CC BY
33
УДК574.6(477.63/64) Проф. М.С. Мальований1, д-р техн. наук;
проф. В.В. Никифоров2, д-р бюл. наук; доц. О.В. Харламова2, канд. техн. наук; ст. викл. О.Д. Синельтков3
ОЦ1НЮВАННЯ ЕКОЛОПЧНО1 НЕБЕЗПЕКИ В АКВАТОР1ЯХ ДНШРОВСЬКИХ ВОДОСХОВИЩ ВНАСЛ1ДОК НЕКОНТРОЛЬОВАНОГО РОЗВИТКУ Ц1АНОБАКТЕР1Й
Проан^зовано проблему еколопчно! небезпеки, яка виникла внаслщок побудови комплексу гiдроелектростанцiй на Дншр^ що стало причиною неконтрольованого роз-витку цiанобактерiй. Розглянуто загрози для навколишнього середовища, спричиненi неконтрольованим розвитком щанобактерш та 1х бiологiчним розкладом. Проаналiзова-но ефективнiсть застосування вщомих методiв пригнiчення масового розвитку синьо-зелених водоростей. Оцiнено вмiст бюгазу, який може бути синтезований iз бiомаси щ-анобактерш Кременчуцького водосховища. Запропоновано стратегiю уникнення еколо-пчно! небезпеки вiд неконтрольованого розвитку щанобактерш та 1х негативного впли-ву на довкшля.
Ключовi слова: еколопчна небезпека, щанобактери, синьо-зеленi водоростi, бь огаз, бiологiчний розклад.
Постановка проблеми дослщження. Окрiм очiкуваного результату -виробництва дешево! електроенергií, побудова комплексу ГЕС на Дш^ спри-чинила i загрозливий для екологiчноí безпеки Украши результат - значне попр-шення екологiчного стану Днiпра. Таю негативш для навколишнього природного середовища наслвдки зумовленi двома головними причинами:
1. Затоплення водами новостворених водосховищ територiй, де були розмще-
нi населенi пункти, сшьськогосподарсьы угiддя, тваринницькi ферми, жит-
тевий простiр населення.
2. Значне зменшення швидкостi течи Днiпра.
Загалом сумарна площа водосховищ ГЕС Днiпровського каскаду стано-вить близько 7000 км2, у цих водосховищах знаходиться близько 45 км3 води. Якщо врахувати, що рiчний стiк Днiпра становить близько 50 км3 води, то стае зрозумшим, що об'ем води, який наповнюе штучш водосховища Дншра, близь-кий за значениям до його рiчного стоку. Завдяки появi штучних водосховищ пе-рерiз русла ржи, який визначае швидккть неперервного потоку, став на порядки бшьшим, тому у водосховищах (зокрема у Кременчуцькому, яке е найбшь-шим) швидкiсть руху води настшьки мала, що 11 можна вважати стоячою. Вихо-дячи iз цього, справедливим буде приймати сучасний стан Дшпра у середньому та нижньому руслах не як ршу, а як каскад проточних ставш велико!' плошд ак-ваторп та об'ему.
Зважаючи на наведену вище шформацда, найбшьш методологiчно пра-вильним буде прийняття лiмнологiчного пiдходу для до^дження Днiпровськоí екосистеми. Величезнi площi сшьськогосподарських угiдь, якi знаходяться пiд водами новостворених водосховищ, спричинили насичення рiчкових вод орга-нiчними сполуками. Вмкт цих сполук безперервно поповнюеться iз потраплян-
1 НУ " Львгвська полггехнка";
2 Кременчуцький НУ ш. Михаила Остроградського;
3 Вище професшне училище Льв1вського ДУ безпеки життедшльнот
ням у Дншро величезних мас мунiципальних i промислових стокiв, забрудне-них дощових стокiв i талих снiгових вод. Прибережш зони, на вiдмiну вщ плав-невих заростей Днiпра, в прадавш часи включенi в штенсивш рiльничi технологи, завдяки чому поверхневi води (якi пiзнiше потрапляють в Днiпро) насичу-ються мшеральними та органiчними добривами. Такi радикальш змiни (значне зменшення течи Дншра у великих водосховищах аж до практично стоячого стану та збагачення оргашчними забрудненнями) у тдсумку привели i до ради-кально'1 змiни бiоти рiки. Результатом створення нових взаeмозв,язкiв у новiй бют та створення ново'1 бютично'1 iерархп та став бурхливий неконтрольований розвиток синьо-зелених водоростей (цiанобактерiй), якi заполонили новоство-ренi водосховища Днiпра [1, 2].
Залежно вiд гiдродинамiчних умов, форми берегово'1 лши, сили та нап-рямку вiтру синьо-зеленi водорост в рiзний час концентруються в рiзних части-нах Днiпровських водосховищ. Цей факт i спричинив втрату Днiпром здатностi до самоочищення, що зумовило прогресуючий неконтрольований розвиток синьо-зелених водоростей (рис. 1).
Рис. 1. Скупчення синьо-зелених водоростей бтя Кременчуцько'1 ГЕС
Характер бюлопчного циклу життя та смерт синьо-зелених водоростей спричиняе '1х домшуючу роль в екосистемi Днiпра. Оскiльки синьо-зеленi водо-ростi не потребують зв'язку iз Грунтовим середовищем, на чисельнiсть '1хньо'1 поиуляцп не впливае глибина водосховища. Тому тд впливом вiтру синьо-зеле-нi водоростi (рис. 2) м^ують всiею акваторiею водосховища, що створюе умо-ви для '1х прогресуючого розмноження. Питома густина цiанобактерiй дещо ме-нша вiд густини води, тому навт пiсля сильного шторму вони за незначний час спливають на поверхню та iнтенсивно розвиваються, споживаючи сонячну енергiю. Досить швидко утворюеться щiльний поверхневий шар iз синьо-зеле-
них водоростей, який зменшуе коефщент вiдбивання сонячного промшня. Це, своею чергою, спричиняе додаткове прогрiвання поверхневого шару (де скуп-ченi цiанобактерi'í), а отже, i прискорення розвитку водоростей - процес стае ав-токаталiтичним. Сприяе неконтрольованому розвитку цiанобактерiй i вщсут-нiсть бiологiчних видiв, для яких вони були б кормом.
Рис. 2. Ко^чна свiтлина перемщення щанобактерш Кременчуцьким водосховищем втром
Наслщками неконтрольованого розвитку щанобактерш у штучних во-доймах Днiпра е перетворення води ржи в перюд розкладання синьо-зелених водоростей (з друго! половини липня до кшця вересня) у брудну рiдину iз силь-ним неприемним запахом. Це робить неможливим очищення рiчковоí води до вимог стандарпв на питну воду на станщях первинного очищення водозаборiв прибережних мшт. Повiтря атмосфери наповнюеться нудотним запахом гниття, що спричиняе численнi захворювання дихальних шляхiв. Збiднення у процес гниття цiанобактерiй води Днiпра киснем спричиняе задуху цiнних порiд риб (судак, лящ, жерех, чехоня та ш.), завдаючи значно! шкоди рибному господар-ству держави. Свiдченням задухи е масове спливання загибло! риби на повер-хню та и розкладання, що створюе додаткову еколопчну загрозу екосистемi. Катастрофiчне зменшення вмкту кисню у водi пiдтверджуеться також результатами аналiзiв складу повиря над акваторiею Рибiнського водосховища у перь од його цвiтiння. Серед компонент автори [3] виявили метан, який утворюеться у процесi анаеробного бродшня. Отже, пiд час розкладання синьо-зелених водоростей зменшення концентраци кисню в рiчковiй водi настшьки значне, що у поверхневому шарi створюються умови для !х безкиснево! ферментацií.
Внаслiдок коливань рiвня води у штучних водосховищах досить часто проходить затоплення широких прибережних смуг Днiпра, на затопленi аквато-
piï (плавш, озера, рукави та старицi Дншра) потрапляють цiанобактерiï. Результат - замулення i практично повна загибель вщомих пщаних Днiпpовських пляжiв - гордосп та окраси Днiпpа, вщомих pекpеацiйних зон. Неприемний ну-дотний запах водоростей, як розкладаються, значно зменшив популяpнiсть та масовiсть водного туризму, а сама акватоpiя рши у лiтню пору перетворюеться на джерело небезпечного мжробюлопчного забруднення.
Аналiз останшх дослщжень i публiкацiй. Варто звернути увагу на по-зитивний досвщ вiдновлення озерних вод Канади [4] - ютотне зниження ев-тpофностi Великих озер (оз. Epi - 25,8 тис. км2, 458 км3; оз. Онтарю - 190 тис. км2, 1638 км3), що виникла в 1960-1970 pp. у зв'язку зi зростанням населення i спричиненого цим забруднення водойм речовинами, живильними для розвитку небажано'1 флори, зокрема цiанобактеpiй. За чотири десятилггтя (1930-1970 pp.) стрмко зростало забруднення Великих озер, що призвело до утворення в них зон, бщних на кисень. Зазначимо двi важливi обставини: величезнi об'еми вщ-новлено'1, хоч би частково, якосл питно'1 води; об'ектом вщновлення були тран-сфоpмованi антропогенним забрудненням водойми природного походження, тобто водойми, що мають досить потужнi мехашзми самоочищення; ефект оз-доровлення басейшв Великих озер був досягнутий завдяки блокуванню джерел 1х забруднення, зокрема вилученню фосфору зi складу широко вживаних насе-ленням мийних засобiв.
За результатами наших спостережень та анаизу можна констатувати, що каскад Дншровських водосховищ iстотно вiдpiзняеться як вщ озер Канади, так i вщ потужних штучних станцiй очищення стiчних вод, а отже, не юнуе можли-востi безпосередньо скористатися досвщом вiдновлення якостi води, накопиче-ного в цих проектах [1, 5].
Постановка завдання. Мета дослщження - встановлення ступеня еко-лопчно'1 небезпеки вiд неконтрольованого розвитку щанобактерш, встановлення мipи 1х негативного впливу на навколишне середовище та ощнювання перспектив використання зiбpаних цiанобактеpiй для виробництва енеpгоносiïв.
Виклад основного мaтерiaлу. Для пpигнiчення масового розвитку си-ньо-зелених водоростей на особливу увагу заслуговують механiчнi, фiзико-хi-мiчнi, екологiчнi та бiологiчнi методи (рис. 3).
Рис. 3. Методи пригтчення масового розвитку синьо-зелених водоростей
До найбтьш дiевих фiзико-хiмiчних методiв потpiбно вiднести аеpацiю води та застосування альгiцидiв. Але застосування цих методiв хоча й призво-дить до piзкого зниження чисельностi щанобактерш, але вони мають й ютотш
недолжи. Аеращя великих об'eмiв води повiтрям економiчно невигiдне (6590 коп./м3), а використання альгiцидiв можливе тiльки у водоймах, не призначе-них для господарсько-питного або рибогосподарського застосування, а також у системах зворотного водопостачання. Перспективним е збiр цiанобактерiй iз подальшою 1х утилiзацiею (виробництвом бюгазу, лiпiдiв, добрив). Серед наяв-них технологiй перероблення цiанобактерiй можна видалити варiант побудови бiостанцií з отримання бiогазу, добрива та iнших щнних для промисловостi i сшьського господарства продукпв.
В основу способу отримання бюгазу покладено метод очищения повер-хневих вод вiд синьо-зелених водоростей внаслвдок збирання та використання ц концентровано! бiомаси як субстрату для отримання бiогазу шляхом бютехно-логи метанового " брод^ня" та забезпечення належного ршня якостi води в кас-кадi водосховищ за умови економп енергоресурсiв. Вихiд бiогазовоí сумiшi за температури +28°С за добу становив 200 мл iз 1 дм3 субстрату. Аналiз спектра полум'я бiогазу дав змогу зробити висновок про значне переважання ввдсотко-во! частки метану в дослiджуванiй сумiшi газiв [6]. Економiчна та еколопчна ефективнiсть використання цiанобактерiй для отримання бюгазу (на прикладi Кременчуцького водосховища з площею водного дзеркала 2250 км2) ощнюють так: за умови збирання сестону об'емом до 50 кг/м3 [1] з об'ему 828 млн м3 води мiлководдя його бюмаса становитиме 4,14107 т за вегетащйний перiод. Шддав-ши цю бiомасу ферментацií у процесi метанового " брод^ня", можна отримати до 30 млн м3 бюгазу (18,8 млн м3 метану), що еквiвалентно 20 тис. т нафти або 17 тис. т дизельного палива.
До^дження [8] свiдчить, що перспективним е виробництво iз зiбраних водоростей бiодизелю та бiогазу. Вмкт лiпiдiв у зiбранiй культурi синьо-зеле-них водоростей е незначним (1,27 %), i тому методом екстрагуванням можна вилучити лише незначну частину енергií, що мiститься в бюмас! Вплив кавгга-цiйного поля (гiдродинамiчноí кавiтацií) внаслiдок руйнування клiтинних станок щанобактерш i збiльшения поверхш масопередачi дае змогу значно шдви-щити ефективнiсть екстрагування лiпiдiв та об'ем добутого бюгазу.
На основi аналiзу даних дослiджень [8] розроблено стратегда уникнення екологiчноí небезпеки ввд неконтрольованого розвитку цiанобактерiй та 1х негативного впливу на довкшля, яка вхоплюе послiдовну реалiзацiю таких стадш: збiр цiанобактерiй та транспортування íх до бiостанцiй ^ оброблення бiомаси в полi гiдродинамiчноí кавггацц ^ концентрування бiомаси ^ екстрагування iз бiомаси лiпiдiв ^ бюрозклад бiомаси iз отриманням бiогазу ^ використання вiдпрацьованоí бiомаси як бюдобрива.
Висновки. На основi проведеного аналiзу джерел екологiчноí небезпеки в акватор1ях Днiпровських водосховищ Кременчуцького територiально-вироб-ничого комплексу встановлено, що одним iз визначальних 11 чинниюв е некон-трольований розвиток синьо-зелених водоростей та 1х негативний вплив на дов-кiлля. Науково обгрунтовано доцiльнiсть отримання бюгазу iз бiомаси синьо-зе-лених водоростей. Встановлено ефективнiсть попереднього оброблення бюмаси
цiанобактерiй у полi гiдродинамiчноí кавiтацií для збшьшення повноти розкла-ду бiомаси.
Лггература
1. Приймаченко А.Д. Фитопланктон и первичная продукция Днепра и днепровских водохранилищ / А.Д. Приймаченко. - К. : Изд-во "Наук. думка", 1981. - 278 с.
2. Сиренко Л. А. Растительность и бактериальное население Днепра и днепровских водохранилищ / Л.А. Сиренко, И.А. Корелява, Л.Е. Михайленко и др. - К. : Изд-во "Наук. думка", 1989. - 231 с.
3. Дзюбан А.Н. Сезонная динамика микробиологического цикла метана в воде прибрежных мелководий Рыбинского водохранилища / А.Н. Дзюбан // Гидробиологический журнал : сб. науч. тр. - 2006. - Т. 42, № 6. - С. 47-51.
4. Валлентайн Дж. Восстановление озерных вод Канады / Дж. Валлентайн // Наука и человечество : науч.-техн. журнал. - 1978. - С. 123-134.
5. Никифоров В.В. О методах подавления массового развития синезелёных водорослей / В.В. Никифоров // Вюник проблем бюлогй та медицини : зб. наук. праць. - 2002. - Вип. 4. - С. 27-31.
6. МакКинерни М. Основные принципы анаэробной ферментации с образованием метана / М. МакКинерни, М. Брайант // Биомасса как источник энергии : сб. науч. тр. - М. : Изд-во "Мир", 1985. - С. 246-265.
7. Никифоров В.В. О природоохранных и энергосберегающих перспективах использования синезеленых водорослей / В.В. Никифоров // Промышленная ботаника : сб. науч. тр. - 2010. -Вып. 10. - С. 193-196.
8. Мальований М.С. Оптимальш умови отримання енерги iз щанобактерш / М.С. Мальований, О.Д. Синельнжов, О.В. Харламова, А.М. Мальований // ХЪшчна промисловiсть Украши : наук.-виробн. журнал. - 2014. - № 5. - С. 39-43.
Мальованый М.С, Никифоров В.В., Харламова Е.В., Синельников А.Д. Оценка экологической опасности в акваториях Днепровских водохранилищ вследствие неконтролируемого развития цианобактерий
Проведен анализ проблемы экологической опасности, которая возникла в результате построения комплекса гидроэлектростанций на Днепре, что стало причиной неконтролируемого развития цианобактерий. Рассмотрены угрозы для окружающей среды, вызванные неконтролируемым развитием цианобактерий и их биологическим разложением. Проведен анализ эффективности применения известных методов угнетения массового развития сине-зеленых водорослей. Сделана оценка содержимого биогаза, который может бать синтезированным с биомассы цианобактерий Кременчугского водохранилища. Предложена стратегия избежания экологической опасности от неконтролируемого развития цианобактерий и их отрицательного влияния на окружающую среду.
Ключевые слова: экологическая опасность, цианобактерии, сине-зеленые водоросли, биогаз, биологическое разложение.
MalovanyyM.S., Nikiforov V.V., Kharlamova O.V., SinelnikovA.D. Assessment of Ecological Hazard in the Waters of the Dnieper Reservoirs due to Uncontrolled Development of Cyanobacteria
The ecological hazard that has emerged as a result of the construction of hydropower plants on Dnieper, which became the cause of uncontrolled development of cyanobacteria, is analysed. The environmental risks that are caused by the uncontrolled development of cyanobacteria and their biodegradability were studied. The efficiency of application of the known methods of suppression of mass development of the blue-green algae was analyzed. The amount of biogas that can be synthesized from biomass of cyanobacteria of Kremenchug reservoir was estimated. The strategy of avoiding the ecological disaster from the uncontrolled development of cyanobacteria and its negative impact on the environment was suggested.
Keywords: ecological hazard, cyanobacteria, blue-green algae, biogas, biodegrading.
