Спосіб контролювання мікробіологічних властивостей частини водоймища у межах великих водоймищ

Реферат: Даний винахід стосується способу контролювання мікробіологічних властивостей частини води у межах великого водного об'єкта шляхом обробки такої зони хімічними агентами, відповідно до температури води, її мінералізації, її розріджувальної здатності та дифузії хімікатів у межах великого водоймища. UA 106429 C2 (12) UA 106429 C2 UA 106429 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід стосується способу контролювання мікробіологічних властивостей частини води у межах великих водоймищ шляхом зосередження на обробці такої частини води, причому вищезгадана частина великого водоймища відповідає конкретним мікробіологічним санітарним умовам. Даний винахід дозволяє людям безпечно користуватися великими водоймищами з рекреаційними цілями, з уникненням обробки всього водоймища. Спосіб також включає дозування хімікатів, яке регулюється способом визначення параметрів на основі ОВП, температури, мінералізації та, необов'язково, дифузії хімікатів, а також розріджувальної здатності води. В результаті забезпечується можливість застосування на порядки величин меншої кількості хімікатів для обробки води при низькому споживанні енергії. Таким чином, даний винахід дозволяє людям безпечно користуватися певними зонами у межах великих штучних або природних водоймищ, таких, як великі озера, лагуни, резервуари, греблі, мінеральні джерела, стави або море, з рекреаційними цілями, завдяки подоланню обмежень або неможливості очищення цілого водоймища. Кілька досліджень, які проводилися в усьому світі, показують, що якість води у деяких великих водоймищах, таких, як озера, резервуари, греблі та море, має бактеріологічні та фізичні характеристики, які не відповідають стандартам безпеки та/або якості води, яка вимагається для рекреаційних цілей. Таким чином, користування такими великими водоймищами з рекреаційними цілями може становити загрозу здоров'ю людей та негативно впливати на навколишні громади та території. Забруднення води може бути пов'язане зі змінами у хімічних, фізичних та біологічних характеристиках водоймища через людську діяльність. Оскільки населення світу з роками зростає у геометричній прогресії, воно потребує більше простору для життя та відпочинку, таким чином, використовуючи природні або штучні водоймища для різних цілей. Зростаюче населення займає околиці великих міст, потребуючи дедалі більших територій, а отже, й водопостачання. Крім того, збільшується кількість промислових підприємств, діяльність яких викликає різні наслідки для навколишнього середовища, які також впливають на якість таких великих водоймищ. Одним з чинників поганої якості води є забруднення води. Вода може забруднюватися через стічні відходи, промислове забруднення, перенаселення на берегах водоймищ, відтік із сільськогосподарських районів та урбанізація, забруднення повітря і т. ін. Крім того, високі температури можуть негативно впливати на мікробіологічні та фізичні властивості води і створюють умови для швидкого поширення мікроорганізмів, які можуть негативно впливати на здоров'я людей. Ці наведені чинники можуть знижувати якість води до рівня, нижчого за стандарти, які вимагаються для рекреаційного водокористування. Вплив забруднення води включає вплив на здоров'я живих організмів у водоймищах, а отже, й здоров'я людей, які можуть користуватися такою водою за прямим або непрямим призначенням. Крім того, кількість поживних речовин, які надходять у великі водоймища, з роками значно зросла, здебільшого через підвищену урбанізацію та сільськогосподарську діяльність, що призвело до мікробіологічного росту або евтрофікації водоймищ. В евтрофних умовах кількість поживних речовин викликає зростання інтенсивності обміну речовин у водоростях, таким чином, збільшуючи біохімічну потребу у кисні й знижуючи рівень розчиненого у воді кисню. Крім того, температура також впливає на рівень розчиненого у воді кисню, оскільки тепла вода має знижену здатність до утримання розчиненого кисню. Таким чином, поєднання обох чинників зниження вмісту кисню, таких, як збільшення поживних речовин та підвищення температури, призводить до послаблення організмів, оскільки вони стають більш сприйнятливими до хвороб, паразитів та інших забруднювачів. Усі ці проблеми негативно впливають на якість води, викликаючи поширення водоростей та інших мікроорганізмів, які згодом відмирають і створюють небезпечне для відпочинку людей середовище. Крім того, глобальне потепління посилює цю проблему в усьому світі. Було проведено багато досліджень та аналізів великих водоймищ, які використовуються з рекреаційними цілями. Великі водоймища використовують для різних рекреаційних цілей, включаючи купання, катання на водних лижах, віндсерфінг, прогулянки на човнах та багато інших видів активного відпочинку. Однак деякі водоймища, які використовуються для таких рекреаційних цілей, не відповідають конкретним мікробіологічним санітарним умовам, які діють для водоймищ. Наприклад, Управління з охорони навколишнього середовища США (ЕРА) провело дослідження на більш, ніж 1000 озер по всій території США для аналізу потенційних ризиків використання таких озер для рекреаційних цілей з прямим контактом, і було виявлено, що понад 30 % від усіх озер потенційно мають широкий вплив на людське здоров'я, і понад 41 % озера становлять високу або помірну потенційну загрозу негативного впливу водоростевих 1 UA 106429 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 токсинів. Крім того, було виявлено, що показники мікробного числа та концентрації токсинів є вищими у прибережних залишках, ніж на відкритих акваторіях. У багатьох країнах світу прийнято законодавчі акти щодо використання водоймищ для рекреаційних цілей, що передбачають прямий контакт, таких, як купання, у безпечних і гігієнічних умовах, і існують два загальні типи правил стосовно рекреаційного використання таких водоймищ. Перший тип правил є спрямованим на плавальні басейни і по суті вимагає підтримання постійного високого рівня хлорного буфера з метою підтримання низького рівня мікроорганізмів, а також уникнення забруднення води, коли нові плавці входять у басейн. Хлорний буфер нейтралізує забруднювачі й знищує мікроорганізми, внесені до басейну плавцями, крім багатьох інших забруднювачів, таким чином, підтримуючи високу якість води, прийнятну для рекреаційних цілей. Другий тип правил застосовується до природних або штучних великих водоймищ, таких, як озера, море, лагуни, резервуари або греблі, крім інших великих водоймищ, і вважається критерієм для купання з повним контактом тіла при рекреаційному водокористуванні. Це правило ґрунтується на розріджувальній здатності води. Коли вода має прийнятний рівень мікроорганізмів, і нові плавці потрапляють до водного об'єкта, забруднювачі розчиняються таким чином, що ці забруднювачі не досягають концентрації у водному об'єкті, яка б викликала значний ефект. Таким чином, у великих водоймищах не вимагається дезінфікуючий буфер через високу розріджувальну здатність великого об'єму води і завдяки природній здатності до підтримання санітарних умов. Правила рекреаційного водокористування з прямим контактом, такі, як те, що застосовується до озер, моря, лагун або гребель, вимагають відповідності якості води кільком стандартам, які забезпечують можливість безпечного застосування таких водних об'єктів. Для оцінки придатності великих водоймищ для рекреаційних цілей з прямим контактом найбільш важливими стандартами є мікробіологічні параметри води. Наприклад, критерії Управління з охорони навколишнього середовища (ЕРА) для купання з повним контактом тіла у водоймищах для рекреаційного користування передбачають, що для прісної води вміст Е. Соlі не повинен перевищувати 126 КУО на 100 мл води, а вміст ентерококів не повинен перевищувати 33 КУО на 100 мл води. Для морської води, згідно з правилами ЕРА, вміст ентерококів не повинен перевищувати 35 КУО на 100 мл води. Як ще один приклад, у Чилі Норма NCh1333 для рекреаційного водокористування з прямим контактом передбачає, що вода не повинна містити більше, ніж 1000 КУО фекальних паличок на 100 мл води (включаючи також Е. Соlі). Таким чином, при використанні великих водоймищ для рекреаційних цілей з прямим контактом діють жорсткі норми. Отже, значних зусиль потребує забезпечення конкретних потрібних мікробіологічних умов у великих водоймищах, які на даний час є непридатними для рекреаційних цілей, оскільки застосування великої кількості хімічних агентів та дезінфікуючих засобів для всього об'єму великого водоймища з метою дотримання конкретних мікробіологічних санітарних умов є неможливим з технічної, економічної та екологічної точки зору. Таким чином, обробка всього водоймища з метою дотримання конкретних мікробіологічних санітарних умов, які діють стосовно водоймища, у більшості випадків є неможливою. Крім того, хоча деякі водоймища можуть відповідати мікробіологічним правилам, як діють для рекреаційного водокористування з прямим контактом, або більш жорстким правилам, які діють для водоймищ, існують патогенні організми, такі, як найпростіші, зокрема, амеби, які можуть бути присутні в таких водоймищах, особливо, у воді з низькою мінералізацією або з високою температурою. Таким чином, немає гарантій, що дотримання бактеріологічних правил для рекреаційного водокористування з прямим контактом дозволятиме постійно забезпечувати безпечні умови для купання. На даний час водоочисні технології, які застосовуються для плавальних басейнів, вимагають додавання хімічних агентів для підтримання постійного рівня хлорного буфера щонайменше 1,5 ррm або для підтримання постійного рівня ОВП щонайменше 750 мВ. На даний час не існує відомих практичних способів очищення великих водоймищ, забруднених мікроорганізмами, таких, як озера, море, лагуни, резервуари або греблі, оскільки наявні способи є технічно, економічно та екологічно неприйнятними для великих водоймищ. ОВП набуває дедалі більшого визнання як основний підхід до стандартизації параметрів дезінфекції води. Метаболізм мікроорганізмів, а отже, їх здатність до виживання та розмноження, зазнає впливу ОВП (окисно-відновного потенціалу) середовища, в якому вони живуть. З бактеріологічної точки зору окисна сполука видаляє й приймає електрони з клітинної мембрани (окисно-відновна реакція), що робить клітину нестійкою й призводить до її швидкої загибелі. Окисно-відновний потенціал (ОВП), тобто, схильність хімічної сполуки до отримання електронів від іншого виду, може регулюватися шляхом додавання різних дезінфікуючих 2 UA 106429 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 засобів, які дозволяють очищувати воду й знищувати небезпечні мікроорганізми, які можуть створювати небезпечне середовище, з рекреаційними цілями. Крім того, температура води відіграє важливу роль у її бактеріологічних характеристиках та поширенні мікроорганізмів, якщо поширення мікроорганізмів збільшується при підвищених температурах. До того ж, мінералізація води також відіграє важливу роль у її бактеріологічних властивостях, оскільки деякі мікроорганізми потребують певного рівня мінералізації для забезпечення можливості їх розмноження і не витримують середовищ з іншою мінералізацією. Наприклад, деякі патогенні найпростіші розвиваються лише у воді з мінералізацією, нижчою за 2 % за масою, і, таким чином, при вищій мінералізації такі мікроорганізми не розвиваються й не розмножуються. Технології очищення плавальних басейнів вимагають додавання великої кількості хімічних агентів з метою підтримання прийнятних параметрів дезінфекції. Для великих водоймищ застосування існуючих технологій дезінфекції плавальних басейнів є недоцільним технічно й економічно через велику кількість хімікатів, які для цього вимагаються і які могли б спричинити значну екологічну шкоду. На даний час не існує відомих практичних способів дезінфекції великих водоймищ та обробки таких великих водоймищ, як озера, море, лагуни, резервуари або греблі. При застосуванні традиційних технологій дезінфекції належне очищення та дезінфекція були б технічно, економічно та екологічно недоцільними. Таким чином, існує потреба у забезпеченні способу очищення великих водоймищ, в оптимальному варіанті - їх певних частин, з метою забезпечення зони, яка відповідає конкретним мікробіологічним санітарним умовам, та їх безпечному застосуванні з рекреаційними цілями. Таким чином, існує нерозв'язана проблема, яка стосується рекреаційного використання природних або штучних великих водоймищ, таких, як озера, лагуни, море або греблі, з низькою якістю води. Мікробіологічні характеристики таких великих водоймищ повинні відповідати правилам використання води з прямим контактом або більш жорстким правилам, які діють для конкретних водоймищ, з метою дотримання техніки безпеки з рекреаційними цілями у водоймищах, а також для уникнення будь-якої загрози громадському здоров'ю або шкоди для прилеглих територій, що на даний час не завжди забезпечується для багатьох великих водоймищ в усьому світі. У Патенті США № 6231268 розкривається спосіб та пристрій для очищення великих водоймищ шляхом спрямованої циркуляції, причому пристрій та спосіб згідно з документом US6231268 призначаються для підтримання циркуляції води у межах великих водоймищ та уникнення нестачі кисню, виникнення застійних зон, замерзання та інших неоднорідних умов. У документі US6231268 не згадується й не розкривається спосіб очищення частини води у великому водоймищі з метою дотримання конкретних мікробактеріологічних санітарних умов, а лише розкривається спосіб підтримання циркуляції у межах великого водоймища. Спосіб згідно з документом US6231268 не передбачає застосування хімічних речовин через розсіювальні засоби з метою створення зони дотримання санітарних вимог, а стосується підтримання циркуляції у межах водоймища, яка має розподілювати хімічні речовини по всьому водоймищу, що не дозволяє створити зону дотримання санітарних вимог. У Патенті США № 6317901 розкривається басейн з прісною або солоною водою, причому басейн створюється над природним або штучним водоймищем і дозволяє користуватися водою з цього об'єму для уникнення забруднення через ґрунт або інші осади, які містяться у великому водоймищі, за допомогою фізичних бар'єрів, які допускають можливість проходження води але не забруднювачів, що вимагає встановлення фізичних резервуарів у межах великого водоймища. У Патенті CN102092824 розкривається система циркуляції води для ставів, озер, міських басейнів та інших водоймищ, у яких система циркуляції води дозволяє створювати потік від донних вод до поверхневих вод, з уникненням евтрофікації водоймища. У Патенті CN102092824 не згадується й не розкривається спосіб контролювання мікробіологічних властивостей частини води у межах великих водоймищ з метою створення зон дотримання санітарних вимог, які дозволяють користуватися цими водоймищами з рекреаційними цілями. Даний винахід ґрунтується на несподіваному виявленні можливості контролю над мікробіологічними властивостями у великих водоймищах через очищення частини великого водоймища таким чином, щоб частина великого водоймища відповідала конкретним мікробіологічним санітарним умовам, без необхідності в очищенні всього водоймища, що дозволяє створювати зону дотримання санітарних вимог, яка розташовується таким чином, щоб охоплювати площу, яку застосовують з рекреаційними цілями, забезпечуючи якість води, що відповідає конкретним мікробіологічним санітарним умовам. 3 UA 106429 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб дозволяє очищувати невелику частину загального об'єму води. Таким чином, спосіб вимагає лише невеликої кількості хімічних речовин, а також низького споживання енергії завдяки використанню засобів розподілення, які дозволяють створювати безпечні зони дотримання санітарних вимог без необхідності в очищенні всього водоймища. Таким чином, даний винахід може дозволяти людям безпечно користуватися певними зонами у межах великих водоймищ з рекреаційними цілями завдяки подоланню обмежень або неможливості очищення цілого водоймища, з очищенням лише зони, яка має використовуватися лише для цих цілей, а також дозволяє використовувати численні озера, морські узбережжя, лагуни та багато водоймищ, які нині не можуть використовуватися через проблеми з безпекою та дотриманням санітарних норм, створюючи безпрецедентні рекреаційні та туристичні можливості, здатні змінити спосіб життя людей в усьому світі. Цей спосіб може здійснюватись у природних або штучних великих водоймищах, таких, як озера, море, естуарії, резервуари, греблі та лагуни. Крім того, вода, яка міститься у таких великі водоймищах, може бути прісною водою, жорсткою водою, солоною водою або морською водою. Відповідно, у деяких варіантах втілення даний винахід стосується способу контролювання мікробіологічних властивостей води через розпізнавання частини води. Спосіб також включає підтримання принаймні мінімального ОВП у воді протягом принаймні мінімального періоду часу, залежно від мінералізації та температури води, та розподіл хімічних агентів з метою підтримання принаймні мінімального ОВП принаймні протягом мінімального періоду часу. Розподіл хімічних агентів в оптимальному варіанті може здійснюватися через засоби розподілення, які дозволяють створювати безпечні зони дотримання санітарних вимог. Розподіл хімічних агентів також може ґрунтуватися на дифузії хімікатів у воді та розріджувальній здатності води. В одному варіанті втілення спосіб згідно з даним винаходом включає: a) визначення частини води, призначеної для рекреаційних цілей, у межах великого водоймища та визначення засобів розподілення; b) підтримання принаймні мінімального рівня ОВП у такій частині води протягом принаймні мінімального періоду часу, причому мінімальний рівень ОВП та мінімальний період часу не можуть бути нижчими за значення, розраховані шляхом: і) визначення найбільш несприятливої зони у межах частини води; іі) визначення мінералізації води у найбільш несприятливій зоні; ііі) визначення мінімального значення ОВП на основі мінералізації води, причому: - для мінералізації води від 0 % до 1,5 % мінімальний рівень ОВП становить 550 мВ; - для мінералізації води, вищої за 1,5 % і до 2,5 %, мінімальний рівень ОВП розраховують за таким рівнянням: [мінімальний ОВП, мВ]=625-50*[мінералізація води, % (масові відсотки)]; і - для мінералізації води, вищої за 2,5 %, мінімальний рівень ОВП становить 500 мВ; та iv) визначення температури води у найбільш несприятливій зоні; та v) визначення мінімального періоду часу на основі температури води, причому: - для температури води від 5 °C до 35 °C мінімальний період часу розраховують за таким рівнянням: [мінімальний період часу, хв]=80-2*[температура води, °C]; і - для температури води від 35 °C і до 45 °C мінімальний період часу розраховують за таким рівнянням: [мінімальний період часу, хв]=5*[температура води, °C]-165; с) розподіл ефективної кількості хімічного агента з метою підтримання принаймні мінімального рівня ОВП протягом принаймні мінімального періоду часу у найбільш несприятливій зоні та d) повторення етапу с з метою уникнення зниження ОВП у найбільш несприятливій зоні більш, ніж на 20 % від мінімального значення ОВП. Супровідні фігури, які включаються до цього опису й складають його частину, показують різні варіанти втілення даного винаходу. Серед цих фігур: Фігура 1 показує горизонтальну проекцію невеликої ділянки великого водоймища (2) та зону дотримання санітарних вимог (1). Фігура 2 показує горизонтальну проекцію ще меншої ділянки великого водоймища, зокрема, зони відповідності санітарним нормам (1), засоби розподілу (3) та обмежувальну зону (4). Фігура 3 показує графік, який представляє зміну мінімального значення ОВП води згідно з мінералізацією води в результаті втілення способу згідно з даним винаходом. 4 UA 106429 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фігура 4 показує графік, який представляє зміну мінімального періоду часу, відповідно до якого мінімальне значення ОВП підтримується згідно з температурою води, в результаті втілення способу згідно з даним винаходом. Згідно з загальною практикою, різні описані особливості показуються не у масштабі, а для виділення конкретних особливостей. Однакові умовні знаки позначають однакові особливості на всіх Фігурах. Представлений нижче детальний опис стосується супровідних фігур. Хоча можуть бути описані деякі варіанти втілення, можливими є модифікації, адаптації та інші варіанти реалізації. Наприклад, можливими є заміщення, додавання або модифікації елементів, які показуються на фігурах, і описані авторами способи можуть бути змінені шляхом заміщення, перепорядкування або додавання етапів до описаних способів. Відповідно, представлений нижче детальний опис не обмежує обсягу винаходу. Хоча системи та способи описуються як такі, що "включають" різні пристрої або етапи, ці системи та способи також можуть "по суті складатися" або "складатися" з різних пристроїв або етапів, якщо спеціально не зазначено іншого. У контексті даного опису нижчезазначені терміни або вирази слід розуміти як такі, що мають описані нижче значення: У контексті даного опису загальні типи води та їх відповідна загальна концентрація розчинених твердих речовин (TDS) (у мг/л) є такими: прісна вода - TDS1500; жорстка вода 1500