Проблемы биообрастания систем технического водоснабжения АЭС, итоги 2016/2017 годов по биолого-химическому мониторингу систем технического водоснабжения и результаты первичного тестирования средств борьбы с биопомехами рассмотрели в своем докладе на Конференции начальников турбинных цехов представители ООО НПО «Гидротехпроект»
Биопомехи – это прежде всего нарушения в работе оборудования, вызванные жизнедеятельностью живых организмов. Последствиями биопомех являются экономические и материальные потери, а в тяжелом случае они приводят к останову оборудования. Для упреждения крайних ситуаций и снижения текущих потерь необходимо отслеживать источники биопомех и по возможности предсказывать их аномальное развитие. Для этого необходим непрерывный биолого-химический мониторинг и прогноз состояния биопомех на его основе.
Всегда начеку
Биолого-химический мониторинг на АЭС проводится в соответствии с методикой, разработанной ООО «Гидротехпроект». Анализ годовых отчетов за 2016 и 2017 годы показывает, какие нежелательные виды и группы живых организмов характерны для каждой из наблюдаемых систем техводоснабжения. Результаты мониторинга стали источником информации для формирования системы мероприятий по противодействию биопомехам.
Все АЭС адаптировали программу ведения биохимического мониторинга к своим условиям. Созданы индивидуальные программы мониторинга с разной продолжительностью (от года до пяти лет) и детализацией. Девять АЭС провели мониторинг биопомех по индивидуальным программам, и одна – мониторинг, не ориентированный на проблему биопомех. Результаты показывают, что семь АЭС из десяти находятся в зоне рисков, связанных с обрастанием, цветением воды, формированием тины. Формализация сведений о способствующих и препятствующих развитию нежелательных биологических объектов факторах позволяет произвести усредненную оценку риска. Он сохраняется высоким в отношении всех источников, способных вызывать остановы. В отношении тины и вспышек цветения риск самый высокий и имеет тенденцию к усилению.
Мнимое затишье
Несмотря на отсутствие катастрофических проявлений, на большинстве объектов подтверждается риск развития потенциальных источников биопомех. В добавление к выявленным в 2014–2015 годах помехам добавились новые. В настоящее время наблюдается фаза относительно спокойного поведения способных к аномальному развитию видов: многие процессы протекают скрыто или обусловлены разнонаправленным действием различных факторов. Так, в некоторых системах технического водоснабжения происходит замена дрейссены, основного источника биопомех, на мшанку. Это и последствия борьбы с дрейссеной, и проявление сторонних факторов, в том числе малоизученных, например, саморегуляции в сообществах.
Последние два года можно охарактеризовать как относительно спокойный период – в 2017 году мелкие локальные проблемы удалось решить, остановы блоков по причине биопомех не регистрировались. Подобные спокойные периоды или отдельные годы уже наблюдались. Однако они сменяются проблемными периодами. Так, сравнительно спокойный конец 2000-х завершился тем, что в первой половине 2010-х произошел десяток остановов блоков из-за развития живых организмов или формирования биогенных наносов. В пользу неблагоприятного прогноза на ближайшие годы (при отсутствии упреждающих мер) говорит выявленная динамика роста регистраций новых чужеродных (так называемых криптических) видов, большинство из которых способны при массовом развитии создавать проблемы.
Исследования в 2016 и 2017 годах позволили определить не менее 18 различных видов и группировок живых организмов, способных формировать массовые поселения в техногенных биотопах. Впервые зарегистрированы проблемы, вызванные колониальными гидроидными полипами (Балаковская АЭС), подвижными брюхоногими моллюсками (Нововоронежская АЭС), которые селятся самостоятельно или вместе с обрастателями на твердых, в том числе искусственных субстратах. Большинство из них вселенцы – неприхотливые и довольно теплолюбивые. В техническом обрастании они встречаются как по отдельности, так и в сочетании друг с другом и с биопленкой. Примечательно, что для НВАЭС проблемой стали подвижные мелкие брюхоногие моллюски сразу из двух крупных таксонов, оба чрезвычайно эврибионтные (способные существовать в широком диапазоне природных условий, выдерживать значительные изменения).
Наибольшее опасение среди биопомех вызывает мшанка: удачной борьбы с ней в мировой практике пока нет. Мшанка побеждает благодаря правильной, гибкой стратегии жизни в техногенных условиях, миллиардами отрождая вегетативные почки. В выборке из 10 действующих АЭС мшанка встречается на семи, где водоемы – источники водоснабжения связаны с Волго-Балтийским водным путем. Объекты, заселенные мшанкой, различны как по типу системы водоснабжения, так и по разнообразию водоемов – от морского залива до разной величины водохранилищ.
Три объекта биопомех имеют в своем жизненном цикле уязвимую расселительную стадию: у брюхоногих моллюсков это кладки, у двустворчатых моллюсков и гидроидных полипов – личинки. Эти биопомехи встречаются на семи АЭС, находящихся в зоне риска развития биопомех: дрейссена встречается на шести станциях, гидроиды – на трех (с наиболее высокой минерализацией воды), мелкие брюхоногие моллюски – на четырех АЭС.
Практически везде расширяются временные границы риска обрастания из-за долгого вегетационного сезона вследствие подогрева. Это справедливо и для давно наблюдаемых объектов (озер Удомля и Песьво, где сезон размножения дрейссены полиморфной начинается с апреля, а завершается в ноябре–декабре), и для впервые исследованных систем. Так, размножение гидроидных полипов на Балаковской АЭС возможно осенью, там же в конце лета на свежих субстратах отмечен быстрый рост колоний мшанки, что в естественных условиях для нее нехарактерно.
Тем не менее природа дает в критические периоды года время для передышки. Так, в периоды цветения воды токсичными синезелеными водорослями отмечается явное угнетение размножения обрастателей, и в середине лета риск заселения ими закрытых участков СТВ снижается. Примечательно, что вспышкам цветения способствуют сами обрастатели в годы своего аномального развития и резкого изменения соотношения биогенов в водной толще, одновременно с улучшением прозрачности воды. Роль агента биоконтроля некоторых нежелательных организмов могут играть рыбы-вселенцы, которых специально не акклиматизировали: так, в сбросных каналах Ленинградской АЭС понто-каспийский круглоротый бычок частично истребил запасы митилопсиса (родственника дрейссены), открыв дорогу новому виду мшанки, и тем самым способствовал замене одного обрастателя на другой.
В 2017 году мы столкнулись с лимитирующим действием погодных и биологических факторов на основные источники биопомех и с фактами постепенной смены доминантов. Ситуация складывается аналогично концу 2000-х, что не внушает оптимизма, поскольку сложившиеся условия идут на пользу мшанке, нитчатым водорослям и цветению воды, а не на пользу дрейссене, борьба с которой наиболее отработана.
При аномальном развитии отдельных видов вступают в действие процессы саморегуляции, протекающие внутри сообществ обрастания. Так, переразвитие популяции дрейссены в озерах Удомля и Песьво и связанные с ним каскадные экосистемные эффекты привели к заселению мелководий нитчатой водорослью кладофорой (она же «тина»), плотные заросли которой по ночам вызывают длительные заморы, непереносимые дрейссеной. Сокращение темпов наращивания популяции дрейссены можно рассматривать как положительный фактор, а с другой – массовое развитие водорослей кладофоры вполне может привести к проблемам, с которыми иногда сталкиваются на Ленинградской АЭС, хотя и в меньших масштабах (поскольку акватории озер и морского залива, где располагается ЛАЭС, несопоставимы по суммарной продукции «тины»).
Приходится констатировать, что успехи борьбы с дрейссеной в конечном итоге приводят к успеху мшанки. Так, налаживание эффективного хлорирования на экспериментальной ветке системы на Калининской АЭС привело к отсутствию дрейссенового обрастания в гидробоксах. Однако зарегистрировано накопление жизнеспособных статобластов мшанки, которых химические методы (в режимах и концентрациях, действенных против дрейссены) беспокоят мало. Есть и обратный пример: комплексное воздействие биомелиорации, альголизации (вселения хлореллы для борьбы с синезелеными водорослями) и подъема уровня водохранилища Ростовской АЭС создали в прибрежной зоне идеальные условия для массового оседания дрейссены, которая на многих участках в 2016 году отсутствовала, в тот период вся поверхность камней была покрыта статобластами мшанки, бактериально-водорослевыми матами и «бархатом» из урнателлы.
Таким образом, мы имеем системы с довольно широким и неустойчивым от водоема к водоему и от года к году спектром биопомех, среди которых в зимнее время могут заметно проявляться биопленка и растущие живые обрастатели, а в летнее время целый комплекс организмов – от вселенцев синезеленых водорослей (с их потенциалом к цветению и выделению токсичных веществ) до безобидных на первый взгляд мелких улиток (среди которых есть и аквариумные).
Как действовать в условиях, когда можно ожидать мшанкового обрастания? Обрастатели на стадиях расселения способны перемещаться с током воды и быстро занимать подходящие поверхности, в том числе попадать внутрь сооружений. Есть обрастатели (дрейссена), которые расселяются на стадии личинки: они перемещаются с потоками, оседают, растут, размножаются и создают проблемы. Но личинка более уязвима, чем взрослый моллюск. Гидроидный полип и биопленка в этом сходны с моллюсками: повреждение микроорганизмов в проходящем потоке воды делает невозможным их оседание на твердых поверхностях. Следует отметить, что большинство бактерий в исследованных биопленках не спорообразующие (назовем эти мишени противообрастательных программ стандартными).
Неживое не умертвить
Другая проблемная группа организмов на АЭС – это те, у кого имеются покоящиеся стадии, приспособленные к переживанию неблагоприятных условий. Так, это пресноводная мшанка рода Plumatella, создающая на поверхностях разветвленные колонии. Она расселяется в основном на стадии покоящейся вегетативной почки (статобласта), хорошо защищенного от внешних воздействий. Статобласты устойчивы ко всякого рода воздействиям, поскольку не подают признаков жизни, а что не живо, то трудно убить. Но в условиях подогрева статобласты могут прорастать, и не только весной, но и в любое время, причем не как описано в научных статьях, а по собственной логике. Мы рассмотрели весь процесс от пробуждения статобластов до отрождения ими активных зооидов – основателей колоний. Выявлены факты консолидации статобластов и затем быстрый, дружный выход в условиях максимальной длины дня, такая стратегия дает им дополнительную гарантию благополучного развития в конгломерате. С учетом этих особенностей при планировании борьбы с мшанкой нужно ориентироваться на ее статобласты как наиболее устойчивые ее компоненты. Действовать нужно сразу в нескольких направлениях: дезактивация статобластов, стимулирование выхода чувствительных к воздействиям зооидов и подавление развития зооида в колонию, вплоть до полного уничтожения.
Практические аспекты
Каковы практические аспекты проведенных наблюдений для борьбы с биопомехами? Накопленная информация достаточна для организации информационной базы данных о составе, локализации и динамике биопомех и для выбора средств борьбы с ними. Благодаря проведенным наблюдениям имеется основа для выбора средств и методик применения с пониманием их возможных побочных эффектов. Результаты анализа диктуют специфику выбора средств: непрерывный режим обработки водных потоков; уточнение доз воздействия для каждой конкретной ситуации с учетом возможной замены одного обрастателя на другой; выбор универсального дезинфектанта, решающего проблему биопленки и коррозии металлических элементов конструкций и по возможности мало зависящего от химизма воды (на наблюдаемых объектах высока активная реакция воды, что, кроме благоприятствования развитию обрастателей, существенно снижает эффективность гипохлорита натрия).
При непрерывном применении важно обезопасить водоемы от поступления побочных продуктов обработок, или остаточных доз, или концентраций применяемого средства.
При выборе средства-претендента нужно руководствоваться основными критериями и при возможности использовать дополнительные, присущие выбранному средству. Большинству из перечисленных критериев соответствует технология HOD, предлагаемая к использованию. Привлекательность ультрафиолета как универсального дезинфектанта состоит в том, что это естественный фактор. Он работает и как моно-метод, и в комбинации с другими подходами. Так, можно изучить возможность его использования в комбинации с фотоактивными лакокрасочными покрытиями, аналогично одной из действенных технологий обработки балластных вод в судоходстве. Подтверждено разноплановое негативное воздействие ультрафиолета при однократном применении на один из наиболее упорных объектов – мшанку, причем в дозах, которые можно обеспечить в потоке воды.
Имеется возможность получения сопоставимых результатов производственных испытаний в России с ранее проводившимися в Северной и Южной Америке с использованием технических устройств, применяемых при ведении технического мониторинга обрастания. Концерн «Росэнергоатом» принял решение о введении специализированного технического мониторинга (в рамках методики), методы ведения которого во многом сходны с методами, используемыми за рубежом.
Серия устройств освоена в изготовлении и испытана на пяти АЭС, эти устройства готовы к промышленным испытаниям. Проработаны методические аспекты испытаний. Основным техническим средством для испытаний является так называемый гидробокс (он же биомонитор), который позволяет физически моделировать условия закрытых участков систем и наблюдать как за состоянием расселительных стадий, так и за начальными этапами формирования обрастания. Важна правильная установка гидробоксов. Одно устройство устанавливается на участке, где оказывается воздействие, и одно – на аналогичном контрольном участке, где воздействия нет. Опыт производственных испытаний уже получен на Калининской АЭС в ходе работ по оптимизации хлорирования в 2017 году.
До перехода к производственным испытаниям для большинства методов необходимо протестировать принципиальную пригодность их конкретной разновидности для использования. Такие исследования проводятся лабораторно или на стендовом оборудовании. Нами получены результаты, демонстрирующие принципиальную возможность использования HOD и ультрафиолета в целом против статобластов и зооидов. В частности, очевидно ингибирующее и повреждающее действие ультрафиолета даже при однократном применении (на относительно коротких участках систем, скорее всего, такого применения будет достаточно). В ходе испытаний необходимо будет выработать несколько типовых стратегий обработки на разные случаи (характеристики участков) и алгоритмы (в зависимости от состава и динамики основных мишеней).
Итак…
На основании наблюдений за обрастанием и другими источниками биопомех в 2015–2017 годах следует считать риск развития биопомех на семи АЭС АО «Концерн Росэнергоатом» многокомпонентным, круглогодичным, общий прогноз неблагоприятным и ряд практикуемых средств неэффективными.
Предлагается продолжить текущие наблюдения биохимического мониторинга для актуализации биопомех и первичное тестирование средств противодействия. Необходимо развернуть работы по производственным испытаниям экологически безопасных универсальных средств, пригодных для круглогодичного применения в режиме непрерывных обработок оформленных и неоформленных потоков воды для защиты значительных участков систем в рамках «Сводных мероприятий…». Необходимо запланировать испытательные работы со средствами, позволяющими оперативно контролировать локальные вспышки развития новых нежелательных организмов, и разработать комбинированные технологии.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам выступления)
