Техническая гидробиология: проблемы и решения

К 90-летию Днепропетровского  национального университета

Вода, являясь средой зарождения жизни, плотно заселена живыми организмами, воздействующими на все погруженные в водную среду объекты человеческой деятельности. На 1 м2 днища плавучего маяка обитает от 40 до 80 кг мидий, устриц, морских желудей и других организмов-обрастателей; на 1 м2 подводной части корабля вес обрастания может составлять от сотен граммов до десятков килограммов, достигая в целом для большого корабля нескольких десятков тонн.

Все это приводит к снижению скорости корабля, повышению расхода горюче-смазочных материалов, ускорению износа машин и оборачивается громадным ущербом. Мировая военно-морская литература изобилует примерами негативного влияния обрастания кораблей на действия флотов. Например, американские военные аналитики высказывают обоснованное мнение, что победе над Японией в ходе II мировой войны США во многом обязаны применению более качественных средств борьбы с обрастаниями кораблей.

В Украине проблема биообрастания гидросооружений остро встала в 30-е годы XX ст., после создания водоема нового типа —Днепровского водохранилища и коренного изменения природного хода биологических процессов в нем (вместо проточного гидрологического режима реки сформировался застойный режим водохранилища), создавшего в водохранилище оптимальные условия для массового размножения организмов-обрастателей, которые стали серьезной помехой при эксплуатации гидротехнических сооружений. С 1934 года НИИ гидробиологии Днепропетровского университета становится одним из центров становления и развития в Украине пресноводной технической гидробиологии.

Исследования фауны биообрастаний стали теоретической основой для разработки методов защиты гидросооружений. Эта работа направлена, в соответствии с принципами «предохранения сооружений от обрастания», а «не борьбы с моллюском» (Жадин, 1946), на «отпугивание», поражение или уничтожение организмов-обрастателей непосредственно на гидросооружениях, а не на всей акватории водоема. Разработки гидробиологов внедрялись в практику совместно с производственниками Днепроэнерго, Приднепровской ГРЭС, Днепровской ГЭС, Днепропетровского металлургического завода имени Петровского, Научно-исследовательского и опытно-конструкторского института автоматизации черной металлургии (НИИАчермет).

Практические работы по защите гидросооружений от биообрастания начались с разработки в 1958—1961 гг. защитного электрофильтра, использующего электрический переменный ток промышленной частоты.

Использование катодной защиты в борьбе с зоокомпонентами биообрастаний началось с лабораторных опытов в 1962 г. При осмотре трубопроводов установили, что в зоне катодной защиты на каждом из трех участков площадью по 1 м2 находилось незначительное количество дрейссены: от 2 до 34 экземпляров; на участках, находящихся вне зоны катодной защиты — 200—400.

Катодная защита гидросооружений и систем технического водоснабжения от фауны биоценозов обрастания и коррозии показала высокую экономическую эффективность для систем водоснабжения с расходом воды в 160—200 тыс. м3/час и получила широкое признание у практиков.

Исследования с целью разработки методов борьбы с личинками дрейссены с помощью электрогидравлического эффекта (ЭГЭ) — мощного (10—20 кВ) электрического разряда в воде — проводились на специально сконструированной установке. Явление кавитации жидкости, происходящее во время электрического разряда, вызывало разрыв личинок и их гибель. В дальнейшем, расширив эти исследования, гидробиологи изучали воздействие ЭГЭ не только на зоокомпоненты обрастания, но и на микробиологические процессы и химизм днепровской воды.

С 1967 года начали исследовать влияние бактериофлоры на разрушение стали разных марок (на водозаборе металлургического завода им. Г.И. Петровского и Приднепровской ГРЭС).

Экспериментально доказано, что с возрастанием общей численности микроорганизмов в среде и соответственно на поверхности стали увеличивается потеря массы металла. Наиболее интенсивна биокоррозия стали в летний период (0,23—0,28 г/м2.ч), минимальные величины ее разрушения зимой (0,04—0,09 г/м2.ч). Установили также, что в естественных и искусственных пресноводных экосистемах в коррозионных процессах превалирующими формами микроорганизмов являются кокки.

Глубины повреждения распределены по нормальному закону, что позволило прогнозировать эти показатели рационально решать технические проблемы при строительстве и эксплуатации гидросооружений.

Результаты исследований днепропетровской гидробиологической школы в сфере защиты гидросооружений от биообрастания и биокоррозии получили широкое признание у практиков. Действие метода катодной защиты гидросооружений демонстрировалось на протяжении 1966—1970 гг.  на Украинской республиканской выставке передового опыта и достижений народного хозяйства в павильоне «Энергетика», на международной выставке в Лейпциге, в 1971-м — на ВДНХ СССР.

В настоящее время эти исследования плодотворно развиваются в лаборатории технической гидробиологии Института гидробиологии НАНУ. Заведующий лабораторией доктор биологических наук, профессор Александр Протасов более 30 лет активно исследует экосистемы водных объектов, испытывающих техногенное воздействие, в частности воздействие энергетических станций (ТЭС, АЭС). В течение 10 лет он принимал активное участие в международных исследованиях системы Конинских озер (Польша), являющихся охладителями двух тепловых электростанций. Под руководством и при непосредственном участии профессора Протасова проведены исследования водоемов-охладителей атомных станций Украины.

В мировой практике при защите гидросооружений используют физические, химические и биологические методы. Механическая очистка как один из физических методов даже в США до сих пор проводится вручную или с помощью несложных приспособлений. Это простой, но трудоемкий и малоэффективный метод. В использовании электротока (катодная защита; электрогидравлический эффект и т.д.) и ультразвука и на сегодняшний день приоритет сохраняется за работами днепропетровских гидробиологов. К физическим методам защиты также относится часто применяемый на тепловых и атомных станциях термический метод, то есть использование подогретой до 55єС воды с последующей промывкой системы обратным ходом воды. Этот метод достаточно эффективно уничтожает обрастание в системе.

При химических методах защиты используются токсические для дрейссены вещества: хлор, соли металлов (в первую очередь медный купорос) и т.д. Например, на Волжской ГЭС изучали влияние на дрейссену ионов различных металлов. Наиболее токсичное действие оказывают ионы меди. При концентрации в 4 мг/литр отмечалась гибель всех особей дрейссены за первые сутки. Токсичным действием обладают также ионы серебра, ртути, цинка. Интересными являются данные профессора Протасова по изучению заселения дрейссеной субстратов из различных материалов (меди, латуни, стали СТ-3, нержавеющей стали, алюминия и винипласта). Наименее заселенными оказались образцы из меди и латуни, что, скорее всего, объясняется высокой токсичностью меди. Проведены также работы по повышению устойчивости гидросооружений к обрастанию путем введения в состав строительных материалов веществ с биоцидными свойствами. По данным С.А. Афанасьева (1986 г.), при добавлении в состав бетона биоцидных веществ катапинбактерицида и препарата 2 КФ (полидим), биомасса обрастания дрейссеной на экспериментальных образцах составляла 80 мг/образец; в то время как на образцах без биоцидных добавок биомасса обрастания составила 600 мг/образец.

В настоящее время всерьез говорить о биологических методах защиты гидросооружений от обрастания еще рано. Моделью биологических методов защиты может служить использование рыб, поедающих моллюсков (рыбы-малакофаги — плотва, черный амур и др.). Эти виды рыб способны поедать большое количество дрейссены, однако для защиты гидросооружений этот способ пока что неэффективен.

Различные предприятия для защиты своих гидросооружений применяют наиболее подходящие в каждом конкретном случае средства защиты. На водоводах питьевого назначения чаще всего используют хлорирование; на тепловых и атомных электростанциях — термический способ; в оросительных каналах — минеральные удобрения и т.д. Однако всегда следует учитывать возможные экологические последствия применения различных средств защиты.