Загадка Байкальских очистных/ Как не погубить рачка-эпишуру

В поле зрения Ecolife – дискуссия, развернувшаяся вокруг нормативов очистных сооружений на Байкале, который как известно – священное море и гордость России, а по запасам пресной воды – № 1 в мире. Информационным поводом стала постановка вопроса об отмене нормативов, которые действовали в одном из Приказов Минприроды (Приказ № 63 от 05. 03.2010) и замену этих нормативов на более «справедливые». В ответ появилась петиция «Против повышения норм негативного воздействия на экосистему озера Байкал», собравшая более 100 тыс. подписей.
На пресс-конференцию 5 апреля в ТАСС приехал глава республики Бурятия, Алексей Цыденов, который пояснил, что инициатива изменений нормативов происходит от правительства Бурятии. Обосновывается это тем, что старые очистные сооружения Улан-Уде, построенные в середине 70-х, уже не справляются с стоками разросшегося (почти до полумиллиона населения) города, а построить новые очистные нереально «из-за чрезмерно высоких требований по качеству стоков», как сказано в пресс-релизе мероприятия, подготовленном в Бурятии. В этом же документе сообщается, в рамках нацпроекта «Экология» запланировано 9 млрд. руб. на строительство 21 очистного сооружения в Бурятии.  В ходе пресс-конференции были даны пояснения, что очистные используют именно ультрафиолетовую (УФ) технологию обеззараживания воды (а не хлорную, как говорится в упомянутой петиции), тогда как предполагаемая мощность очистных сооружений – 350 тыс. м³ в сутки, правда проектирование пока еще не началось.
Для того, чтобы начать разбираться в этой проблеме Ecolife считает необходимым напомнить два печально известных «открытия», связанных с Байкальскими очистным.
Во-первых это открытие очистных сооружений канализационных стоков (КОС) поселка Слюдянка в 2010 году, печально известное как введенный в строй проржавевший долгострой 1994 года рождения. В 2008-2010 гг. очистные «реанимировали» за 232,6 млн рублей, под патронажем тогдашнего губернатора Иркутской области Дмитрия Мезенцева, который и перерезал ленточку на открытии КОС 2 ноября 2010 года. Характерно, что он при этом также говорил об УФ очистке стоков и отсутствии хлорирования, что однако, оказалось неправдой. Это выявила прокурорская проверка, которая обнаружила и отсутствие ультрафиолета, и хлорную известь, и проржавевшие делали очистных, которые сами стали источником загрязнения. Упомянуто было и то, что активный ил, являющийся основой метода очистки стоков, не работает. Эту информацию подтвердили и на последней пресс-конференции 5 апреля  представители Бурятии, которые сообщили, что вся экосистема активного ила на действующих очистных Улан-Уде попросту вымерзает под ударами сибирских морозов.  Парадокс ситуации заключался в том, что Постановлением РФ № 643 «Об утверждении перечня видов деятельности, запрещенных в Центральной экологической зоне Байкальской природной территории» в этой зоне разрешен сброс вод, очищенных до нормативного качества. На вопросы корреспондентов Юрий Крашенинников тогда ответил: «Практика показывает, что даже на новых КОС вода не очищается до нормативного качества». Вопрос по поводу норматив 63 Приказа, поставленный в Бурятии, практически один в один повторяет эту историю – эти же слова лежат в основе смены норм 63 Приказа МПР.
Во-вторых упомянем научное «открытие» по поводу экологической катастрофы, сделанное в 2014 первоначально в Листвянке, которую захватила водоросль спирогира, а затем подтвержденное исследования ученых Лимнологического института СО РАН (которых не пригласили в ТАСС на пресс-конференцию 5 апреля – список участников здесь) и в других местах побережья, а также на острове Ольхон. Ученые бурили скважины и брали пробы грунтовых вод, в которых обнаружили фосфор и поверхностно активные вещества (ПАВ), а если проще то стиральный порошок и мыло,   но самое шокирующее – они обнаружили кишечную палочку прямо в прибрежных водах, что говорит о прямо сбросе фекальных стоков. Ссодержание кишечной палочки в очищенных сточных водах очистных в Слюдянке было превышено в 140 раз, в Бабушкине — в 400 раз.  Власти, комментируя эту ситуацию, ссылались на казуистический «замкнутый круг», связанный с первым открытием, но и после реконструкции очистных в Слюдянке в 2017 году вопрос остается нерешенным – см. например «Очистные сооружения Слюдянки наносят вред Байкалу».
Следующим шагом, помогающим навести ситуацию на резкость, вернемся к ситуации в Бурятии. А именно, вместо сбивающего с толку многообразия различных показателей нормативов и тенденциозной выборки, одна из которых приведена в Петиции, а другая в материалах пресс-конференции (см. рисунки ниже), обратимся к ключевым показателям, а именно к БПК и ХПК – биологическому и химическому поглощению кислорода. Эти показатели являются важнейшими именно в свете второго по счету из упомянутых открытий, а именно сделанного учеными вывода об экологической катастрофе, связанной с наступлении водоросли спирогиры, получающей усиленный паек фосфора из стирального порошка, а также попаданию практически не обеззараженных стоков в воду озера. Оба эти явления приводит к тому, что при сбросе отходов в озеро вода лишается кислорода, необходимого всем обитателям озера – и широко известному байкальскому омулю, и не столь славному, но зато гораздо более многочисленному рачку эпишуре. И вот лишение именно этого рачка жизненно необходимого ему кислорода – самая главная нить всей этой истории, которую, как выяснилось, та самая подписанная всеми неравнодушными людьми петиция совершенно не отражает, так как в ней эти показатели вообще не упоминаются! Если же обратиться “ к первоисточнику» — предложению Бурятии, то выясниться, что они то проблему как раз хорошо понимают и ходатайствуют как раз о снижении показателей БПК и ХПК.

Версия таблицы нормативов, приведенная в Петиции:

 
В действующем приказе МПР № 63 от 05.03.2010, вокруг которого и разгорелся «сыр-бор», показатель БПК равен 10 мг О2/л.! По этому показателю приказ, который хотят отменить, вовсе не был слишком жестким, наоборот он представляется умопомрачительно «либеральным» по отношению к биологическим загрязнениям. Для водоемов имеющих рыбохозяственное значение БПКполн не должно превышать 3 мг О2/л, для остальных – 4, но 10 – это запредельно много. Что-же, тогда удивительного, что люди, которые заняты вопросами ЖКХ на Байкале, ратуют за отмену этого приказа? Что они предлагают?
Построить новые очистные сооружения, производительностью не менее 350 тыс. м³ /сутки и при этом определить для них норматив БПК не 10, почему-то не 3 как положено для озера, где есть рыбы (!, и даже не 4), а в два раза больше — 6 мг О2/л. Но при этом они пишут 6+фон, а  какой фон имеется при этом в виду и где он замеряется, и главное каких величин может достигать, непонятно. При этом наповал, что называется «убивают», цифры фактических состояния вод, где БПК достигает значений 13 мг О2/л  во взятых ниоткуда «нормативных» 100 метрах от очистных сооружений (в точке сброса концентрация вообще запредельная). Аналогичная ситуация и по ХПК, показывающего связывание кислорода химическим путем, который достигает значения 56 (!) в сточных водах на том же расстоянии от правобережных очистных сооружениях в Улан-Уде.  Мы все «нормативно» знаем, что в Байкале чистейшая в мире вода, но на языке нормативов для простой (не чистейшей!) питьевой водопроводной воды показатель ХПК не должен превышать значение 5 мг О2/л.
Приведенные цифры, что называется «вопиют» — проблему уже скрыть невозможно, ведь сами представители Бурятии в один голос признают, что действующие очистные «действуют» чисто номинально, т.е. совершенно не справляются со стоком растущего города-полумиллионника, который обещает еще вырасти!  Главная проблема, с которой необходимо справиться в Улан-Уде, это стиральные порошки и другие вещества для стирки и мойки, а также биологическое загрязнение, о котором свидетельствуют цифры прямо устанавливающие превышение БПК.
Для справки — на сегодня население города составляет не менее 450 тыс. человек (данные по динамике населения до 2018 г. можно посмотреть в Википедии). По нормам считается, что человек потребляет 14,6 м³ воды в месяц. Если умножим эту цифру хотя бы на полмиллиона жителей (население-то растет!), то получим потребность города в очистных порядка 7,3 млн. м³ в месяц или 240 м³ в сутки, поэтому производительность очистных 350 м³ /сутки свидетельствует о том, что власти заглядывают далеко вперед, рассчитывая на население порядка 700-800 тыс.чел.. Однако ясно, что и цена ошибки при столь дальнем прицеле сильно возрастает. Поэтому зададим главный вопрос – почему, если существует столь критическая ситуация по сбросу биологических и и химических загрязнителей, планируется сделать очистку на основе обработки воды ультрафиолетом (УФ), а не насыщать ее кислородом и озоном – ведь именно кислород съедается отходами, замер которых дается показателями БПК и ХПК?  Но оставим пока этот важный технологический вопрос и обратимся к главному сегодня лицу, ответственному за чистоту Байкала – рачку эпишуре, данных о котором совсем не так много, как подобает его значению в роли «ответственного за чистоту Байкала». Один рачок за сутки очищает стакан воды, а все вместе – все озеро. Попробуем оценить степень напряженности этой работы и влияние сбросов. Мы сделаем оценки исходя из данных, которые удалось найти и будем благодарны, если люди профессионально владеющие информацией о рачке, подключатся и сделают свои, более точные и корректные подсчеты.
РАССЧЕТЫ и ВОПРОСЫ
Итак начнем. Средняя скорость роста биомассы планктона, обусловленная на 90%  эпишурой по  данным замечательной книги «Байкаловедение», (Новосибирск, 2012, т.2., стр. 773) , составляет 100 мг С/ м³ в сутки, но минимально это величина — 1 мг С/ м³ . Популяция рачка жива, пока есть биопродукция, поэтому этот минимальный показатель и обозначает границу «жизни и смерти» популяции.
Чтобы связать биопродукцию с концентрацией кислорода, нужно знать так называемый дыхательный коэффициент данного вида рачка, характеризующий степень окисления кислорода. Однако найти его для эпишуры не удалось, поэтому придется принять его таким же, как и близких родственников – дафний, для которых известно, что их дыхательный коэффициент равен единице. Поэтому из данных Байкаловедения (см. рисунок ниже) следует, что минимальной потребностью для проживания популяции эпишуры в 1 кубическом метре воды является потребление в этом объеме хотя бы 1 мг. кислорода в сутки, тогда как в среднем потребляется 100 мг. (максимум 1000 мг).   С учетом объема 250 мл. (для очищаемого одним рачком стакана воды), выясним, что очисткой 1 кубического метра воды занимается примерно 4 тысячи рачков. Если мы разделим общую потребность в кислороде в размере 1 мг на 4000 особей, то получим, что наличия кислорода  0,025 мг О2 / м³ в сутки достаточно для поддержания активной работы популяции, тогда как при 0,00025 мг О2 / м³ *сут.  жизнедеятельность популяции находится на пределе.
Теперь обратимся к деятельности человека, измеряемой показателями «отъема» кислорода у озера. По опыту съема счетчиков в собственной квартире известно, что норматив потребления воды на человека завышен раза в три, поэтому реальный сток Улан-Уде, при оценочной численности 450 тыс. человек, сегодня можно оценить величиной 80 тыс. м³ /сутки. При значении БХП 13 мг О2/л  этот сток обеспечит «отъём» у озера количества кислорода, которое находим как произведение этих цифр – стока и реального значения БПХ. Для этого запишем БПХ  в граммах на метр кубический,  т.е. 13 гр/ м³ *80 тыс. м³ /сутки = 1040 000 грамм О2 . Процесс поглощения кислорода конечно идет неравномерно, экспоненциально затухая по времени, поэтому в первый же день расходуется до 50% от полного количества кислорода, съедаемого за 20 дней. Таким образом, примерно около полутонны тонны кислорода недосчитывается Байкал в сутки даже при нашей скромной оценке сброса загрязняющих веществ.
А теперь, внимание, главный вопрос — много это или мало?
Подсчитаем, для чего 0,5 тонны кислорода в сутки переведем в миллиграммы -  это будет 0,5*109 мг/сут. О2 . Если разделим это значение на среднюю потребность рачков в кислороде для нормальной биопродукции  – 0,025 мг О2 / м³ *сут. то получим, что рачки лишаются суточной продукции в объеме, равном 0,02*1012 м³ , т.е. неочищенными в эти сутки остаются не много не мало 20 кубокилометров воды! А за год – останется неочищенным объем, равный 7,3 тысячи кубокилометрам. Поскольку известно, что общая емкость Байкала – 26,3 тыс. к м³ , то окажется, что порядка трети всего объема лишается очищающей защиты рачков на целый год. Однако на самом деле – учитывая, что глубина расселения активной популяции рачка порядка 250 м., то при средней глубине Байкала 750 м., эти 7,3 тыс. к м³ и составят фактически весь ареал продуктивной деятельности эпишуры. Таким образом, извлечение полутонны кислорода в сутки создает проблему недоочистки практически всей Байкальской воды, за которую сегодня отвечает именно эпишура.
Допустим, что в условиях накопления загрязнения эпишура возьмется за дело «закатав рукава» и достигнет своей максимальной продуктивности — в 1000 мг в сутки. Потребление кислорода соответственно возрастет, поэтому нехватке полутонны будет отвечать уже не 20, а «всего» 2 кубокилометра воды в сутки, что за год составит 730 к м³ . Эта величина в 10 раз больше готового сбора реки, на очистку которого собственно и ориентировался рачок в течении миллионов лет.  Получается, что стоки большого города, поддерживая в течении года величину БПК на уровне 13 уже сегодня «выписывают» эпишуре непосильный объем работ, намного превосходящий «плановый». И то, что рачок до сих пор как-то справляется (правда все хуже), а к тому же местами вымирает – видимо в местах локального лишения кислорода,  отнюдь не заслуга человека.
Поэтому предельные нормы по БПК и ХПК надо принимать как руководство к действию и искать, как привести их в норму. И при этом медлить нельзя. Даже весьма оптимистическая оценка сброса Улан-Уде приводит к весьма печальному выводу – загрязнение озера будет нарастать. Могут возразить про доочитку донными губками – но если рачки не сделают свою работу, то весь водоем, все озеро окажется под угрозой, ведь в условиях нарастающей эвтрофикации, печально известный по Листвянке персонаж – водоросль спирогира, отлично «справиться» с захватом как поверхностных так и донных «плацдармов» — она уже показала свою «работоспособность» даже при низких температурах.  Вывод неутешителен.
ТЕХНОЛОГИИ
Сделанные выводы возвращают нас к разговору о выборе технологий.  То, насколько встревожены положением дел управленцы Бурятии сегодня, может характеризоваться упоминаниями о необходимости дистилляционной установки для очистки стоков, так как даже вроде бы японские установки обратного осмоса «не вытягивают» нужного уровня очистки.  Надо сказать, слушая рассуждения об этом, слушатели действительно тревожатся – поскольку в  качестве главного «силового аппарата» такого дистиллятора предполагается атомная станция. Вот только еще атомной напасти Байкалу и не хватает!
При этом создается ощущение, что все эти разговоры и строчки таблиц, где собраны разнообразные примеси, заслоняют главную проблему. Как показывают наши рассчеты, проблему сегодня надо формулировать именно как нехватку кислорода в результате активности биологических (фекальных) стоков и химических (моющих) загрязнителей, а также непосредственной возможности эвтрофикации водоема и его зарастания водорослями. Так за шумом петиций и ударов в барабаны нацпроекта легко не услышать оглушительной тишины мертвых пляжей – они уже пришли в окрестности Листвянки и сейчас актуален только один вопрос – кто следующий на очереди? И очень может статься, что сначала Бурятия, а далее и весь Байкал в целом, падет жертвой неумения (или нежелания) отделить важные факторы выживания экосистемы от препирательств по поводу Приказа № 63 и отдельных пунктов перечня загрязнений. Но все это, по видимому, служит лишь шумовой завесой главного вопроса – что делать с показателями фактически сложившейся на сегодня кислородной недостаточности озера – высокими значениями БПК и ХПК.
Приняв этот вопрос за главный,  легко  будет опровергнуть излюбленный тезис, постоянно возобновляемый в байкальских дебатах по очистным сооружениям — про невозможность и недостижимость уровней нормативных показателей. Для этого надо только уточнить, что речь должна идти в первую очередь о жизненно важных показателях  БПК и ХПК.  И тогда тезис о невозможности падает, как карточный домик! Ниже приведены показатели Москвы – уж на что огромный мегаполис, а очистку до нужных значений по БПК считает вполне возможным проводить – и проводит!

Из постановки главного вопроса, вытекают и ответы, которые надо искать в первую очередь. А именно – как не допускать высоких концентраций органики, ведущих к высоким значениям БПК, а также – что делать со стиральным порошком, а в общем – с ХПК.
Здесь в план мероприятий, которые до сих пор даже не рассматриваются,  надо внести вопрос о внесении недостающего кислорода – в непосредственной близости от тех мест, где происходит сброс стоков. Путей для решения этой задачи существует достаточно, главное – поставить ее как номер 1 на повестку дня. Насыщение воды кислородом автоматически нормализует показатели и вопрос будет решен.
При борьбе с цветением рек стараются усилить конвективное перемешивание, для чего проводят чистку русла реки – это приводит к ускорению протока и промешивания придонных (где накапливается минерализация) и поверхностных вод, что позволяет фактически обеспечить разбавление и обеспечивает преодоление эвтрофикации.  Основной здесь служит расчёт на конвективное промешивание. Это срабатывает при определенной скорости потока – которая в реке зависит от значения числа Ричардсона. Если число Ричардсона много меньше единицы, то сила Архимеда для нагретой солнцем воды на поверхности не играет существенной роли для течения. Если оно больше единицы, то сила плавучести доминирует (в том смысле, что конвекция не может эффективно перемешать расслоившуюся по плотности среду и возникают условия для цветения. Однако для того, чтобы приложить эти общие соображения к Бакалу потребуется моделирование движения вод.
Но этого можно избежать, если применить искусственное перемешивание – например путем барботирования воздуха  - примерно также,-ка это делается в аквариуме с рыбками. Только размер барботажа должен отвечать величине сброса – чтобы уменьшить его критичность по отношению к кислороду. Логично в этом случае, выбирая технологию самой очистки, которая все же предполагается перед стоком, тоже озаботиться методами использования кислородно-озонной очистки.  Во всяком случае думаю, что вопрос создания озона путем УФ облучения воды может быть не самым лучшим методом, когда речь идет о кислородном голодании водоема и возможно нужно добавить методы простого, аквариумного барботажа кислорода прямо в водоеме. Ничего недостижимого в этом нет – надо лишь грамотно спроектировать систему, чтобы снять эффект кислородного голодания.
ГЛАВНОЕ — НЕ МЕШАТЬ ЭПИШУРЕ!
Сегодня хорошо известно И никто с этим не спорит, что на 90% очитку озера проводит без всякой помпы и приказов рачок эпишура, размер которого около 1 мм.  Поэтому нужны хорошие данные о том, чем можно эпишуе помочь, какой микроэлемент нельзя убирать из состава стоков.
Ведь если идея дистиллятора воды перейдет из категории «экзотики» в область серьезного рассмотрения, то надо вспомнить, что есть опыты, где дистиллированная вода наносила большой вред рачкам-дафниям.  Что касается дистиллятора, то хотелось бы напомнить два решения, которые более естественны для Байкала, чем атомный кипятильник. Во-первых  – если нужен кипятильник, то для этого есть замечательные солнечные концентраторы, которые сегодня можно приобрести значительно дешевле, чем АЭС. А во-вторых  — кипятильник не нужен, а для дистилляции можно применить его антипод – холодильник, который прекрасно справляется с задачей. На наш взгляд технология «текучего льда» гораздо органичнее вписалась бы в экоситему Байкала, чем другие подходы к «снаряду».
В целом же нужно поставить задачу и детально проанализировать проблему именно с точки зрения того, как помочь эпишуре в его ежедневном подвиге по очистке Байкала, а не считать людей, работающих по приказам МПР,  единственным фактором, способным что-то в этом мире очищать. Фактически нас надо считать главным и единственным серьезным загрязнителем в этом мире…
Ecolife
 
Участники пресс-конфернеции 5 апреля в ТАСС: глава Республики Бурятия Алексей Цыденов, директор Байкальского института природопользования СО РАН Ендон Гармаев, заместитель председателя комитета по природным ресурсам, собственности и земельным отношениям Госдумы Николай Будуев,  главный инженер Управления канализации АО «Мосводоканал» Сергей Стрельцов Мосводоканала Сергей Стрельцов.
*БПК является одним из важнейших критериев уровня загрязнения водоёма органическими веществами, он определяет количество легкоокисляющихся органических загрязняющих веществ в воде. Для так называемых «используемых в рыбохозяйственных целях» водоемов, т.е. в местах, где водится живая рыба и для того, чтобы она не погибла, БПКполн не должно превышать 3 мг О2/л. Предельно допустимые значения поглощения кислорода за 5 и за 20 дней, т.е. показатели БПК5 и БПК20 для тех же водоемов равны 2 мг/л и 4 мг/л. Важность этого показателя трудно преувеличить – его превышение прямо ведет к замору рыбы. Вернуться к чтению
**В озере Байкал обитают 6 видов каланид, относящихся к 5 родам и 2 семействам. Один вид – эпишура (Epischura baicalensis) – эндемик озера, доминирует в водной толще (пелагиали), составляя до 80–90% общей биомассы зоопланктона. Каланиды  (Calanoida) - подотряд планктонных беспозвоночных животных отряда веслоногих рачков. Размеры от 0,5 до 14 мм.  Дыхание осуществляется всей поверхностью тела.
Справка: Для водохранилищ устойчивое плотностное расслоение – характерная ситуация, которая является важнейшим фактором, приводящим к цветению вод в летние теплые месяцы. Суть дела в том, что слои пресной воды на поверхности и более плотной (солено-минерализованной) придонной не смешиваются, пока не возникнет конвекция, для чего нужно определенное соотношение потенциальной и кинетической энергии воды.  В широкой части водохранилищ, где скорость воды (и ее кинетическая энергия) слишком малы, конвекция «не заводится», поэтому слои воды не перемешиваются и цветение в летние месяцы становится практически неизбежным. Эти явление и расчеты конвекции подробно описаны в статье  «Стратификация как фактор влияния на качество вод равнинного водохранилища, авторы Иванов А.В и др., опубликованной в издании „Приволжский научный журнал“, 2015, №  2  (34). С. 149-156, а также послужило основой идеи применения нового типа гидроаккумуляторов, развивающих конвекцию (Digest Ecolife № 9-10,2016).