АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ВОДОПРОВОДНОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к системам контроля качества воды и может быть использована в системах экологической безопасности питьевого водоснабжения населения.
Существуют различные системы контроля за качеством воды посредством регистрации ее физико-химических характеристик, таких как температура воды, акустический шум и вибрация, электропроводность, рН, концентрация аммонийного азота в воде, концентрация нитрат-ионов в воде, концентрация хлорид-ионов в воде, оптическая плотность воды, мутность воды (например, В.С.Алтунин и др. Контроль качества воды. Справочник, М., изд. Колос, 1993).
Как показывает практика, диапазон изменений качества воды может быть достаточно широким по величине. Существующие технические устройства и системы на основе датчиков измерения физико-химических характеристик воды предусмотрены только для мониторинга конкретных характеристик воды, но не позволяют следить за другими вредными воздействиями на воду, которые могут неожиданно оказаться на опасном уровне. Кроме того, они не дают возможности объективно определять степень опасности этих изменений для гидробионтов. Именно поэтому результаты измерений только физико-химических характеристик природных вод, как правило, недостаточны для оценки уровня опасности этих воздействий с целью обеспечения безопасности водоснабжения населения.
Объективная оценка уровня опасности токсикологического загрязнения воды невозможна без использования тех или иных биологических средств экологического мониторинга, способных в интегрированном виде, с учетом синергизма действующих факторов,
выявлять и прогнозировать любые негативные изменения качества воды, как среды обитания гидробионтов. Причем для каждого конкретного источника принципиально важно использование в качестве биоиндикаторов аборигенных представителей фауны, которые являются частью его экосистемы. Это является существенным отличием систем биоиндикации от систем биотестирования, в которых по определению (ГОСТ 27065-86) используются подготовленные в лаборатории тест-организмы, и которые, как правило, приспособлены к обитанию в поддерживаемой в лаборатории в специфической водной среде с небольшим диапазоном ее физико-химических характеристик. Именно поэтому только аборигенные организмы, выбранные в качестве биоиндикаторов, могут выполнять функцию экологической «мишени» для наиболее объективной интегральной оценки опасности последствия изменений качества поверхностных вод в результате их загрязнения. Такие биоиндикаторы могут быть использованы в качестве оперативных сигнализаторов возникновения экологически опасного уровня загрязнения воды.
Известны различные средства биоиндекации качества воды с использованием биосенсоров.
Известен биологический сигнализатор СБ-1 токсичности сточных вод по реакции ухода рыб в безопасную воду, содержащий аквариум, в который помещают определенное количество рыб. В аквариуме установлены электроды отпугивающего поля, препятствующие самопроизвольному уходу рыб, и датчики, регистрирующие уход рыб из зоны поступления токсичных вод в безопасную, где происходит дополнительное разбавление сточной воды чистой для предупреждения гибели рыб (В.С.Алтунин и др. Контроль качества воды. Справочник. М., Колос, 1993 г., стр.258-259).
Известное устройство не является достаточно надежным средством для использования в системах контроля качества воды с целью
обеспечения экологической безопасности питьевого водоснабжения населения.
Технической задачей создания предлагаемого решения является разработка надежной системы контроля качества воды с использованием биоиндикаторов в качестве оперативных сигнализаторов возникновения опасного уровня загрязнения воды, что позволяет обеспечить регистрацию в режиме on-line присутствие токсичных веществ в воде водозаборных сооружений водопроводных станций.
Сущность предложенной полезной модели заключается в следующем.
Автоматическая система контроля качества воды, поступающей от водоисточника в водозабор водопроводной станции, содержит расположенные в насосных отделениях первого подъема водопроводной станции автоматические станции непрерывного экологического мониторинга (АСНЭМ) с установленными в них датчиками для регистрации физико-химических характеристик поступающей воды, и диспетчерский пункт с установленными мониторами компьютеров для отображения сигналов от датчиков АСНЭМ в режиме реального времени. Система контроля качества воды дополнительно содержит станцию производственного биологического мониторинга качества воды (СПБМКВ) водоисточника и систему сорбционного удаления токсичных веществ из воды с использованием порошкообразных сорбентов. В СПБМКВ установлены автоматические пробоотборники и аквариумы с биосенсорами, в один из аквариумов помещены аборигенные широкопалые раки, на панцирях которых закреплены датчики, подключенные посредством оптических волокон к системе регистрации и анализа кардиоритма раков в режиме реального времени, а в другой аквариум помещены рыбы, при этом аквариум с рыбами снабжен системой видеонаблюдения за перемещением рыб. Система регистрации и анализа кардиоритма раков и система видеонаблюдения за перемещением рыб
соединены с диспетчерским пунктом для отображения на мониторах компьютеров цветового сигнала соответствующих режимов - штатного режима, режима повышенного внимания, сигнала тревоги токсикологической опасности.
На фиг.1 представлена схема автоматической системы контроля качества воды водопроводной станции; на фиг.2 - схематическое изображение подключения биосенсора.
Автоматическая система контроля качества воды, поступающей от водоисточника в водозабор водопроводной станции, включает расположенные в насосных отделениях первого подъема водопроводной станции 1 автоматическую станцию 2 непрерывного экологического мониторинга (АСНЭМ) с установленными в ней датчиками для регистрации физико-химических характеристик поступающей воды, станцию 3 производственного биологического мониторинга качества воды (СПБМКВ) водоисточника, химико-бактериологическую лабораторию 4 с амперометрическим анализатором нейротоксинов для проведения экспресс-анализа воды, диспетчерский пункт 5 с мониторами для отображения сигналов от датчиков АСНЭМ в режиме реального времени.
Система контроля качества воды также включает и систему 6 сорбционного удаления токсичных веществ из воды с использованием порошкообразных сорбентов.
Станция 3 производственного биологического мониторинга качества воды (СПБМКВ) содержит:
- аквариум с аборигенными широкопалыми раками, соединенный с системой регистрации и анализа кардиоритма животных в режиме реального времени; на панцирях раков закреплены датчики, подключенные посредством оптических волокон к системе регистрации и анализа кардиоритма раков в режиме реального времени.
На фиг.2 представлено схематическое изображение подключения биосенсора, где 7 - площадка для размещения контейнера 8 с системами
регистрации, анализа и передачи данных, 9 - контейнер для размещения биосенсора, 10 - щель для оптических волокон, 11 - передающее оптическое волокно, 12 - приемное оптическое волокно, 13 - биосенсор (рак).
- аквариум с рыбами, за которым ведется круглосуточное видеонаблюдение с передачей картинки-сигнала на диспетчерский пункт дежурного персонала водопроводной станции;
- автоматические пробоотборники, размещенные в машинных отделениях первого подъема водопроводной станции; в резервуаре барабанных сеток; перед фильтровальными сооружениями; перед входом в резервуары чистой воды, и осуществляющие отбор проб воды по сигналу о токсичной опасности воды, поступающей на первый подъем водопроводной станции.
Система регистрации и анализа кардиоритма раков и система видеонаблюдения за перемещением рыб соединены с диспетчерским пунктом для отображения на мониторах цветового сигнала соответствующих режимов - штатного режима, режима повышенного внимания, сигнала тревоги токсикологической опасности.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Автоматические станции непрерывного экологического мониторинга (АСНЭМ) установленные в насосных отделениях первого подъема водопроводных станций, посредством установленных в них датчиков регистрируют физико-химические характеристики поступающей воды, и в режиме реального времени передают информацию о качестве воды водоисточника в диспетчерскую водопроводной станции.
В процессе контроля качества воды, поступающей от водоисточника на вход водопроводной станции, автоматические станции непрерывного экологического мониторинга (АСНЭМ) определяют ее физико-химические характеристики путем исследования состава проб воды (температура воды, акустический шум и вибрация, электропроводность, рН, концентрация
аммонийного азота в воде, концентрация нитрат-ионов в воде, концентрация хлорид-ионов в воде, оптическая плотность воды, мутность воды, и др.), и обеспечивают передачу в непрерывном режиме информации об изменении основных физико-химических параметров поступающей воды на диспетчерский пункт водопроводной станции.
Одновременно с этим станция производственного биологического мониторинга качества воды (СПБМКВ) непрерывно осуществляет автоматическую биоиндекацию качества воды (токсичности воды) водоисточника, как среды обитания.
Биоиндикацию качества воды осуществляют посредством диагностики функционального состояния биосенсоров. В качестве биосенсоров в предложенной системе контроля используют двух раков (бентосных беспозвоночных), и рыб, размещаемых в отдельных аквариумах с проточной водой, поступающей из водоисточника в водозабор станции.
Диагностику функционального состояния бентосных беспозвоночных осуществляют путем измерения кардиоактивности раков с помощью закрепленных на их панцирях датчиков, подключенных посредством оптических волокон к регистрирующей системе.
Волоконно-оптический метод отведения кардиоактивности бентосных беспозвоночных, имеющих жесткий панцирь, позволяет непрерывно, в реальном времени проводить дистанционный (до сотен метров) неинвазивный контроль функционального состояния бентосных беспозвоночных.
С помощью тонкого оптического волокна, которое практически не мешает жизнедеятельности наблюдаемого животного, информация о состоянии организма выводится в регистрирующее устройство.
При анализе кардиоактивности аборигенных бентосных беспозвоночных используют метод вариационной пульсометрии (Р.М.Баевский и др. Оценка адаптационных возможностей организма и
риск развития заболеваний. М., «Медицина», 1997 г.), который является эффективным средством выявления в воде опасных для их обитателей уровней химического загрязнения по количественным оценкам функционального состояния аборигенных животных.
В регистрирующем устройстве информация о состоянии организма раков преобразуется в сигналы и осуществляется автоматическая обработка полученного цифрового ряда по методу вариационной пульсометрии.
Одновременно в процессе контроля качества воды осуществляют биоиндикацию воды путем непрерывной регистрации перемещения рыб, помещенных в аквариум, размещаемый рядом с аквариумом для раков. Для этого осуществляют круглосуточное видеонаблюдение за перемещением рыб в аквариуме с передачей видеоизображения на диспетчерский пункт дежурного персонала водопроводной станции.
Обработанные сигналы поступают на монитор компьютера дежурного персонала и отображаются на мониторе с тем или иным цветовым сигналом, который означает:
1. Зеленый сигнал штатного режима - супертоксиканты в воде не наблюдаются.
2. Желтый сигнал повышенного внимания - существует вероятность присутствия в воде супертоксикантов. Передается в следующих двух случаях:
- пропал один из информационных каналов; у одного из раков уровень стрессированности превышает заданный уровень «нормы» (красный сигнал), а у другого нет (зеленый сигнал), рыбы в аквариуме при этом перемещаются в штатном режиме (зеленый сигнал);
- уровень стрессированности раков не превышает нормы (зеленые сигналы), а «штатное» перемещение рыб нарушено (красный сигнал).
3. Красный сигнал тревоги - пропали сигналы кардиоактивности обоих раков; уровень стрессированности обоих раков превышает
установленный уровень «нормы» (красные сигналы); «штатного» движения рыб не наблюдается (красный сигнал).
Наличие токсикологической опасности воды может сопровождаться также звуковым сигналом.
По сигналу о токсичной опасности воды, поступающей на первый подъем водопроводной станции (в точках: - в машинных отделениях первого подъема водопроводной станции; в резервуаре барабанных сеток; перед фильтровальными сооружениями; перед входом в резервуары чистой воды), автоматические пробоотборники станции биологического мониторинга осуществляют отбор проб воды в объеме 10 л каждый для анализа в химико-бактериологической лаборатории водопроводной станции соответствующим аналитическим оборудованием (амперометрический анализатор нейротоксинов типа EaseChEck. V3.05X), обеспечивающим экспресс-анализ токсичных веществ.
Для обеспечения сорбционного удаления токсичных веществ из воды первый подъем водопроводной станции оснащается системой 6 сорбционного удаления токсичных веществ из воды с использованием порошкообразных сорбентов.
Разработанная автоматическая система может быть использована в целях обеспечения экологической безопасности питьевого водоснабжения населения в качестве системы раннего (в реальном времени) биологического оповещения о недопустимом уровне токсичности воды, поступающей на водозаборы водопроводных станций.