к.б.н. Н.М. Белковский, к.с-х.н. И.А. Алимов, О.П. Ткаченко, Т.А. Майданова.
Научно-производственное предприятие САЛМОРУ, Московская обл. г. Жуковский, ул. Молодежная, дом 29. +7 800 302-06-62
E-mail: info@salmo.ru
ГРНТИ 87.19.21;87.19.03;34.35.51
УДК 04.06; 04.45; 504.4.054; 57.04; 574.58
Аннотация
В работе изучалось влияние современных аэраторов-потокообразователей на гидрохимический режим Большого и Малого Голицынских прудов в парке им. А.М. Горького в городе Москва. Работа аэраторов привела к существенному увеличению содержания растворенного кислорода, росту редокс-потенциала, снижению общего микробного числа. Изучены различные гидрохимические показатели в течение зимнего, весеннего и летнего сезонов. Показана высокая эффективность струйной газожидкостной аэрации как метода экологической реабилитации городских водоемов.
Введение
Городские водоемы представляют собой важнейший элемент урболандшафта и играют большую роль в эстетическом восприятии городской среды обитания человека. В условиях современного урбанистического общества существует острая потребность в местах, где человек может хотя бы на некоторое время стать ближе к природе, насладиться ее красотой, отвлечься от высокого темпа жизни, попасть в комфортную для него область микроклимата. Парки, парковые и городские водоемы крайне необходимы городам, и от их количества и состояния во многом зависит качество жизни городских жителей.
Однако, состояние экосистем городских водоемов, обычно далеко от оптимального, что связано с большой антропогенной нагрузкой. Замусоривание, попадание ливневых стоков, дефицит воды и слабый водообмен, смывы с водосборной площади, недостаточные глубины, избыточное образование первичной продукции и высокая эвтрофикация проводят к тому, что водоемы теряют свою эстетическую привлекательность, возникает неконтролируемое «цветение», ухудшается качество воды, она приобретает неприятный запах, а в некоторых случаях может стать токсичной для гидробионтов и непригодной для их обитания. Водоемы теряют способность к самоочищению за счет антропогенного эвтрофирования и, в конечном итоге, становятся своей противоположностью –непривлекательными объектами гордского ландшафта, лишь ухудшающими городскую среду обитания человека, рекреационные возможности городской среды падают. Охрана водных объектов в городах и поселках является одной из важнейших задач градопланирования (Бойкова И.Г. и др., 2008; Болтаевский А.А., Прядко И.П., 2016).
Город Москва, являющийся одним из крупнейших мегаполисов мира, имеет на своей территории около 350 водоемов площадью более 0,01 га (Горюнова, 2016). Состояние городских водоемов сильно различается. Для того, чтобы поддерживать качество воды на приемлемом уровне необходимо понимание процессов, происходящих в городских водоемах и, как следующий шаг, разработка методов, направленных на сохранение качества водной среды и повышение их способности к самоочищению. В этом направлении проводится значительная работа, вводятся новые подходы к управлению. Например, циклический процесс управление качеством воды предусмотрен в целевой долгосрочной программе восстановления малых рек и водоемов Москвы. В рамках этой программы уже осуществлен ряд проектов экологической реабилитации прудов по ул. Вешних вод, в Северном Бутово, Круглого пруда по ул. Улофа Пальме, малых рек Чермянки, Сетуни и другие (Шабанов, Шабанова, 2017).
В основе этих и подобным им работ лежат данные о комплексе гидрохимических показателей, позволяющих объективно оценить качество водной среды и выбрать стратегию по реабилитации водоемов.
Известно, что процессы самоочистки водоемов и минерализации органического вещества напрямую зависят от содержания в воде растворенного кислорода. Его дефицит приводит к развитию гнилостных анаэробных процессов, замедлению нитрификации, гибели большого числа видов гидробионтов, обеднению ихтиофауны, способствует массовому развитию цианобактерий, и, в конечном итоге, ведет к деградации экосистемы водоема. В связи с этим аэрация водоемов с помощью разнообразных аэрационных систем считается надежным и эффективным способом улучшения экологического состояния различных водоемов (Боровиков и др, 2019; Горюнова, 2016; Орехов, 2019). Важнейшим условием успешного применения аэрации считается вовлечение в этот процесс всей массы воды в водоемах. Поэтому наибольшее распространение в последнее время все больше получают аэрационные системы, не только вводящие в воду кислород, но и создающие активное движение и перемешивание водных масс. Аэраторы-потокообразователи, выпускаемые Российским предприятием СалмоРу, отличаются своей способностью формировать в водоемах направленные течения, что позволяет избежать образования локальных анаэробных зон и обеспечить циркуляцию воды на значительной акватории.
Целью настоящей работы было разностороннее изучение гидрохимического режима типичного городского водоема, расположенного в городе Москва в Центральном парке культуры и отдыха им А. М. Горького, и влияние на него аэраторов-потокообразователей.
Работа проводилась при поддержке Агентства инновации города Москвы.
Материал и методика исследований
Объектом исследований служил Голицынский пруд, который в настоящее время представляет собой основную акваторию Парка культуры и отдыха им. А. М. Горького и одну из его центральных рекреационных зон. Голицынский пруд состоит из Большого и Малого прудов, соединенных узким перешейком.
Большой Голицынский пруд вытянут и изогнут под прямым углом. Дно пруда песчаное, берегоукрепления бетонные. Берег пруда пологий с малыми уклонами, ухоженный. Скорость течения мала и практически не заметна. Площадь водного зеркала — 1,92 га, максимальная длина — 200 м, максимальная ширина — 152 м, средняя глубина — 1,5 м.
Малый Голицынский пруд имеет форму удлиненного прямоугольника, дно песчаное, берегоукрепления бетонные. Водоем является декоративным и используется для обитания водоплавающих птиц. Площадь водного зеркала пруда — 0,3 га, максимальная длина — 210 м, максимальная ширина — 30 м, средняя глубина — 1,1 м. На акватории водного объекта размещены 3 домика для водоплавающих птиц размером 1,5 х 1,5 м, а также домик для зимовки водоплавающих птиц размером 5x5 м. Видимого движения воды на водоеме не заметно.
На Большом Голицынском пруду был установлен аэратор-потокообразователь Поток-Универсал мощностью 1,5 квт, на Малом Голицынском пруду – стационарный аэратор-потокообразователь Поток – Причал той же мощности, закрепленный на мостике. Места установки аэраторов выбирались исходя из таких критериев, как глубина, доступность электросети, возможность обслуживания, минимальное влияние на облик рекреационных водоемов.
На каждом пруду были также выбраны по две точки проведения замеров и отбора проб: одна точка вблизи аэратора, вторая на удалении от него. Отбор проб и замеры показателей осуществлялись по возможности каждые 10 дней, с учетом специфики работы ЦПКиО и графика мероприятий.
Весь период наблюдений был разбит на три этапа. Первый начальный этап продолжался с 15 декабря 2023 г до 10 января 2024г. В этот период аэраторы на водоемах отсутствовали, проводился мониторинг по выбранным показателям для изучения их исходного фонового уровня. Второй этап (основной) продолжался с 10 января 2024 г по 22.04.2024г. Весь этот период аэраторы находились в работе, за исключением нескольких кратковременных отключений.
Третий завершающий этап продолжался с 22.04.2024 по 08.08.2024. Аэраторы в данный промежуток времени на водоемах отсутствовали. Предполагалось, что в этот период можно будет проследить последействие аэрации и оценить динамику показателей после выключения аэраторов.
Непосредственно на водоемах с помощью портативных приборов измерялись такие показатели, как активная реакция воды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (еН), температура воды, содержание растворенного кислорода. Прозрачность воды определялась по диску Секки. В дни проведения измерений также отбирались пробы воды, которые затем доставлялись в Аналитический центр МГУ, где проводились анализы по следующим показателям: мутность воды по фармазину (ЕМФ), взвешенные вещества, БПК5, железо растворенное, железо общее, свинец, кадмий, алюминий, аммиак и ионы аммония, нитрит-ионы, нитрат-ионы, фосфат-ионы, АПАВ, нефтепродукты. Определялось также общее микробное число (мезофильные аэробные и факультативно анаэробные бактерии, КОЕ/см3), общие колиформные бактерии (БГКП коли-формы, КОЕ/100 см3), термотолерантные колиформные бактерии (КОЕ/см3).
Выбранный перечень показателей можно условно разделить на несколько групп.
Первая группа (содержание растворенного кислорода, БПК5, ХПК, окислительно-восстановительный потенциал) характеризует кислородный режим и уровень органической нагрузки, которую испытывает водоем.
Вторая группа (содержание аммонийного азота, нитритов, нитратов, фосфатов) показывает количество основных биогенов в водоеме, которые определяют развитие фитопланктона, а также дает представление о процессах аммонификации и нитрификации органического вещества.
Третья группа (железо, свинец, кадмий, алюминий, АПАВ, нефтепродукты) позволяет судить о токсикологическом фоне водоемов.
Четвертая группа включает в себя санитарные показатели (микробное число, общие колиформные и термотолерантные колиформные бактерии), которые позволяют выявить факты попадания в водоемы хозфекальных стоков.
Выбор данных показателей обоснован тем, что водоемы находятся в зоне активной человеческой деятельности и испытывают потенциальную угрозу негативного воздействия по самым разным направлениям.
Для определения содержания растворенного кислорода и температуры воды использовался термооксиметр МАРК 303, для измерения рН и окислительно-восстановительного потенциала применялся портативный рН/ORP/mV/C-метр HANNA HI991003. Измерение прозрачности воды производилось диском Секки.
Содержание кислорода и температура воды измерялись на двух глубинах – 20 и 100 см от поверхности воды, пробы отбирались с глубины 1м от поверхности воды.
Лабораторные гидрохимические исследования выполнялись по стандартным методикам (ПНД Ф 14.1:2:4.213-05, ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97, ПНД Ф 14.1:2:3.100-97, ПНД Ф 14.1:2:4.15-95 (от 2011 г.), ПНД Ф 14.1:2:3.110-97, ГОСТ 34786-2021, ФР.1.31.2013.16570, ПНД Ф 14.1:2:4.135-98 (от 2008 г.), ПНД Ф 14.1:2:4.128-98, ГОСТ 31867-2012, п. 4, ФР.1.31.2013.16574).
Результаты исследований
Работа аэраторов привела к тому, что движение воды стало визуально прослеживаться на значительной части акватории. Образующиеся течения имели круговую форму, скорость из изменялась от 20-30 см/с вблизи аэратора до 1-2 см/с в удалении от него. После ледостава под действием потоков воды от аэраторов значительная площадь водоемов была очищена от льда. На открытой воде стали скапливаться водоплавающие птицы.
В первый и третий этапы исследований периодически прослеживалась разница в температуре воды между верхним (20 см) и нижним (1м) слоем воды, однако эти различия были незначительными и статистически недостоверными. После включения аэратора во время основного этапа исследований эти различия исчезли.
В течение всего периода исследований прозрачность воды по диску Секки оставалась относительно высокой и из-за небольшой глубины водоемов измерить ее данным методом не представлялось возможным.
Первая группа показателей
В результате работы аэраторов в водоемах полностью исчезла температурная и кислородная стратификация, которая и до их подключения была небольшой из-за малой глубины водоемов, а за счет возникающих течений вода в прудах пришла в движение на значительной акватории. Поэтому различия между точками по температуре и содержанию кислорода на каждую дату были незначительными и недостоверными. В связи с этим анализировалось содержание кислорода в период, когда аэраторы работали, и в периоды, когда они были выключены.
Результаты измерений содержания кислорода представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Содержание растворенного кислорода в мг/л в точках измерений на Малом и Большом Голицынском прудах (В среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Рис. 2. Температура воды в периоды наблюдений
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Работа аэраторов привела к очевидному и значительному увеличению содержания растворенного кислорода. По всем точкам, на которых производились замеры, концентрация кислорода возросла во время работы аэраторов в 1,7-1,9 раз. Этот эффект, очевидно, связан не только и не столько с тем, что аэраторы вводили в воду кислород, но и с тем, что их работа приводила к изменению ряда параметров среды обитания фитопланктона, стимулируя фотосинтез. Об этом говорит тот факт, что в период работы аэраторов неоднократно отмечалось превышение содержания кислорода над его равновесной концентрацией. Это свидетельствует об активном фотосинтезе, происходящем в водоемах. При превышении уровня нормального насыщения кислорода в воде аэраторы снижают его концентрацию, «отдувая» кислород из воды в воздух. Тем не менее этого эффекта в наших экспериментах мы не увидели.
Если анализировать изменения температуры воды в периоды наблюдений, то можно заметить, что в периоды, когда аэраторы не работали, температура была в среднем выше, чем в основной период. Это показано на рисунке 2.
С ростом температуры воды снижается растворимость кислорода в воде, с другой стороны, в более теплой воде интенсивнее протекает фотосинтез. Для того, чтобы свести к минимуму влияние температуры воды на динамику кислорода мы решили рассмотреть временной интервал, когда температура воды оставалась относительно стабильной. Это отмечалось в первой половине опытов. В течение первых 8 декад температура изменялась мало, особенно с 3 по 8 декаду (Рис. 3.).
Рис. 3. Содержание кислорода до и после установки аэраторов в период незначительных изменений температуры воды (средние значения по всем точкам)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Рис 4. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) в мВ в местах замеров на Малом и Большом Голицынском прудах
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Как видно из рисунка 3, установка аэраторов позволила быстро повысить содержание растворенного кислорода. Влияние температуры воды на этот процесс можно исключить, по крайней мере в течение первых 8и декад экспериментов.
О глубоких изменениях в экосистеме прудов в период работы аэраторов говорят и другие показатели.
Наряду с ростом концентрации кислорода происходили изменения окислительно-восстановительного потенциала воды (ОВП). Окислительно-восстановительный потенциал характеризует направленность окислительно-восстановительных реакций и их интенсивность. Он зависит от состава растворенных в воде веществ и степени их окисления. При высоком ОВП преобладают реакции окисления, при низком – восстановления. Таким образом, чем выше ОВП, тем более интенсивно протекают реакции окисления органического вещества и тем более благоприятна среда обитания гидробионтов – оксифилов.
На рисунке 4 показаны значения ОВП в исследованные периоды.
Вполне естественно, что с ростом содержания кислорода в воде существенно возрастал и ОВП, в среднем в 1,3-1,4 раза. Вместе с тем абсолютные значения ОВП хотя и выросли, но оставались сравнительно невысокими, характерными для эвтрофных водоемов.
Следующий показатель, который заметно изменился после включения аэраторов, это биохимическое потребление кислорода (БПК5). Характер изменений показан на рисунке 5. На всех точках отмечено увеличение БПК5 в 1,1-1,3 раза. Это не было связано с увеличением содержания взвешенных веществ и мутности воды, так как эти два показателя практически не изменялись после включения и выключения аэраторов. Возможно, что повышение содержания кислорода и ОВП активизировало биохимические процессы, происходящие в водоемах, что и повлекло за собой рост БПК5
Необходимо отметить, что абсолютные значения БПК5 были очень высокими и свидетельствовали о поступлении в воду органического вещества в большом количестве. Уровень БПК5 в 3-4 раза превышал рекомендованные значения.
Рис 5. БПК5 в период наблюдений (в среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Рис. 6. ХПК в период наблюдений (в среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Как и следовало ожидать, сходная картина получилась и при измерении ХПК. В период работы аэраторов этот показатель оказался выше, чем в периоды, когда аэраторы не работали.
Вторая группа показателей
По содержанию аммиака и ионов аммония, а также по нитрит-ионам каких-либо значимых различий по периодам эксперимента обнаружено не было. Первый показатель оставался в пределах 0,19-0,36 мг/л, а второй – от 0,04 до 0,06 мг/л. Что же касается нитрат-ионов, то различия оказались очень существенными. Представление об их содержании в период работы аэраторов и в периоды их отсутствия на водоемах дает рисунок 7.
Рис. 7. Содержание нитрат-ионов в период наблюдений (в среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Рис. 8. Содержание фосфат-ионов в период наблюдений (в среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Уровень нитрат-ионов во время работы аэраторов оказался выше почти в 2,5 раза. Содержание фосфат-ионов имело явную тенденцию к росту в то время, когда на прудах были включены аэраторы. Абсолютные значения этого показателя оставались на среднем уровне, характерном для поверхностных эвтрофных водоемов. Фосфат-ионы, как правило, являются основным необходимым для развития фитопланктона биогеном.
Третья группа показателей
Из семи токсикологических показателей (АПАВ, железо растворенное, железо общее, нефтепродукты, алюминий, кадмий, свинец) лишь в концентрации растворенного железа обнаружились некоторые изменения, которые можно связать с работой аэраторов.
Рис. 9. Содержание растворенного железа в период наблюдений (в среднем по каждой точке за все время наблюдений)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
Рис. 10. Общее микробное число (ОМЧ, мезофильные аэробные и факультативноаэробные бактерии, КОЕ/см3)
Условные обозначения
М1-Малый Голицынский вблизи аэратора
М2-Малый Голицынский на удалении от аэратора
Б1-Большой Голицынский вблизи аэратора
Б2-Большой Голицынский на удалении от аэратора
По всем точкам измерений произошло небольшое, но вполне заметное снижение содержания растворенного железа, при этом абсолютные значения были небольшими.
Остальные показатели мало менялись в течение всего периода экспериментов, оставаясь на низком уровне. Это свидетельствует о том, что токсикологическая ситуация на исследованных водоемах в ЦПКиО им. Горького в целом вполне благополучна.
Четвертая группа показателей
Включение аэраторов привело к быстрому и очень заметному снижению ОМЧ. После отключения аэраторов во время третьего этапа экспериментов ОМЧ вновь существенно увеличилось. Это наблюдалось по всем точкам, в которых производился отбор проб. В среднем ОМЧ было в 11,3 раза меньше в тот период, когда аэраторы работали, по сравнению с периодами, когда они были выключены (снижение в 8,4, 2,5, 18,4 и 15,8 раза).
В воде исследованных прудов за единичными исключениями постоянно обнаруживались общие колиформные бактерии (БГКП коли-формы, КОЕ/см3), и менее часто присутствовали термотолерантные колиформные бактерии. Однако, достоверных данных по изменению их численности нам получить не удалось.
Обсуждение результатов
В условиях интенсивного антропогенного воздействия естественные процессы самоочистки часто оказываются недостаточными. Активировать их возможно с помощью искусственной аэрации. Наиболее эффективным методом является струйная газожидкостная аэрация (Орехов, 2019). Этот метод позволяет вводить в воду большое количество кислорода, одновременно распределяя его на большой площади. Использованные нами аэраторы-потокообразователи «Поток» относятся к этому типу аэраторов. Образование водо-воздушной смеси в них происходит за счет всасывания воздуха в зону разряжения, образующуюся за вращающимся винтом. Воздух перемешивается с водой с образованием массы мельчайших пузырьков, которые с потоком воды разносятся на большое расстояние от аэратора, формируя в водоеме постоянное движение воды и течения разнообразной конфигурации.
Использование струйной газожидкостной аэрации оказалось эффективным методом оздоровления Большого пруда Московского зоологического парка (Боровков, Волшаник, Шепелев, 2019). Работа аэрационной системы за 3,5 года работы позволила кардинально улучшить гидрохимические показатели в Большом пруду Московского зоопарка. Так, БПК5 снизилось с 128,7-168,7 до 5,1- 55,4 мг/л, т.е. почти в 7 раз, содержание кислорода увеличилось в 7 раз (с 1,09 до 7,6 мг/л), концентрация аммония снизилась с 7,2 до 0,95 мг/л (снижение в 7,6 раз). Содержание нитратов уменьшилось с 23,8 до 13,2 (снижение в 1,8 раз). В проведенном нами эксперименте также отмечалось значительное увеличение растворенного в воде кислорода, но при этом отмечалось увеличение содержания нитратов и БПК5. На наш взгляд эти показатели не являются противоречивыми, так как упомянутые выше эксперименты продолжались 3,5 года по сравнению с 4-мя месяцами в нашем случае.
Увеличение БПК5 и азота нитратов после проведения мероприятий по очистке водоема отмечалось и у других авторов. Так, в работе Шабанова и В.А. Шабановой А.В. (2017) приведены данные о том, что в воде пруда Круглого (г. Самара) после проведенной расчистки происходило увеличение БПК5 с 2,3 до 5,8 мг/л и азота нитратов с 1,82 до 3,12 мг/л.
Рост БПК5 вполне объясним тем, что насыщение воды кислородом активизировало процессы окисления органического вещества. Это привело также и к активизации нитрификации, и к росту ХПК. Об усилении активности окислительных процессов свидетельствует также и увеличение ОВП.
Результаты исследований на Большом пруду Московского зоопарка и наши исследования на Большом и Малом Голицинских прудах показали, что обогащение воды кислородом с помощью струйной газожидкостной аэрации позволяет существенно улучшить качество воды. Однако, этот процесс требует определенного и довольно длительного времени. 4х месяцев явно недостаточно, чтобы добиться улучшения по ряду показателей.
Необходимо отметить, что значения БПК5 в обоих случаях оказались исключительно высокими, во много раз превышающими уровень обычных поверхностных водоемов Подмосковья. Так, в Большом пруду Московского зоопарка показатели БПК5 практически достигали значений (128,7-168,7 мг/л), характерных для сточных вод городской канализации. В Большом и Малом Голицинских прудах уровень БПК5 (30-40 мг/л) также можно считать крайне высоким, что весьма нежелательно для рекреационных водоемов.
Такие весьма высокие значения БПК5 вероятно в определенной степени связаны с тем, что на исследованных водоемах обитает большое и трудно контролируемое количество водоплавающей птицы. Размыв льда и увеличение свободной от него акватории способствовало улучшению условий зимовки птиц и, возможно, повлекло за собой рост ее численности.
В работе Боровикова В.С., Волшаника В.В. и Шепелева С.М. (2019) имеются данные, позволяющие рассчитать эффективность аэрации в расчете на единицу затраченной электроэнергии. При мощности насосов 50 квт/час в воде растворялось за 1 час 5,184 кг кислорода, или 103,7 г кислорода на 1 квт-час. К сожалению, в работе не указано, при каком уровне насыщения кислорода достигнуты данные показатели. Так, например, для воды, насыщенной кислородом до 70-80% от равновесной концентрации это вполне нормальный показатель, тогда как при насыщении 10-20% он мал. Для аэраторов – потокообразователей «Поток» указанные выше значения на уровне 100 г/квт в час наблюдаются примерно при 80% насыщения от нормального. В целом же величина 103,7 г О2 в час на 1 квт/час находится в области значений, получаемых при работе струйных газожидкостных аэраторов серии «Поток».
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) может использоваться как индикатор экологического состояния объекта, хотя интерпретация этого показателя может быть весьма сложна. В природных водоемах существует несколько редокс-систем, определяющих значение Eh. Прежде всего это системы Fe+3/Fe+2 и S0/S-2 (Шигаева Т.Д., Поляк Ю.М., Кудрявцева В.А., 2020). На динамику показателя оказывает влияние содержание в воде растворенного кислорода, а также количество и видовой состав обитающих в воде микроорганизмов. Значения Eh позволяют оценивать условия развития микроорганизмов, в частности, колиформных бактерий, в среде их обитания (Reichart O, Szakmár K, Jozwiak Á, Felföldi J, Baranyai L., 2007). В свою очередь окислительно-восстановительные реакции, протекающие в результате жизнедеятельности микроорганизмов, сами влияют на Eh. Процессы, происходящие в грунтах водоемов, имеют определяющее значение на величину Eh воды. Возникающие в ходе трансформации органического вещества в донных отложениях изменения Eh оказывают воздействие и на окислительно-восстановительные системы в придонных слоях воды. Под действием антропогенных факторов Eh воды может существенно изменяться (Белкина Н. А., 2014, 2019). При снижении Eh возрастает скорость миграции марганца и железа из грунтов и переход их в воду.
Исходя из данных представлений, результаты измерений ОВП воды в Большом и Малом Голицынских прудах можно интерпретировать следующим образом. Абсолютные значения данного показателя находятся на довольно низком уровне, характерном для сильно эвтрофированных водоемов. Судя по этим величинам, грунты прудов накопили большое количество органического вещества и их окислительно-восстановительный потенциал выражается значительными отрицательными величинами, что повышает мобильность железа и марганца. Этим объясняется присутствие в воде растворенного железа. Поступление в воду кислорода в результате работы аэраторов привело к ускорению окисления закисного (растворимого) железа, снижению его концентрации в воде и, возможно, замедлению миграции из грунтов.
Содержание фосфатов в прудах ЦПКиО было сравнительно небольшим, оставаясь в пределах от 0,02 до 0,5 мг/л. Достоверных различий между периодами не было, хотя имелась некоторая тенденция к увеличению содержания фосфатов в то время, когда работали аэраторы. Размывая лед, они тем самым создавали более благоприятные условия для зимовки водоплавающих птиц. Вполне вероятно, что это приводило к повышению содержания фосфатов в воде за счет попадания в нее экскрементов птиц.
В Большом пруду Московского зоопарка концентрация фосфатов была почти в 80 раз выше, чем в прудах ЦПКиО (15,2-13,4 и 0,33- 0,18 мг/л соответственно). Такой высокий уровень фосфатов скорее всего был связан с наличием на водоеме большого количества водоплавающих птиц (Боровиков и др., 2019). Считается, что фитопланктон представляет собой начальное звено развития процессов эвтрофирования водоемов (Ашихмина Т.Я., Кутявина Т.И., Доминина Е.А., 2014). А ключевым фактором, определяющим условия развития фитопланктона, является наличие в водоемах биогенов, прежде всего фосфора.
Общее микробное число воды (ОМЧ) – количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов, способных образовывать колонии на питательном агаре при 37 0С в течение 24 часов. Этот показатель используется для оценки санитарной чистоты воды. В зависимости от отношения бактерий к растворенному в воде кислороду различают три группы: облигатные аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробные бактерии. У нас нет данных о численности каждой из этих групп микрорганизмов в исследованных водоемах. Однако, бесспорным можно считать тот факт, что содержание кислорода в воде оказывает решающее влияние на численность микроорганизмов в водоемах. Так, в работе (Baez, A.,Shiloach, J., 2014) было установлено, что увеличение содержания кислорода влияет на развитие и метаболизм бактерий, дрожжей и клеток в различных условиях их культивирования.
О. В. Морозова, Р. П. Токинова и Д. В. Иванов (2021), проводившие эколого-микробиологическую оценку качества воды озера Комсомольского в г. Казань, установили, что дополнительная аэрация гидроэкосистемы достаточным количеством кислорода способна улучшить гидрохимический состав и эколого-трофическую структуру микробиоценоза, а при недостатке кислорода возможно массовое развитие пурпурных серобактерий. Возможно, что повышение концентрации кислорода приводит к снижению в воде числа анаэробных и микроаэрофильных бактерий, учитываемых при определении ОМЧ.
Выводы
На основании проведенных исследований и полученных результатов нам представляется возможным сделать следующие выводы.
- Работа аэраторов исследованных прудах привела к значительному росту содержания растворенного кислорода, что является благоприятным фактором, положительно влияющим на весь биоценоз водоема.
- Наряду с увеличением кислорода положительную динамику имел окислительно-восстановительный потенциал воды (Eh). Его рост приводит к усилению процессов самоочищения и улучшению условий среды для гидробионтов.
- В результате работы аэраторов активизировались процессы нитрификации, что привело к увеличению в воде конечного продукта – нитратов, наименее токсичного соединения по сравнению с аммонием и нитритами.
- Под воздействием аэрации радикально снизилось общее микробное число (ОМЧ), что свидетельствует о существенном улучшении санитарного состояния водоема.
- Аэраторы во много раз увеличили акваторию прудов, свободную от льда. Это благоприятно сказалось на условиях зимовки водоплавающей птицы.
- Проведенные анализы показали, что в Большом и Малом Голицынских прудах токсикологическая ситуация вполне благоприятна. Отсутствуют признаки загрязнения воды металлами, нефтепродуктами, моющими веществами.
- Период, в течение которого на прудах работали аэраторы, слишком мал, чтобы наметившиеся благоприятные изменения развились и проявились в полной мере. В связи с чем рекомендуется использование аэраторов на водоемах на постоянной основе.
- Полученные результаты позволяют сделать вывод, что аэрация при помощи современных аэрационных систем является простым и эффективным способом экологической реабилитации городских водоемов, который может использоваться как самостоятельный метод, так и в комплексе с другими мелиоративными мероприятиями.
Признательность
Данная работа выполнена при финансовой поддержке гранта государственного бюджетного учреждения города Москвы «Агентство инноваций города Москвы» (ГБУ «Агентство инноваций Москвы»).
Авторы выражают благодарность ведущему научному сотруднику Аналитического центра МГУ им. М.В. Ломоносова (Химический факультет) д.х.н. Смоленкову Александру Дмитриевичу за ценные советы и содействие в проведении исследований.
Литература
1. Ашихмина Т.Я., Кутявина Т.И., Доминина Е.А. Изучение процессов эвтрофикации природных и искусственно созданных водоемов (литературный обзор). Теоретическая и прикладная экология, №3, 2014, с 6-13. УДК: 574.51
2. Белкина Н. А. Изменение окислительно-восстановительного состояния озерных донных отложений под влиянием антропогенных факторов (на примере Ладожского и Онежского озер). Общество Среда Развитие. 2014;(3):152-8.
3. Белкина Н. А. Особенности процесса трансформации органического вещества в донных отложениях озер Карелии и его влияние на химический состав придонных вод. Геополитика и экогеодинамика регионов. 2019;5(4):263-76.
4. Бойкова И. Г., Волшаник В. В., Карпова Н. Б., Печников В. Г., Пупырев Е. И. Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городах: уч. пособие для вузов. М.: АСВ, 2008. 256 с.
5. Болтаевский А.А., Прядко И.П. Городские водоемы: роль гидрообъектов в формировании биосферносовместимого городского пространства // Урбанистика. 2016. №1, с 43-50. DOI: 10.7256/2310-8673.2016.1.17423т
URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=17423
6. Боровиков В.С., Волшаник В.В., Шепелев С.М. К 20-летию пуска в эксплуатацию инженерной системы замкнутого насосного водооборота и струйной вихревой аэрации Большого пруда Московского зоологического парка.- В сб. Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства, №1, 2019, с.20-28 УДК 628.394(-21):621.6.057 DOI: 10.24411/1816-1863-2019-11020
7. Горюнова С.В. Основные типы городских водоемов и возможные пути их инженерно- экологического обустройства. — Вестник МГПУ, Сер. «Естественные науки», Экология, 2016, №1(21) с. 40-49.
8. Горюнова С.В. Влияние антропогенного воздействия на экологическое состояние малой городской реки. -В сб.: Вестник МГПУ. Сер.:Естественные науки, №2, 2010, с. 57-64 DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.61.096
9. Морозова О. В., Токинова Р. П., Иванов Д. В. Эколого-микробиологическая оценка качества воды озера Комсомольское в условиях урбанизации. Труды Карельского научного центра РАН No 4. 2021. С. 119–133.
DOI: 10.17076/lim1322 УДК 579.68
10. Орехов Г.В. Струйная контрвихревая аэрация в инженерных системах городских водных объектов // Вестник Евразийской науки, 2019 №3, https://esj.today/PDF/76SAVN319.pdf
11. Шабанов В.А., Шабанова А.В. Управление качеством городской среды: два подхода к реабилитации водных объектов //Международный научно-исследовательский журнал, -2017.-№7(61) DOI: 10.23670/IRJ.2017.61.096
12. Шигаева Т.Д., Поляк Ю.М., Кудрявцева В.А. «ФНО XXI век». Окислительно-восстановительный потенциал как показатель состояния объектов окружающей среды Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера» 2020, т. 12, № 3, с111-124 УДК 574.52:57.014 DOI: 10.24855/BIOSFERA.V12I3.549
13. Reichart O, Szakmár K, Jozwiak Á, Felföldi J, Baranyai L. Redox potential measurement as a rapid method for microbiological testing and its validation for coliform determination. Int J Food Micro-biol. 2007;114(2):143-8.
14. Baez, A., Shiloach, J. Effect of elevated oxygen concentration on bacteria, yeasts, and cells propagated for production of biological compounds. Microb Cell Fact 13, 181 (2014). https://doi.org/10.1186/s12934-014-0181-5
Рубрикатор
87.19.21 Проблемы эвтрофировании и самоочищения вод
87.19.03 Теория и методы исследования загрязнения и охраны вод суши, морей и океанов
34.35.51 Антропогенные воздействия на экосистемы
УДК
04.06 Охрана окружающей среды. Управление качеством окружающей среды.
04.45 Пресные воды. Воды суши. Внутренние поверхностные воды
504.4.054 Загрязнение вод
57.04 Факторы. Воздействия
574.58 Водные биоценозы