По данным Росводресурсов, Россия обладает 20% мирового запаса питьевых вод: на территории страны расположено около 8 тыс. ледников, 30 тыс. водохранилищ и 5,5 млн рек и озер. Один только Байкал — крупнейшее хранилище пресной воды (23 тыс. куб. км, что составляет 86% российских поверхностных запасов).
Несмотря на огромное количество водных ресурсов, обеспечить население чистой питьевой водой — задача непростая. Проблема кроется в очистке воды, а точнее, в износе или отсутствии инфраструктуры. Как сообщают «Ведомости», в июне этого года председателю Совета федерации Валентине Матвиенко доложили, что меньше всего питьевой воды у жителей Калмыкии, в Крыму, в Белгородской, Курской, Саратовской, Оренбургской, Астраханской областях, в Севастополе и Ставропольском крае.
Источниками питьевой воды становятся поверхностные воды — озера, реки, водохранилища — и подземные воды, которые откачиваются по скважинам. Поверхностные источники быстро возобновляются, что считается их несомненным плюсом, а также поддаются регулированию — их можно концентрировать в специальных водохранилищах. Однако такая вода подвержена загрязнениям.
Подземные же воды, просачиваясь через грунты, минерализованы, содержат больше солей различных металлов. Поэтому водозабор и очистка более затратны. Но при этом вода значительно меньше подвержена химическим и микробиологическим загрязнениям.
Крупные города России в основном обеспечиваются водой из рек и водохранилищ. Москворецко-Вазузская и Волжская водные гидротехнические системы, состоящие из 15 водохранилищ, канала им. Москвы и реки Москвы с притоками, поставляют в столицу около 6,7 млн куб. м. воды в сутки. Жители Петербурга пьют воду из Невы, жители Новосибирска — из Оби, жители Казани — из Волги и т.д.
«Качественная питьевая вода должна отвечать требованиям, предъявляемым к питьевой воде в естественном состоянии или после водоподготовки, соответствующей санитарно-эпидемиологическим требованиям и гигиеническим нормативам», — говорится о предъявляемых требованиях к воде на сайте «Центра гигиенического образования населения» Роспотребнадзора.
Аянское водохранилище
Существуют государственные инициативы, направленные на решение проблем водоснабжения, такие как федеральный проект «Чистая вода». Его цель — улучшить качество питьевого водоснабжения для 5 млн человек за счет ввода в эксплуатацию 1 624 объекта водоснабжения, то есть обеспечить 91% граждан России доступом к качественной питьевой воде через системы центрального водоснабжения.
По данным Роспотребнадзора, за период 2013–2022 гг. доля водопроводов, не соответствующих санитарно-эпидемиологическим требованиям, снизилась с 17,81% до 14,21%. А за последние четыре года доля водопроводов, не соответствующих санитарно-эпидемиологическим нормам, снизилась с 7,92 % в 2019 г. до 6,74 % в 2022 г.
Помимо обеспечения доступа к водной инфраструктуре, необходимо совершенствование технологий очистки воды. Оно обусловлено физическим износом и амортизацией сооружений: износ трубопроводов ухудшает качество воды, в ней оседают свинец или остатки от использования пестицидов. Например, проливные дожди создают чрезвычайную нагрузку для водоочистительных сооружений.
К тому же требования к качеству питьевой воды постоянно меняются, в связи с чем всегда актуальны реконструкция и модернизация трубопроводов и системы очистки питьевой воды.
Водопровод
Как очищают воду?
Существуют два основных вида очистки воды — механический и химический.
Очистка механическим способом. В его основе — отделение с помощью фильтров нерастворимых загрязнений, в том числе мусора, песка, ила и т.д. Очистка происходит в три этапа: процеживание, отстаивание и фильтрация. Плюсы — дешевизна и простота процесса. Минусы механической очистки — низкая эффективность, всего 60–65%. Поэтому метод, скорее, относится к предварительной очистке воды и используется исключительно в комплексе с другими этапами.
Химическая очистка. Как следует из названия, метод заключается в добавлении в воду химических растворов и газов, убивающих вредные вещества.
Очистка с использованием коагулянтов. Коагуляция — процесс осветления и обесцвечивания воды с применением химических реактивов-коагулянтов, которые при взаимодействии с гидрозолями и растворимыми примесями воды образуют осадок. Далее поток направляется в отстойники.
Очистка с помощью реакции нейтрализации. В воду добавляют вещества, которые нейтрализуют посторонние элементы, например NaOH и Nа2HCO3 или слабые органические кислоты, такие как лимонная или серная.
Активно применяются методы очистки, связанные с флотацией, сорбцией, экстракцией, ионообменом, электродиализом, обратным осмосом, термическими методами, а также процессы биологической очистки, базирующиеся на использовании живых организмов. Большое внимание специалистов по водоподготовке привлекают процессы очистки, использующие радиационные и ионизирующие излучения.
Фильтрация воды
Инновационные методы очистки воды
Мембранное разделение
Сегодня один из самых эффективных способов фильтрации — обратный осмос. Очистка таким методом происходит за счет обратноосмотической мембраны, разделяющей поток на чистую и дренажную воду. Обратный осмос удаляет частицы даже размером 0,001–0,0001 мкм — соли жесткости, сульфаты, нитраты, ионы натрия, красители, — не пропуская никакие примеси, ни растворенные, ни нерастворенные. Это очень эффективно при борьбе с вредными веществами, однако таким образом удаляются и полезные минералы, после чего вода требует дополнительной минерализации. Основной недостаток технологии — высокая стоимость обслуживания (мембраны часто забиваются).
«Система на основе обратного осмоса поможет получить не только питьевую воду из морской воды, но и особо чистую воду для медицины, промышленности и других нужд. Обратный осмос считается более экономически выгодной альтернативой промышленной дистилляции, однако стоимость строительства одного такого крупного водоочистительного сооружения может достигать миллионов долларов. Эти установки все еще могут быть непосильны для некоторых регионов, где присутствует дефицит питьевой воды», — говорится в сообщении «Ростеха».
Облучение
В основе метода — воздействие радиации на сточные воды. Излучение, от гамма-лучей до ультрафиолетового света, уничтожает органические загрязнители. А в сочетании с добавлением озона или перекиси водорода оно улучшает эффективность разложения органических примесей, включая пестициды и фенолы. Применение ионизирующего излучения полностью исключает биологическую чистку и использование химических реактивов.
«Ионизирующие излучения создают в любой системе высокоактивные продукты радиолиза (электроны, свободные радикалы, ионы, возбужденные частицы), которые взаимодействуют с присутствующими в воде загрязняющими веществами, инициируя их химические превращения, которые приводят в конечном итоге к полной очистке системы <…>. Наиболее эффективный метод очистки сточных вод, которые в большинстве случаев представляют собой водные растворы фенолов, — комплексное действие радиации и УФ-облучения», — сказано в исследовании.
Новые сорбционные материалы
Важный этап очистки воды — деминерализация, во время которой происходит удаление марганца и железа, что особенно актуально для подземных источников, расположенных вблизи рудных залежей. В этом направлении работает Институт редкометаллической промышленности («Росатом»). В 2022 г. ученые создали новые сорбционные материалы для повышения качества питьевой воды. Новый композиционный материал на основе смеси полимерных прекурсоров позволит эффективно удалить ионы тяжелых металлов.
«Мы разработали сорбционные материалы на основе графена, модифицированного органическими полимерами. Они обладают высокими показателями извлечения ионов тяжелых металлов из водных сред. Сорбционная емкость синтезированных материалов превосходит существующие аналоги более чем в пять-шесть раз», — рассказала сотрудник института Елена Анатольевна Нескоромная.
Холодное кипячение
Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Китая разработали способ экологичного очищения сточных промышленных вод при помощи кавитатора — прибора, работающего по принципу блендера с вращающимися лопастями. При водоподготовке вокруг лопастей образуются поля высоких давлений и температур, генерируются волны разрежения-сжатия и происходит схлопывание (взрывы) кавитационных пузырьков. Это явление, известное как «холодное кипячение» или микроизбиение, приводит к обеззараживанию воды и уничтожению микробов и бактерий. Такой процесс называется кавитационной обработкой.
Образовавшиеся пузырьки высвобождают кислород и перекись водорода, которые работают как мощные окислители. Под их воздействием тяжелые металлы меняют форму и образуют осадок. Очищенную воду отделяют от кавитатора, а аппарат очищают от осадка скребком.
Наночастицы золота и графен
Российские исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Тайваньского национального университета науки и технологий разработали материал на базе наночастиц золота и графеновых квантовых точек, способный эффективно и быстро очищать воду от микробов и токсинов.
«Знание точных характеристик материала позволило нам создать композит из квантовых точек и наночастиц золота и применить его в различных фильтрах, используемых как для очистки воды от примесей, так и для определения белков в крови», — заявила руководитель лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ Елена Образцова.
Квантовые точки — это полупроводниковые наночастицы, предназначенные для имитации искусственных атомов. Взаимодействуя со световыми волнами, они поглощают и преобразуют их в вибрации. Эти точки демонстрируют исключительную точность при обнаружении мельчайших количеств определенных ионов и биологических молекул, присутствующих в очищенной жидкости.
Ученые международной группы создали пористый полимерный композиционный материал с равномерно распределенными квантовыми точками и наночастицами золота. Полимер пропускает через себя воду, но при этом не мешает квантовым точкам и частицам золота взаимодействовать со светом и присутствующими в воде ионами тяжелых металлов и биологическими молекулами. Такое взаимодействие уничтожает токсины и микробы и облегчает обнаружение в воде ионов свинца, ртути и других опасных элементов.
Питьевая вода
Поваренная соль
В Красноярске водозаборы «Гремячий лог» и остров Казачий переводят на поваренную соль для обеззараживания питьевой воды. Метод основан на электрохимической реакции: соль подвергается электролизу в специальном электролизном резервуаре, выделяя соединения, содержащие хлор. Путем растворения поваренной соли в воде под воздействием электрического тока образуется гипохлорит натрия. Полученное вещество дезинфицирует воду.
«Замена хлора безвредным гипохлоритом натрия — это в первую очередь безопасность горожан и наших сотрудников», — подчеркнул генеральный директор компании «КрасКом» Олег Васильевич Гончеров.
Глина
Новый способ очистки сточных вод с содержанием токсичного хрома разработали ученые Уральского федерального университета и УрО РАН. В процессе очистки воды ученые используют глинистый минерал.
«Ученые Института металлургии Уральского отделения РАН и Уральского федерального университета синтезировали высокопродуктивный композитный сорбент. Он отличается максимальной сорбционной эффективностью и предназначен для многоразового использования. Применение сорбента не приведет к образованию новых отходов. За основу созданного сорбента ученые взяли глинистый минерал монтмориллонит, который традиционно используют в сорбционных технологиях, на первом этапе разработки минерал модифицировали наночастицами магнетита», — рассказали в вузе.
Сорбент прошел испытания на сточных водах одного из предприятий Свердловской области. Специалисты смогли очистить воду до состояния питьевой, а полученные соединения хрома вернуть в производственные процессы.
Хищные бактерии
Интересный метод очистки воды открыли зарубежные ученые. Исследователи из Лундского университета и шведской водопроводной компании из города Варберга перестали добавлять хлор в водопроводную воду и в ходе эксперимента заметили, что сначала количество бактерий возросло, но через три месяца после полного исчезновения хлора безвредные для человека хищные бактерии Bdellovibrio уничтожили большинство патогенов.
Специалисты полагают, что бактерии могут использоваться в процессе водоподготовки без использования микрофильтров. Технология предположительно может быть менее энергозатратной, чем использование ультрафиолетового излучения, и дешевле, чем установка существующих громоздких биофильтров.
Безопасная питьевая вода не должна содержать бактерий и живых организмов. Однако допустимы небольшие концентрации некоторых неорганических веществ, таких как нитраты, фториды, медь, марганец, железо и т.д., которые не вредны для организма человека. Кроме того, не стоит беспокоиться о хлоре в тех концентрациях, которые используются для очистки воды.
Источники
ТАСС. Мировая жажда: чем вызвана нехватка воды в разных странах и как с ней бороться?
ТАСС. На Урале создали технологию очистки опасных сточных вод глинистым минералом
ТАСС. Новые сорбционные материалы для повышения качества питьевой воды разработали в Росатоме
Ведомости. В России пытаются решить проблему дефицита питьевой воды
РБК. Живая вода: пять прогрессивных технологий очистки
Вокруг света. Хищные бактерии вместо хлора: предложен новый способ очистки питьевой воды
Ростех. Вывести на чистую воду: как работает система опреснения
Санкт-Петербург.ру. Ученые создали новый метод очистки воды: он безопасен для экологии и здоровья человека
Беллона. Водопроводная история: как подготавливают воду в системах центрального водоснабжения и может ли она считаться питьевой
Барьер. Очистка питьевой воды
Фото на странице: Jacek Dylag / Фотобанк Unsplash
Фото на главной странице сайта: freepik / Фотобанк Freepik