Про зимние заморы мы все хорошо знаем: когда из-за затянувшегося ледостава в водоеме заканчивается кислород и вся рыба там погибает. При этом даже в масштабе малых прудов решить такую проблему непросто: сделать пару прорубей и бросить шланг от воздушного насоса ситуации не сильно поможет. На этот счет существуют промышленные решения, но они дорогие и энергозатратные.

Есть и другая проблема — «цветение», зарастание и заболачивание водоемов, которые вполне себе могли быть красивыми и чистыми прудами. Это связано с кислородными режимами и активностью биоценоза. Как все устроено — попробуем рассказать в этой статье. Также поговорим про любопытное отечественное решение, которое разработала команда «Биопринтех»: оно втрое эффективнее и дешевле аналогов. Краткий взгляд на принцип его работы подаст идеи тем, кто озабочен проблемой очистки своих водоемов или разведения рыбы.

Поскольку тема биоценоза водоемов непростая, разобраться в ней помогли Валерий Бахарев, научный руководитель «Биопринтеха», и Анжела Бахарева, директор проекта. Они используют научный подход к проблеме, которой занимаются не первый десяток лет.

Сама «Биопринтех» — участник Архипелагов 2024 и 2025, выпускник акселератора Платформы НТИ, участник сообщества технологических предпринимателей ТехноПорт. А еще призер почти трех десятков различных тематических конкурсов и мероприятий, включая международный климатический конкурс «Зеленая Евразия».

Биоценоз водоема

Водоем — это сложная экосистема, баланс в которой формируют минеральные и органические вещества, газы, энергия солнца и, конечно же, все существа — от бактерий до рыбы. Если баланс нарушается, водоем начинает меняться. Например, может начать зарастать, со временем превращаясь в верховое болото и далее в торфяник.

Так, для примера, в одном только Ханты-Мансийском автономном округе порядка 50–70% озер заболочены, и это результат естественных процессов.

Кратко о балансе

Фактически жизнь в водоеме определяется процессом фотосинтеза. Он формирует сахара, которые в дальнейшем окисляются с выделением энергии и дают возможность развиваться водной фауне. 

Большое количество солнечного света (через фотосинтез) дает высокое насыщение кислородом. Его концентрация также зависит от температуры воды и содержания минералов. В летнее время, когда водоем прогрет до 20–24 градусов, это 7–12 мг/л, в ледяной воде концентрация может достигать предельных 14,6 мг/л.

Солнечные лучи проникают вглубь водоема не так глубоко — в мутной воде до полутора метров. Таким образом, кислород выделяется только в верхнем слое. А придонные слои кислородом обеднены. Туда он поступает, только если есть активное перемешивание воды. Важно, что кислород в придонной зоне расходуется не только рыбой, но и разложением осаждающейся органики. Поэтому в среднем его концентрация у дна составляет лишь 2–5 мг/л.

Когда солнечного света становится меньше, процесс фотосинтеза идет менее эффективно. В ночное время, а также после того как водоем покрывается на зиму льдом, поступление кислорода и вовсе останавливается — тогда живые организмы потребляют запасы, растворенные в воде. 

Умеренный разброс концентраций кислорода для биоценоза обычно не критичен: популяции рыб и прочих обитателей водоемов в своей климатической зоне успели к нему адаптироваться. Например, рыба подо льдом уходит к январю-февралю на дно и находится там в полуанабиозном состоянии, потребляя меньше кислорода, пока процесс фотосинтеза в водоеме не возобновится после таяния льда.

Однако при определенном стечении обстоятельств сезонные колебания могут иметь негативные последствия. 

Если концентрация кислорода опускается ниже 1 мг/л, начинаются заморные явления — рыба погибает. 

Происходить это может из-за смещения экологического баланса в озере и в целом более низкого содержания кислорода в результате влияния человека или из-за длительной зимы, когда запасы кислорода попросту заканчиваются. 

Подобные колебания особенно критичны для небольших водоемов, поскольку в крупных озерах с огромными запасами воды есть так называемая буферность: чем больше кислорода в воде в абсолютных величинах, тем дольше он будет расходоваться. 

Влияние человека и типичный дисбаланс

Очевидно, что концентрация кислорода в воде определяется не только количеством солнечного света, но и объемом водорослей, которые обеспечивают его выработку в данном конкретном водоеме. 

В целом биосинтез дает примерно 80% кислорода. Кроме водорослей кислород поступает и с поверхности воды, — это около 10% от общего объема, в основном за счет прибоя на береговой линии. И еще 10% поступают из притоков и осадков.

Если водорослей становится меньше, то генерация кислорода падает. Причем на этот фактор сильно влияет деятельность человека.

Недостаток фосфатных соединений в водоемах миллионы лет ограничивает разрастание водорослей. Однако развивая химическую промышленность, мы изобрели удобрения и моющие средства на основе фосфатов. Несмотря на строительство очистных сооружений, большое их количество попадает в водоемы — на сегодняшний день стоки не очищаются от фосфатов на 100%.

Как только в водоеме повышается концентрация фосфатных соединений, там немедленно разрастаются сине-зеленые водоросли (цианобактерии). При благоприятных условиях — теплой погоде и отсутствии течения — их концентрация может увеличиваться в тысячи раз. Это то самое «цветение» водоемов — неприятный запах и невозможность купаться.

И тут возникает второй фактор: не все водоросли одинаково полезны. Некоторые даже вредны.

Сине-зеленые водоросли закрывают поверхность для солнечных лучей и блокируют возможность «конкурентам» (другим водорослям, в том числе диатомовым, которые активнее фотосинтезируют) генерировать кислород в толще воды.

Важно, что в рамках своего жизненного цикла водоросли не только генерируют, но и потребляют кислород. И это потребление не прекращается, когда они погибают, — мертвые клетки опускаются на дно, и бактерии их разлагают с поглощением кислорода. Это еще больше снижает концентрацию кислорода в нижних слоях — так запускается процесс заболачивания и зарастания озера иловыми отложениями. Скорость заболачивания зависит от внешних условий, но в среднем составляет порядка одного сантиметра в год.

Деятельность цианобактерий негативно сказывается на обитателях водоемов не только за счет недостатка кислорода, но и из-за токсинов, которые сине-зеленые водоросли выделяют в процессе жизнедеятельности. Известны случаи отравления этими токсинами людей, которые использовали в пищу рыбу из цветущего водоема.

Рыбное хозяйство

Для разведения рыбы сначала подбирают вид, адаптированный к данной природной зоне. При большом перепаде температур летом и зимой, характерном для средней полосы России, рыба должна хорошо себя чувствовать при разной концентрации кислорода в воде. Ведь его содержание может падать не только зимой, но и летом, когда долго стоит жаркая погода и вода хорошо прогревается (выше говорили о сине-зеленых водорослях, да и в принципе предельная концентрация кислорода в теплой воде ниже, чем в холодной).

Цикл работы фермы начинается весной, когда в озеро высаживают приобретенных мальков. За первое лето рыба вырастает несильно. Чаще всего ее оставляют в водоеме на несколько сезонов. В следующем году особи станут крупнее — с точки зрения продажи они будут относиться уже к другой товарной категории, более дорогой. А через несколько лет достигнут половой зрелости и смогут воспроизводить популяцию. 

Если оставлять в пруду маточное поголовье, ежегодная покупка малька будет не нужна, — в теории это делает процесс рентабельнее.

Однако эти оптимистичные планы часто ломает зимний замор, который за одну зиму может принести среднему фермеру убытков на 5–7 млн рублей. Подобные риски страхуются, но существенно влияют на доходы и на процесс рыбоводства в целом.

Влияние кислорода

Добавление кислорода в воду позволяет сдвинуть равновесие в экосистеме водоема в выгодную человеку сторону.

Во-первых, так можно изменить набор бактерий и водорослей, обитающих в водоеме. В частности, при повышении уровня кислорода вместо сине-зеленых водорослей начнут активно развиваться другие, не блокирующие фотосинтез.

Например:

• Хламидомонада. Клетки имеют шаровидную или эллипсоидную форму и покрыты оболочкой из гемицеллюлозы и пектиновых веществ. На переднем конце клетки располагаются два жгутика, у основания которых имеются две пульсирующие вакуоли.

• Хлорелла. Имеет сферическую форму, от 2 до 10 мкм в диаметре, не имеет жгутиков. Хлоропласты хлореллы содержат хлорофилл a и хлорофилл b.

• Диатомовые водоросли — один из важнейших компонентов фитопланктона стоячих водоемов. Это особая группа одноклеточных организмов, клетки которых снаружи окружены твердой кремнеземной оболочкой — панцирем.

При разрастании этих водорослей неприятных запахов и токсинов также будет меньше.

Во-вторых, можно повысить концентрацию кислорода в придонных слоях и зимовальных ямах (специально обустроенных в неглубоком водоеме местах, куда рыба может уйти на зиму), чтобы больше особей выживало. Так вполне можно добиться самовоспроизводства поголовья рыбы на фермах.

Как решают проблему с кислородом

Идея аэрации для смещения экологического баланса водоема не нова. Принципиально существует два способа повысить растворение кислорода в воде:

— поднять парциальное давление; 

— увеличить площадь контакта воды с пузырьками газа, то есть измельчить их до размеров 0,2–2 мм (чаще 0,8–1,5 мм). 

Первый путь довольно энергоемкий. Тем не менее в мире существуют технологические решения из обоих направлений, и разные типы устройств используют в том числе и в рыбных хозяйствах.

Например, целая группа компаний, в том числе SolarBee (Африка), Wenling Sunshine Machinery Co Ltd и Origin Environmental Equipments Ltd (Китай), используют старый, добрый механический принцип аэрации, который дает эффективность растворения 10–20%.

Компания Molear из США предлагает дробить пузырьки воздуха ультразвуком — по их словам, таким способом они добиваются растворения более 80% кислорода.

Команда «Биопринтех», о которой мы упомянули в самом начале, пошла по пути измельчения пузырьков воздуха для насыщения воды кислородом, позаботившись о двух ключевых факторах: росте скорости растворения и увеличении времени контакта пузырька воздуха с водой за счет более длинной траектории всплытия.

Первый прототип представлял собой конструкцию 2×2,5 м весом около 250 кг. Позже сделали более компактную версию размером 1×1,3 м и весом около 100 кг. Под водой устройство фиксируют на нужной глубине за счет якоря и поплавков.

Пузырьки формируются через диспергатор и посредством компрессора, воздуходувки или баллона сжатого воздуха подаются в воду под спиральную конструкцию из специального материала. 

При контакте с поверхностью этого материала пузырек электризуется, что делает его стенки тоньше, а процесс растворения активнее. В принципе это делает возможным растворение в воде любого газа.

Скорость всплытия пузырька вдоль этой конструкции зависит от типа поверхности, а также от угла наклона дисков. Все эти параметры были рассчитаны, а затем подкорректированы в лаборатории под конкретные размеры пузырька.

Как мы обсудили в начале статьи, концентрация кислорода в воде зависит от температуры и насытить воду выше предельно допустимой концентрации невозможно.

Но для некоторых применений может быть важна скорость, с которой компенсируется недостаточная концентрация. Например, когда случается замор. Установка «Биопринтеха» позволяет растворять кислород в воде в десятки раз быстрее, чем агрегаты конкурентов. В абсолютных цифрах это 21,6 м³/ч воздуха, 4,32м³/ч в пересчете на кислород, или 6,16 кг О₂ в час.

В качестве примера расчета можно привести небольшой пруд площадью 0,15 Га со средней глубиной 1,3 м и объемом 1950 м³. Для предотвращения замора надо растворить в воде 136,5 кг кислорода, на что потребуется ~22 часа. Если подавать чистый кислород, то время насыщения снижается до четырех часов.

Схожим по мощности обычным аэраторам на это потребуется пять суток. И рыба может не дождаться.

Чтобы было представление о финансовых затратах на аэрацию, нужно глянуть на энергопотребление. Компрессор «Биопринтеха» потребляет 1,5 кВт*ч. И если мы опять вернемся к способу аэрации с помощью обычных систем — компрессор плюс дисковый или трубчатый аэратор, эффективность которых ниже в 4–8 раз, то представить и сопоставить расходы не составит труда.

Летний сезон устройство уже проработало. Как раз на нем проверяли, достигаются ли расчетные характеристики, и смотрели, как ведет себя материал самой установки: насколько быстро корпус аэратора обрастания илом. Получили вполне допустимые результаты — не более одного миллиметра за летний сезон.

Пара необычных мест применения аэраторов

Насыщение воды кислородом актуально не только в сфере выращивания рыбы. Есть еще любопытные сферы использования.

Одна из них, по рассказам инженеров «Биопринтеха», это установка для очистки воды перенасыщенной марганцем и железом. При растворении в такой воде большого количества кислорода, соединение FeO₂ переходит в FeO₃ и выпадает нерастворимым осадком, который можно удалить механическими фильтрами. 

Партнер команды (проект S.M.Art Metals) с помощью установки выделяет этот FeO₃ из воды, получая порошок с диаметром частиц порядка 10 нм. Его используют для неразрушающего контроля внутренних повреждений в конструкциях при помощи магнитоскопии. Ближайшие аналоги порошков, производимые в мире, имеют размерность частиц порядка 50 нм.

Вторая сфера применения связана с флотацией. Если воду под давлением насытить газом, а потом уронить давление, во всем объеме сосуда начнут выделяться нанопузырьки. Обладая очень высокой активностью поверхности, нанопузырьки будут прикрепляться к частицам в воде. Этот эффект можно использовать для разделения смеси частиц на фракции — например, чтобы выделить из породы определенные металлы или алмазный порошок. Такой проект сейчас находится в проработке.

Немного выводов

Как итог, увеличение концентрации кислорода в водоемах способно вернуть их в сбалансированное состояние, когда они не зацветают, не мутнеют и не зарастают. Где полноценно развиваются все уровни биоценоза. С помощью аэрации можно преобразовать заболоченные «лужи» по соседству от вас и сделать их нормальными местами отдыха. 

Точный уровень кислорода и необходимая скорость его восполнения зависят от многих факторов и зачастую определяются экспериментальным путем. Для этого используют оксиметры или специальные химические тестеры.

Кроме аэрации понадобятся и другие действия, но аэрация — ключевой фактор. И она нужна водоему не только зимой для спасения рыбы, но и летом.