования водоемов для разведения рыбы и других водных организмов и возможности использования водоемов для дальнейшей нейтрализации промышленных малоочищенных стоков, а также при рекультивации водоемов.Способность водоема к самоочищению - способность экосистемы водоема, состоящей иэ пелагической экосистемы и экосистемы донных осадков, перерабатывать и(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЕМА К САМООЧИЩЕНИЮ (67) Использование; определение способности водоема к свмоочищвнию, Сущность изобретения: в слое донного осадка глубиной до 20 см измеряют окислительно восстановительный потенциал ЕЬ, рассчитывзют среднюю из величин Е, больших чем нуль, уствнввливзют толщину слоя Осздкв с величи" ной ЕЬ; большей нуля; Оценку способности ЮОДОФмв к сзмоочищению Осуществляют по расчетной формуле, 5 мл.1 вещества природного промсхождеагряэняющие веществе, способность ь допоянительное количествозагрязпровоень первработу этого загряз- . посабность водоема.к самоочищению ляется сохранностью условий, благоых для обитвния Ьрганизмов, проиэ- Х ПРОЦЕССЫ ОЧИЩЕНИЯ ВОДОЕМа, ным количеством кислорода и соть буферных свойств экосистемы. достоверных, простых и нвдежн . для исследования состояния во способности к свмоочищению максимально приближенных ил ственно в природных условиях п мерениями комплексных по остро ревгирующих нз изменен ческой обстановки.8 литературе имеются сведения об определении скорости процессов самоочищения в системах биологической очистки воды по скорости деструкции основных видов загрязняющих веществ с учетом гидрологических процессов разбавления воды,В морских и пресноводных водоемах скорость процессов самоочищения может быть косвенно определена на основании литературных данных измерением биохимического потребления кислорода (БПК) и химического потребления кислорода(ХПК) и по их соотношению, а также по прямой убыли конкретных загрязняющих веществ.Известные способы оценки процессов самоочищения водоема не могут быть использованы для определения способности водоемов к самоочищению не только потому, что онинеточно и неполно характеризуют сложный процесс самоочищения, но и не позволяют прогнозировать возможность самоочищения и способность водоема к длительному самоочищению. Данные способы позволяют учитывать разрушение загрязняющих веществ только в водной толще (в пелагической экосистеме) на начальной стадии их разрушения, но не учитывают дальнейшую их деструкцию в экосистеме донных осадков, где происходит разрушение и захоронение основной доли органического вещества водоема и других загрязнений, Известные способы констатируют наличие процесса самоочищения и в том случае, когда процесс самоочищения у дна и в донных осадках уже не идет,Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения способности водоема к самоочищению в водоемах,Сущность способа заключается в том, что измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала ЕЬ в слое донного осадка глубиной до 10 см, рассчитывают среднюю из величин ЕЬ больше О и устанавливают толщину слоя осадка с величиной ЕЬ больше О, а оценку способности. к самоочищению осуществляют по формуле: Ксо=(ЕЬ 0)срЬ/6500, где Ксо - доля способности активного слоя донных осадков к переработке загрязнений от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях;(ЕЬ 0)ср - среднее из величин ЕЬ больше О, Ь - толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями с ЕЬ, больше О, при этом, если Ксо меньше 0,2, считают способность к самоочищению низкой, если Ксо больше 0,2, но меньше 0,5. считают способность к самоочищению ограниченной и если Ксо больше 0.5, считают способность к самоочищению высокой,Способ основан на том, что окислительно-восстановительный потенциал ЕЬ и его5 пространственное распределение в осадкеотражают и описывают напряженностьокислительно-восстановительных условий восадке, отражающих протекание, активность и сбалансированность биогеохимиче 10 ских процессов на последней стадиипереработки органических остатков и загрязнений в донных осадках в аэробном,микроаэрофильном и аэробном слоях, определяющих самоочищающую способность15 осадка - последнего звена цепи очистки водоема.Донные осадки препятствуют резкомуизменению условий в водоеме после началазагрязнения водоема вследствие выведе 20 ния части наиболее трудно разрушаемых веществ на дно и их дальнейшее разрушениеи захоронение в донных осадках. Превышение самоочищающей способности осадков,которая определяется способностью осад 25 ка к окислению, поглощению, разбавленй 1 овещества над всей нагрузкой этих веществна донную экосистему, задаваемой уровнемвсех поступающих веществ природного .происхождения и загрязнителей, поддер 30 живается, в первую очередь, буферностьюосадка, восстанавливаемой при биотурбационном перемещении осадка бентоснымиорганизмами и активными микробнымиаэробными процессами в условиях доста 35 точного количества кислорода в придоннойвЬде (у дна),Между началом загрязнения водоема ирезкими изменениями условий в нем, а затем разрушением и гибелью придонной эко 40 системы водоем проходит через стадии спостепенным изменением свойств верхнегослоя осадка, что можно контролировать приизучении изменения характеристик верхнего слоя осадка, в частности измерении вели 45 чины Еп по вертикали. Нами былоустановлено, что в условиях антропогенногозагрязнения при его непрерывном нарастании поданным авторов наблюдается постепенное уменьшение толщины защитного50 слоя осадка от максимальной толщины слояактивной биотурбации от 10 см до 2 см,после чего и происходит разрушение донной и придонной экосистемы и, соответственно, уменьшается до минимума55 способность к самоочищению. При этом также наблюдается постепенное нарастаниевосстановленности верхнего слоя осадка инапряженности кислородного режима вверхнем слое осадка. При резком нараста 18185835.10 15 20 25 30 40 50 ние указанных параметров позволяет проследить за состоянием водоема.%, Измерение ЕЬ в верхнем слое осадков нии загрязнения в водоеме донные осадкиадекаатно отражают ситуацию в водоеме.Для характеристики, описания и количественной оценки способности водоема ксамоочищению используют соотнбшение(ЕЬ 0)ср/ЕМх характеризующее способность к окислению веществ ээ счет присутствующего и поступающего кислорода и ихпоглощению за счет буферной емкости, асоотношение толщины слоя окисленныхосадкови осадков с микроаэрофильнымиусловиями (с ЕЬ больше 0), определяемойдиффузией кислорода в условиях биотурбационного перемешивания осадка, к теоретической глубИне активной биотурбации(Ь/Н), что позволяет оценить воэможностьпротекания аэробных процессов и буферную емкость к органическим веществам, втом числе пестицидам, восстановленнымсоединениям и тяжелым металлам, Способность к самоо .мщению выражают в долях оттеоретически максимально возможной величины в наиболее благоприятных условиях:Ксо=(ЕЬ 0)срЬ/ЕЬвахН,где величина Ксо может быть равна от 0до 1, фКоэффициент способности водоема ксамоочищению (Ксо), определяемый по со-стоянию донных осадков, характеризуеттакже и самоочищающую способность водной части экосистемы, показывая полномупотребления вещества в водной толще водоема, При Ксо близком к 0 водоем практически не справляется с очисткой,проявляется евтрофировэние водоема, апри Ксо=1,0 основное потребление загрязняющих веществ идет в водной толще и наповерхности осадка, что характерно дляолиготорофного водоема.Толщину слоя окисленных осадков иосадков с микроаэрофильными условиями(Ь) определяют по толщине слоя с ЕЬ больше(Ь Учитывая, что ЕЬпщх по литературным данным и нашим измерениям составляет 4+650 мв, а теоретическая глубина активнойбисгтурбации -10 см, для расчета коэффициента способности к самоочищению используют формулу: Ксо=(Е Ь 0)срЬ/6500.Предлагаемый способ опробирован врайонах экологических кризисов в морскихусловиях (Черное море) и в пресноводномводоеме (Тульчинском озере) с известнымэкологическим состоянием.Диапазон предельных значений Кср -характеристик для оценки самоочищающейспособности водоема установлен на основании измерений ЕЬ в северо-западномрайоне Черного моря, наиболее пострадавшего от антропогенного загрязнения и сравнения их с величинами распределенияЕЬ в малозагрязненных водоемах.,При толщине слоя окисленных осадкови осадков с микроаэрофильными условиями, не превышающей 2 см, вследствие дефицита кислорода у дна в моментизмерения или в периоды повышенного потребления кислорода буферная емкость незначительна и не может способствовать,переработке большими количеств загрязнений. Водная толща в этом случае не справляется с колебаниями количествами уровнязагрязнения и колебанием по сезонам количества продуцируемого органического вещества, Способность водоема ксамоочищению крайне низкая и Ксо не более0,2.При соотношении (ЕЬ 0)ср/ЕЬпах в целом для слоя 0,3-1,0 и величине Ь/Н 0,2-0,7 (Ксо больше 0,2, но менее или равен 0,5) содержание кислорода у дна как в момент измерения, так и в течение года достаточно высокое и может понижаться в отдельные периоды. При этвм сохранность осадка определяется буферной емкостью слоя осадка, которая обеспечивает способность к самоочищению при постоянном уровне ооступающего загрязнения и не гарантирует сохранение способности к самоочищению при резком колебании уровня загрязнения,т,е, способность водоема к самоочищению в этом случае ограниченная.При толщине слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями более 5 см (Ь/Н больше 0,5) и соотношении(ЕЬ 0)ср/ЕЬвах более 0,7 содержание кислорода у дна всегда высокое, что обеспечивает поступление кислорода на большую глубину и протекание активных процессов сзмоочищения у дна и в толще осадка, Буферная емкость значительная, что позволяет накапливать большие количества загрязняющих веществ и восстановленных соединений, при этом. способность осадков к самоочищению остается высокой длительное время. Ксо превышает величину 0,5.В случае постоянного увеличения уровня загрязнения толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроээрофильными условиями (с ЕЬ 0) и величины ЕЬ в этом слое будут медленно уменьшаться и Ксо будет меняться от 1,0 к 0; Регулярное измерепроводят либо нв ионометре или рН-метревольтметре после отбора осадка дночерпателем, либо. непосредственно в водоеме дистанционным датчиком, представляющим собой блок платиновых электродов, со 1818583ка путем погружения стандартных Рт-элект родов и электрода сравнения (КС 3-электрода) 40 45 50 способность водоема к самоочищению. 55 П р и м е р 2. Измеряют ЕЬ непосредст единенных кабель-тросом с регистрирующим прибором, Для определения способности водоема к самоочищению в районе водоема проводят измерение ЕЬ в верхнем слов осадка на сетке станций. При измерении ЕЬ достаточно фиксировать значения этого параметра до глубины, где ЕЬ менее или равно О. Величину(ЕЬ 0)ср рассчитывают как среднюю иэ величин ЕЬ, измеренных или определенных по графику распределения ЕЬ через равные расстояния по глубине осадка.Нз фиг.1 показано распределение ЕЬ в верхнем слое осадка в море в районе с крайне низкой способностью к самоочищению; на фиг.2 - то же, в пресноводном водоеме на участке с крайне низкой способностью к самоочищению; на фиг,З - то же, в море в районе с ограниченной способностью к самоочищению; на фиг.4 - то же, в море в районе с высокой способностью к самоочищению; на фиг.5 - то же, в пресноводном водоеме на участке с ограниченной способностью к самоочищению.П р и м е р 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем "Океан", на глубину 10 см в период обогащения придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст,126/11 ( 1 р 46 28 Ой, Л=ЗО 52 ОЕ). В полученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала ЕЬ стационарным рН-метром-милливольтметром рНна поверхности и через 1-2 см по глубине осадна глубину 1 см в осадок после выдержки последних в осадке в течение 2 - 5 минут. По результатам измерений величин ЕЬ строят график вертикального распределения (фиг,1), и определяют среднее значение из величин ЕЬ больше 0 во всем слое (ЕЬ 0)ср и толщину слоя донных осадков с ЕЬ больше 0 (Ь). Как следует. из рис.1, (ЕЬ 0)ср составляет +140 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (Ь) составляет 1 см, Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:Ксо= +1401/6500 -0,022В данном районе отмечают повышенный уровень загрязнения, дефицит кислорода у дна, массовые ежегодные эаморы, Ксо менее 0,2, констатируют крайне низкую венно в воде и осадке переносным милливольтметром у берега в северной части Тульчинского озера (ст.1) в конце осеннего 5 10 15 20 30 периода (октябрь) в период максимального насыщения придонной воды кислородом перед замерзанием, По результатам измерений величин ЕЬ строят график вертикального распределения (рис.2), определяют среднее значение из величин ЕЬ больше О (ЕЬ 0)ср во всем слоем и толщину слоя донных осадков с ЕЬ больше 0 (Ь). Как следует иэ фиг.2, (ЕЬ 0)ср составляет +65 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (Ь) составляет 2 см, Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:Ксо=+652/6500=0,02На данном участке озера в конце летнего периода отмечаютвыделение сероводорода в воду, наличие мощного замора. Констатируют крайне низкую способность к самоочищению в данной точке пресноводного водоема в изучаемый период даже в период обогащения воды кислородом. Дальнейшее нарастание уровня загрязнения недопустимо.П р и м е р 3, Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводятна ст.106/60 (р= 4548 Ой, Л=3235 ОЕ). Порезультатам измерений величин ЕЬ строят .график вертикального распределения (фиг.З). Среднее значение величин ЕЬ больше 0 (ЕЬ 0)ср составляет +260 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (Ь) составляет 6,5 см. Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:Ксо=+2606,5/6500=0,26В данном районе не отмечают возникновения заморов. Донные осадки содержат много червей, что свидетельствует о благоприятных условиях для обитания бентосных организмов, способствующих протеканию процессов самоочищения в верхнем слое осадка. Ксо более 0,2, но менее 0,5, считают способность водоема к самоочищению ограниченной.П р и м е р 4. Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 89/62 (р = 45 о 48 Ой, Л = 32 о 18 ОЕ). По результатам измерений вычисляют (ЕЬ 0)ср во всем слоем и толщину слоя донных осадков с ЕЬ больше 0 (Ь). Как следует из фиг.4, (ЕЬ 0)ср составляет +388 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (Ь) составляет не менее 10 см, Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения по формуле;Ксо-+ 38810/6500=0,60.Ксо более 0,5, констатируют высокую способность водоема к самоочищению.П р и м е р 5, Способ осуществляют, как описано в примере 2, измерение проводят впресноводном водоеме (ст.З в Тульчинском 5 озере) в летний период (август). Среднее значение величин ЕЬ, больших О, (ЕЬ 0)р составляет+200 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (Ь) составляет 10 см (фиг.5). 10 Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения: .Ксо"+22010/6500-0,32Ксо более 0,2, но менее 0,5, что соответ ствует ограниченной способности водоема на данном участке к самоочищению.Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить способность водоема к самоочищению, его возможности прини мать дополнительные загрязнения путем определения состояния донных осадков по напряженности в них окислительно-восстановительных процессов и толщине защитного слоя (слоя окисленных осадков и 25 осадков с микроаэрофильными условиями), характеризующих сохранность условий, благоприятных для обитания бентосных организмов, способствующих процессам очи-щения водоема, достаточным количеством 30 кислорода и сохранностью буферных свойств экосистемы, Ранее известные Способы оценки процессов самоочищения констатируют наличие процесса самоочищения в момент наблюдения и дают представле ние об интенсивности самого процесса в водоеме.Предлагаемый способ определения способности к самоочищению применим для водоемов всех типов, Способ является 40 остоверным, т.к. в нем в качестве фиэикоимического показателя используют окисаительно-восстановительный потенциал, воторый в воде и в осадках прямо или косвенно связан со всеми химическими харак теристи кеми, физико-химическими свойствами осадков, со скоростью биогео. химических процессов, а также отражает численный и видовой состав макро- и микроорганизмов.Кроме того, измерения ЕЬ очень простыи воспроизводимы, особенно при измерении их выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме беэ отборапроб трубой и дночерпателем, Использование ЕЬ позволяет применять чувствительный, ниэкоинерционный, портативный зонд,с блоком датчиков, что дает воэможностьбыстро оценить способность к самоочищению водоемов больших площадей и глубоководных водоемов и проводить измерения стребувмой регулярностью,Формула изобретения Способ определения способности водоема к самоочищению, предусматривающий измерение физико-химического параметра и оценку способности-водоема к самоочищению по величине измеряемого параметра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности оценки и упрощения способа, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенциал ЕЬ, величину ЕЬ измеряют в слоях донного осадка общей высотой до 20.см;дополнительно рассчитывают среднюю из величин ЕЬ, больших,чем нуль и устанавливают толщину слоя осадка с величиной ЕЬнуля, а оценку способности водоема к самоочищению осуществляют по формуле(ЕЬО)р - средняя из величин ЕЬ, больших,чем нуль,Ьи,у, - толщина слоя с ЕЬ 0,при этом, если Ке.0,1, считают способность водоема к самоочищению крайне низкой, если 0,25Кс,. 0,1, считаю способность водоема к самоочищению ограниченной, если Ке,о0.25, считают способность водоема к самоочищению высокой.1818583 +Юа Юо ЗЮ чбО ф 5 Ю ЕИ ов,100 +200 +300 +40 Ь мв 0 -10 см Фиг. 5 Составитель В,Токарев эктор Л,Волкова Техред М,Моргентал Корректор Н.КорольПроизводственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 аказ 1936 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-Э 5, Раушская наб 4/5