RU2755309C1 - Method for managing algoremediation of water bodies - Google Patents
Method for managing algoremediation of water bodies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755309C1 RU2755309C1 RU2020137318A RU2020137318A RU2755309C1 RU 2755309 C1 RU2755309 C1 RU 2755309C1 RU 2020137318 A RU2020137318 A RU 2020137318A RU 2020137318 A RU2020137318 A RU 2020137318A RU 2755309 C1 RU2755309 C1 RU 2755309C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- algoremediation
- analysis
- algolysant
- water body
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G33/00—Cultivation of seaweed or algae
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/02—Biological treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Botany (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Marine Sciences & Fisheries (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к биотехнологии, а именно к способу биологической реабилитации водоемов с использованием культур микроводорослей, в том числе хлореллы, и относится к технической области восстановления эвтрофной воды.The invention relates to biotechnology, namely to a method for biological rehabilitation of reservoirs using cultures of microalgae, including chlorella, and relates to the technical field of recovery of eutrophic water.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время мультифрактальные методы активно используются при комплексной оценке состояния сложных систем. Например, в патенте № CN106290796 A (МПК G01N 33/24, публ. 04.01.2017) на основе мультифрактальных показателей производится оценка степени засоленности почвы. В патентах № US5456690 А (МПК A61N 1/39, публ. 10.10.1995) предлагается использовать мультифрактальные параметры кардиограммы для прогнозирования сердечных приступов и внезапной сердечной смерти. В патенте № CN102254095 А (МПК G06F 19/00, 23.11.2011) мультифрактальные параметры используются для дифференцирования залежей рудных полезных ископаемых. В патенте № US20110319784 А1 (МПК A61B 5/0476, публ. 29.12.2011) описывается блок мультифрактальных вычислений для оценки эмоционального состояния человека на основе энцефалограммы. В № US20160106331 А1 (МПК A61B 5/04, A61B 5/16, публ. 21.04.2016) и № WO2014176286 А1 (МПК A61B 5/0476; A61B 5/048, публ. 30.10.2014) мультифрактальные методы предлагается использовать для анализа сигналов энцефалографа и коррекции хода лечения пациентов. В патенте № CN105615879 А (МПК A61B 5/0476; A61B 5/0484; G06F 19/00; G06K 9/00, публ. 01.06.2016) мультифрактальные методы используются в алгоритмах работы полиграфа. В патенте № US20190282088 А1 (МПК A61B 3/12, публ. 19.09.2019) мультифрактальные параметры используются в ретинографии.Currently, multifractal methods are actively used in a comprehensive assessment of the state of complex systems. For example, in patent No. CN106290796 A (IPC G01N 33/24, publ. 01/04/2017), the degree of soil salinity is assessed on the basis of multifractal indicators. In patents No. US5456690 A (IPC
Вместе с тем для восстановления надлежащего функционирования водных экосистем широко применяются штаммы микроводоросли хлореллы. В патентах № RU2643256 C1 (МПК A01G 33/00, C12M 1/00, публ. 31.01.2018) и № RU2192459 (МПК C12N 1/12, C02F 3/34, публ. 10.11.2002) приводится технология выращивания специальных штаммов хлореллы и доказывается эффективность ее использования для биологической реабилитации водоемов. В патенте № RU2677983 C1 (МПК A01B 79/02, публ. 22.01.2019) описывается способ биологической рекультивации техногенного ландшафта тепловой электроцентрали с использованием микроводоросли хлореллы.However, strains of microalgae chlorella are widely used to restore the proper functioning of aquatic ecosystems. In patents No. RU2643256 C1 (IPC A01G 33/00,
Известен способ биологической реабилитации водоемов культурой хлореллы, описанный в патенте № CN110078217 B1 (МПК C02F 3/32; C02F9/14, публ. 02.08.2019), при котором в предварительно обработанную посредством флокулянта эвтрофную воду добавляют культивированную хлореллу. Причем процесс культивирования хлореллы включает стадию, при которой хлорелла подвергается воздействию интенсивного импульсного светового излучения.There is a known method of biological rehabilitation of reservoirs with a culture of chlorella, described in patent No. CN110078217 B1 (IPC C02F 3/32; C02F9 / 14, publ. 02.08.2019), in which cultured chlorella is added to the eutrophic water pretreated with a flocculant. Moreover, the process of cultivating chlorella includes a stage at which chlorella is exposed to intense pulsed light radiation.
Известен способ снижения эвтрофикации воды озера Тайху с использованием штамма хлореллы, описанный в патенте № CN102145941 B1 (МПК C02F3/34, публ.10.08.2011).A known method for reducing the eutrophication of Lake Taihu water using a strain of chlorella, described in patent No. CN102145941 B1 (IPC C02F3 / 34, publ. 10.08.2011).
Известен способ культивирования микроводорослей и способ обработки с помощью микроводорослей сточных вод, описанные в патенте № KR101549666 B1 (МПК C02F 11/04; C12N 1/12, публ. 03.09.2015). В патенте раскрыта культуральная среда, подходящая для культивирования хлореллы, в которой концентрация аммиачного азота и цветность снижены до 500 мг / л или менее и уменьшено количество бактерий в результате стерилизации, что дает эффект стабильного производства микроводорослей. При этом путем смешивания и культивирования двух видов хлореллы, имеющих разные температуры культивирования, микроводоросли можно использовать для снижения эвтрофикации воды в течение всего года, даже в сезон низких температур и летом.A known method of cultivating microalgae and a method of processing wastewater using microalgae, described in patent No. KR101549666 B1 (IPC C02F 11/04; C12N 1/12, publ. 03.09.2015). The patent discloses a culture medium suitable for cultivating chlorella in which the ammoniacal nitrogen concentration and color are reduced to 500 mg / L or less and the bacterial count is reduced by sterilization, which gives the effect of stable microalgae production. At the same time, by mixing and cultivating two types of chlorella with different cultivation temperatures, microalgae can be used to reduce water eutrophication throughout the year, even during the low temperature season and in summer.
Также известны способы управления ростом зеленых водорослей при их культивировании в водоёмах, описанный в патентах № CN101363004 В1 (МПК A01K 61/00; C12N 1/12; C12R 1/89, 21.09.2011) и № CN105875395 B (МПК C12N 1/12, 25.01.2019, основанные на создании водорослевой фазы, а в изобретении по патенту № CN105875395 конкретных этапов создания водорослевой фазы: в течение периода подготовки, поддержания водорослевой фазы на ранней стадии культивирования и поддержания водорослевой фазы на средней или поздней стадии культивирования.Also known are methods for controlling the growth of green algae during their cultivation in water bodies, described in patents No. CN101363004 B1 (IPC A01K 61/00; C12N 1/12;
Недостатком известных способов является недостаточная эффективность биологической реабилитации водоемов по причине использования в процессе альголизации неконтролируемого количества культур микроводоросли, в том числе хлореллы, препятствующих достижению высоких показателей по снижению содержания загрязняющих веществ в водных объектах.The disadvantage of the known methods is the insufficient efficiency of biological rehabilitation of water bodies due to the use of an uncontrolled amount of microalgae cultures, including chlorella, in the process of algolization, which prevents the achievement of high indicators for reducing the content of pollutants in water bodies.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
При создании изобретения решалась задача достижения заданных результатов по снижению содержания загрязняющих веществ в водных объектах и восстановления их экологического равновесия в процессе альгоремедиации с использованием, в том числе, планктонного штамма хлореллы.When creating the invention, the problem was solved of achieving the desired results for reducing the content of pollutants in water bodies and restoring their ecological balance in the process of algoremediation using, among other things, a planktonic strain of chlorella.
Заявленный способ управления альгоремедиацией водных объектов направлен на решение поставленной задачи и достижение технического результата, состоящего в повышении эффективности альгоремедиации водных объектов путем регулирования количества вносимого альголизанта.The claimed method for controlling the algoremediation of water bodies is aimed at solving the set problem and achieving a technical result consisting in increasing the efficiency of algoremediation of water bodies by regulating the amount of algolysant introduced.
Поставленная задача в отличие от известных из аналогов, решается путем использования оптимального количества вносимого альголизанта, в частности – суспензии планктонного штамма хлореллы (альголизанта) соответствующего качества (количество клеток на 1 мл вносимого альголизанта составляет от 50 до 70 млн. штук) для восстановления ценотических параметров водного объекта с целью обеспечения экологической безопасности водопользования.The task, in contrast to the known analogs, is solved by using the optimal amount of the introduced algolysant, in particular - a suspension of the planktonic strain of chlorella (algolysant) of the appropriate quality (the number of cells per 1 ml of the introduced algolysant is from 50 to 70 million pieces) to restore the coenotic parameters water body in order to ensure the environmental safety of water use.
Метод альголизации водных объектов для снижения и нейтрализации фактора антропогенного воздействия основан на научно-практических исследованиях (Богданов Н.И. «Биологическая реабилитация водоёмов», Пенза, 2008), подтвердившими факт того, что процесс восстановления загрязненных вод при внесении планктонного штамма хлореллы протекает намного интенсивнее, чем при естественном самоочищении.The method of algolization of water bodies to reduce and neutralize the factor of anthropogenic impact is based on scientific and practical research (Bogdanov N.I. "Biological rehabilitation of reservoirs", Penza, 2008), more intense than natural self-cleaning.
Способ управления альгоремедиацией водных объектов заключается в периодическом внесении оптимально установленного и рассчитанного количества альголизанта на единицу площади водного зеркала.The method for controlling the algoremediation of water bodies consists in periodically introducing the optimally established and calculated amount of algolysant per unit area of the water surface.
При применении данного способа определяются факторы загрязнений, несущие основную угрозу устойчивости экосистемы. Выбор наиболее значимых загрязняющих веществ производится при помощи метода главных компонент (PCA) с использованием статистического пакета SPSS Statistics. Количество альголизанта, вносимого на 2 и 3 стадиях рассчитывается в соответствии с динамикой содержания в воде загрязняющих веществ, наиболее влияющих на экологическое состояние водного объекта.When using this method, pollution factors are determined that carry the main threat to the stability of the ecosystem. The selection of the most significant pollutants is performed using the principal component analysis (PCA) using the statistical package SPSS Statistics. The amount of algolysant introduced at stages 2 and 3 is calculated in accordance with the dynamics of the content of pollutants in the water that most affect the ecological state of the water body.
Способ базируется на теории мультфрактальной динамики, при помощи инструментов которой анализируется временной ряд концентраций загрязняющих веществ и гидробиологических показателей как фрактальные объекты. Порядок операций по определению оптимальных объёмов внесения суспензии планктонного штамма для альгоремедиации выбирается в соответствии с достижением экологической системой устойчивого или неустойчивого состояния и определяется по степени близости фрактальных параметров временных рядов компонент к базовым значениям. Этим достигается тонкое управление параметрами экосистемы и предупреждается чрезмерное усиление влияния природных и техногенных факторов на экосистему.The method is based on the theory of multifractal dynamics, with the help of the instruments of which the time series of concentrations of pollutants and hydrobiological indicators is analyzed as fractal objects. The order of operations for determining the optimal volumes of application of a suspension of a planktonic strain for algoremediation is selected in accordance with the achievement of a stable or unstable state by the ecological system and is determined by the degree of closeness of the fractal parameters of the time series of the components to the base values. This achieves fine control of ecosystem parameters and prevents an excessive increase in the influence of natural and man-made factors on the ecosystem.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Сущность изобретения поясняется описанием конкретного примера исполнения и иллюстрируется прилагаемыми графическими материалами, где на фиг. 1 представлена фрактальная модель динамики по условиям толерантности экосистемы.The essence of the invention is explained by the description of a specific example of execution and illustrated by the accompanying graphic materials, where in Fig. 1 shows a fractal model of dynamics in terms of ecosystem tolerance.
Осуществление группы изобретенийImplementation of a group of inventions
Теоретической основой альгоремедиации является комплексное решение проблем загрязненных водоёмов. Её схема включает действия, направленные на минимизацию содержания загрязняющих веществ, улучшение санитарного состояния, предотвращение «цветения» воды синезелеными водорослями, биологическую мелиорацию высшей водной растительности.The theoretical basis for algoremediation is a comprehensive solution to the problems of polluted water bodies. Its scheme includes actions aimed at minimizing the content of pollutants, improving sanitary conditions, preventing the "blooming" of water with blue-green algae, and biological reclamation of higher aquatic vegetation.
Методика управляемой альгоремедиации основана на внесении в водный объект определенного количества суспензии хлореллы, в определенные сроки с последующим постоянным мониторингом динамики изменения химического состава воды и гидробиологических параметров.The method of controlled algoremediation is based on introducing a certain amount of chlorella suspension into a water body, at a certain time, followed by constant monitoring of the dynamics of changes in the chemical composition of water and hydrobiological parameters.
Внесение альголизанта производится в несколько этапов.The algolysant is introduced in several stages.
Первое внесение оптимально произвести под лед. В южных регионах Российской Федерации, в случае не установления ледостава, первую стадию альгоремедиации надо производить при температуре воды до 6°С. Уже при этой температуре происходит размножение хлореллы. Поскольку при температуре воды 8-10°С происходит развитие зоопланктона, которое может воспрепятствовать быстрому распространению хлореллы по акватории водного объекта.The first application is best done under ice. In the southern regions of the Russian Federation, if freeze-up is not established, the first stage of algoremediation should be carried out at a water temperature of up to 6 ° C. Chlorella multiplies even at this temperature. Since at a water temperature of 8-10 ° C, zooplankton develops, which can prevent the rapid spread of chlorella in the water area of the water body.
В средней полосе и на севере России оптимальный срок первого внесения – март-май и оно производится под лед. Перед первым внесением для определения необходимого количества альголизанта берутся пробы воды и производится анализ химического состава для последующего построения мультифрактальной математической модели.In the middle lane and in the north of Russia, the optimal time for the first application is March-May, and it is made under ice. Before the first application, to determine the required amount of algolysant, water samples are taken and the chemical composition is analyzed for the subsequent construction of a multifractal mathematical model.
После первого внесения альголизанта ведётся мониторинг экологического состояния водного объекта путем отбора проб воды с периодичностью от 10 до 20 дней.After the first introduction of the algolysant, the ecological state of the water body is monitored by taking water samples at intervals of 10 to 20 days.
Для достижения оптимального результата анализа рекомендовано взятие следующего количества проб воды:To achieve an optimal analysis result, it is recommended to take the following amount of water samples:
для водоемов с площадью водного зеркала не превышающей 1 кв. км – две пробы, характеризующие верховья и низовья водоема;for reservoirs with a water surface area not exceeding 1 sq. km - two samples characterizing the upper and lower reaches of the reservoir;
для водоемов с площадью водного зеркала от 1 до 2 кв. км – три пробы, отбираемые в верховьях, средней части и в низовьях водного объекта;for reservoirs with a water surface area of 1 to 2 sq. km - three samples taken in the upper, middle and lower reaches of the water body;
для водоемов с площадью водного зеркала от 2 до 20 кв. км – одна проба на 100 гектар водной глади;for reservoirs with a water surface area from 2 to 20 sq. km - one sample per 100 hectares of water surface;
для водоемов с площадью водного зеркала от 20 до 50 кв. км – одна проба на 250 гектар водной глади;for reservoirs with a water surface area of 20 to 50 sq. km - one sample per 250 hectares of water surface;
для водоемов с площадью водного зеркала от 50 до 100 кв. км и более – одна проба на 500 гектар водной глади.for reservoirs with a water surface area from 50 to 100 sq. km and more - one sample per 500 hectares of water surface.
На основании анализа динамики мультифрактальных показателей производится второе внесение альголизанта. После первого внесения альголизанта ведётся мониторинг экологического состояния водного объекта путем отбора проб воды с периодичностью от 10 до 20 дней.Based on the analysis of the dynamics of multifractal indicators, the second introduction of the algolysant is performed. After the first introduction of the algolysant, the ecological state of the water body is monitored by taking water samples at intervals of 10 to 20 days.
Третье внесение альголизанта является корректирующим и производится на основании анализа динамики мультифрактальных показателей, сделанных на основе выборки из проб, проведенных после второго внесения. Коррекция дозы альголизанта производится на основе анализа отклика водной экосистемы. Обратная связь обеспечивается за счет анализа приближения-удаления состояния гидробиоценоза к устойчивому состоянию.The third application of the algolizant is corrective and is made on the basis of the analysis of the dynamics of multifractal indices made on the basis of a sample from the samples carried out after the second application. Algolysant dose adjustment is made based on the analysis of the response of the aquatic ecosystem. Feedback is provided by analyzing the approach-removal of the state of the hydrobiocenosis to a stable state.
Отклик экосистемы на внешнее воздействие предлагается оценивать при помощи фрактальных параметров временных рядов основных загрязняющих веществ. Привлечение к анализу динамик гидробиологических показателей увеличивает чувствительность метода и повышает точность корректировки вносимой дозы альголизанта.It is proposed to evaluate the ecosystem response to external impact using fractal parameters of the time series of the main pollutants. Involvement of the dynamics of hydrobiological indicators in the analysis increases the sensitivity of the method and increases the accuracy of adjusting the applied dose of the algolysant.
Применение фрактальных показателей техно-природных объектов в качестве исходных статистических данных имеет существенное значение, поскольку позволяет анализировать морфологию объекта в связи с изменением параметров внешней среды. Другими словами, оцениватся комплементарность гидробиоценоза и среды его обитания. В этом смысле фрактал является достаточно универсальным математическим инструментом описания структурной динамики развития гидробиоценоза, как совокупного действия детерминированных и хаотических процессов, случайные процессы в котором являются лишь частным случаем. Взаимная корреляция процессов в факторном пространстве состояний описывается фрактальным соотношением:The use of fractal indicators of techno-natural objects as initial statistical data is of significant importance, since it allows analyzing the morphology of an object in connection with a change in the parameters of the external environment. In other words, the complementarity of the hydrobiocenosis and its habitat is assessed. In this sense, a fractal is a fairly universal mathematical tool for describing the structural dynamics of the development of hydrobiocenosis, as a combined action of deterministic and chaotic processes, in which random processes are only a special case. The cross-correlation of processes in the factor state space is described by the fractal relationship:
(1) (1)
Где: H- постоянная Хёрста.Where: H is Hirst's constant.
Известно, что соотношение (1) может быть использовано для установления направленности действующих процессов по характеру их корреляций: при значениях Н=0,5, СН=0 имеем случайные процессы с отсутствием корреляций. При значениях Н>0,5, СН<0 имеем персистентные (трендоустойчивые) детерминированные процессы, при значениях Н<0,5, СН<0 имеем антиперсистентные (знакопеременные) хаотические процессы. Необходимо отметить, что постоянная Хёрста, как и фрактальная размерность являются величинами, характеризующими структурную сложность временной динамики анализируемого параметра. Применять к анализу временных рядов постоянную Хёрста или фрактальную размерность можно только для серий наблюдений за динамикой параметра во времени.It is known that relation (1) can be used to establish the direction of the operating processes by the nature of their correlations: at the values of H = 0.5, C H = 0, we have random processes with no correlations. With values of H> 0.5, C H <0, we have persistent (trend-stable) deterministic processes, with values of H <0.5, C H <0, we have antipersistent (alternating) chaotic processes. It should be noted that the Hirst constant, like the fractal dimension, are quantities that characterize the structural complexity of the temporal dynamics of the analyzed parameter. It is possible to apply the Hirst constant or fractal dimension to the analysis of time series only for a series of observations of the dynamics of a parameter in time.
Таким образом, проекция факторных нагрузок, определяемая корреляционным соотношением (1) задает систему фрактальных уравнений динамики по условиям толерантности экосистемы:Thus, the projection of factor loads determined by the correlation relation (1) specifies a system of fractal equations of dynamics according to the conditions of ecosystem tolerance:
(2) (2)
(3) (3)
Где: предикаты функциональной целостности экосистемы в виде противоположно направленных векторов техногенного и ресурсного компонентов; – средневзвешенные (текущие) фрактальные показатели избыточности и дефицита факторов; – лимитирующие фрактальные показатели устойчивости (толерантности) экосистемы; Do – фрактальный индекс устойчивости - динамического равновесия (гомеостаза) экосистемы. Where: predicates of the functional integrity of the ecosystem in the form oppositely directed vectors of technogenic and resource components; - weighted average (current) fractal indicators of redundancy and deficiency of factors; - limiting fractal indicators of ecosystem stability (tolerance); Do - fractal index of stability - dynamic equilibrium (homeostasis) of the ecosystem.
Содержательно уравнения (2-3) определяют направленность развития гидробиоценоза по соотношениям фрактальных мер детерминированности и хаотичности составляющих компонентов и включают в себя подмодель типа “среда-объект”, (2) описывающего пространственно-временную динамику гидробиоценоза и подмодель типа “воздействие-отклик”, (3) описывающего пределы устойчивости (толерантности) экосистемы, т.е. ограничений стабильности его развития, Табл.1Equations (2-3) substantively determine the direction of development of hydrobiocenosis according to the ratios of fractal measures of determinism and chaos of the constituent components and include a submodel of the "environment-object" type, (2) describing the spatio-temporal dynamics of hydrobiocenosis and a submodel of the "action-response" type, (3) describing the limits of sustainability (tolerance) of the ecosystem, i.e. limitations of the stability of its development, Table 1
Табл.1 – структура уравнения динамики по условиям толерантности экосистемы.Table 1 - structure of the equation of dynamics according to the conditions of ecosystem tolerance.
В соотношении (2) модули векторов отображают уровни техногенной нагрузки и ее ресурсной компенсации, а направленности векторов определяют временной сдвиг (лаг) между действием техногенного и ресурсного компонентов. При этом характер сдвига имеет существенное значение и определяет качество компенсационных механизмов по контуру обратной связи.In relation (2), the modules of vectors reflect the levels of technogenic load and its resource compensation, and the directions of the vectors determine the time shift (lag) between the action of technogenic and resource components. In this case, the nature of the shift is essential and determines the quality of compensation mechanisms along the feedback loop.
То есть, сдвиг определяет, насколько сильно биоценоз коррелирован со средой своего существования – чем выше корреляция, тем качественнее действие компенсационных механизмов, и, наоборот, утрата связи со средой свидетельствует о полном отсутствии компенсации.That is, the shift determines how strongly the biocenosis is correlated with the environment of its existence - the higher the correlation, the better the effect of compensation mechanisms, and, conversely, the loss of connection with the environment indicates a complete absence of compensation.
Уравнения (2-3) также объясняют морфологию динамических систем диссипативного типа, к которым относится биоценоз. В таких системах каждый акт структурного усложнения сопровождается ответной диссипативной реакцией, что объясняет постоянное чередование детерминированных и хаотических процессов, обеспечивающих ее функциональную целостность за счет фрактальности.Equations (2-3) also explain the morphology of dynamic systems of a dissipative type, to which the biocenosis belongs. In such systems, each act of structural complication is accompanied by a reciprocal dissipative reaction, which explains the constant alternation of deterministic and chaotic processes that ensure its functional integrity due to fractality.
Фрактальность или масштабная инвариантность экосистемы обеспечивает возможность диссипации (локализации) техногенных субстанций вещества и энергии за счет развитости структуры экосистемы, выступающей в качестве каналов стока этих субстанций. Графическая иллюстрация динамической модели по условиям толерантности экосистемы (2-3) и ее компенсаторная схема с обратной связью показана на Фиг. 1.Fractality or large-scale invariance of the ecosystem provides the possibility of dissipation (localization) of technogenic substances of matter and energy due to the development of the structure of the ecosystem, which acts as channels for the flow of these substances. A graphical illustration of the dynamic model according to the conditions of ecosystem tolerance (2-3) and its compensatory scheme with feedback is shown in Fig. 1.
Для осуществления анализа мультифрактальной динамики развития гидробиоценоза выбираются загрязняющие вещества, изменение концентраций которых наиболее существенно влияет на общую динамику. Выбор наиболее значимых загрязняющих веществ производится при помощи статистического программного обеспечения, основанного на алгоритмах статистического анализа с обширной библиотекой алгоритмов машинного обучения, например, SPSS Statistics.To analyze the multifractal dynamics of the development of hydrobiocenosis, pollutants are selected, the change in concentration of which most significantly affects the overall dynamics. The selection of the most significant pollutants is performed using statistical software based on statistical analysis algorithms with an extensive library of machine learning algorithms, such as SPSS Statistics.
Критерии управляемости развитием гидробиоценоза и выбор управляющих переменных задаются экологическим нормированием к показателям устойчивости биоценоза. Это необходимо для ответа на вопрос, нуждается ли гидробиоценоз в вынужденном восстановлении, или можно ограничиться стандартным регламентом проведения экологического мониторинга.The criteria for the controllability of the development of hydrobiocenosis and the choice of control variables are set by the ecological standardization for the indicators of the stability of the biocenosis. This is necessary to answer the question whether the hydrobiocenosis needs forced restoration, or whether it is possible to restrict oneself to the standard regulations for conducting environmental monitoring.
Для экологического нормирования к показателям устойчивости экосистемы проводят следующие процедуры:For ecological standardization to indicators of ecosystem sustainability, the following procedures are carried out:
считают среднее значение фрактальных показателей, формирующих тренд смещения в сторону избыточности факторов consider the average value of fractal indicators that form a bias trend towards redundancy of factors
(4) (4)
вычисляют фрактальный индекс избыточности факторов,calculate the fractal index of redundancy of factors,
(5) (5)
считают среднее значение фрактальных показателей, формирующих тренд смещения в сторону недостаточности факторов consider the average value of fractal indicators that form the trend of bias towards the insufficiency of factors
(6) (6)
вычисляют фрактальный индекс недостаточности факторовcalculate the fractal index of factor deficiency
(7) (7)
Анализ состояний экосистемы и выбор управляющих переменных по результатам экологического нормирования основывается на анализе расчётных данных табл.1, табл.2.The analysis of the ecosystem conditions and the choice of control variables based on the results of environmental regulation are based on the analysis of the calculated data in Table 1, Table 2.
Таблица 2. Результат экологического нормирования.Table 2. Result of environmental regulation.
Основным управляющим параметром предлагаемого метода является увеличение/снижение количества альголизанта при последующих внесениях. Расчет изменения количества альголизанта делается пропорционально степени отклонения от индекса устойчивости D0.The main control parameter of the proposed method is the increase / decrease in the amount of algolysant during subsequent applications. The calculation of the change in the amount of algolysant is made in proportion to the degree of deviation from the stability index D 0 .
Применение предложенного изобретения было осуществлено на базе гидрологической системы из трех водоемов: Верхнего Фермского пруда, Среднего Фермского пруда и Нижнего Фермского пруда.The application of the proposed invention was carried out on the basis of a hydrological system of three reservoirs: Verkhny Fermsky pond, Sredny Fermsky pond and Nizhny Fermsky pond.
Первое внесение альголизанта – суспензии микроводоросли хлорелла (штамм Chlorella vulgaris BIN с количеством 50-60 млн. живых клеток хлореллы на 1 мл) было осуществлено под лед Нижнего Фермского пруда в феврале 2019 года в количестве 60 л. Перед первым внесением альголизанта берутся пробы воды и производится анализ химического состава для последующего построения мультифрактальной математической модели.The first introduction of algolizant - a suspension of microalgae chlorella (strain Chlorella vulgaris BIN with 50-60 million living chlorella cells per 1 ml) was carried out under the ice of Nizhny Fermsky pond in February 2019 in an amount of 60 liters. Before the first introduction of the algolysant, water samples are taken and the chemical composition is analyzed for the subsequent construction of a multifractal mathematical model.
В качестве контрольного водоема был взят Средний Фермский пруд, по водному питанию, глубине и размерам идентичный Нижнему Фермскому пруду. После внесения альголизанта проводился мониторинг водного объекта путем отбора проб воды для химического и гидробиологического анализа. С обоих прудов с периодичностью в две недели брались пробы воды с глубины 0,5 м.The Sredniy Fermskiy pond was taken as a control reservoir, which was identical in terms of water supply, depth and size to the Nizhniy Fermskiy pond. After the algolysant was added, the water body was monitored by taking water samples for chemical and hydrobiological analysis. Water samples were taken from both ponds at intervals of two weeks from a depth of 0.5 m.
Полученная статистика динамики изменения химического состава воды анализировалась при помощи статистического программного обеспечения, поддерживающего анализ данных при помощи метода главных компонент. При помощи метода главных компонент (PCA) с использованием статистического пакета SPSS осуществляется выбор загрязняющих веществ, несущих основную угрозу устойчивости экосистемы, из которых составлялась группа для анализа.The obtained statistics of the dynamics of changes in the chemical composition of water were analyzed using statistical software that supports data analysis using the method of principal components. Using the principal component analysis (PCA) using the SPSS statistical package, the pollutants that pose the main threat to the sustainability of the ecosystem are selected, from which the group for analysis was composed.
Далее расчеты производились на основе этой группы факторов. Если вес фактора положительный, то он отрицательно влияет на экологическую ситуацию. Если вес отрицательный, то фактор оказывает положительное или нейтральное влияние на экологическую ситуацию объекта, так как его рост ведет к снижению экологической нагрузки.Further calculations were made on the basis of this group of factors. If the weight of the factor is positive, then it negatively affects the ecological situation. If the weight is negative, then the factor has a positive or neutral effect on the environmental situation of the facility, since its growth leads to a decrease in the environmental load.
Методом главных компонент в процессе анализа проб воды Нижнего Фермского пруда были выбраны четыре главных показателей, влияющих на изменение экологического состояния: «Мутность», «Растворенный кислород», «Аммонийный азот» и «Нефтепродукты». Отрицательная величина показателя «Растворенный кислород» говорит о том, что чем выше его содержание, тем интенсивнее проходят процессы окисления органических и неорганических экотоксикантов, вследствие чего уровень антропогенной преобразованности экосистемы Нижнего Фермского пруда в течении альгоремедиации уменьшился и соответствует низкому (нормативному) уровню.Using the method of principal components in the process of analyzing water samples from the Nizhny Fermsky pond, four main indicators were selected that affect the change in the ecological state: "Turbidity", "Dissolved oxygen", "Ammonium nitrogen" and "Oil products". The negative value of the "Dissolved oxygen" indicator indicates that the higher its content, the more intensive the oxidation processes of organic and inorganic ecotoxicants take place, as a result of which the level of anthropogenic transformation of the ecosystem of the Lower Fermsky pond decreased during algoremediation and corresponds to a low (normative) level.
На основе положений мультифрактальной динамики для основных компонентов были вычислены фрактальные индексы избыточности, устойчивости и недостаточности. На основе величин индексов сделаны выводы о близости водной экосистемы к одному из трех пороговых состояний – угнетенности, устойчивости и кризиса. Для этого установлено соответствие расчетных индексов одному из классифицированных типовых сценариев развития экосистемы, Таблица 3Based on the provisions of multifractal dynamics for the main components, fractal indices of redundancy, stability and insufficiency were calculated. Based on the values of the indices, conclusions were drawn about the proximity of the aquatic ecosystem to one of the three threshold states - depression, stability and crisis. For this, the correspondence of the calculated indices to one of the classified typical scenarios for the development of the ecosystem was established, Table 3
Таблица 3 - Типовые сценарии развития экосистемыTable 3 - Typical scenarios for ecosystem development
Количество альголизанта, вносимого на 2 и 3 стадиях рассчитывалось в соответствии с динамикой содержания в воде загрязняющих веществ, наиболее влияющих на экологическое состояние водного объекта. А именно, если фрактальные индексы устойчивости меньше 0,15, то количество альголизанта или его концентрация могут быть снижены на 25%, а если меньше 0,1, то на 50%. Если индекс стагнации меньше 0,1, то необходимо комплексное решение по коррекции конкретного компонента (кроме альголизации). Если фрактальные индексы избыточности нагрузки меньше 0,15, то количество альголизанта или его концентрация должны быть повышены на 25%, а если меньше 0,1, то на 50%. На основе общего анализа ситуации принимается решение о дополнительных мерах альгоремедиации.The amount of algolysant introduced at stages 2 and 3 was calculated in accordance with the dynamics of the content of pollutants in the water that most affect the ecological state of the water body. Namely, if the fractal stability indices are less than 0.15, then the amount of algolysant or its concentration can be reduced by 25%, and if less than 0.1, then by 50%. If the stagnation index is less than 0.1, then a complex solution is needed to correct a specific component (except for algolization). If the fractal indices of excess load are less than 0.15, then the amount of algolysant or its concentration should be increased by 25%, and if less than 0.1, then by 50%. Based on a general analysis of the situation, a decision is made on additional measures of algoremediation.
Третье внесение альголизанта являлось корректирующим и производилось в течение июля. Обратная связь по коррекции дозы альголизанта производилась на основе анализа отклика водной экосистемы. Обратная связь обеспечивалась за счет анализа приближения-удаления состояния экосистемы к устойчивому состоянию.The third introduction of the algolysant was corrective and was carried out during July. The algolysant dose adjustment feedback was made based on the analysis of the response of the aquatic ecosystem. Feedback was provided by analyzing the approach-removal of the ecosystem state to a stable state.
Например, по состоянию на сентябрь 2019 года экологическую ситуацию в Нижнем Фермском пруду можно оценить как благоприятную. Динамика изменений величин концентраций показателей стала более стабильной, что указывает на возросшую устойчивость экосистемы Нижнего Фермского пруда. В тоже время в воде Нижнего Фермского пруда существенно вырос такой важный показатель для аквакультуры как уровень растворенного кислорода, превышение которого на сентябрь составило 20 %.For example, as of September 2019, the ecological situation in Nizhny Fermsky pond can be assessed as favorable. The dynamics of changes in the values of the concentration of indicators has become more stable, which indicates the increased stability of the ecosystem of the Lower Fermsky pond. At the same time, such an important indicator for aquaculture as the level of dissolved oxygen in the water of the Nizhny Fermsky pond has significantly increased, the excess of which in September was 20%.
Исходя из того, что фрактальный индекс избыточности факторов загрязнений Нижнего Фермского пруда приблизительно на 20 % меньше равновесного значения, то мощность воздействия на гидробиоценоз – объем вносимого альголизанта – можно сократить на эту величину, что и было сделано при третьем внесении.Proceeding from the fact that the fractal index of redundancy of pollution factors in the Nizhny Fermsky pond is approximately 20% less than the equilibrium value, then the power of influence on the hydrobiocenosis - the volume of algolysant introduced - can be reduced by this value, which was done during the third application.
Эффективное управление параметрами гидробиоценоза Нижнего Фермского пруда путем определения оптимального количества альголизанта было подтверждено при сравнении динамикой показателей экосистемы Среднего Фермского пруда.The effective management of the parameters of the hydrobiocenosis of the Lower Fermsky pond by determining the optimal amount of algolysant was confirmed by comparing the dynamics of the indicators of the ecosystem of the Middle Fermsky pond.
В конце сезона сделан общий анализ временных рядов загрязнений и выводы об успешности альгоремедиации и о дальнейших действиях.At the end of the season, a general analysis of the time series of pollution and conclusions about the success of algoremediation and further actions were made.
Предложенный способ даёт научно-практический аппарат и метод расчёта необходимого для конкретного объекта количества суспензии планктонного штамма хлореллы для достижения оптимального результата по снижению концентраций загрязняющих веществ в водных объектах, доведению их до нормы за один сезон и восстановлению экологического равновесия водного объекта. Тем самым, повышается эффективность альгоремедиации водных объектов с помощью вносимого альголизанта.The proposed method provides a scientific and practical apparatus and a method for calculating the amount of a suspension of a planktonic strain of chlorella required for a specific object to achieve an optimal result in reducing the concentration of pollutants in water bodies, bringing them to normal in one season and restoring the ecological balance of a water body. Thus, the efficiency of algoremediation of water bodies with the help of the added algolysant is increased.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137318A RU2755309C1 (en) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | Method for managing algoremediation of water bodies |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137318A RU2755309C1 (en) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | Method for managing algoremediation of water bodies |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2755309C1 true RU2755309C1 (en) | 2021-09-15 |
Family
ID=77745561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020137318A RU2755309C1 (en) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | Method for managing algoremediation of water bodies |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2755309C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2782945C1 (en) * | 2022-04-22 | 2022-11-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Альготек" | Method for complex melioration of slow-flowing reservoirs |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1074833A1 (en) * | 1982-01-25 | 1984-02-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Охране Вод | Method for biochemically purifying effluents |
RU2050336C1 (en) * | 1993-02-23 | 1995-12-20 | Терентьева Наталья Алексеевна | Waste waters dip biological purification method |
US20030213745A1 (en) * | 2002-05-07 | 2003-11-20 | Haerther Daryl W. | System and method for remediation of waste |
US20160039693A1 (en) * | 2013-03-14 | 2016-02-11 | Kuehnle Agrosystems, Inc. | Improved wastewater treatment systems and methods |
CN105523637A (en) * | 2015-12-29 | 2016-04-27 | 张豫 | A benthonic animal-algae-aquatic plant-fish based river water ecological environment self-remediation method |
CN105875395A (en) * | 2016-04-15 | 2016-08-24 | 中国水产科学研究院黄海水产研究所 | Method for constructing green alga phase in saline-alkali soil underground water shrimp industrial culture pond |
RU2677983C1 (en) * | 2018-01-10 | 2019-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова" | Method of biological recultivation of technogenic landscape heat electric center using chlorell microwave aluminum |
-
2020
- 2020-11-13 RU RU2020137318A patent/RU2755309C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1074833A1 (en) * | 1982-01-25 | 1984-02-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Охране Вод | Method for biochemically purifying effluents |
RU2050336C1 (en) * | 1993-02-23 | 1995-12-20 | Терентьева Наталья Алексеевна | Waste waters dip biological purification method |
US20030213745A1 (en) * | 2002-05-07 | 2003-11-20 | Haerther Daryl W. | System and method for remediation of waste |
US20160039693A1 (en) * | 2013-03-14 | 2016-02-11 | Kuehnle Agrosystems, Inc. | Improved wastewater treatment systems and methods |
CN105523637A (en) * | 2015-12-29 | 2016-04-27 | 张豫 | A benthonic animal-algae-aquatic plant-fish based river water ecological environment self-remediation method |
CN105875395A (en) * | 2016-04-15 | 2016-08-24 | 中国水产科学研究院黄海水产研究所 | Method for constructing green alga phase in saline-alkali soil underground water shrimp industrial culture pond |
RU2677983C1 (en) * | 2018-01-10 | 2019-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова" | Method of biological recultivation of technogenic landscape heat electric center using chlorell microwave aluminum |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2782945C1 (en) * | 2022-04-22 | 2022-11-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Альготек" | Method for complex melioration of slow-flowing reservoirs |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wu et al. | Internal cycling, not external loading, decides the nutrient limitation in eutrophic lake: A dynamic model with temporal Bayesian hierarchical inference | |
Shapiro | The role of carbon dioxide in the initiation and maintenance of blue‐green dominance in lakes | |
Grobbelaar et al. | Modeling algal productivity in large outdoor cultures and waste treatment systems | |
Silva et al. | Drivers of phytoplankton, bacterioplankton, and zooplankton carbon biomass in tropical hydroelectric reservoirs | |
CN105016480B (en) | Water body stabilization control method after lake dredging | |
Gonzalez-Camejo et al. | Continuous 3-year outdoor operation of a flat-panel membrane photobioreactor to treat effluent from an anaerobic membrane bioreactor | |
Zhang et al. | The synergistic effect of rising temperature and declining light boosts the dominance of bloom-forming cyanobacteria in spring | |
Wang et al. | Evaluation of chemical treatments for control of ciliate grazers in algae cultures: a site study | |
Kangur et al. | Spatio-temporal variability of surface sediment phosphorus fractions and water phosphorus concentration in Lake Peipsi (Estonia/Russia). | |
Pastuszak et al. | Reduction of nutrient emission from Polish territory into the Baltic Sea (1988–2014) confronted with real environmental needs and international requirements | |
RU2755309C1 (en) | Method for managing algoremediation of water bodies | |
Carrick et al. | Benthic algal response to N and P enrichment along a pH gradient | |
Abolude et al. | Phytoplankton diversity and abundance as a function of water quality for fish production: A case study of two manmade reservoirs in Zaria, Nigeria | |
Shimoda et al. | Optimizing the complexity of phytoplankton functional group modeling: An allometric approach | |
Tanaka et al. | Seasonal variations in bacterioplankton community structures in two small rivers in the Himi region of central Japan and their relationships with environmental factors | |
Ansari et al. | Limnological studies with reference to phytoplankton diversity in ponds of semi arid zone of western uttar pradesh | |
Zhao et al. | A vertical-flow constructed wetland–microalgal membrane photobioreactor integrated system for treating high-pollution-load marine aquaculture wastewater: A lab-scale study | |
Simanjuntak et al. | Carrying capacity of Kedungombo reservoir for net cage culture | |
Iturmendi et al. | Biological wastewater treatment: Dynamic global sensitivity analysis and parameter estimation in a system of waste stabilization ponds | |
Di Maggio et al. | Water resources management with dynamic optimization strategies and integrated models of lakes and artificial wetlands | |
Rusly et al. | Study of water quality and carbon absorbtion in West Sunter Lake using phytoplankton | |
Schmack et al. | Evaluation of a bacterial algal control agent in tank-based experiments | |
Wanta et al. | Biosorption of Cu (II) Ions Using Living Microalgae Chlorella sp.: Effects of Microalgae Concentration, Salinity, and Light Color | |
Bailey‐Watts | Eutrophication: assessment, research and management with special reference to Scotland's freshwaters | |
Çelik et al. | Seasonal variations of phytoplankton community in relation to some physical and chemical parameters in a temperate eutrophic reservoir, Turkey |