Способ определения способности водоема к самоочищению Советский патент 1993 года по МПК G01N33/18 A01K61/00 

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 из пелагической экосистемы и экосистемы донных осадков, перерабатывать и

удалять вещества природного происхождения и загрязняющие вещества, способность принять дополнительное количество загрязнений и проводить переработку этого загряз- нения.Способность водоема самоочищению определяется сохранностью условий, благоприятных для обитания Организмов, производящих процессы очищения водоема, достаточным количеством кислорода и сохранность буферных свойств экосистемы.

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

00

со ел

00

со

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

Известнее 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 органиче- ского вещестез водоема и других загрязнений. Известные способы констатируют наличие процесса самоочищения и в том случае, когда процесс самоочищения у дн.а и в донных осадках уже не идет,

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения способности водоема к самоочищению е 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 0 и устанавливают толщину слоя осадка с величиной Eh больше 0, а оценку способности к самоочищению осуществляют по формуле: )cp h/6500, где «со - доля способности активного слоя донных осадков к переработке загрязнений от теоретически максимально возможной в наиболее благоприятных условиях; ()cp - среднее из величин Eh больше 0, h - толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроазро- фильными условиями с Eh, больше 0, при этом, если Ксо меньше 0,2. считают способность к самоочищению низкой, если Ксо больше 0,2, но мень ше 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 биогеохимических процессов на последней стадии переработки органических остатков и загрязнений в донных осадках в аэробном, микроаэрофильном и аэробном слоях, определяющих самоочищающую способность

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, разбавлению вещества над всей нагрузкой этих веществ на донную экосистему, задаваемой уровнем всех поступающих веществ природного происхождения и загрязнителей, поддерживается, в первую очередь, буферцрстью осадка, восстанавливаемой при биотурба- ционном перемещении осадка бентосными организмами и активными микробными аэробными процессами в условиях достаточного количества кислорода в придонной виде (у дна).

Между началом загрязнения водоема и резкими изменениями условий в нем, а затем разрушением и гибелью придонной экосистемы водоем проходит через стадии с постепенным изменением свойств верхнего слоя осадка, что можно контролировать при изучении изменения характеристик верхнего слоя осадка, в частности измерении величины Еп по вертикали. Нами было установлено, что в условиях антропогенного загрязнения при его непрерывном нарастании поданным авторов наблюдается постепенное уменьшение толщины защитного

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 аосстановленности верхнего слоя осадка и напряженности кислородного режима в верхнем слое осадка. При резком нарастании загрязнения в водоеме донные осадки адекватно отражают ситуацию в водоеме.

Для характеристики, описания и количественной оценки способности водоема к самоочищению используют соотношение ()cp7 Ehmax характеризующее способность к окислению веществ за 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 0), определяемой диффузией кислорода в условиях биотурба- ционного перемешивания осадка, к теоретической глубине активной биотурбации (h/H), нто позволяет оценить возможность протекания аэробных процессов и буферную емкость к органическим веществам, в том числе пестицидам, восстановленным соединениям и тяжелым металлам. Способность к самоощущению выражают в долях от теоретически максимально возможной величины в наиболее благоприятных условиях:

Kco()cp-h/Ehmax H,

где величина Ксо может быть равна от О До 1.

Коэффициент способности водоема к самоочищению (Ксо), определяемый по состоянию донных осадков, характеризует также и самоочищающую способность водной части экосистемы, показывая полному потребления вещества в водной толще водоема. При Ксо близком к 0 водоем практически не справляется с очисткой, проявляется евтрофирование водоема, а при ,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 Oj Учитывая, что Ehmax по литературным данным и нашим измерениям составляет +650мв, а теоретическая глубина активной биотурбации -10 см, для расчета коэффициента способности к самоочищению используют формулу: )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 Кср - 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 условия5 ми, 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 ,

0 переработке больших количеств загрязнений. Водная толща в этом случае не справляется с колебаниями количествами уровня загрязнения и колебанием по сезонам количества продуцируемого органического ве5 щества. Способность водоема к самоочищению крайне низкая и КСо не более 0,2.

При соотношении ()Cp/EhmaX в целом для слоя 0,3-1,0 и величине h/H 0,2-0,7

0 (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 этом сохранность осадка оп5 ределяется буферной емкостью слоя осадка, которая обеспечивает способность к самоочищению при постоянном уровне rib- ступающего загрязнения и не гарантирует сохранение способности к самоочищению

0 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

5 более 5 см (h/H больше 0,5) и соотношении ()cp/Ehmax более 0,7 содержание кислорода у дна всегда высокое, что обеспечивает поступление кислорода на большую глубину и протекание активных процессов самоочи0 щения у дна и в толще осадка. Буферная емкость значительная, что позволяет накап ливать большие количества загрязняющих

веществ и восстановленных соединений,

при этом, способность осадков к самоочи5 щению остается высокой длительное время.

Ксо превышает величину 0,5.

В случае постоянного увеличения уровня загрязнения толщина слоя окисленных осадков и осаДков с микроаэрофильными

0 условиями (с ) и величины Eh в этом слое будут медленно уменьшаться и Ксо будет меняться от 1,0 к 0. Регулярное измерение указанных параметров позволяет проследить за состоянием водоема.

5 . Измерение Ел в верхнем слое осадков проводят либо на ионометре или рН-метре- вольтметре после отбора осадка дночерпа- телем, либо непосредственно в водоеме дистанционным датчиком, представляющим собой блок платиновых электродов, соединенных 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 измере- нии Eh достаточно фиксировать значения этого параметра до глубины, где Eh менее или равно 0. Величину ()cp рассчитывают как среднюю из величин Eh, измеренных или определенных по графику распределе- ния Eh через равные расстояния по глубине осадка.

На фиг.1 показано распределение Eh 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-50, на глубину 10 см в период обогащения придонной воды кислородом в холодный период (декабрь) на ст.126/11 ( р 46°28 ОМ, А 30°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 осадка путем погружения стандартных Рг-элект родов и электрода сравнения (KCI-электрода) на 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 ()Cp и толщину слоя донных осадков с Eh больше 0 (h). Как следует из рис.1, ()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 заморы. Ксо менее 0,2, констатируют крайне низкую способность водоема к самоочищению.

П р и м е р 2. Измеряют Eh непосредственно в воде и осадке переносным милливольтметром у берега в северной части Тульчинского озера (ст.1) в конце осеннего

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 О ()cp во всем слоем и толщину слоя донных осадков с Eh больше 0 (h). Как следует из фиг.2, ()cp 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:

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 водоёма в изучаемый период даже в период обогащения воды кислородом. Дальнейшее нарастание уровня загрязнения недопустимо.

ПримерЗ. Способ осуществляют, как описано в примере 1, измерения проводят на ст. 106/60 (р 45°48 ON, A 32°35 OE). По результатам измерений величин Eh строят график вертикального распределения (фиг.З). Среднее значение величин Eh больше 0 ()Cp 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:

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. 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°48 ОМ, А 32°18 ОЕ). По результатам измерений вычисляют ()cp во всем слоем и толщину слоя донных осадков с Eh больше 0 (h). Как следует из фиг.4, ()cp 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: 10/6500 0,60.

Ксо более 0.5, констатируют высокую способность водоема к самоочищению.

Прммер5. Способ осуществляют, как описано в примере 2. измерение проводят в пресноводном водоеме (ст.З в Тульчинском озере) в летний период (август). Среднее значение величин Eh, больших 0, ()ср составляет +200 мв, толщина слоя окисленных осадков и осадков с микроаэрофильны- ми условиями (h) составляет 10 см (фиг.5). Рассчитывают коэффициент способности водоема к самоочищению от внешнего загрязнения: Ксо- 220 10/6500-0,32

Ксо 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 водоёма 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 осадков с микроаэрофильными условиями), характеризующих сохранность условий, благоприятных для обитания бентосных организмов, способствующих процессам очи- щения водоема, достаточным количеством 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 достоверным, т.к. в нем в качестве физико- химического показателя используют окислительно-восстановительный потенциал, уоторый в воде и в осадках прямо или косвенно связан со всеми химическими харак- теристиками, физико-химическими свойствами осадков, со скоростью биогеохимических процессов, а также отражает

численный и видовой состав макро- и мик- роорганизмов.

Кроме того, измерения Eh очень просты и воспроизводимы, особенно при измерении их выносным дистанционным датчиком непосредственно в водоеме без отбора проб трубой и дночерпателем. Использование Eh позволяет применять чувствительный, низкоинерционный, портативный зонд с блоком датчиков, что дает возможность быстро оценить способность к самоочище- нию водоемов больших площадей и глубоководных водоемов и проводить измерения с требуемой 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

К ()ср-Им.у.

с-°-13000 .

где Кс.о. - коэффициент самоочищения водоема;

()cp - средняя из величин Eh, больших (чем нуль,

Пм.у. - толщина слоя с ,

при этом, если Кс.о Ј 0,1, считают способность водоема к самоочищению крайне низкой, если 0,25 2: Кс.о. 0,1, считают способность водоема к самоочищению ограниченной, если Кс.о 0.25, считают способность водоема к самоочищению высокой.

300 -200 -100 0 MOO 200 + 300 +ОД0 500ЕЛ в

Использование: определение способности водоема к самоочищению. Сущность изобретения: в слое донного осадка глубиной до 20 см измеряют окисяительнс восстанови- тельный 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

ЗД0 -20 -100 0 Ш.Ш 300 W W Eh

J--.--i-----J----I---- - --i----i----i-----i-. П

-зда

-2(Ю -/( fl /00 +20P ЭОО ЦЮ 500 JA .

Ю

ftof Фцг2

фиг.З

-300 -200 -/00 О й ЯО 300 + W 45Ю Eh MB

j i----i--.-tЮ

hen

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

10

h CM

Pua.J

О 300 + W 45Ю

j i----i--.-tФкг4