СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ Российский патент 2009 года по МПК C02F3/32 

Изобретение относится к охране вод от биологического загрязнения и улучшению санитарно-биологического состояния водоемов.

Ответной реакцией различных водных экосистем на обогащение биогенными и органическими веществами является интенсификация развития водорослей как первичного фотосинтезирующего звена, утилизирующего избыток питательных элементов в виде растительной продукции. Исходя из законов экологии эту реакцию водной системы можно рассматривать как приспособительную, как стремление экосистемы выжить и стабилизировать биотический круговорот, который непрерывно нарушается экзогенными экстремальными воздействиями. В этом направлении действуют естественные пути регуляции экологического равновесия, по этой линии идет эволюция экосистемы.

Поскольку происходит чрезмерное обогащение водоема биогенными элементами, то, в первую очередь, нужно прекратить или резко сократить их приток. Если последнее на данном этапе невозможно, то необходимо встраиваться в биотический круговорот экосистемы и научиться утилизировать образующийся избыток вещества и энергии в виде биологической продукции.

В результате эвтрофирования водных объектов (повышение содержания в воде биогенных и органических веществ) происходит снижение степени кислородного насыщения, особенно в придонных слоях. Это, с одной стороны, вызывает заморы рыб, с другой стороны, способствует накоплению восстановленных форм биогенных и органических веществ (азота в виде аммиака и аммонийных ионов, серы в виде сульфидов и др.). Как известно, в состав живого организма азот и сера входят в виде восстановленных соединений - аминных и сульфгидрильных групп. Поэтому усвоение и включение в процессы метаболизма экзогенных восстановленных соединений требуют значительно меньших энергетических затрат, чем окисленных.

В эвтрофировании природных водоемов особое место занимает фосфор. Это связанно с тем, что фосфор в клетках растений непосредственно участвует в процессах фотосинтеза и дыхания, азотном, углеводном и липидном обменах, активировании ферментных систем. Фосфор входит в состав протоплазмы и ядра клетки.

При снижении степени кислородного насыщения придонных слоев воды соединения фосфора переходят из донных отложений в растворимую форму. Поскольку сине-зеленные водоросли периодически мигрируют в придонные слои воды (в ночное время), они аккумулируют восстановленный фосфор природных слоев и таким образом полностью обеспечивают свои потребности в фосфоре даже при его дефиците в водной толще (Л.А.Сиренко, М.Я.Гавриленко. «Цветение» воды и эвтрофирование. Киев «Наукова Думка» 1978 с.60, 64, 113, 117, 172).

Известен способ борьбы с биологическим загрязнением водохранилищ. Согласно способу в ночное время, начиная с 22-24 часов гидроагрегаты гидроэлектростанций переводятся с турбинного в насосно-двигательный режим работы. В течение 2-8 часов перекачивают воду из нижнего бьефа в верхнее водохранилище. При этом происходит активное перемещение водных масс, исчезает температурная стратификация (SU 1569325, С02F 1/74, опубл. 07.06.90).

Однако способ применим только на действующих гидроузлах гидроэлектростанций, имеющих возможность работы в насосно-двигательном режиме.

Кроме того, способ приводит к образованию течений и волнений, создающих крупномасштабную турбулентность, что оказывает вредное влияние на гидробионты: механическое повреждение, угнетение шумом, заболевание рыбы при наличии в водоеме больших пузырьков воздуха.

Известен способ борьбы с «цветением» воды сине-зелеными водорослями, предусматривающий зарыбление водоемов растительноядными рыбами и альголизацию водоема в зимний период суспензией Chlorella vulgaris, штамм BIN (RU 2263141, С12N 1/12, опубл. 10.02.2005 г.).

Способ был осуществлен в Пензенском водохранилище. «Цветение» воды в исследуемый период было вызвано сине-зеленой водорослью Merismopedia tenuissima, которая предпочитает прибрежную зону и не продуцирует токсины.

Технический результат - разработка высокоэффективного способа, позволяющего регулировать и поддерживать процесс размножения сине-зеленных водорослей на уровне, исключающем «цветение» воды.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, предусматривающем альголизацию водоема путем внесения в качестве альголизанта суспензии зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris, согласно изобретению в качестве альголизанта используют суспензию Chlorella vulgaris штамм ИФР № С-111, альголизацию проводят после сбора сине-зеленных водорослей, который проводят в определенный период их развития, а именно по окончании фазы логарифмического роста - наступления фазы линейного роста в утренние часы с 4х до 6 часов.

При этом дополнительно проводят искусственную аэрацию: биологическую - в зимний период при ледоставе путем очищения льда от снега от 1/3 до 50% площади водоема без повреждения ледового покрова и гидромеханическую - в зимний период при отсутствии ледостава и весной с интервалом 3-4 недели. Гидромеханическую аэрацию проводят в количестве не менее 2-х раз.

Окончание фазы логарифмического роста и наступление фазы линейного роста определяют по установлению постоянной величины удельной скорости роста биомассы сине-зеленых водорослей или ее снижению.

Сбор сине-зеленых водорослей проводят периодически при достижении концентрации сине-зеленных водорослей в поверхностном горизонте в утренние часы 0,05 мг/л и более.

Альголизант вносят в количестве 15-25 л на 1 млн м³ воды в глубоководной части и 15-25 л/га в мелководной части водоема с глубиной не более 5 метров.

Искусственную аэрацию водоема проводят в мелководной части водоема с глубиной не более 5 метров.

С точки зрения физиологии, развитие водорослей вообще и сине-зеленых, в частности, проходит следующие фазы: I - лаг-фаза, которая длится до начала активного размножения клеток; II - логарифмическая фаза, характеризуется максимальным темпом генерации; III - фаза линейного роста; IV - фаза замедленного роста; V - стационарная фаза; VI - фаза отмирания.

В каждой фазе своего развития водоросли размножаются с определенной скоростью роста:

где х - биомасса

t - время роста

Максимальную скорость роста водоросли имеют в логарифмической фазе. Наступление фазы линейного роста характеризуется постоянной величиной удельной скорости роста или снижением.

Начиная со второй декады мая, необходимо измерять удельную скорость роста μ, которая определяется часовым приростом биомассы и рассчитывается по формуле:

Установление постоянной величины μ или ее снижение характеризуется окончанием фазы логарифмического роста и наступлением фазы линейного роста, что является сигналом для сбора водорослей. Это обусловлено тем, что удаление биомассы водорослей в период логарифмического роста стимулирует процессы клеточного деления и увеличение численности клеток. В то же время биомасса не достигает критических пределов и водоросли выполняют положительную функцию, а именно в процессе фотосинтеза продуцируют кислород, который повышает уровень кислородного насыщения воды и минерализацию органических веществ.

Удаление водорослей в период линейного роста не стимулирует клеточного деления, как это происходит при сборе водорослей в фазе логарифмического роста. При этом уменьшаются запасы органического вещества и фосфора, аккумулированного клетками водорослей, находящихся на уровне высокой жизненной активности.

Измерение удельной скорости роста биомассы водорослей достаточно проводить в пробах поверхностного горизонта воды (0-30 см) в предутренние часы - время максимального скопления сине-зеленных водорослей в поверхностном горизонте воды.

Способ осуществляют следующим образом.

В зимний период при ледоставе очищают лед от снега, например, воздушным потоком от 1/3 до 50% площади водоема без повреждения ледового покрова, преимущественно в мелководной части водоема с глубиной не более 5 м.

В зимний период в отсутствие ледостава и весной проводят гидромеханическую аэрацию в количестве не менее 2-х аэраций, преимущественно в феврале и марте с интервалом 3-4 недели, тоже в мелководной части водоема.

Начиная с апреля, три раза в месяц отбирают пробы воды в различных точках водоема для определения общей численности и биомассы водорослей и сине-зеленых водорослей в том числе. Начиная с мая, берут пробы воды поверхностного горизонта (0-30 см) в утренние чесы с 4 до 6 часов и определяют удельную скорость роста μ сине-зеленых водорослей. При установлении постоянной величины μ или ее снижении начинают сбор водорослей поверхностного горизонта в утренние часы с 4 до 6 часов.

После сбора сине-зеленых водорослей вносят суспензию зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris штамм ИФР № С-111 в количестве 15-25 л на 1 млн м³ воды в глубоководной части и 15-25 л/га в мелководной части водоема.

Сбор сине-зеленых водорослей проводят периодически при достижении концентрации в поверхностном горизонте воды 0,05 мг/л и более. После каждого сбора водорослей проводят альголизацию водоема.

Аэрацию водоема можно проводить с помощью гидромеханических аэраторов, например, «Стрела-4» (В.А.Акимов, B.C.Гуенко, Ю.Н.Савченко. Технические средства аэрации рыбоводных прудов. М. 1990, С.13-16, 41-45). Аэратор может эксплуатироваться в зимний и ранневесенний периоды.

Устройство представляет собой катамаран, на котором смонтирована дизельная моторная станция. От выходного фланца центробежного насоса насосной станции идет напорная магистраль в виде трубопровода с коллектором, выполненным из стальной сварной тонкостенной трубы РТШ-180. Коллектор оборудован двумя патрубками, от которых отходят резинотканевые рукава с металлическими спиралями.

К рукавам с помощью угольников присоединены аэрационные насадки, состоящие каждый из камеры смешения длиной 400 мм, выполненной из трубы, внутренним диаметром 100 мм и воздухозаборника диаметром 50 и длиной 1000 мм. С помощью фланцевого соединения внутри камеры смешения монтируется сопло эжектора длиной 120 мм.

Забор воды осуществляется через всасывающую магистраль, оборудованную рыбозаградителем.

После запуска двигателя насосной станции вода по напорной магистрали поступает к аэрационным насадкам. При движении струи воды из коллектора через сопло эжектора в камере смешения снижается давление и по трубе воздухозаборника из атмосферы в нее поступает воздух. Атмосферный воздух дробится на мельчайшие пузырьки, активно перемешивается с водой и в виде водовоздушной струи движется под водой.

Барботаж воздушных пузырьков обеспечивает дальнейшую аэрацию и перемешивание нижних слоев воды с поверхностными, более богатыми кислородом. Интенсивность аэрации можно регулировать задвижкой на напорной магистрали или изменением частоты вращения двигателя на насосной станции.

Углы наклона аэрационных насадков в зависимости от глубины водоема регулируются системой заглубления.

При наступлении фазы развития сине-зеленых водорослей - фазы линейного роста (на основании показателей μ) в нижней носовой части катамарана присоединяют устройство для сбора водорослей. Устройство для сбора водорослей может быть выполнено, например, в виде сетчатой транспортерной ленты с закрепленными на ней чередующимися рядами режущих элементов и захватывающих игл.

Аэрация водоема повышает степень кислородного насыщения воды, что исключает, во-первых, заморы рыб, во-вторых, ускоряет минерализацию органических веществ, снижает интенсивность размножения сине-зеленых водорослей. Это в свою очередь снижает эвтрофирование водоема.

Сбор сине-зеленых водорослей, находящихся на уровне высокой жизненной активности, способствует максимальному удалению, прежде всего фосфора, а также других биогенных элементов, входящих в состав клеток водорослей именно в этот период.

Это также способствует снижению степени эвтрофирования водоема.

Альголизация водоема зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris путем внесения в качестве альголизанта штамма ИФР № С-111, обладающего выраженными антагонистическими свойствами к сине-зеленым водорослям, способствует снижению их биомассы не только в исследуемый год, но и в последующие годы.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет предотвратить «цветение» воды путем поддержания биомассы сине-зеленых водорослей значительно ниже критических пределов.

Кроме того, вместе с водорослями удаляются загрязнения, находящиеся в поверхностной пленке, такие как нефтяные загрязнения, пестициды.

Поверхностная пленка водоемов обладает высокой биологической активностью и является средой обитания для большого числа гидробионтов, играющих важную роль в процессах самоочищения.

Концентрирование загрязнений в поверхностной пленке приводит к значительно большему их накоплению в организме гидробионтов за счет передачи по пищевым цепям, чем при равномерном распределении в толще воды, что вызывает гибель гидробионтов.

Применение предлагаемого способа позволяет регулировать и поддерживать процесс размножения сине-зеленых водорослей на уровне, когда доминирует их положительная функция в процессах самоочищения.

Удаление сине-зеленых водорослей, как продукта водной экосистемы, улучшает санитарно-биологическое состояние водных объектов.

Применение способа позволяет снизить концентрацию сине-зеленых водорослей, не используемых гидробионтами в качестве корма. В то же время увеличение концентрации зеленых водорослей, в том числе Chlorella vulgaris с высокими кормовыми показателями, значительно улучшает кормовую базу в целом.

Изобретение относится к охране вод от биологического загрязнения и улучшению санитарно-биологического состояния водоемов. Способ предусматривает альголизацию водоема путем внесения суспензии зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР № С-111. Альголизацию проводят после сбора сине-зеленых водорослей, который проводят по окончании фазы логарифмического роста - наступления фазы линейного роста в утренние часы с 4-х до 6 часов, при этом дополнительно проводят искусственную аэрацию: биологическую - в зимний период при ледоставе путем очищения льда от снега от 1/3 до 50% - площади водоема без повреждения ледового покрова, гидромеханическую - в зимний период при отсутствии ледостава и весной с интервалом 3-4 недели, гидромеханическую аэрацию проводят в количестве не менее двух раз. Способ позволяет предотвратить «цветение» воды путем снижения концентрации сине-зеленых водорослей. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ регулирования биологического загрязнения водоемов, предусматривающий альголизацию водоема путем внесения в качестве альголизанта суспензии зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris, отличающийся тем, что в качестве альголизанта используют штамм ИФР №С-111, альголизацию проводят после сбора синезеленых водорослей, который проводят в определенный период их развития, а именно по окончании фазы логарифмического роста - наступлении фазы линейного роста в утренние часы с 4 до 6 ч, при этом дополнительно проводят искусственную аэрацию: биологическую - в зимний период, при ледоставе, путем очищения льда от снега от 1/3 до 50% площади водоема без повреждения ледового покрова, гидромеханическую - в зимний период, при отсутствии ледостава и весной с интервалом 3-4 недели, гидромеханическую аэрацию проводят в количестве не менее двух раз.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончание фазы логарифмического роста и наступление фазы линейного роста определяют по установлению постоянной величины удельной скорости роста биомассы синезеленых водорослей или снижению этой величины.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сбор синезеленых водорослей проводят периодически при достижении их концентрации в поверхностном горизонте воды в утренние часы 0,05 мг/л и более.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что альголизант вносят в количестве 15-25 л на 1 млн м³ воды в глубоководной части и 15-25 л/га в мелководной части водоема с глубиной не более 5 м.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что искусственную аэрацию проводят в мелководной части водоема с глубиной не более 5 м.