Способ измерения загрязнения реки сточными водами
Владельцы патента RU 2269775:
Марийский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к инженерной экологии и может быть использовано при мониторинге рек в качестве речной воды, в частности, с учетом загрязнения сточными водами в пределах городов и населенных пунктов. В способе измерения загрязнения реки сточными водами выбирают на реке створы наблюдений относительно источника загрязнения или группы источников загрязнения, один из створов наблюдения совмещают со створом или группой створов сброса сточных вод, осуществляют отбор проб воды, их консервацию и подготовку для анализа. Осуществляют выращивание тест-организма в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris в культиваторе при постоянной температуре 36±0,5°С, измеряют оптическую плотность на красном свету, проводят анализ и оценку результатов измерений. Створы наблюдений принимают поперек реки до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника и после одного или группы источников сточной воды. Все три створа располагают в черте города или другого населенного пункта. Измерения оптической плотности суспензии водорослей выполняют до и после выращивания водорослей в пробах воды, а после измерений оптической плотности определяют обобщенный показатель загрязненности речной воды. Способ позволяет сопоставлять полученные значения обобщенного показателя загрязненности реки в данном месте измерений относительного источника загрязнения на берегу реки. Способ повышает функциональные возможности анализа и оценки результатов измерений оптической плотности суспензий с водорослями и расширяет практические возможности применения способа. 4 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к инженерной экологии реки и может быть использовано при экологическом мониторинге рек и качества речной воды, в частности, с учетом загрязнения сточными водами в пределах городов и других населенных пунктов.
Известен способ измерения загрязнения реки и водоемов (см., например, книгу: Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов. 2-е изд. - М.: «Медицина», 1990. - с. 9-20), включающий выбор на реке створа наблюдений, отбор проб воды, консервацию проб воды, подготовку воды для анализа, проведение измерений на пробе воды, анализ и оценку результатов измерений.
Недостатком этого общеизвестного способа является необходимость учета большого количества одновременно действующих загрязняющих веществ. Например, для оценки качества питьевой воды учитываются 40 показателей, а для технической воды - 10 показателей.
Известен также способ измерения загрязнения реки сточными водами биотестированием (см.: Методические рекомендации по проведению практических работ по экологии на базе учебной экологической лаборатории. - Красноярск: КрасГУ, 2002. - 15с.), включающий выбор на реке створа наблюдений, отбор проб воды, консервацию проб воды, подготовку воды для анализа, выращивание тест-организма в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris в культиваторе типа КК-05 Красноярского государственного университета при постоянной температуре 36±0,5°С, измерение оптической плотности на красном свету, анализ и оценку результатов измерений.
Недостатком является отсутствие обобщенного показателя загрязненности реки очищенными или неочищенными сточными водами и трудность комплексной оценки уровня загрязнения по источнику загрязнения, а также по всем источникам загрязнения, находящимся в черте города или другого вида населенного пункта. При этом трудно сравнить населенные пункты между собой.
Технический результат - повышение функциональных возможностей и точности определения обобщенного показателя загрязненности реки одним источником загрязнения по множеству замеров оптической плотности проб воды с выращиваемыми водорослями.
Этот технический результат достигается тем, что створы наблюдений принимают поперек реки до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника и после одного или группы источников сточной воды, причем все три располагают в черте города или другого населенного пункта, при этом измерения оптической плотности суспензии водорослей выполняют до и после выращивания водорослей в пробах воды, а после измерений оптической плотности определяют обобщенный показатель загрязненности речной воды.
Створы наблюдений принимают по источникам загрязнения на участке реки, находящейся в черте населенного пункта, а источники сточных вод вне населенного пункта рассматривают как отдельные группы источников загрязнения.
Значение обобщенного показателя загрязненности воды определяют по формуле:
где О1i - сумма оптических плотностей по всем пробам до выращивания до, в середине и после источника или группы источников сточной воды;
О2i - сумма оптических плотностей по всем пробам после выращивания до, в середине и после источника или группы источников сточной воды;
n1 - суммарная оптическая плотность до выращивания водоросли по всем створам наблюдений на реке;
n2 - суммарная оптическая плотность после выращивания водоросли по всем створам наблюдений.
По значениям обобщенного показателя загрязненности от группы источников загрязнения, створы которых находятся в черте населенного пункта, вычисляют показатель загрязненности отдельно по каждому источнику загрязнения из каждой группы.
Пробы воды в каждом створе наблюдений реки принимаются в количестве не менее семи повторов.
Измерения оптической плотности суспензии водорослей выполняют до и после выращивания (культивирования) водорослей в пробах воды.
После измерений оптической плотности по всем пробам воды для определения обобщенного показателя по суммарным оптическим плотностям по всем пробам и всем створам реки в черте населенного пункта составляют сводную таблицу.
| Сводная таблица измерений оптической плотности суспензии водорослей во всех пробах воды (пример из трех створов одного источника загрязнения) | ||||
| Суммарная оптическая плотность суспензии водорослей по всем пробам воды | ||||
| Створ 1 | Створ 2 | Створ 3 | ||
| До культивирования | О11 | O12 | O13 | n1=O11+O12+O13 |
| После культивирования | O21 | О22 | O23 | n2=O21+O22+О23 |
| Всего: | O11+O21 | O12+O22 | O13+O23 |
Обобщенный показатель загрязненности воды определяют по формуле
где O1i - сумма оптических плотностей по всем пробам до культивирования до, в середине и после источника сточной воды;
O2i - сумма оптических плотностей по всем пробам после культивирования до, в середине и после источника сточной воды;
n1 - суммарная оптическая плотность до культивирования (выращивания) водоросли по всем створам наблюдений на реке;
n2 - суммарная оптическая плотность после культивирования (выращивания) водоросли по всем створам наблюдений.
Пример. Исходная таблица результатов измерений одного источника загрязнения в черте г.Йошкар-Ола имеет следующий вид.
| Плотность суспензии водорослей (до и после культивирования) | ||||||
| № пробы воды | I створ | II створ | III створ | |||
| до | после | до | после | до | после | |
| 1 | 0.021 | 0.022 | 0.022 | 0.029 | 0.018 | 0.028 |
| 2 | 0.010 | 0.014 | 0.022 | 0.027 | 0.010 | 0.022 |
| 3 | 0.026 | 0.080 | 0.017 | 0.009 | 0.018 | 0.028 |
| 4 | 0.023 | 0.036 | 0.017 | 0.023 | 0.027 | 0.031 |
| 5 | 0.033 | 0.097 | 0.026 | 0.071 | 0.077 | 0.106 |
| 6 | 0.015 | 0.056 | 0.033 | 0.071 | 0.024 | 0.060 |
| 7 | 0.019 | 0.045 | 0.023 | 0.051 | 0.031 | 0.052 |
Здесь для всех трех створов (до, в середине и после источника загрязнения) были приняты одинаково по семь проб воды. Меньшее количество проб нежелательно по требованиям статистической точности исследований.
Для удобства расчетов все значения оптической плотности суспензии водорослей умножаем на 1000 (103).
Результаты вычислений помещаем в сводную таблицу.
| Пример сводной таблицы измерений оптической плотности суспензии водорослей во всех 7 пробах воды, × 103 (пример из трех створов одного источника загрязнения) | ||||
| Суммарная оптическая плотность суспензии водорослей по всем пробам воды | ||||
| Створ 1 | Створ 2 | Створ 3 | ||
| До культивирования | O11=147 | O12=160 | O13=205 | n1=512 |
| После культивирования | O21=350 | O22=281 | O23=327 | n2=958 |
| Всего: | 497 | 441 | 532 |
Для трех створов получаем частную формулу для расчета обобщенного показателя загрязненности воды в виде
Умножим результат вычислений на 10-3 и получим неравенство 4740,7>5,99, то есть полученная статистика указывает на то, что обобщенный показатель показывает существенное различие между пробами воды до и после культивирования водорослей. Значение T можно использовать для сопоставления с другими источниками загрязнения, находящимися в черте города, а также применить для сопоставления загрязнения воды вдоль реки.
По значениям обобщенного показателя загрязненности реки нескольких источников загрязнения, створы которых находятся в черте населенного пункта, вычисляют показатель загрязненности участка реки в черте населенного пункта.
Сущность технического решения заключается в том, что все результаты измерения загрязнения на различных пробах разделяются на две группы - до и после культивирования водорослей. Существенным признаком является также то, что для одного источника рассматриваются три створа - до, в середине и после источника загрязнения, причем все три створа должны находиться в черте города или другого населенного пункта.
Сущность технического решения заключается также в том, что составляется сводная таблица для применения известного статистического способа анализа исходных данных по двум множествам - до и после культивирования (выращивания) водорослей. При этом получается обобщенный показатель загрязненности реки сточными водами от одного источника загрязнения, который имеет две функции:
1) обобщенный показатель загрязненности воды в момент взятия проб или в среднем за некоторое время взятия всех 7 и более проб воды;
2) статистический показатель сопоставления значимости двух выборок - суммарной оптической плотности до и после культивирования водорослей.
Положительный эффект достигается тем, что предлагается наглядный и простой в расчетах способ измерения загрязнения реки сточными водами комплексным обобщенным показателем загрязненности воды реки в пространстве смешивания сточной воды с чистой речной. Для этого в одно и то же время необходимо взять 7 и более проб в разных глубинах реки и на разной ширине поперек реки (вдоль створа). Это позволяет построить карту изменения обобщенного показателя в зависимости от глубины или расстояния по ширине реки в данном створе наблюдений.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые сделана инженерная попытка получения обобщенного показателя загрязненности речной воды (или водоема при некоторых изменениях в способе) для экологической оценки процесса смешивания чистой речной воды с потоками сточных вод.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
Способ измерения загрязнения реки сточными водами включает в себя следующие действия.
Вначале на реке определяется место источника загрязнения. Относительно него на реке поперек нее определяются три створа наблюдений (до, в середине и после источника загрязнения). В этих створах выполняется отбор проб воды. Затем выполняют консервацию проб воды. В лабораторных условиях проводят подготовку пробы воды для анализа, затем помещают водоросли и выполняют замеры оптической плотности суспензии в красном свете. После этого выращивают тест-организм в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris в культиваторе типа КВ-05 Красноярского государственного университета при постоянной температуре 36±0,5°С. После выращивания суспензию подвергают повторному измерению оптической плотности на красном свету. После этого составляют сводную таблицу и вычисляют по предложенной формуле значение обобщенного показателя. Затем, как и по прототипу, выполняют анализ и оценку результатов измерений.
Способ измерения загрязнения реки сточными водами городской канализации реализуется, например, следующим образом.
Вначале на реке в черте городской территории определяется место расположения источника загрязнения, например место слива сточной воды от какого-то предприятия. Относительно него на реке поперек нее определяются три створа наблюдений (до, в середине и после источника загрязнения). В этих створах выполняется отбор проб воды по определенной схеме мест отбора проб воды относительно точечного источника загрязнения.
Затем емкости с пробами воды перевозят в лабораторию и выполняют консервацию проб воды. В лабораторных условиях проводят подготовку воды для анализа, затем помещают водоросли и выполняют замеры оптической плотности суспензии в красном свете. После этого выращивают тест-организм в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris в культиваторе типа КВ-05 Красноярского государственного университета при постоянной температуре 36±0,5°С. После выращивания суспензию подвергают измерению оптической плотности на красном свету.
После измерений оптической плотности по всем пробам воды для определения обобщенного показателя по суммарным оптическим плотностям по всем пробам и всем створам реки в черте населенного пункта составляют сводную таблицу.
| Сводная таблица измерений оптической плотности суспензии водорослей во всех пробах воды (пример из трех створов одного источника загрязнения) | ||||
| Суммарная оптическая плотность суспензии водорослей по всем пробам воды | ||||
| Створ 1 | Створ 2 | Створ 3 | ||
| До культивирования | О11 | O12 | O13 | n1=O11+O12+O13 |
| После культивирования | O21 | O22 | O23 | n2=O21+O22+O23 |
| Всего: | О11+O21 | О12+O22 | O13+O23 |
Обобщенный показатель загрязненности воды определяют по формуле
где О1i - сумма оптических плотностей по всем пробам до культивирования до, в середине и после источника сточной воды;
О2i - сумма оптических плотностей по всем пробам после культивирования до, в середине и после источника сточной воды;
n1 - суммарная оптическая плотность до культивирования (выращивания) водоросли по всем створам наблюдений на реке;
n2 - суммарная оптическая плотность после культивирования (выращивания) водоросли по всем створам наблюдений.
По различным источникам загрязнения в черте города проводят сопоставление по обобщенному показателю загрязненности Т. Для анализа и оценки результатов измерений загрязнения реки сточными водами выполняют графическое и картографическое построение полученных данных.
Предлагаемый способ позволяет сопоставлять полученные значения обобщенного показателя загрязненности реки в данном месте измерений относительно источника загрязнения на берегу реки. Это повышает функциональные возможности анализа и оценки результатов измерений оптической плотности суспензий с водорослями (тест-организмом) и тем самым расширяет практические возможности применения предлагаемого способа. Кроме того, повышается точность анализа и оценки результатов из-за статистического обобщения исходных данных замеров проб воды. При этом появляется возможность дальнейшего совершенствования способа за счет применения математического моделирования, например динамики загрязненности реки сточными водами.
1. Способ измерения загрязнения реки сточными водами, при котором выбирают на реке створы наблюдений относительно источника загрязнения или группы источников загрязнения, один из створов наблюдения совмещают со створом или группой створов сброса сточных вод, осуществляют отбор проб воды, их консервацию и подготовку для анализа, выращивание тест-организма в виде одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris в культиваторе при постоянной температуре (36±0,5)°С, измерение оптической плотности на красном свету, анализ и оценку результатов измерений, отличающийся тем, что створы наблюдений принимают поперек реки до одного или группы источников сточной воды, посередине каждого источника и после одного или группы источников сточной воды, причем все три створа располагают в черте города или другого населенного пункта, при этом измерения оптической плотности суспензии водорослей выполняют до и после выращивания водорослей в пробах воды, а после измерений оптической плотности определяют обобщенный показатель загрязненности речной воды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что створы наблюдений принимают по источникам загрязнения на участке реки, находящейся в черте населенного пункта, а источники сточных вод вне населенного пункта рассматривают как отдельные группы источников загрязнения.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что значение обобщенного показателя загрязненности воды в реке определяют по формуле
где O1i - сумма оптических плотностей по всем пробам до выращивания водорослей до, в середине и после источника или группы источников сточной воды; О2i - сумма оптических плотностей по всем пробам после выращивания до, в середине и после источника или группы источников сточной воды; n1 - суммарная оптическая плотность до выращивания водоросли по всем створам наблюдений на реке; n2 - суммарная оптическая плотность после выращивания водоросли по всем створам наблюдений.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что по значениям обобщенного показателя загрязненности реки от группы источников загрязнения, створы которых находятся в черте населенного пункта, вычисляют показатель загрязненности отдельно по каждому источнику загрязнения из каждой группы.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пробы воды в каждом створе наблюдений реки принимаются в количестве не менее семи повторов.
