Аерація води: світова практика та досвід Укргідроенерго

Що таке аерація?

Аерація – це процес насичення води киснем, що відбувається шляхом пропускання повітря через водне середовище. Яскравий та зрозумілий приклад «домашньої» аерації – це акваріум з рибками, життя яких підтримується за рахунок бульбашок повітря, що цілеспрямовано пропускаються через воду. Також аерація є основою процесу очищення стічних вод у біологічних очисних спорудах.

В природних умовах кисень надходить з атмосфери тільки у верхні шари води. На трохи більшу глибину йому допомагає потрапляти процес фотосинтезу: коли рослини виробляють його, поглинаючи вуглекислий газ. Ще глибше відбуваються лише витрати кисню і тому там спостерігаються його найнижчі концентрації.

При цьому, за останні десятки років кількість скидів бруду в річки досягла катастрофічної межі. Водна екосистема все більше втрачає стійкість і здатність до самоочищення: вона просто не в змозі переробити такі обсяги забруднень. До того ж, сьогодні у воду скидаються речовини, які в природі раніше не зустрічалися: від антибіотиків до мікропластика.

За даними наукових досліджень, практично всі малі і великі річки планети в результаті людської діяльності зазнають негативного впливу, що призводить до погіршення якості води, підвищення токсичності водного середовища та заморних проявів. Підвищені концентрації кисню сприяють самоочищенню водного середовища і, відповідно, посиленню стійкості до забруднення. Для переважної більшості водних мешканців кисень є найважливішим з розчинених у воді газів. Зниження його вмісту нижче критичних значень призводить до їх загибелі.

Навіщо проводити аерацію?

В аеробних (за участі кисню) умовах переважає окислення речовин, що сприяє самоочищенню водного середовища і посиленню стійкості до забруднення. При цьому важкі метали, органічні забруднюючі сполуки переходять в донні відкладення.

В анаеробних (при дефіциті кисню) умовах у водоймах виникають заморні явища, окислювальні процеси сповільнюються, обумовлюючи погіршення якості та підвищення токсичності води. Дефіцит кисню також призводить до зменшення чисельності та різноманітності донних безхребетних (молюски, ракоподібні, личинки бабок та ін.), які є кормовою базою риб, а також беруть участь у переробленні органічних речовин і впливають на біохімічний кругообіг багатьох елементів та важких металів.

Згідно спостережень, на дніпровських водосховищах регулярно виникає дефіцит кисню (концентрації падають нижче 2, а іноді і 1 мг/дм3). В маловодні періоди явище стає критичним, а наслідки мають сильний негативний вплив на екосистему водойм.

В умовах кліматичних змін, коли влітку одночасно зменшується кількість опадів і збільшується кількість днів з температурою вище 30 °С, для нормального існування водних екосистем вкрай необхідним є додаткове надходження кисню.

Досвід аерації Укргідроенерго на Каховській ГЕС

Турбіни ГЕС – єдина можливість збагатити киснем придонні перетини річкового русла, адже вони встановлені на глибинах від 14 до 35 метрів (це стосується ГЕС Дніпровського каскаду). Жоден інший водокористувач, окрім Укргідроенерго, не має обладнання та гідротехнічниїх споруд, що дозволяють робити аерацію води на глибинах більше 6-7 метрів – саме там, де проходить основний потік річкової води з найнижчим вмістом кисню.

Метою випробування було на прикладі Каховської ГЕС вивчити технічну можливість аерації та попередньо оцінити її ефективність. Укргідроенерго в серпні 2019 року на гідроагрегаті №6 експериментально провело аерацію, шляхом подачі стисненого повітря перед турбіною.Укргідроенерго впроваджує аерацію для покращення умов життєдіяльності рослин і тварин у водосховищах, а також для зменшення задух та збільшення самовідновлювальної спроможності річки Дніпро, особливо в місцях впливу мегаполісів та на природоохоронних територіях.

Аналіз води проводився Херсонською лабораторією моніторингу вод та ґрунтів Держводагентства до початку випробувань, під час та після. Дослід показав, що навіть у складних умовах обмежень встановленого обладнання, хімічного стану дніпровської води та погодних умов, аерація технічно можлива і вона дає позитивний результат: збільшення концентрації розчиненого кисню та зміну інтегрального показника – біохімічного споживання кисню.

З урахуванням того, що через гідроагрегати ГЕС проходить близько 95% річкового стоку, навіть відносно невелике збільшення концентрації кисню на 1 мг/літр в умовах критично низької його концентрації призводить до значних результатів. Аерована вода транзитного стоку (тобто та вода, що протікає по фарватеру), активізує діяльність аеробних бактерій і покращує умови гідроекосистеми та самоочищувальні властивості Дніпра. І таким чином буде сприяти поверненню біологічних видів, які гинуть у бідній на кисень воді (раки, судак тощо).

Світова практика аерації

Аерація води вже майже півстоліття є загальновизнаним підходом до покращення стану річок у світі. За ці роки напрацьовано багатий технічний та екологічний досвід в цьому питанні. В залежності від конкретних місцевих умов та потреб застосовують або відокремлені аератори, які встановлюються за греблею ГЕС, або здійснюють аерацію води безпосередньо на вході в гідроагрегат. Більш того, в США на рівні законодавства штатів встановлено вимоги щодо мінімального рівня кисню у воді за греблею, і ГЕС повинні його підтримувати у разі зниження.

Аерація в гідротурбінах застосовується там, де мають місце великі глибини і стабільний графік роботи гідроагрегатів, наприклад, ГЕС Belesar Peares II (Іспанія), John H.Kerr (США), Canyon Ferry (США), Conowingo (США). Загальна кількість гідроагрегатів, обладнаних аераторами, лише в США в 2015 році становила 178 на 58 ГЕС.

Аерація окремим аератором за греблею, впроваджується там, де часто не співпадають графіки роботи гідроагрегатів з потребою в збільшенні розчиненого у воді кисню. Прикладом може бути ГЕС Lloyd Shoals встановленю потужністю 18 МВт у штаті Джорджія в США.

Інше технічне рішення прийнято в Англії, де пішли шляхом збагачення річкової води очищеним киснем із балонних установок. Стаціонарні системи будувалися на річках Тайн, Тис, Мідуей, Тауі починаючи з 1972 року. Для покращення стану річки Темза у країні спроектовано та спущено на воду спеціальні кораблі-аератори Thames Bubbler у 1988 р. та Thames Vitality у 1997 р.

Вивчивши позитивні результати британської аерації, в Китаї у 2001 році для покращення стану річки Suzhou, що проходить крізь мегаполіс Шанхай, було збудовано корабель-аератор Suzhou Creek Bubbler.

Майбутнє аерації в Україні

Позитивний досвід аерації буде розповсюджено на всі ГЕС Дніпровського каскаду. Реконструкція обладнання, яка проводитиметься на підставі отриманих експериментальних даних, в подальшому дозволить здійснювати безперервну аерацію на всіх гідротурбінах.

Також результати вже проведених випробувань будуть враховані в режимах роботи Каховської ГЕС та в проєктній документації на будівництво Каховської ГЕС-2 для території нижче греблі. Саме там спостерігатиметься суттєвий дефіцит кисню у придонних шарах руслової частини.

Поетапне промислове впровадження аерації води дозволить зробити суттєвий крок для вирішення наступних проблем:

• покращення якості води у річці Дніпро
• адаптація системи моніторингу стану водних екосистем до європейських норм
• корегування режиму роботи ГЕС після очікуваного впровадження в Україні більш жорстких норм щодо стану води та режимів водокористування.

Широке впровадження проєкту аерації сприятиме покращенню екологічного стану Дніпра, і паралельно, завдяки значній площі акваторій, які будуть охоплені проєктом, аерація сприятиме значному підвищенню біологічної продуктивності водних об’єктів та збільшенню промислової рибопродуктивності. Це принесе суттєвий економічний ефект і безпосередньо сприятиме вирішенню соціальних проблем.

Пресслужба Укргідроенерго