Способ определения способности водоема к самоочищению

 

Использование: определение способности водоема к самоочищению. Сущность изобретения: в слое донного осадка глубиной до 20 см измеряют окисяительнс восстановительный потенциал Eh, рассчитывают среднюю из величин Eh, больших чем нуль, устанавливают толщину слоя осадка с величиной Eh, большей нуля. Оценку способности водоеме к самоочищению осуществляют по расчетной формуле. 5 ил. fe

СОКИ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСЙАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТ8У. (21) 4774953/13 (22) 28.12.89 (46) 30.06.93. Бюл. М 20 (71) Институт биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР (72) В.Г.Токарев и И.Н.Трибрат (56) Ащепкова Л.Я. и др. Прогнозирование . экологических процессов. Новосибирск: На.. ука, 1986. с.26-74.

Камшилов М.М. Экологические аспекты загрязнения водных объектов и принципи-: альные пути борьбы с ним. — Гидробиологи- ческий журнал. 1979, т.15, t4 31, с.3-10..

Алимов А.Ф..Основные положенИя теории функционирования водных экосистем.—

Гидробиологический журнал. 1990, .т.26, f4

6. с,3-12.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а 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 (; 5U,, 1818583 А1 (5l)5 С 01 и 33/18, А 01 К 61/00

2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОДОЕМА К САМООЧИЩЕНИЮ (57) Использование; определение способности водоема к самоочищению. Сущность изобретения: в слое донного Осадка глубиной до

20 см измеряют Окислительно восстановительный гютемциал Еп, рассчитывают срщ нюю из величин ЕЬ, больших чем нуль, устанавливают толщину слоя осадка с величиной ЕЬ; большей нуля; Оценку способности водоема к самоочищению Осуществляют по расчетной формуле. Б иа. удалять вещества природного происхождения и загрязняющие вещества, способность примять дополнительное количество загрязнений и проводииь переработку этого загрязнвниа.Способность водоема а самООчищвнию определяется сохранностью условий, благоприятных для обитания Ьрганизмов, производящихх процессы Очищения водоема, доотаточным количеством кислорода и сохраммость буферных свойств экосистемы.

До настоящего времени нет удобных, достоверных, простых и надежных методов для исследования состоямия водоемов, его способности к самоочищенйю в условиях максимально приближенных или непосредственно в природных условиях прямыми измерениями комплексных показателей, остро реагирующих на изменение экологической обстановки.

1818583

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 (БПК1 и химического потребления кислорода (ХПК) и по их соотношению, а также по прямой убыли конкретных загрязняющих веществ.

Известняке 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 8 донных осадках уже не идет, Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения способности водоема к самоочищению s водоемах.

Сущность способа заключается в том, что измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh в слое донного осадка глубиной до 10 см, рассчитывают среднюю из величин Eh больше О и устанавливают толщину слоя осадка с величиной Eh больше О, а оценку способности.к самоочищению осуществляют по формуле: Kco=(Eh>0)cp h/6500, где Kco — доля способности активного слоя донных осадков к переработке загрязнений от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях; (Eh>0)cp — среднее из величин Eh больше 0, h — толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями с Eh, 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 Eh и его пространственное распределение в осадке отражают и описывают напряженность окислительно-восстановительных условий в осадке, отражающих протекание. активность и сбалансированность биогеохимиче10 ских процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений в донных осадках в аэробном. микроаэрофильном и аэробном слоях, определяющих самоочищающую способность

15 осадка — последнего звена цепи очистки водоема.

Донные осадки препятствуют резкому изменению условий в водоеме после начала загрязнения водоема вследствие выведения части наиболее трудно разрушаемых веществ на дно и их дальнейшее разрушение и захоронение в донных осадках. Превышение самоочищающей способности осадков, которая определяется способностью осадка к окислению, поглощению, разбавленй1о вещества над всей нагрузкой этих веществ на донную экосистему, задаваемой уровнем всех поступающих веществ природногопроисхождения и загрязнителей, поддерЗО живается, в первую очередь, буферностью осадка, восстанавливаемой при биотурбационном перемещении осадка бентосными организмами и активными микробными аэробными процессами в условиях достаЗ5 точного количества кислорода е придонной вЬде (у дна), Между началом загрязнения водоема и резкими изменениями условий в нем, а затем разрушением и гибелью придонной эко40 системы водоем проходит через стадии с постепенным изменением свойств верхнего слоя осадка, что можно контролировать при изучении изменения характеристик верхнего слоя осадка, в частности измерении вели45 чины Еп по вертикали. Нами было установлено, что в условиях антропогенного загрязнения при его непрерывном нарастании поданным авторов наблюдается постепенное уменьшение толщины защитного

50 слоя осадка от максимальной толщины слоя активной биотурбации от 10 см до 2 см, после чего и происходит разрушение донной и придонной экосистемы и, соответственно, уменьшается до минимума способность к самоочищению. При этом также наблюдается постепенное нарастание восстановленности верхнего слоя осадка и напряженности кислородного режима в верхнем слое осадка. При резком нарастаf

1818583

5.

30

40

50 ние указанных параметров позволяет проследить за состоянием водоема.

55, Измерение ЕЬ в верхнем слое осадков нии загрязнения в водоеме донные осадки адекватно отражают ситуацию в водоеме.

Для характеристики, описания и количественной оценки способности водоема к самоочищению используют соотношение (Eh>0)cp /Ehmax характеризующее способность к окислению веществ эа счет присутствующего и поступающего кислорода и их поглощению за счет буферной емкости, а соотношение толщины слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (с Eh больше О), определяемой диффузией кислорода в условиях биотурбационного перемешивания осадка, к теоретической глубйне активной биотурбации (h/Í), что позволяет оценить воэможность

° протекания аэробных процессов и буферную емкость к органическим веществам, в том числе пестицидам, восстановленным соединениям и тяжелым металлам, Способность к самоо ..мщению выражают в долях от теоретически максимально возможной величины в наиболее благоприятных условиях:

К«=(Е Ь >0)« h/ E hmax Н. где величина К«может быть равна от 0 до1.

Коэффициент способности водоема к самоочищению (К«), определяемый по со- стоянию донных осадков, характеризует также и самоочищающую способность водной части экосистемы, показывая полному потребления вещества в водной толще водоема. При К«близком к О водоем практически не справляется с очисткой, проявляется евтрофирование водоема, а при К«=1,0 основное потребление загрязняющих веществ идет в водной толще и на поверхности осадка, что характерно для олиготорофного водоема.

Толщину слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) определяют по толщине слоя с Eh больше (Ь Учитывая, что Ehmax по литературным данным и нашим измерениям составляет

+650мв, а теоретическая глубина активной бис турбации — 10 см, для расчета коэффициента способности к самоочищению используют формулу: Kco=(Eh>0)cp h/6500.

Предлагаемый способ опробирован в районах экологических кризисов в морских условиях (Черное море) и в пресноводном водоеме (Тульчинском озере) с известным экологическим состоянием.

Диапазон предельных значений Кв— характеристик для оценки самоочищающей способности водоема установлен на основании измерений Eh в северо-западном районе Черного моря, наиболее пострадавшего от антропогенного загрязнения и сравнения их с величинами распределения

Eh в малозагрязненных водоемах., При толщине слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями, не превышающей 2 см, вследствие дефицита кислорода у дна в момент измерения 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 уровня загрязнения и колебанием по сезонам количествв продуцируемого органического вещества. Способность водоема к самоочищению крайне низкая и К«не более

0,2.

При соотношении (Eh>0)cp/Ehmax в це- . лом для слоя 0,3-1,0 и величине h/Н 0,2-0,7 (К«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 этом 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 (h/Í больше 0,5) и соотношении (Eh>0)cp/Ehmax более 0,7 содержание кислорода у дна всегда высокое, что обеспечивает поступление кислорода на большую глубину и протекание активных процессов самоочищения 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.

К«превышает величину 0,5.

В случае постоянного увеличения уровня загрязнения толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (с ЕЬ:О) и величины Eh в этом слое будут медленно уменьшаться и К«будет меняться от 1,0 к 0; Регулярное измерепроводят либо на ионометре или рН-метревольтметре после отбора осадка дночерпателем, либо. непосредственно в водоеме дистанционным датчиком, представляющим собой блок платиновых электродов, со1818583 ка путем погружения стандартных Pt-элект-35 родов и электрода сравнения (KCI-электрода) 40

50 способность водоема к самоочищению. 55

Пример 2. Измеряют Eh непосредстединенных кабель-тросом с регистрирующим прибором. Для определения способности водоема к самоочищению в районе водоема проводят измерение Eh в верхнем слое осадка на сетке станций. При измерении Eh достаточно фиксировать значения этого параметра до глубины, где Eh менее или равно О. Величину (Eh>OQp рассчитывают как среднюю иэ величин Eh, измеренных или определенных по графику распределения Eh через равные расстояния по глубине осадка.

Нз фиг.1 показано распределение Eh в верхнем слое осадка в море в районе с крайне низкой способностью к самоочищению; на фиг.2 — To же, в пресноводном водоеме на участке с крайне низкой способностью к самоочищению; на фиг,3 — 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.

Пример 1. Отбирают пробу осадка с морского дна дночерпателем "Океан-50", на глубину 10 см в период обогащения придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст,126/11 (р 46 28 ON, Л=ЗО 52 ОЕ). В полученной колонке осадка измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала Eh стационарным рН-метром-милливольтметром рН-121 на 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 Eh строят график вертикального распределения (фиг,1), и определяют среднее значение из величин

Eh больше 0 во всем слое (Eh>0)0)cp составляет +140 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) составляет 1 см, Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:

Ксо= +140 1/6500 -0,022

В 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

30 периода (октябрь) в период максимального насыщения придонной воды кислородом перед замерзанием. По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (рис.2), определяют среднее значение из величин Eh больше 0 (Eh>0 во всем слоем и толщину слоя донных осадков с Eh больше 0 (h). Как следует иэ фиг.2, (Eh>Ogp составляет +65 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) составляет 2 см. Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:

Kco=+65 2/6500=0,02

На данном участке озера в конце летнего периода отмечают выделение 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.

Пример 3, Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст.106/60 (p= 45 48 ON, Л=32 35 ОЕ). По результатам измерений величин Eh строятграфик вертикального распределения (фиг.3). Среднее значение величин Eh больше 0 (Еп>0)ср составляет +260 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) составляет 6,5 см. Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:

Kco=+260 6,5/6500=0,26

В 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. I4> более 0,2, но менее 0,5, считают способность водоема к самоочищению ограниченной.

Пример 4. Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 89/62 (р = 45О48 ON, Л = 32О18 ОЕ). По результатам измерений вычисляют (Eh>Ogp во всем слоем и толщину слоя донных осадков с Eh больше 0 (h). Как следует из фиг.4, (Eh>0) составляет +388 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) составляет не менее 10 см. Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения по формуле;

Ксо-+ 388 10/6500=0,60.

1818583

l4o более 0,5, констатируют высокую способность водоема к самоочищению.

Il р и м е р 5. Способ Осуществляют, как описано в примере 2, измерение проводят в пресноводном водоеме (ст.3 в Тульчинском 5 озере) в летний период (август). Среднее значение величин Eh, больших О, (Eh>0)cp составляет +200 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильными условиями (h) составляет 10 см (фиг.5). 10

Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения:Kco 220 10/6500-0,32

К о более 0,2, но менее 0,5, что соответ- 15 ствует ограниченной способности водоема на данном участке к самоочищению.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить способность водоема к самоочищению, его возможности прими- 20 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- 35 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 фиэико«имического показателя используют окисаительно-восстановительный потенциал, воторый в воде и в осадках прямо или косвенно связан со всеми химическими харак- 45 теристиками, физико-химическими свойствами осадков, со скоростью биогвохимических процессов, а также отражает численный и видовой состав макро- и микроорганизмов.

Кроме того, измерения Eh очень просты и воспроизводимы, особенно при измерении их Выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме беэ отбора проб трубой и дночерпателем. Использование Eh позволяет применять чувствительный, ниэкоинерционный, портативный зонд, с блоком датчиков, что дает воэможность быстро оценить способность к самоочищеwe водоемов больших площадей и глубоководных водоемов и проводить измерения с требувмой регулярностью.

Формула изобретения

Способ определения способности водоема к самоочищению, предусматривающий измерение физико- химического параметра и оценку способности- водоема к самоочищению по величине измеряемого параметра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности оценки и упрощения способа, в качестве физико-химического параметра используют окислительно-восстановительный потенциал Eh, величину Eh измеряют в слоях донного осадка общей высотой до 20 см; дополнительно рассчитывают среднюю из величин Eh, больших,чем нуль и устанавливают толщину слоя осадка с величиной Eh > нуля, а оценку способности водоема к самоочищению осуществляют по формуле .у

13000 где Кс.о. — коэффициент самоочищения водоема; (Eh>0)c> — средняя из величин Eh, большйх,чем нуль, h .y. — толщина слоя с ЕЬ>0, при этом, если Kc.< K 0,1, считают способность водоема к самоочищению крайне низкой, если 0,25 h Кс.<.> 0.1, считаю способность водоема к самоочищению ограниченнойй, если 14.о > 0.25, сч ита ют способность водоема к самоочищению высокой.

1818583

_#_0 -200 - 1N 0 + 100 +200 + 30 +O00 1

-36-36 -ЮОП Î 100. ИЮ t300 жв а

-1®

-300 -200 -100 0 + 100 + 200 + 300 + 400 +500 Eh мв

ЮО

Ьсм

Составитель В.Токарев

Техред М.Моргентал Корректор H.Êîðîëü

Редактор Л.Волкова

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Заказ 1936 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб.. 4/5