Наталия Щеголькова, Мария Козлова, Алексей Емельянов, Кирилл Шмонин
«Природа» №10, 2018

Немноговодные реки мегаполисов априори считаются загрязненными. Попробуем разобраться, оправдан ли подобный фатализм в отношении главного городского водного ресурса, и разумно ли считать подобное отношение нормой.

Города очищают воду: немного истории

Несоответствие масштабов Москва-реки и одноименного города, оказывающего на нее нагрузку, создавало проблемы уже с середины XIX в.: речная вода не годилась для питьевых целей, летом дурно пахла, и горожане, конечно же, принимали меры.

Все современные мегаполисы, и в их числе российская столица, прошли несколько стадий борьбы за чистоту своих водных артерий. Первоначально стоки просто разбавляли — пока их доля в составе речной воды (точнее, в ее расходе) была невелика. Но со временем не замечать их присутствие стало невозможно, особенно в межень, и в конце XIX в. были построены первые очистные сооружения. Тогда же появились соответствующие технологии, причем значительный вклад российских ученых в их разработку свидетельствует о том, что наша страна занимала одну из ведущих позиций в этой сфере. Речь идет о полях фильтрации и орошения. Специалисты взяли за основу процессы естественного самоочищения ландшафта во время продвижения воды через почвенно-грунтовый слой, локализовали их и сделали управляемыми. Бытовые стоки подвергались биохимическому окислению с трансформацией соединений азота. Исследованием этих процессов на первых полях фильтрации занимались известные биологи и почвоведы — В. Р. Вильямс, Я. Я. Никитинский, С. Н. Строганов [1–2] и др.

Именно со строительства первых очистных сооружений началось «инженерное» использование работы микроорганизмов в очистке окружающей среды. В Москве в 1899 г. начали действовать Люблинские поля фильтрации, а в 1914 г. — Люберецкие. Впоследствии эти и другие введенные в начале и середине XX в. очистные сооружения (Кожуховская станция аэрофильтрации, Филевская, Закрестовская, Щукинская, Кунцевская, Тушинская, Люблинская станции аэрации) позволили уменьшить неприятный запах воды за счет изменения кислородного режима реки. Технологическая задача на тот момент сводилась к частичному окислению органического вещества и удалению большей части взвешенных веществ. Однако поступление в реку биогенных элементов (азота и фосфора) продолжалось, а значит, нагрузка на речные экосистемы практически не снизилась.

Поля орошения и фильтрации занимали в городах слишком много места. Затраты, с этим связанные, в определенной мере окупались выращиванием овощных культур на отведенных для водоочистки землях, однако вскоре развитие промышленности, поставляющей токсичные стоки в общую систему канализации, заставило отказаться от ландшафтов с естественным дренажом. Специалисты сосредоточили процессы очистки воды в замкнутых реакторах, ограниченных бетонными стенами, и концентрация микроорганизмов в единице объема очистного сооружения возросла в сотни раз. Этот плавающий в аэротенках биоценоз назвали «активный ил». Первоначально такие сооружения, или «станции аэрации», очищали воду от тех же соединений, что и поля фильтрации (орошения), но более эффективно. В толщу воды с активным илом подавали воздух под давлением, ускоряя окисление органического вещества. Однако азот и фосфор по-прежнему целенаправленно не удаляли.

Города росли, увеличивался объем сточных вод, усиливалась нагрузка на речные экосистемы. В озерах и морях, принимающих воды рек, началось чрезмерное развитие микро- и макроводорослей. В итоге в середине 20-го столетия в мире заговорили про эвтрофикацию водоемов [3]. Летом зацветали и реки — по заводям, в заливах. Теперь научное сообщество сконцентрировало усилия на поисках новой технологии, позволяющей решить проблему радикально. И выход был найден — биологическая очистка сточных вод, позволяющая удалять биогенные элементы. Одними из первых были построены биологические очистные сооружения в Южной Африке: исследователи Кейптаунского университета предложили технологические схемы с несколькими модификациями (Prorendox, Three-stage Bardenphlo process), известные в мире как кейптаунский, или UCT-процесс (University of Cape Town). Затем такие сооружения (с модификациями и без) появились в США, Канаде, Дании, Португалии, Великобритании. Примененные технологии основаны на процессах нитрификации и денитрификации, которые реализуются последовательно в проточных реакторах (пространственно разделены) либо протекают в реакторах смешения, разделенные во времени. Биологическое удаление фосфора реализуется за счет формирования специфического бактериального сообщества, которое в определенных условиях накапливает соли фосфатов в бактериальных клетках. Удаляют фосфаты также и химическим способом, используя катионы железа или алюминия.

В XXI в. специалисты АО «Мосводоканал» творчески усовершенствовали разработанные за рубежом схемы, адаптировав их к особенностям столичных сточных вод — ведь, к слову сказать, сточные воды всех городов имеют индивидуальные особенности, которые зависят от природных, социальных и культурных факторов [1, 4]. Завершение реконструкции известных москвичам Курьяновских и Люберецких очистных сооружений планируется в 2018 и 2020 гг. соответственно.

Но вернемся к Москва-реке, которая с начала XX в. зарегулирована плотинами практически полностью. Бытовые стоки составляют сегодня около 50% ее суммарного расхода в устье.

Индивидуальность столицы «в зеркале» сточных вод

Для того чтобы определить, здоров или болен человек, положено измерить его температуру, выполнить анализы крови и прочее. А как оценить благополучие реки? И что в данном случае считать здоровьем или недугом? Важной характеристикой всех рек считается их способность к биологическому самоочищению. Быстро избавиться от поступивших извне загрязняющих веществ может только целостная экосистема, в которой организмы-деструкторы разлагают «мертвое» органическое вещество (детрит), микро- и макроводоросли ассимилируют минеральный азот и фосфор, зоопланктон потребляет детрит и одноклеточные водоросли, рыбы питаются детритом, водорослями и зоопланктоном, а микроорганизмы помогают деструкторам, снабжая водоросли доступными питательными веществами и «подъедая» за рыбами продукты жизнедеятельности. Человек своими сточными водами серьезно нарушает баланс целостного «организма» речной экосистемы, ведь в загрязненной реке резко возрастает роль микрофлоры, значительно повышается доля микробной биомассы. Кроме того, «упрощается» структура экосистемы: некоторые виды живых организмов (или даже большинство из них) исчезают с появлением токсикантов, остаются лишь самые стойкие. Возникает вопрос: способна экосистема Москва-реки возвращаться в естественное, здоровое состояние и самоочищаться?

Оценка структуры речной экосистемы — занятие чрезвычайно трудоемкое и дорогое. Даже Москва не может себе позволить проводить такие исследования регулярно: последнее комплексное изучение одноименной реки проводилось в 1996 г. [5]. Однако «градусник» ей ставится регулярно. В качестве такового служат регулярные гидрохимические обследования реки по всему руслу. Проводят их под руководством Департаментов природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы и Московской области. В конце года готовятся доклады о состоянии окружающей среды этих регионов, где дается оценка «здоровью» реки.

Вы, вероятно, помните, как иной раз, разглядывая результаты своего анализа крови, пытались понять, что означает каждая цифра? Для далеких от медицины людей на лабораторных бланках в столбце «норма» даются пояснения. Разобраться в данных химического анализа речной воды точно так же помогают специальные справочники ПДК (предельно допустимых концентраций), по которым профессионалы определяют, пригодна ли вода для питья, купания или рыборазведения. Самые жесткие (низкие) нормативы — для рыборазведения, самые мягкие — для купания (так называемые культурно-бытовые ПДК). Подсчитав показатели, превышающие нормативы, ученые выносят вердикт: вода чистая, слабо загрязненная, загрязненная, грязная. Классификаций ее качества (построенных на расчетах отношений концентраций загрязняющих веществ к ПДК) очень много, и в них, как правило, пять или шесть основных градаций — от «чистой» до «чрезвычайно (экстремально) грязной».

Существуют три основных источника получения ежегодной информации о степени загрязнения Москва-реки: государственные доклады о состоянии окружающей среды, информационные выпуски «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Московской области», «Доклады о состоянии окружающей среды в городе Москве». Просмотрев эти документы за последние 10 лет (все они в открытом доступе), вы вдруг обнаруживаете, что в первых двух столичная река позиционируется как один из самых или самый грязный (в Московской обл.) водоток, а в третьем документе она имеет статус условно чистой. Парадокс легко объясним: жесткий вариант связан с ПДК для рыбохозяйственных водоемов, а более мягкий — с ПДК для водоемов культурно-бытового назначения. Для обоснования перехода на вторые нормативы в 2002 г. в Москве был принят специальный документ «Методические указания по оценке степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям». Принятие документа сопровождалось массовыми публикациями о том, что Москва-река не может быть объектом рыборазведения.

Между тем по всей реке ведется любительское и спортивное рыболовство. Более того, в «Докладах о состоянии окружающей среды в городе Москве» ежегодно описываются редкие виды рыб, обитающие в столичной реке. Исследования ихтиологов Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, проведенные в 2003–2005 гг., показали, что плотность рыбной популяции вблизи выпуска Курьяновских очистных сооружений в 2005 г. была сравнима с аналогичным показателем самых успешных рыборазводных прудов [6]. Данных о качестве этой рыбы, к сожалению, не много [4], а данных об изменении видового состава рыбы в нижнем течении реки за последние 10 лет и вовсе нет.

Обращаясь к данным многолетнего гидрохимического мониторинга реки, нельзя не заметить контрастных колебаний качества ее воды — периодических ухудшений и улучшений на протяжении последних 25 лет. При этом самой наглядной демонстрацией состояния экосистемы служит динамика соответствующих показателей в устье реки — результирующем створе, где смешались все стоки, поступившие от города и области. Если же выбрать на реке два створа, в которых регулярно (хотя бы раз в месяц) производятся измерения качества воды (т.е. концентрации какого-либо загрязняющего вещества в миллиграммах на литр), и рассчитать (исходя из гидрологических показателей) время движения потока от одного из них до другого, то мы сможем определить скорость самоочищения и (или) загрязнения реки на этом отрезке: достаточно разделить разницу концентраций веществ в верхнем и нижнем створах на время, за которое вода преодолела расстояние между ними.

Наиболее корректными сведениями о качестве воды в устье можно считать данные гидрохимического мониторинга, проводимого Центральным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в створе «Коломна» (в 7 км от устья Москва-реки). Мы использовали материалы 1995–2018 гг. и за 1971–1982 гг. (для сравнения).

Скорости самоочищения рассчитывались на основе данных производственного экологического мониторинга, проведенного Мосводоканалом в 1998–2012 гг. Первый створ характеризует воду в месте смешения стока Курьяновских очистных сооружений (КОС) и Москва-реки, второй расположен выше выпусков Люберецких очистных сооружений (ЛОС). Заметим: на этом участке реки существует несколько рукотворных расширений русла — прежде всего, Братеевское и Бесединское — они появились при добыче песка для строительства города и с самого начала служат отстойниками для илистых и песчаных частиц. Кроме этих мест, донные отложения формируются по всему руслу, что было показано ранее с использованием сейсмоакустических методов [4].

В период заполнения природных «отстойников» в русле зарегулированной реки происходит ее самоочищение за счет осаждения взвешенных частиц и последующей переработки органического вещества донных отложений микроорганизмами, моллюсками, рыбами. Но если депонируются токсичные компоненты, которые «не по зубам» речной экосистеме на ее высших трофических уровнях, то трансформацией органического вещества занимается преимущественно бактериальное сообщество. В этом случае формируется анаэробный придонный слой, и накопленные осадки становятся источниками так называемого вторичного загрязнения реки.

О чем рассказал мониторинг: тревожные показатели в створе «Коломна»

В створ «Коломна» вода поступает через 7–10 сут после смешения очищенных стоков КОС и ЛОС с речной водой (рис. 1). Начиная с 1999 г. содержание растворенного кислорода в этом створе неуклонно снижалось — в среднем с 10 до 8 мг/л. За тот же период биологическое и химическое потребление кислорода (БПК, ХПК), обусловленное концентрацией органического вещества в сточных водах, увеличилось примерно вдвое, если сравнивать с 2006–2007 гг. (рис. 2). Следует напомнить, что за последние 30 лет содержание растворенного кислорода в реке не опускалось ниже 4 мг/л. Однако начиная с 2007 г. подобная кислородная аномалия перестает быть редкостью в летний период.

Проанализируем динамику содержания форм азота в речной воде в 1995–2018 гг. Если представить изменения суммарной концентрации азота графически, то видно, что указанный период условно делится на три временных отрезка: 1995–1998, 1999–2004 и 2005–2018 гг. (рис. 3). И на втором этапе суммарная концентрация азота минимальна — в среднем около 3 мг/л, тогда как на первом она составляет около 7 мг/л, на третьем — около 10 мг/л. Эти пять лет (с 1999 по 2004 г.) можно характеризовать как самое благополучное состояние реки, поскольку именно тогда ее видовое разнообразие и численность всех гидробионтов были максимальными, так же как и скорость самоочищения, о чем более подробно ниже. В последние же годы значительно увеличилось содержание в речной воде не только суммарного азота, но и нитритов — наиболее токсичных его соединений. Начиная с 2005 г. концентрация нитритов в среднем в восемь раз превышает установленное для рыбохозяйственных водоемов предельно допустимое значение (ПДК), и почти каждое лето максимальные показатели соответствуют 40-кратному превышению ПДК.

Соотношение форм азота в воде может характеризовать не только ее загрязненность, но и способность реки к самоочищению. Дело в том, что бактерии-нитрификаторы — довольно чувствительный индикатор токсичности среды, и развитие процесса нитрификации служит критерием благополучия речного биоценоза. Анализ изменения концентрации четырех форм азота в Москва-реке в 1971–1982 и 1995–2018 гг. показывает, что в 1970-е годы азот органический и азот аммонийный абсолютно преобладали (рис. 4). Значения показателей содержания нитратов и нитритов в воде в тот период были сравнимы с погрешностью измерения. Однако с 1995 г. картина существенно изменилась: нитраты и нитриты стали составлять более половины содержания общего азота в речной воде. С чем это связано?

Скорость самоочищения Москва-реки достигла критически низких значений

В связи с ослаблением столичного производства в середине 1990-х годов снизились как гидравлическая, так и гидрохимическая нагрузка на очистные сооружения города (прежде всего уменьшилось поступление азота и органического вещества), и на них активно «стартовал» процесс нитрификации, который был усилен технологическими приемами Мосводоканала. В результате доля нитритов и нитратов резко возросла, а аммонийного азота — снизилась, что, несомненно, было благоприятно для реки, так как на окисление последнего расходуется растворенный кислород и ионы аммония токсичны для гидробионтов.

Вместе с очищенными стоками в реку стали поступать бактерии-нитрификаторы, селекция которых протекала на очистных сооружениях. Бактерии-нитрификаторы сохранили активность в реке, поскольку именно в этот период речная вода перестала быть токсичной по названной выше причине — в связи с ослаблением столичного производства. Процесс нитрификации стал протекать по всему руслу реки, весьма заметно снижая содержание аммонийного азота в ее воде [7, 8].

Взаимосвязанные процессы нитрификации-денитрификации, развивающиеся в реке ниже города по течению, способствуют интегральному улучшению качества воды в Москва-реке, так как денитрификаторы активно разлагают токсичные органические вещества, поступающие с диффузными, сельскохозяйственными и промышленными стоками [4].

Резкое возрастание содержания аммонийного азота, а также нитритов в речной воде в последнее время (начиная с 2011 г.) свидетельствует о том, что либо биомасса бактерий-нитрификаторов недостаточна для полной «переработки» поступающего от города аммонийного азота, либо микрофлора подавляется токсичными веществами. Запуск ультрафиолетового обеззараживания сточных вод на КОС и ЛОС — одна из причин снижения активности полезных для реки микробиологических процессов: эта операция убивает бактерии тотально, и нитрификаторы, которые вырастают на сооружениях очистки стоков, не попадают в реку. В данном случае необходимое (для трансформации аммонийного азота) количество бактерий должно образоваться в самой реке.

Скорость самоочищения реки в 1998–2012 гг. мы рассчитали по шести главнейшим показателям качества ее воды и результаты представили графически (рис. 5). Что же показывает нам этот комплексный «термометр»? Скорость самоочищения реки существенно различается в зависимости от того, по каким показателям мы ее оцениваем: химическому или биохимическому потреблению кислорода, содержанию минеральных форм азота или фосфора. Но во всех случаях она была максимальной до 2006 г., затем значительно снизилась к 2012 г. и стала отрицательной. Иными словами, приблизительно в 2006 г. Москва-река на данном участке русла утратила способность к самоочищению по всем рассмотренным параметрам. Кроме того, в ней стали преобладать процессы загрязнения от донных отложений, что означает утрату способности реки к очищению за счет седиментации взвешенных частиц и развитие процессов вымывания биогенных элементов из донных отложений. Это косвенно свидетельствует также о значительном снижении эффективной переработки донного органического вещества бентосным сообществом.

Закономерен вопрос: не превысила ли нагрузка на Москва-реку ее способность к восстановлению? Во многих странах мира активно выбирают стратегию ограничения спонтанного роста городов, если доказано, что проще поселить людей в другом месте, чем строить бесконечные дорогие очистные сооружения, которые все равно не спасают от стоков, поступающих в реки неорганизованно (диффузным путем). Такая практика уже применяется в Индии [9], Иране [10], Китае [11, 12] и странах Европы [13]. Но можно ли количественно оценить воздействие, оказываемое городом на реку, при множестве иных факторов, влияющих на ее экосистему? Одним из показателей урбанистической нагрузки служит удельный расход реки-водоприемника (УРРВ), т.е. расход реки в сутки в удельном выражении на одного жителя города.

Для справки: во всех крупных городах мира, расположенных на реках, этот показатель всегда выше 2000; как правило, расход рек мегаполисов составляет десятки и сотни тысяч литров на жителя в сутки. Москва-река — уникальный случай крайне малого значения УРРВ, и тем тщательнее мы должны выбирать способы сохранения ее благоприятного экологического состояния.

С 1997 г. удельный расход реки-водоприемника в Москве монотонно снижался, причем в 2015 г. приблизился к уровню, зафиксированному в 1930-е годы (табл.). Здесь уместно вспомнить о том, что для обводнения Москва-реки в 1937 г. был введен в эксплуатацию канал имени Москвы (до 1947 г. канал Москва — Волга). В результате этого запуска УРРВ увеличился более чем вдвое, и вот спустя 80 лет вновь достиг критического значения.

Таблица. Динамика удельного расхода реки-водоприемника (УРРВ) для Москвы (расчет производился по среднему расходу реки, отнесенному к численности города по официальным данным переписи населения)

«Речка движется и не движется…»

В подобной ситуации закономерен вопрос: можно ли реанимировать экосистему столичной реки? Ответ получается уклончивым: успех восстановительных мероприятий зависит, в частности, от того, сколько времени будет для этого отведено. Потому что Москва-река, увы, не очистится через месяц или год. Но спустя какое-то время оживет, безусловно, если сегодня принять необходимые меры. Для специалистов не секрет, что нужно делать. И это — большая тема, выходящая за рамки настоящей статьи.

Вернемся к тому, с чего начали разговор: нужно ли спасать Москва-реку кардинальными мерами, чтобы ее экосистема восстановилась до уровня 1996–2005 гг., или спокойнее (и дешевле) смириться с тем, что столичная река может быть «чрезвычайно грязной»? В последнем случае всегда под рукой лукавое решение: неуклонно повышать нормативы содержания токсичных веществ. Между тем в глазах огромного большинства россиян и зарубежных гостей река — символ Москвы, ее украшение. А такая ценность требует иного внимания, нежели утилитарный подход к реке-водоприемнику, которую обрекают на утрату экосистемных функций.

В заключение хотелось бы подчеркнуть: стимулом к проведению восстановительных мероприятий может служить повышение капитализации территории бассейна реки от Москвы до Коломны, которое станет возможным, если при формировании стратегии развития региона будут наконец-то учтены экосистемные услуги [14, 15], получаемые нами от реки.

Литература
1. Строганов С. Н. Питание Москвы в 1903–1922 гг. по наблюдениям над сточной жидкостью. М., 1923.
2. Строганов С. Н. Загрязнение и самоочищение водоемов. М., 1939.
3. Протокол о борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном к конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния 1979 года. ООН. 1979.
4. Щеголькова Н. М., Веницианов Е. В. Охрана загрязненной реки: интенсификация самоочищения и оптимизация водоотведения. М., 2011.
5. Комплексное экологическое обследование реки Москвы и канала им. Москвы в черте г. Москвы (завершающий этап). М., 1996; 1.
6. Kriksunov E. A., Pushkar V. Ya., Lobyrev F. S. et al. Structural-functional organization of biocenoses and the ichthyofauna of the Moskva River in its urban reach // Water Resources. Moscow, 2006; 33 (6): 651–660. DOI: 10.1134/S0097807806060066.
7. Щеголькова Н. М., Козлов М. Н., Данилович Д. А., Мойжес О. В. Роль московских очистных сооружений в самоочищении р. Москвы по азоту // Экология и промышленность России. М., 2007; 40–43.
8. Щеголькова Н. М., Шашкина П. С. Интенсификация восстановления качества речной воды и роль биологически очищенных вод в самоочищении // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2010; 2: 88–100.
9. Ramachandra T. V., Bharath A. H., Sowmyashree M. V. Monitoring urbanization and its implications in a mega city from space: spatiotemporal patterns and its indicators // J. Environ. Manage. 2015; 148: 67–81. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.02.015. Epub 2014 Apr 24.
10. Dadras M., Zulhaidi H., Shafri M. et al. Land Use / Cover Change Detection and Urban Sprawl Analysis in Bandar Abbas City, Iran // The Scientific World Journal. 2014. DOI: org/10.1155/2014/690872.
11. Egger P. H., Loumeau G., Püschel N. Natural City Growth in the People’s Republic of China. Asian Development Bank and Asian Development Bank Institute // Asian Development Review. 2017; 34(2): 51–85. DOI: org/10.1162/adev-a-00095.
12. Lv J., Yang B. D., Yang Y. J. et al. Spatial Patterns of China’s Major Cities and Their Evolution Mechanisms during the Past Decades of Reform and Opening Up // Procedia Engineering. 2017; 198: 915–925. DOI: org/10.1016/j.proeng. 2017.07.137
13. Oueslati W., Alvanides S., Garrod G. Determinants of urban sprawl in European cities // Urban Stud. 2015; 52(9): 1594–1614. DOI: 10.1177/0042098015577773.
14. Экосистемные услуги России: Прототип национального доклада. Услуги наземных экосистем. Е. Н. Букварёва, Д. Г. Замолодчиков (ред.). М., 2016; 1.
15. Розенберг А. Г. Оценки экосистемных услуг для территории Самарской области // Поволжский экологический журнал. 2014; 1: 139–145.

---

 Расход воды (в водотоке) — объем воды, протекающей через поперечное сечение водотока за единицу времени. Измеряется в расходных единицах (м³/с). В гидрологии используются понятия максимального, среднегодового, минимального и других расходов воды.

 Межень — самый низкий уровень воды в реке, озере, а также период самого низкого уровня середины лета.

 Нагрузка на реку — величина, характеризующая либо отношение объема сточных вод, сбрасываемых в бассейн реки, к стоку реки в этом створе (створ — условное поперечное сечение водотока, используемое для оценок и прогноза качества воды), либо количество загрязняющих веществ, поступающих в единицу времени (в абсолютных единицах, т/сут).

 Нитрификация — двухстадийный микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты (нитриты) и далее до азотной кислоты (нитраты).

 Денитрификация (восстановление нитрата) — сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов.

 Гидрохимические данные по створу «Коломна» за 1995–2018 гг. предоставлены Московским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды по запросу Мосводоканала (до 2012 г.) и Института водных проблем РАН (за 2012–2018 гг.); сведения за 1971–1982 гг. взяты из гидрохимических бюллетеней Госкомитета по гидрометеорологии и контролю природной среды.

 Экосистемные услуги — многочисленные и разнообразные блага, которые люди бесплатно получают из окружающей среды и правильно функционирующих экосистем. — Примеч. ред.