Способ мониторинга качества воды и устройство для его осуществления

Способ мониторинга качества воды и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к методам и средствам биомониторинга водной среды.

Причины растущего интереса к использованию методов биодиагностики в системах жизнеобеспечения понятны и неоднократно назывались в публикациях, посвященных биомониторингу (см., например, Clausen Juergen, Roel van Wijk & Henning Albrecht Weakly electric fish for biomonitoring water quality // Environmental Technology, 2012, 33:10, 1089-1099). Очевидны экологические угрозы, связанные с производством во все большем масштабе различных веществ, ранее не существовавших в природе, включая лекарственные средства, средства бытовой химии, средства для уничтожения насекомых и т.п. Также если речь идет о питьевой воде, которая перед подачей в системы водоснабжения очень тщательно обрабатывается, надежды на то, что все эти новые вещества, например наноматериалы или супертоксиканты, будут удалены в процессе водоподготовки, к сожалению, пока не слишком обоснованы. Как известно, уничтожение искусственно синтезированных отравляющих веществ представляет собой трудную задачу, предполагающую разработку специальных технологий и создание специального промышленного оборудования. Еще острее стоит проблема загрязнения природной воды.

Известна и широко распространена оценка качества воды по изменению видового состава видов-индикаторов (RU 2357243, 27.05.2009). Однако она малопригодна для оперативного принятия решений, поскольку заметные изменения наблюдаются уже тогда, когда превышены возможности естественной адаптации экологической системы и начались необратимые изменения.

На практике нужны более быстрые методы, позволяющие выявлять ранние изменения в жизнедеятельности водных организмов. Такая задача стоит, например, при подготовке природной воды для водоснабжения населения или при сбросе воды после промышленного применения. Время от водозабора до попадания воды в водопроводы около 12 часов. Чем быстрее и точнее определен момент возникновения возможной угрозы, тем больше времени остается для надежного физико-химического анализа состава воды и принятия решения о степени угрозы и, в случае ее серьезности, перекрытия воды.

Известен способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков и система для осуществления данного способа. Биологический мониторинг основан на закреплении на створках раковины моллюсков датчиков положения створок, размещении моллюсков с датчиками в контролируемой воде, формировании и пропускании оптического излучения по оптическим волокнам линии передачи. Далее способ предусматривает преобразование оптического излучения, прошедшего по оптическим волокнам, в электрические сигналы приемниками оптического излучения, установленными с возможностью оптического контакта с выходными торцами оптических волокон, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин. А контроль качества тестируемой воды осуществляют по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение. При этом решение о загрязнении контролируемой воды принимают при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения (RU 2361207, 10.07.2009). Однако полученные данные в соответствии с предложенной системой мониторинга качества тестируемой воды не обеспечивают высокую степень надежности, в связи с тем, что невозможно отдифференцировать, чем вызваны изменения в состоянии моллюсков, внешними факторами или связаны с качеством тестируемой воды.

Наиболее близким по технической сущности к способу мониторинга качества воды на основе автоматической, дистанционной непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, являющемуся предметом настоящего изобретения, следует считать способ мониторинга качества воды путем оперативной биоиндикации загрязнения природных вод в режиме реального времени. Способ предусматривает проведение непрерывной регистрации поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов в природных условиях, причем биоиндикация осуществляется по результатам комплексных изменений функциональных характеристик организмов-индикаторов, значения измеренных параметров обрабатываются компьютером в режиме реального времени индивидуально для каждой особи организма-индикатора с последующим осреднением и интегрированием результатов, оценка изменений производится по измерениям не менее трех основных параметров поведенческих и/или физиологических реакций организмов-индикаторов и частоты их колебаний, на основании сравнения текущего состояния организма-индикатора с его состоянием в норме. При анализе интегрированных результатов измерений автоматически производится генерация сигнала тревоги, оповещающего об изменении условий водной среды и степени отклонения их от нормы. Биоиндикация проводится не менее чем по двум видам организмов-индикаторов для одного и/или более биотопов, причем в качестве биотопов используются разные водные слои или массы. Для этого используют пилотную установку, представляющую собой платформу с установленным на ней оборудованием, соединенным с измерительными приборами и датчиками, закрепленными на моллюсках. Данная установка непрерывной регистрации (УНР) применяется в двух вариантах: автономном и стационарном. Автономный вариант, с размещением оборудования на плоту, предназначен для биомониторинга вод прибрежной зоны. Все сигналы, поступающие от датчиков, закрепленных на мидиях или других моллюсках, непрерывно в режиме реального времени регистрируются самописцем и/или обрабатываются компьютером с использованием соответствующей программы. Кардиоактивность и поведение моллюсков могут измеряться также в проточных аквариумах, размещенных, например, на самой нефтяной или иной платформе, куда закачивается насосом вода с поверхности моря. Для разных условий и разных водных животных из различных биотопов может быть использовано несколько различных устройств. Достигаются повышение надежности, оперативности и достоверности (RU 2395092, 20.07.2010). Однако в данном биомониторинге с помощью измерительных приборов, соединенных с самописцем или компьютером и сигнальным устройством также не учитывается, чем вызваны изменения в состояния поведенческих и/или физиологических реакций водных организмов - внешними факторами или непосредственно качеством тестируемой воды.

Таким образом, недостатками способа биологического мониторинга водной среды, который является ближайшим аналогом, являются недостаточно высокая достоверность контроля состояния водной среды.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности мониторинга воды за счет создания системы оперативной биоиндикации, обеспечивающей установления корреляции между изменениями состояния поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, вызванного внешними факторами или непосредственно качеством тестируемой воды.

Технический результат достигается, во-первых, тем, что мониторинг качества воды проводят путем автоматической дистанционной непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, находящихся в аквариумах, через которые пропускают тестируемую воду стабилизированной температуры, а контроль качества воды проводят по изменениям состояния тест-объектов, при этом осуществляют автоматическое через блок управления вентелями перенаправление тестируемой воды через три и более аквариумов, с находящимися в них водными тест-объектами, при этом подаваемый поток тестируемой воды в каждый момент времени проходит только через один аквариум, а в других - циркуляцию воды осуществляют внутри аквариумов без подачи внешней воды, причем период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума в другой равен времени, достаточного для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды при скорости потока воды, обеспечивающей поддержание в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов, а контроль качества тестируемой воды проводят путем сравнения между собой результатов состояния поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов в моменты времени прохождения потоков тестовой воды в аквариумах и при наличии изменений состояния поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов в одном аквариуме, которые совпали с потоком тестовой воды через этот аквариум, а в остальных аквариумах подобные изменения отсутствовали, предполагают, что изменения вызваны свойствами тестируемой воды, если же при следующем переключении во второй аквариум потока воды изменения проявились для тест-объектов второго аквариума, то изменения оценивают как вызванные свойствами тестируемой воды, а когда подобные изменения проявляются и в третьем аквариуме, совпадающие с потоком тестовой воды через этот аквариум, пробу тестируемой воды отправляют на дополнительный химический анализ, для выявления конкретной причины, вызвавшей изменения в состоянии тест-объектов, при наличии изменений состояния поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов во всех аквариумах без привязки к прохождению через них потоков тестируемой воды, оценивают данные изменения, как воздействие на тест-объекты внешнего фактора, не связанного с качеством воды.

Технический результат достигается, во-вторых, также и тем, что система для мониторинга качества воды содержит аквариумы с водными тест-объектами, блок водоподготовки и подачи тестируемой воды, сливные трубы, блок контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блок индикации, причем дополнительно она содержит электроуправляемые вентили по числу аквариумов, блок управления вентилями и таймер, для генерации тестовых интервалов, соединенный с блоком управления вентилями, с блоком контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блоком индикации, а блок водоподготовки и подачи тестируемой воды через электроуправляемые вентили соединен посредством труб с аквариумами и сливными трубами.

Изобретение иллюстрируется фиг.1-3. На фиг.1 представлен общий вид системы для мониторинга качества воды по поведенческим и/или физиологическим реакциям водных тест-объектов. Слева от системы расположен проточный холодильник. На фиг.2 показан вид системы с обратной стороны, на которой видны аквариумы с водными тест-объектами, электроуправляемые вентили по числу аквариумов, сливные трубы. На фиг.3 представлена схема автоматической системы мониторинга качества воды.

Система для мониторинга качества воды на основе автоматической, дистанционной, непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов содержит блок водоподготовки и подачи тестируемой воды (1), блок управления вентилями (2), таймер для генерации тестовых интервалов (3), блок контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов (4), блок индикации (5), электроуправляемые вентили (6) по числу аквариумов (7) и сливные трубы (8). При этом таймер для генерации тестовых интервалов (3) соединен с блоком управления вентилями (2), с блоком контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов (4) и блоком индикации (5). А блок водоподготовки и подачи тестируемой воды (1) через электроуправляемые вентили (6) соединен посредством труб с аквариумами (7) и сливными трубами (8).

Система работает следующим образом.

Водные тест-объекты (моллюски, крабы, рыбы и др.) размещают в трех тестовых аквариумах (7) по 4 особи с оптосенсорами в каждом. Тестируемая природная вода перед подачей в аквариумы (7) проходит через фильтр механической очистки от крупных органических и неорганических примесей, через проточный холодильник в блок водоподготовки и подачи тестируемой воды (1), в котором проводят стабилизацию температуры тестируемой воды. Затем ее направляют через электроуправляемые вентили (6), которые с помощью блока управления вентилями (2) и таймера (3) регулируют необходимую скорость потока тестируемой воды через систему труб. Причем период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума (7) в другой равен времени, достаточному для оценки с помощью блока контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов (4), состояния тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды и обеспечения поддержания в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов. Поток тестируемой воды в каждый момент времени проходит только через 1 аквариум (7), а в двух других - циркуляцию воды осуществляют внутри аквариумов (7) без подачи внешней воды. Таким образом, только 4 тест-объекта из 12 прокачивают через себя тестируемую воду. Через 10 минут автоматически с помощью электроуправляемых вентилей (6) перекрывают поступление воды во все аквариумы (7) и сразу после этого открывают подачу воды в следующий аквариум. Соответственно, 4 тест-объекта, содержащихся в этом аквариуме, становятся тестовыми, а 8 остальных - контрольными. Через блок контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов (4) у всех 12 тест-объектов непрерывно регистрируют поведенческие и/или физиологические реакции, например кардиоритмы и раскрытие створок. В качестве средств их измерения могут быть использованы, например, датчики Холла, мюссельмонитор, плетизмографы или другие волоконно-оптические датчики и иные подобные устройства (на схеме не показаны). Информация о состоянии системы через блок индикации (5) отображается в виде цветовой диаграммы или в графической форме или в цифровой на мониторе компьютера (на схеме не показано). Применение сенсорных экранов облегчает интерактивный режим управления системой, например, позволяет перейти в ручной режим и открывать-закрывать любой из вентилей (6). В штатном режиме система не требует вмешательства оператора. В центральной части экрана монитора компьютера отображаются все основные узлы и состояние электроуправляемых вентилей (6). Открытые вентили (6) обозначаются зеленым, закрытые - белым. Знак замка на вентиле указывает, что он находится под управлением системы и в текущем режиме (режиме мониторинга) прикосновение к его изображению не вызывает каких-либо действий. Цифры в блоках означают относящуюся к ним информацию. Так, например, на нагревателе указана требуемая температура стабилизации (18°C), температура, измеренная на выходе нагревателя (17°C), а шкала показывает долю мощности нагревателя от максимально возможной. На счетчике воды указана мгновенная скорость потока воды и количество литров воды, залитых начиная с последнего переключения вентилей (6). На изображениях каждого из аквариумов (7) указывается температура в нем, наличие воды и состояние моллюсков по результатам анализа прошлого 10-минутного интервала. Сразу после включения и до обработки полного 10-минутного интервала тест-объекты показаны серым цветом. Если разъем оптосенсора был вынут из розетки, то соответствующий канал также показан серым цветом и еще рядом показан замок, означающий, что данные по этому каналу не доступны.

В случае технической необходимости систему можно перевести в режим ручного управления или автоуправления. Для этого достаточно на мониторе компьютера коснуться соответствующего окна или навести на него указателем «мыши» и кликнуть клавишей. При автоуправлении система продолжает автоматически стабилизировать скорость потока воды, температуру и регулярно переключает вентили (6), поочередно направляя проточную воду через аквариумы (7) (на схеме не показано).

В режиме ручного управления терморегулирования не производится, а все вентили (6) доступны для открывания-закрывания. Помимо монитора, отображающего текущее состояние системы в целом, имеется второй монитор, отображающий поведенческие и/или физиологические реакции каждого из тестовых объектов (на схеме не показано). Нештатные ситуации, нарушающие работу системы, автоматически контролируют и отображают. Для отображения состояния системы помимо мониторов предусмотрена сигнальная колонна, на основе матрицы RGB- светодиодов. Сигнальная колонна крепится к крышке аппаратного шкафа (на схеме не показано) и хорошо заметна оператору. Верхняя часть сигнальной колонны отображает общее состояние моллюсков, нижняя часть - техническое состояние системы. Если все узлы системы исправны и никаких нештатных ситуаций нет - нижняя часть световой колонны горит ровным зеленым светом.

Варианты осуществления способа мониторинга качества вода были проведены на примере 12-канальной системы тестирования качества воды, разработанной и изготовленной для Рублевской станции водоподготовки Мосводоканала. При этом мониторинг (автоматическую дистанционную непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени) проводили по поведенческим и/или физиологическим реакциям водных тест-объектов, в частности двухстворчатых моллюсков, поочередно используемых то в качестве тестовых, то контрольных. Моллюсков разместили в трех тестовых аквариумах по четыре особи с сенсорами в каждом, через которые пропускали тестируемую воду стабилизированной температуры. Тестируемую воду пропускали через три аквариума, автоматически с помощью электроуправляемых вентилей, перенаправляя ее таким образом, чтобы подаваемый поток тестируемой воды в каждый момент времени проходил только через один аквариум, а в других - циркуляцию воды осуществляли внутри аквариумов без подачи внешней воды. Период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума в другой был равен времени, достаточной для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды при скорости потока воды, обеспечивающей поддержание в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов, в данном случае он был равен 10 мин. При этом скорость потока и температура воды автоматически поддерживали при значениях, соответственно, 18°C и 2.2 л в минуту. За 10 мин через тестируемый аквариум протекало 22 л воды, то есть вода в аквариуме обновлялась практически полностью. Регулирование скорости потока обеспечивали с помощью управляемого электрорегулируемого вентиля исходя из показаний счетчика воды. Контроль качества воды проводили по изменению состояния тест-объектов и путем сравнения между собой результатов состояния их поведенческих и физиологических реакций в моменты времени прохождения протоков тестовой воды в аквариумах. И при заметном изменении кардиоритма, включая его пропадание, или заметное изменение раскрытия/закрытия створок для моллюсков, содержащихся в одном аквариуме, которое совпадало с протоком тестовой воды через этот аквариум, а в двух других аквариумах - подобных изменений не обнаруживалось, то предполагали, что изменение вызвано свойствами тестируемой воды. Если при следующем переключении потока воды во второй аквариум изменения проявились для моллюсков этого аквариума, то наличие в воде некоторого нового фактора становилось для исследователей более убедительным. Наконец, когда подобные изменения наблюдали и в третьем аквариуме - пробу воды отправляли на дополнительный химический анализ, который выявлял конкретную причину, вызвавшую реакцию тест-объектов. Особенно важно это делать, если реакция характерна для негативных воздействий, например закрытие створок, увеличение периодов или утрата стабильности кардиоритма, резкое уменьшение электрической активности. Если же изменения поведенческих и/или физиологических реакций происходили одновременно во всех аквариумах без привязки к переключениям потока тестируемой воды, то они были связаны с каким-то внешним фактором. Выявление этого фактора, например в виде постороннего звука, позволяло исключить его из процесса мониторинга и соответственно повысить надежность результатов его исследования. Результаты отображались на экране монитора в виде сводной цветной диаграммы за сутки, с указанием о состоянии системы и тестовых организмов (моллюсков). В диаграмме отображалось время интервалов, общая оценка состояния моллюсков и состояние системы. Если моллюски чувствовали себя хорошо - столбцы на диаграмме были окрашены зеленым. Если были основания для тревоги - желтым. Если физиологические ритмы большей части моллюсков не соответствовали норме - красным. Техническое состояние системы в норме отображалось на диаграмме в виде столбцов, окрашенных зеленым. Отображение количества прокачанной воды отражалось на диаграмме следующим образом. Если за время 10-минутного интервала через аквариум было пропущено заданное количество воды (около 22 л), то отображалось на диаграмме голубым, если меньше 15 л - серым, если воды вообще не было - белым, а если по каким-то причинам было прокачано больше 25 л - сиреневым. В проведенном исследовании качества воды Мосводоканала в Восточном округе Москвы были получены следующие данные. Состояние тест-объектов в первом аквариуме после прохождения через него потока тестируемой воды оценивалось как измененное. А в двух других - такие изменения отсутствовали. Это предполагало, что изменения вызваны свойствами тестируемой воды.

После переключения потока тестируемой воды во второй аквариум изменения проявились для тест-объектов и этого аквариума. Что подтвердило характер изменений, как вызванных свойствами тестируемой воды. При следующем переключении тестируемой воды в третьем аквариуме также были обнаружены изменения в состоянии тест-объектов, связанные с прохождением потока тестируемой воды. Проба тестируемой воды была отправлена на физико-химическое исследование. В пробе были обнаружены токсические вещества, в частности повышенное содержание нитритов в воде более 3,0 мг/л и нитратов по азоту более 45 мг/л.

Возможность исследования одних и тех же особей то в тестовом режиме, когда воздействие опасных факторов возможно, то в контрольном, когда подача опасных факторов исключена, обеспечивает получение своих представлений о том, что является нормой и аномалией в их физиологических проявлениях. Нахождение в каждый момент времени части тест-объектов в тестовом режиме, а другой части - в контрольном обеспечивает также общую непрерывность работы системы.

Таким образом, способ мониторинга качества воды на основе автоматической, дистанционной, непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов и система для его осуществления обеспечивают повышение достоверности мониторинга воды за счет создания системы оперативной биоиндикации, обеспечивающей установления корреляции между изменениями состояния поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, вызванного внешними факторами или непосредственно качеством тестируемой воды, используемые в данной системе.

1. Способ мониторинга качества воды, включающий автоматическую дистанционную непрерывную регистрацию в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, находящихся в аквариумах через которые пропускают тестируемую воду стабилизированной температуры, а контроль качества воды проводят по изменению состояния тест-объектов, отличающийся тем, что осуществляют автоматическое перенаправление тестируемой воды через три и более аквариумов, с находящимися в них водными тест-объектами, при этом подаваемый поток тестируемой воды в каждый момент времени проходит только через один аквариум, а в других - циркуляцию воды осуществляют внутри аквариумов без подачи внешней воды, причем период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума в другой равен времени, достаточному для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды при скорости потока воды, обеспечивающей поддержание в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов, а контроль качества тестируемой воды проводят путем сравнения между собой результатов состояния поведенческих и физиологических реакций водных тест-объектов в моменты времени прохождения протоков тестовой воды в аквариумах и при наличии изменений состояния поведенческих и физиологических реакций тест-объектов в одном аквариуме, которые совпали с протоком тестовой воды через этот аквариум, а в остальных аквариумах подобные изменения отсутствовали, предполагают, что изменения вызваны свойствами тестируемой воды, если же при следующем переключении потока воды изменения проявились для тест-объектов второго аквариума, то изменения оценивают как вызванные свойствами тестируемой воды, а когда подобные изменения проявляются и в третьем аквариуме, совпадающие с протоком тестовой воды через этот аквариум, пробу тестируемой воды отправляют на дополнительный химический анализ для выявления конкретной причины, вызвавшей изменения в состоянии тест-объектов, при наличии изменений состояния поведенческих и физиологических реакций водных тест-объектов во всех аквариумах без привязки к прохождению через них потоков тестируемой воды оценивают данные изменения как воздействие на тест-объекты внешнего фактора, не связанного с качеством воды.

2. Система мониторинга качества воды, содержащая блок водоподготовки и подачи тестируемой воды, блок контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блок индикации, подключенная к аквариумам с водными тест-объектами, отличающаяся тем, что дополнительно введены электроуправляемые вентили для перенаправления потоков тестируемой воды, установленные между блоком водоподготовки и подачи тестируемой воды и каждым из аквариумов, подключенные к блоку управления вентилями и таймеру для генерации тестовых интервалов для блока управления вентилями, блока контроля и регистрации поведенческих и/или физиологических реакций тест-объектов и блока индикации, при этом блок управления вентилями выполнен с возможностью обеспечения в каждый момент времени пропускания тестируемой воды только через один из аквариумов и поддержания внутренней циркуляции - в остальных аквариумах, а длительность тестовых интервалов выбрана из условия обеспечения замены большей части циркулировавшей в аквариуме воды и поддержания стабильной среды для жизнеобеспечения тест-объектов при времени, достаточном для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов.