Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

В водоемах со сбалансированным соотношением потока углерода и содержания биогенных элементов концентрация иона NH4+ составляет не более 0,2 мг/л, NO3– – до 0,3 мг/л, фосфора примерно 0,01–0,05 мг/л. При содержании азота и фосфора выше этих равновесных концентраций наступает интенсивный рост водорослей, достигающий максимума 5 · 103–5 · 104 клеток в 1 мл при содержании нитратного азота в воде более 0,3 мг/л, фосфора 0,2 мг/л и наличии других питательных веществ (Mg, Ca, Na, K и HCO3–). Рост водорослей до определенной степени способствует повышению продуктивности водоема и численности обитающих в нем рыб.

Антропогенное загрязнение биогенными элементами нарушает установившееся равновесие между накоплением и потреблением органического вещества в сторону накопления и вызывает усиленное цветение водоема.

Особенно чувствительны водные экосистемы к поступлению избытка фосфора. Фосфор поступает при сбросе промышленных и городских сточных вод в водоемы, с поверхностными стоками с городских территорий, а также c полей при избытке фосфорных удобрений. Резко возрастает унос фосфора с поверхностными водами при хозяйственном освоении и «окультуривании» территорий. В период цветения при избытке фосфора и недостатке азота наблюдается развитие и фитопланктона, особенно зеленых хлорококковых водорослей, и высшей водной растительности, однако чаще всего интенсивно развиваются цианобактерии, способные фиксировать атмосферный азот. Неконтролируемое развитие их наиболее опасно для мезо- и макрофауны водоема.

При избыточном и неконтролируемом поступлении фосфора и азота из антропогенных источников эвтрофикация водоемов ускоряется в сотни и тысячи раз, содержание биомассы фитопланктона увеличивается с 1–100 мг/л до 200–400 мг/л, а в «пятнах цветения» – до 16–36 г/л, в десятки и сотни раз превышая биомассу зоопланктона. В такие периоды возникает опасность замора рыб из-за отмирания и разложения органических остатков, снижения содержания кислорода в придонных слоях и появления сероводорода. Прозрачность воды снижается, видовой состав планктона становится менее разнообразным, уменьшается численность организмов-фильтраторов, увеличивается площадь плавающих и сокращается площадь погруженных макрофитов, бентосная растительность сменяется фитопланктоном.

Эвтрофикация приводит к ухудшению органолептических свойств воды – она приобретает неприятные запахи и вкус, может содержать токсичные для организмов зоопланктона, рыб и человека вещества, выделяемые при развитии отдельных синезеленых водорослей (Anabаепа flosaquae, Арhanizomenon flosaquae,

Мicrocystis аеruginosа и некоторых других). Вода цветущего водоема малопригодна для питьевого снабжения или хозяйственно-бытового использования, непригодна для рыбоводства. В ней создаются условия для развития паразитирующих видов организмов и патогенной микрофлоры, ухудшается санитар- но-эпидемическая обстановка. Если водоем используется для водозабора, появляются трудности с доставкой воды на водоочистные сооружения: водоросли быстро забивают механические решетки и фильтры водопроводных станций, в водопроводной сети выпадает осадок гидроксида железа. Увеличивается кор-

розионная активность воды по отношению к бетону, разрушаются материалы, применяемые в гидростроительстве, снижается эффективность хлорирования или озонирования воды.

Зарастание водоемов – это нормальный процесс их развития, в ходе которого водоем постепенно заполняется наносами, принесенными извне и формирующимися в нем самом, растениями сначала в прибрежной зоне, а затем по всему пространству водоема, и мелеет. При неполном разложении растительных остатков создаются условия для образованию торфа, заболачивания. Эвтрофикация, поступление в водоем избытка органических веществ приводят к резкому ускорению зарастания, в первую очередь прибрежных мелководий сорными растениями и водорослями, и заилению водоема. Наблюдается перегрузка водоемов мертвыми растительными остатками и продуктами разложения, дефицит кислорода, затрудняется проникновение света в глубь воды, замедляется фотосинтез, развиваются гнилостные процессы, сопровождаемые образованием NH3 и H2S, восстановленных соединений железа, марганца и других веществ. Они отрицательно влияют на многие организмы, составляющие планктон и зоопланктон, вызывают гибель рыбы, моллюсков и других организмов, предпочитающих песчаное или слабо заиленное дно и нуждающихся в кислороде, уменьшают видовое разнообразие водоема, ухудшают условия для естественного самоочищения. Заиление дна задерживает развитие или прекращает жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в самоочищении вод. В озерах и водохранилищах эти процессы особенно заметны. В итоге водоем заболачивается, зарастает макрофитами и как естественная экосистема перестает существовать.

Зарастание водоемов могут вызвать и растения, для которых характерно модулярное (клональное) размножение с многократным воспроизведением некоторых своих частей. В водной среде такие растения легко распадаются на фрагменты, которые утрачивают связь с материнским растением и в дальнейшем расселяются независимо. К ним относятся ряска, водяной гиацинт, элодея, используемые при очистке водоемов от загрязнений (см. разд. 5.3.1, 5.3.3), водный папоротник Salvinia. Потомство одного-единственного экземпляра клонально размножающегося растения способно расселиться по водным путям целой страны.

Причиной заиления водоема, наряду с образованием избытка органического вещества в самом водоеме, может быть повышенный унос со склоновым стоком минерального и органического вещества в результате развития процессов эрозии, дефляции почв, разрушения берегов водотоков и берегов озера. Эти процессы особенно интенсивны на лишенных растительности, незадернованных склонах, на берегах водохранилищ при колебаниях уровня воды, вызванных функционированием гидротехнических сооружений.

Загрязнение озерных экосистем химическими токсикантами обусловлено поступлением загрязняющих веществ со склоновым стоком, точечными источниками, грунтовыми водами, утечками из водопроводных и канализационных сетей, со свалок, аварийными разливами, атмосферными выпадениями и другими причинами. Биостойкие органические ксенобиотики, тяжелые металлы, радионуклиды переносятся по трофическим цепям питания, аккумулируются

в донных илах и осадках, откуда они вновь могут поступать в водоем, вызывая вторичное загрязнение.

С точки зрения экологической обстановки по мере увеличения содержания загрязнений состояние экосистемы водного объекта характеризуют как относительно удовлетворительное, напряженное критическое кризисное (чрезвычайная экологическая ситуация), катастрофическое (экологическое бедствие). В табл. 6.1 приведены некоторые показатели загрязненности воды для водоемов с различной экологической обстановкой.

Таблица 6.1.

Показатели загрязненности воды и состояния биоты загрязненных водоемов (по В. И. Сметанину, 2003)

64 Глава 6

Окончание таблицы 6.1.

*ПХЗ10 – показатель суммарного химического загрязнения, рассчитываемый по десяти соединениям, максимально превышающим ПДК:

i 10

ПХЗ Ci ПДКi 10 i 1

где Ci – концентрация химических веществ в воде, мг/л; ПДКi – предельно допустимые концентрации соответствующих веществ, принимаемые для водоемов рыбохозяйственного назначения, мг/л.

Рис. 6.1. Последствия закисления озерных экосистем (по Т. И. Моисеенко, 2003); ОВ — органическое вещество

Вода большинства озер имеет pH от 6 до 8. Кислотные дожди, поступление сточных вод, смыв загрязнений с полей наряду с природными факторами понижают природный pH ниже 6,0 и вызывают закисление водоемов. В закисленной среде меняется видовой состав водной биоты, падает ее разнообразие, а при рН < 4 развитие биоты фактически прекращается. Увеличение подвижности и токсичности ионов алюминия, тяжелых металлов также приводит к угнетению роста и гибели обитателей водоемов (рис. 6.1). В конечном итоге закисление оказывает отрицательное влияние на все трофические цепи питания и экосистему в целом.

Тепловое загрязнение наблюдается при сбросе оборотных вод с теплообменников промышленных сооружений.

Действующие нормы предусматривают, что в большинстве случаев температура водоема при сбросе теплой воды не должна увеличиваться более чем на 5 °С по сравнению с его естественной многолетней температурой.

Повышение уровня воды в озерах и водохранилищах приводит к затоплению и подтоплению прилегающей территории, поступлению продуктов смыва, биогенных, гуминовых и других веществ, замедлению водообмена, что способствует эвтрофикации, заилению и загрязнению водоемов, увеличивает их минерализацию, изменяет термический режим. Величина колебаний уровня в водохранилищах значительно больше, чем на озерах. Сезонные изменения уровня в равнинных водохранилищах обычно составляют 5–7 м.

Рекреационные изменения обусловлены использованием озер для отдыха, в ландшафтовосстанавливающих целях.

6.2.Методы восстановления экосистем озер и водохранилищ

В зависимости от характера экологического нарушения и антропогенного воздействия в одних случаях озерные экосистемы восстанавливаются в состояние до нарушения, в других проводится только некоторое их оздоровление (в озерных водохранилищах, озерах-охладителях). В последнем случае принимаются меры, обеспечивающие чистоту воды в озере при сохранении функций в целях водопользования и водопотребления: для отдыха, поливных работ, выработки электроэнергии, охлаждения подогретых вод и т. п.

Восстановление озерной экосистемы проводится поэтапно, но полностью достигается редко, поскольку требует дорогостоящих мероприятий, стоимость

идлительность которых возрастают с увеличением требований к качеству воды в восстановленном озере.

Все мероприятия принято делить на внешние, осуществляемые на водосборном бассейне (профилактические), и внутренние (регулирующие, восстановительные) – в самом озере (табл. 6.2). Внешние мероприятия используются для снижения поступления в озеро с водосборного бассейна продуктов эрозии

идефляции, биогенных и загрязняющих веществ. Внутренние мероприятия выполняются после или одновременно с внешними, если снижение внешней нагрузки на озеро не дало необходимого результата.

Основная часть мероприятий, направленных на сохранение озерных экосистем, связана с решением инженерно-экологических задач: строительством очистных сооружений, отводом сточных вод, аэрацией, дноуглублением, подъемом уровня воды и др. Значительно сложнее контролировать состояние водосборного бассейна и эмиссию загрязнений в местах их образования.

Таблица 6.2.

Мероприятия по восстановлению (оздоровлению) нарушенных озерных экосистем (по М. Я. Прытковой, 2002 с изменениями)

Окончание таблицы 6.2.

8. Восстановление ранее спущенных озер

Подготовка ложа и прилегающей терУдаление поселившейся растительности. ритории к затоплению Подъем уровня воды.

Удаление всплывших торфяников, сплавин

9. Рекреационное использование озер

6.2.1. Предотвращение эвтрофикации

Наиболее радикальный вариант решения проблемы эвтрофикации – ограничение или предотвращение поступления в водоемы соединений азота и фосфора. Для этого на водосборе осуществляется весь комплекс мероприятий, направленных на удержание биогенных элементов на водосборном бассейне и уменьшение их поступления в водоем. Объем работ зависит от характера источника загрязнения (локальный или площадной), поверхности водосборов притоков, их использования.

Очевидные и широко применяемые способы – отведение стоков от озера за пределы водосбора или изъятие биогенных веществ в системе очистных сооружений. В США и Канаде в 1970-е гг. была реализована программа оздоровления Великих озер, в которых еще в первой половине XX в. стало интенсивно развиваться эвтрофирование в связи со сбросом в них промышленных и бытовых стоков. Программа предусматривала строительство очистных сооружений, законодательный запрет производства и использования содержащих фосфаты детергентов, уменьшение склонового стока с удобряемых сельскохозяйственных угодий. В результате поступление фосфора в озера уменьшилось в несколько раз.

Большое количество азота и фосфора поступает в водоемы с сельскохозяйственных полей и животноводческих ферм. Сильное эвтрофирование озер, расположенных в аграрных районах, вынудило в ряде европейских стран ввести ограничения, касающиеся использования, хранения и распределения удобрений.

Для уменьшения поступления в водоемы биогенных элементов и потерь удобрений применяются агро- и гидромелиоративные мероприятия, вспашка поперек склона, малогабаритная техника, сооружение буферных емкостей, биопрудов и прудов-отстойников или их каскадов в руслах водотоков, биоплато, гидроботанических площадок, искусственных заболоченных участков, других фитофильтрационных устройств, вселение высшей водной растительности в прибрежных зонах и устьях малых рек, в мелководьях водоемов, лагунах или же обваловка полей орошения, водоемов.

В отдельных случаях озеро защищается от поступающих со склонов стоков рвом. Животноводческие фермы обеспечиваются навозохранилищами и обваловываются, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции

оборудуются очистными сооружениями или прудами-отстойниками. Создание прудов для сбора обогащенного питательными веществами поверхностного стока, полив сточными водами земледельческих полей орошения позволяют повторно использовать воду для орошения, возвращая таким образом биогенные элементы в почву. Орошаемый участок должен находиться в 250–300 м от водоема.

Облесение водоразделов, склонов, создание растительного покрова, водоохранных полос вдоль гидрографической сети и берегов озера, мульчирование, поддержание высокого содержания гумуса в почве – все это способствует поглощению азота и фосфора из почвы и предотвращает эрозию и смыв их в водоемы.

Поступление в водоемы биогенных элементов снижается при использовании гранулированных или капсулированных форм минеральных удобрений, их замене на органические (компосты, вермикомпосты) удобрения, бактериальные удобрения на основе азотфиксаторов или бактерий, мобилизующих фосфаты.

Система агротехнических мероприятий предусматривает также сокращение сроков хранения удобрений на полях или хранение удобрений только на специальных оборудованных площадках, запрет на внесение удобрений по снегу и мерзлой почве, на внесение азотных удобрений с осени под озимые зерновые, соблюдение норм внесения удобрений и только по площади питания растений, жесткий контроль за подкормкой растений с самолетов; применение дробного способа внесения удобрений.

Результатом очистки сточных вод на очистных сооружениях, рациональной агротехники и мелиорации, оптимального способа городского хозяйствования,

атакже применения различных восстановительных технологий стало отмеченное в ряде стран улучшение качества воды в течение последних 20–30 лет.

Внутренние меры восстановления и поддержания трофического статуса водоемов предусматривают воздействие на условия среды в самом водоеме. Они дают эффект только после осуществления внешних мер и могут включать выемку загрязненных донных отложений, макрофитов, добавление химических реагентов и осаждение фосфора из озерной воды, промывку озера, аэрацию, методы биоманипуляции.

Удаление отложений, обогащенных биогенными элементами, проводят гидромеханизированным способом с применением землесосных снарядов или грейферным с применением экскаваторов. Это эффективный способ. Однако он может привести к взмучиванию донных отложений и переносу загрязнений из придонных слоев в толщу воды. При объеме изъятых отложений менее 10–20% в результате взмучивания наблюдается усиление эвтрофикационных процессов,

ане оздоровление водоема. Удаление же большей части объема ила осуществить технически сложно и дорого. Могут возникнуть трудности с размещением изъятого ила. Складирование ила на берегу может привести к повторному попаданию загрязнений в водоем в результате смыва поверхностным стоком, ветровой эрозии или подъема уровня воды в водоеме.

Можно изолировать донные отложения с помощью пленки, нанесения на поверхность дна земли, тонко раздробленных материалов: глины, вулкани-

ческих пород, пепла, золы, но такая изоляция технически сложна и не нашла практического применения.

Для осаждения фосфора из озерной воды используют различные химические вещества, которые вносятся в водную массу озера путем разбрызгивания, опыления поверхности воды или непосредственно в растворенном или гранулированном виде в водную толщу или донные отложения. Один из вариантов такой обработки предусматривает внесение сульфата алюминия или алюмо-калиевых квасцов, другой, в случае малого содержания в донных отложениях железа – поэтапную обработку донных отложений сначала раствором FeCl3, затем Са(ОН)2 и Са(NO3)2. Введение FeCl3 и нитратов в придонные слои (в виде нитрата кальция) повышает редокс-потенциал, ингибирует сульфатредукцию и переводит двухвалентное железо, связанное в сульфид (FeS), в окисленную трехвалентную форму железа (FeOOH) с образованием молекулярной серы в качестве продукта реакции. FeOOH связывает фосфат-ионы, фиксируя их в осадке, и предотвращает поступление фосфора в толщу воды.

Увеличение проточности водоема или промывка озера позволяют снизить концентрацию биогенных элементов и загрязнений, а также увеличить скорость удаления из озера планктонных водорослей. Вода должна подаваться из другого, поверхностного или подземного источника с малым содержанием биогенных элементов. Эвтрофирование водохранилищ и озер-охладителей не происходит при больших значениях водообмена, 15–20 раз в год и более. Если водоем проточный, то положительный эффект может быть достигнут при отводе воды сифоном из придонной зоны (гиполимниона) в вытекающий из озера водоток.

Принудительная аэрация – один из наиболее часто используемых и эффективных способов борьбы с эвтрофикацией водоемов. Аэрируют водную толщу или только гиполимнион. Аэрация осуществляется перемешиванием гидравлическими аэраторами либо пневматическими при помощи сжатого воздуха. При аэрации без нарушения стратификации (без перемешивания слоев воды озера с различной температурой и соленостью) воду забирают из гиполимниона, поднимают ее на поверхность для насыщения воды кислородом воздуха в специальной камере и возвращают в гиполимнион. Вместо камеры может применяться разбрызгивание воды гиполимниона на берегу. Такой способ приводит к ликвидации бескислородной придонной области, обогащенной продуктами анаэробного распада и биогенными веществами, к окислению сероводорода и других восстановленных веществ, переводит в нерастворимые формы и осаждает фосфаты, уменьшая их поступление из донных отложений.

Нарушение стратификации (дестратификация) происходит в том случае, когда воздух или кислород нагнетаются на дно озера или когда вода гиполимниона подается в эпилимнион (верхний, более прогретый слой воды). При выкачивании холодной воды из гиполимниона на поверхность и смешивании ее с теплой водой эпилимниона, вода из эпилимниона опускается на дно, что приводит к повышению температуры воды в придонной области. В результате в зоне гиполимниона ускоряется разложение отмершей органики и развитие бентосных организмов, водоросли из области солнечного освещения перемещаются в глубину, что замедляет их рост и понижает продуктивность водоема.