Способ отбора взвешенных веществ в воде для экологических исследований и устройство для его осуществления
METHOD OF SELECTION OF SUSPENDED SUBSTANCES IN WATER FOR ENVIRONMENTAL RESEARCH AND APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано в экологических, гидрохимических, инженерно- гидрометеорологических исследованиях, а именно при отборе взвешенных веществ из воды для аналитических исследований. Изобретение включает в себя способ отбора взвешенных веществ и устройство-пробоотборник, которое может быть использовано как при горизонтальном поверхностном и приповерхностном отборе, так и при вертикальном отборе проб твердых взвешенных частиц в водной среде, в том числе для сбора взвешенных частиц микропластика, а также применяться для пробоотбора зоо- и фитопланктона.
Уровень техники
При изучении водных объектов, как природного, так и антропогенного генезиса, существует задача отбора проб взвешенных веществ в потоке на различных глубинах. В практике экологических исследований водных объектов большое внимание уделяется тонкодисперсной фракции осадков, которая обладает высокой миграционной способностью, находится в активном взаимодействии с водой, и накапливается в верхнем слое донных отложений. В частности, такие исследования взвешенного вещества необходимы в рамках оценки воздействия дноуглубительных работ, где параметр содержания взвешенных веществ, площадь распространения шлейфа мутности определяют величину ущерба водным биоресурсам при проведении таких гидротехнических работ. Пробоотбор взвешенного вещества актуален в зонах сброса сточных вод в водные объекты, где на геохимическом барьере происходит активное осаждение взвеси в придонном слое воды.
Наиболее распространенным способом решения такой задачи является использование седиментационных ловушек, представляющих собой накопительные сосуды, в которых в течение нескольких (3-5, 15 и более) суток происходит накопление взвешенного материала (полезные модели RU 149987 U1, опубл. 27.01.2015; RU164451 U1, опубл. 27.08.2016; RU 2748673 C1, опубл.
28.05.2021 и др.). Применение седиментационных ловушек позволяет, наряду с определением скорости накопления осадков на дне водоемов, получить пробу для изучения химического и минерального состава осадков, их микробиологических и токсикологических исследований.
Представленные выше способы имеют общий недостаток, связанный с продолжительным периодом сбора необходимого количества вещества для соблюдения условий комплексирования методов аналитических исследования сложных систем донных осадков (п.1.3 ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3:3.2-03).
10.18154/RWTH-2020-11643
. URL:
https://publications.rwth-aachen.de/record/807834/files/807834.pdf
)
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является накопитель осадка, использованный в исследовательской практике изучения речной морфодинамики и распространения загрязнителей в речных системах на примере приграничных регионов Бельгии, Нидерландов и Германии (Esser V. Untersuchungen zur fluvialen Morphodynamik und zur rezenten Schadstoffaus- breitung in Flusssystemen - Beispiele aus der Grenzregion Belgien, Niederlande und Deutschland: Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades in Naturwissenschaften / Der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, 2020. DOI:
Рассматриваемый накопитель осадка применялся для сбора речных наносов диаметром до 6 мм на участках с укрепленным дном с применением прудового насоса DM 5000 (AquaForte). Накопитель представляет собой вертикальную пластиковую трубу диаметром 100 мм, в который в нижней трети конструкции имеется входное отверстие диаметром 60 мм с присоединенным шлангом для подачи воды со взвешенным веществом. В процессе работы насоса вода поднимается и выходит из устройства через расширенное (до 250 мм) верхнее поперечное сечение, покрытое нетканым фильтром. В корпусе трубы присутствуют два элемента в форме воронки, которые контролируют поток вещества в устройстве и способствуют осаждению осадка на дно конструкции. Продолжительность отбора проб составляет 15 минут. По истечении этого времени насос останавливается, обогащенный осадок после снятия фильтра с верхней части конструкции выливается в канистру.
Недостатком рассматриваемого устройства является конструктивная непроработанность вопроса извлечения вещества из конструкции накопителя, контакта изливающейся воды с конструкцией накопителя, что создает проблемы при его работе при отрицательных температурах, а также в случае выполнения исследований на загрязненных водоемах.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей создания изобретения является разработка способа отбора взвешенных осадков для экологических исследований и устройства для его осуществления, обеспечивающих повышение скорости отбора необходимого объема пробы за счет обогащения осадка в устройстве, организации процесса отбора и транспортировки проб.
Поставленная задача решается предлагаемым техническим решением с помощью существенных признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как способ отбора твердых взвешенных частиц для экологических исследований, включающий всасывание воды со взвешенным веществом с применением насоса и шланга, погружаемого на определенную глубину исследования, в пробоотборник-накопитель, представляющий собой вертикально расположенную трубу, отличающийся тем, что нижняя часть конструкции герметично соединена с контейнером для сбора взвешенных частиц. Излив лишней воды осуществляется в верхней части конструкции через шланг. В конструкции пробоотборника-накопителя предусмотрено использование штанги с фильтром для контроля процесса накопления взвешенного материала в контейнере в ее нижней части и возможностью уплотнения вещества путем осторожного задавливания ко дну, на этапе извлечения проб осуществляется отсоединение контейнера со взвешенным материалом с последующей герметичной упаковкой открытого верхнего отверстия заглушкой с уплотнительным кольцом и дальнейшего использования для транспортировки и хранения проб.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - увеличить эксплуатационные возможности пробоотборника-накопителя за счет более надежного процесса отбора проб, в частности ограничения активного контакта устройства с отбираемым веществом, удобства извлечения проб из устройства, их хранения и транспортировки.
Для достижения названного технического результата согласно п.2 формулы изобретения предлагается устройство для осуществления способа по п. 1 выполненное в виде пробоотборника-накопителя для твердых взвешенных частиц, содержащего вертикальную трубу, с присоединенными шлангами для подачи и выхода воды, насосом для активного всасывания воды с твердыми взвешенными веществами из объекта опробования также с применением шланга, причем пробоотборник-накопитель снабжен штангой с фильтром, используемой в качестве поршня для контроля накопления взвешенного вещества в нижней части пробоотборника-накопителя, где герметично закреплен контейнер, верхний край которого закрывается заглушкой с уплотнительным кольцом при использовании контейнера для транспортировки и хранения проб.
Согласно п.3 формулы изобретения, труба пробоотборника-накопителя, предпочтительно имеют длину 2,0 м и диаметр 110 мм.
Согласно п.4 формулы изобретения, пробоотборник-накопитель выполнен из немодифицированного поливинилхлорида.
Согласно п.5 формулы изобретения, пробоотборник-накопитель снабжен штангой с фильтром, используемым в качестве поршня для контроля накопления взвешенного вещества в его нижней части.
Согласно п.6 формулы изобретения, пробоотборник-накопитель в нижней части содержит герметично соединенный контейнер, снабженный заглушкой для закрытия верхнего отверстия, с возможностью использования этой части конструкции для транспортировки и хранения проб взвешенного вещества.
Таким образом, выше описанные технические решения относятся к группе изобретений т.к. одно из них предназначено для осуществления другого.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, где:
на Фиг.1 приведена схема пробоотборника-накопителя; на Фиг. 2 этапы процесса отбора проб.
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности (Фиг.2):
1. Выполняют рекогносцировочные работы с использованием мерной штанги (7), намечают точки для опробования и определения глубины водоема.
2. Осуществляют сборку конструкции пробоотборника-накопителя взвешенного вещества для экологических исследований (далее ПВВЭ). Проверяются все соединения на герметичность.
3. В намеченной точке опробования осуществляют спуск шланга (3) в зону накопления взвешенного вещества (а).
4. С применением насоса (4) подают воду со взвешенными веществами в пространство ПВВЭ (б) и контролируют процесс концентрации взвеси в нижней части конструкции введенной штангой (7) с фильтром (6) при выходе осветленной воды через шланг в верхней части ПВВЭ.
5. По истечении экспериментально намеченного времени работы насоса
(4) проводят выдержку экспериментально установленных интервалов времени для осаждения взвеси в нижней части конструкции ПВВЭ (в), где герметично закреплен контейнер (8) для хранения и транспортировки пробы взвешенного вещества.
6. Открывают сливное отверстие (11) выше контейнера (8) для хранения и транспортировки проб для избавления лишней воды из конструкции пробоотборника-накопителя.
7. Осуществляют отсоединение контейнера с герметичного соединения в нижней части ПВВЭ с закрытием заглушкой (9) верхней части контейнера (10) (г).
8. После проведения всех этапов работы выполняют внешний осмотр ПВВЭ на наличие механических повреждений, производят очистку поверхности пробоотборника, шлангов, штанги с фильтром для последующего использования, закрепляют в нижней части конструкции новый контейнер для пробы. Рекомендуется однократное использование контейнера во избежание загрязнения извлеченных проб.
На Фиг.2 позициями обозначены: 1 - берег водоема опробования; 2 - уровень воды.
Предлагаемое устройство (Фиг.1) выполнено в виде пробоотборника- накопителя для взвешенного вещества, содержащего вертикальную трубу (5) с герметично закрепленным в нижней ее части контейнером (8), шлангами (3) для подачи воды со взвешенными веществами из водоема опробования с применением насоса (4) и слива осветленной воды, штангой (7) с фильтром (6), вводимой в пространство пробоотборника для контроля накопления взвешенного вещества в контейнере (8). Через сливное отверстие (11) осуществляется сброс оставшейся осветленной воды после остановки насоса. Контейнер (8) после отсоединения с конструкции пробоотборника- накопителя снабжен заглушкой (9), предназначенной для закрытия верхнего отверстия при использовании его в качестве контейнера для транспортировки и хранения проб. Труба пробоприемника-накопителя (5) предпочтительно имеет длину 2,0 м и диаметр 110 мм и выполнена из немодифицированного поливинилхлорида.
Основа конструкции пробоотборника-накопителя состоит из цилиндрических труб диаметром 110 мм из немодифицированного поливинилхлорида (удельная теплоемкость 1,0 Дж/г, теплопроводность 0,15 Вт/м), которые применяются по большей части при монтаже наружной канализации, устойчивы к коррозии и воздействию химических элементов, просты в обработке, могут эксплуатироваться при температурах от -15 до +60 градусов, широко представлены на рынке розничной продажи, доступны по цене.
В данном изобретении используется электрический поверхностный насос, в котором не происходит контакт воды с металлическими деталями.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - увеличить эксплуатационные возможности пробоотборника-накопителя за счет более надежного процесса отбора проб, в частности ограничения активного контакта устройства с отбираемым веществом, извлечения отбираемого вещества из прибора, хранения и транспортировки проб.
Устройство работает следующим образом. Длина собранной конструкции составляла 2,00 м. Корпус пробоотборника-накопителя (5) выполнен из немодифицированного поливинилхлорида, диаметр 110 мм, толщина стенка составляет 3 мм. В нижней части конструкции герметично размещено сливное отверстие (11) и съемный контейнер (8) из немодифицированного поливинилхлорида, диаметр 110 мм, толщина стенка составляет 3 мм, предпочтительной высоты 300 мм. К вертикальной конструкции пробоотборника-накопителя (5) присоединены шланги (3) для подачи и выхода воды. Нагнетание вещества в конструкцию из объекта опробования проводится с применением насоса (4). Шланг (3), закрепленный в верхней части нижней трети конструкции опускается в объект опробования в место аккумуляции взвешенного материала, в зависимости от задач исследования он может быть расположен на необходимой глубине отбора взвешенного материала. В конструкцию пробоотборника-накопителя вводится штанга (7) с фильтром (6). При работе насоса взвешенный материал вместе с водой нагнетается в вертикальную конструкцию пробоотборника- накопителя (5). Введенная штанга (7) с фильтром (6) из нетканого материала контролирует процесс накопления взвешенного вещества в нижней части пробоотборника-накопителя, где герметично закреплен контейнер (8). Вход воды осуществляется через шлаг (3) в средней части конструкции. Экспериментально подбирается скорость подачи воды, размер фильтра на штанге, необходимое время для пробоотбора. Проводят периодические остановки работы насоса для осаждения взвешенного вещества в нижней части конструкции. По истечении экспериментально намеченного времени работы насоса в контейнере формируется проба воды, существенно обогащенная взвешенным веществом. Через сливное отверстие (11) осуществляется сброс оставшейся осветленной воды после остановки насоса. Контейнер в нижней части конструкции отсоединяется, его верхний открытый край закрывается заглушкой (9) с уплотнительным кольцом. Контейнер (8) используется для транспортировки и хранения проб, маркируется и транспортируется в лабораторию для исследования.
Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с применяемыми на практике следующие:
1) отбор необходимого количества взвешенного вещества для широкого перечня лабораторных исследований в короткие сроки;
2) безопасность процесса отбора проб за счет ограничения активного контакта устройства с отбираемым веществом, обеспеченная организацией слива воды в верхней и нижней части конструкции;
3) части конструкции пробоотборника-накопителя, сочетаемые с заглушками открытых отверстий, могут быть использованы в качестве контейнера для хранения и транспортировки проб;
4) конструкция состоит из деталей, широко представленных на рынке розничной продажи и доступных по цене, отличается незначительной массой.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретений, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки приведенной далее формулы изобретения.