Загрязнение воды бытовыми, сельскохозяйственными и промышленными стоками. Экологические последствия нефтяных выбросов в Мировой океан. Технологии опреснения соленых вод. Применение мембранных биореакторов для повторного использования сточных вод.

ВВЕДЕНИЕ

1. Суть проблемы чистой воды

1.1 Сокращение запасов пресных вод

1.2 Загрязнение воды бытовыми, сельскохозяйственными и промышленными стоками

1.3 Тепловое загрязнение воды

1.4 Нефтяное загрязнение Мирового океана

1.5 Другие загрязнения водных ресурсов

2. Возможные пути решения

2.1 Очищение воды

2.2 Повторное использование воды

2.3 Опреснение солёных вод

Заключение

Список использованных источников

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Можно, пожалуй, сказать, что

назначение человека как бы

заключается в том, чтобы

уничтожить свой род,

предварительно сделав земной шар

непригодным для обитания.

Ж.-Б. Ламарк

Когда-то люди довольствовались водой, которую они находили в реках, озерах, ручьях и колодцах. Но с развитием промышленности и ростом населения появилась необходимость гораздо тщательнее управлять водоснабжением, чтобы избежать вреда для здоровья человека и ущерба окружающей среды.

Прежде неисчерпаемый ресурс - пресная чистая вода - становиться исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира. Уже сейчас из-за диоксинового загрязнения водоемов в России ежегодно погибает 20 тыс. человек.

Выбранная мною тема сегодня актуальна как никогда, ведь если не мы, то уж наши дети точно ощутят в полной мере влияние антропогенного загрязнения окружающей среды. При этом, если во время распознать проблему и следовать путям её решения, то экологической катастрофы можно избежать.

Цель данной работы - познакомиться с проблемой чистой воды как с глобальной экологической проблемой. Существенное внимание при всём этом будет уделяться причинам, экологическим следствиям и возможным путям решения данной проблемы.

1. Суть проблемы чистой воды

Среди химических соединений, с которыми человеку приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вода, пожалуй, -- самое привычное и в то же время самое странное. Её удивительные свойства всегда привлекали к себе внимание ученых, а в последние годы стали вдобавок и поводом для разнообразных околонаучных спекуляций. Вода -- не пассивный растворитель, как принято считать, это активное действующее лицо в молекулярной биологии; при замерзании она расширяется, а не уменьшается в объеме, как большинство жидкостей, достигая наибольшей плотности при 4 °C. Пока никто из теоретиков, работающих над общей теорией жидкостей, не приблизился к описанию её странных свойств.

Отдельного упоминания достойны слабые водородные связи, благодаря которым молекулы воды образуют на короткое время довольно сложные структуры. Много шума наделала опубликованная в 2004 году в журнале Science статья Ларса Петтерсона (Lars Pettersson) и его коллег из Стокгольмского университета (Stockholm University). В ней, в частности, утверждалось, что каждая молекула воды связана водородными связями в точности с двумя другими. Из-за этого возникают цепи и кольца, длиной порядка сотен молекул. Именно на этом пути исследователи надеются найти рациональное объяснение странностей воды.

Но для жителей нашей планеты вода в первую очередь интересна не этим: без чистой питьевой водывсе они просто вымрут, а доступность её с годами становится все более проблематичной. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) сегодня 1,2 млрд. человек не имеют её в необходимом количестве, миллионы людей умирают ежегодно от болезней, вызванных растворенными в воде веществами. В январе 2008 года на Всемирном экономическом форуме ООН (World Economic Forum Annual Meeting 2008), проходившем в Швейцарии, утверждалось, что к 2025 году население более половины стран мира будет испытывать недостаток в чистой воде, а к 2050 году -- 75%.

Проблема чистойводы надвигается со всех сторон: так например, ученые предполагают, что в ближайшие 30 лет таяние ледников (одни из основных запасов пресной воды на Земле) приведет к сильным скачкам в уровне многих крупных рек, таких как Брахмапутра, Ганг, Хуанхэ, что поставит полтора миллиарда жителей Юго-Восточной Азии под угрозу нехватки питьевой воды. При этом уже сейчас расход воды, например, из реки Хуанхэ настолько велик, что она периодически не достигает моря.

1.1 Сокращение запасов пресных вод

Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды. В результате испарения образуется гигантский объем воды, достигающий 525 тыс. км 3 в год. 86% этого количества приходится на соленые воды Мирового океана и внутренних морей - Каспийского, Аральского и др.; остальное испаряется на суше, причем половина благодаря транспирации влаги растениями. Каждый год испаряется слой воды толщиной примерно 1250 мм. Часть ее вновь выпадает с осадками в океан, а часть переносится ветрами на сушу и здесь питает реки и озера, ледники и подземные воды. Природный дистиллятор питается энергией Солнца и отбирает примерно 20% этой энергии.

Всего 2% гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно возобновляются. Скорость возобновления и определяет доступные человечеству ресурсы. Большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена здесь меньше, чем в океане, и составляет 8000 лет. Поверхностные воды суши обновляются примерно в 500 раз быстрее, чем в океане. Еще быстрее, примерно за 10-12 суток, обновляются воды рек. Наибольшее практическое значение для человечества имеют пресные воды рек.

Реки всегда были источником пресной воды. Но в современную эпоху они стали транспортировать отходы. Отходы на водосборной территории по руслам рек стекают в моря и океаны. Большая часть использованной речной воды возвращается в реки и водоемы в виде сточных вод. До сих пор рост очистных сооружений отставал от роста потребления воды. И на первый взгляд в этом заключается корень зла. На самом деле все обстоит гораздо серьезнее. Даже при самой совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные неорганические вещества и до 10% органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Такая вода вновь может стать пригодной для потребления только после многократного разбавления чистой природной водой. И здесь для человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы и очищенных, и водного стока рек.

Мировой водохозяйственный баланс показал, что на все виды водопользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков уходит почти 20% ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2000 г. в предположении, что нормы водопотребления уменьшатся, а очистка охватит все сточные воды, показали, что все равно ежегодно потребуется 30-35 тыс. км 3 пресной воды на разбавление сточных вод. Это означает, что ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию, а во многих районах мира они уже исчерпаны. Ведь 1 км 3 очищенной сточной воды "портит" 10 км 3 речной воды, а не очищенной - в 3-5 раз больше. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко падает, она становится не пригодной для потребления.

Человечеству придется изменить стратегию водопользования. Необходимость заставляет изолировать антропогенный водный цикл от природного. Практически это означает переход на замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на "сухую" или безотходную технологию, сопровождающуюся резким уменьшением объемов потребления воды и очищенных сточных вод.

Запасы пресной воды потенциально велики. При этом в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и уровня жизни и составляет от 3 до 700 л в сутки на одного человека.

Потребление воды промышленностью также зависит от экономического развития данного района. Например, в Канаде промышленность потребляет 84% всего водозабора, а в Индии - 1%. Наиболее водоемкие отрасли промышленности - сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит почти 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности (см. приложение). В среднем в мире на промышленность уходит примерно 20% всей потребляемой воды. Главный же потребитель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 70-80% всей пресной воды. Орошаемое земледелие занимает лишь 15-17% площади сельскохозяйственных угодий, а дает половину всей продукции. Почти 70% посевов хлопчатника в мире существует благодаря орошению.

Суммарный сток рек СНГ (СССР) за год составляет 4720 км. Но распределены водные ресурсы крайне неравномерно. В наиболее обжитых регионах, где проживает до 80% промышленной продукции и находится 90% пригодных для сельского хозяйства земель, доля водных ресурсов составляет всего 20%. Многие районы страны недостаточно обеспечены водой. Это юг и юго-восток европейской части СНГ, Прикаспийская низменность, юг Западной Сибири и Казахстана, и некоторые другие районы Средней Азии, юг Забайкалья, Центральная Якутия. Наиболее обеспечены водой северные районы СНГ, Прибалтика, горные районы Кавказа, Средней Азии, Саян и Дальнего Востока.

Сток рек изменяется в зависимости от колебаний климата. Вмешательство человека в естественные процессы затронуло уже и речной сток. В сельском хозяйстве большая часть воды не возвращается в реки, а расходуется на испарение и образование растительной массы, так как при фотосинтезе водород из молекул воды переходит в органические соединения. Для регулирования стока рек, не равномерного в течение года, построено 1500 водохранилищ (они регулируют до 9% всего стока). На сток рек Дальнего Востока, Сибири и Севера европейской части страны хозяйственная деятельность человека пока почти не повлияла. При этом в наиболее обжитых районах он сократился на 8%, а у таких рек, как Терек, Дон, Днестр и Урал на 11-20%. Заметно уменьшился водный сток в Волге, Сырдарье и Амударье. В итоге сократился приток воды к Азовскому морю - на 23%, к Аральскому - на 33%. Уровень Арала упал на 12,5 м.

Ограниченные и даже скудные во многих странах запасы пресных вод значительно сокращаются из-за загрязнения. Обычно загрязняющие вещества разделяют на несколько классов в зависимости от их природы, химического строения и происхождения.

1.2 Загрязнение воды быт овыми, сельскохозяйственными и промышленными стоками.

Органические материалы поступают из бытовых, сельскохозяйственных или промышленных стоков. Их разложение происходит под действием микроорганизмов и сопровождается потреблением растворенного в воде кислорода. Если кислорода в воде достаточно и количество отходов невелико, то аэробные бактерии довольно быстро превращают их в сравнительно безвредные остатки. В противном случае деятельность аэробных бактерий подавляется, содержание кислорода резко падает, развиваются процессы гниения. При содержании кислорода в воде ниже 5 мг на 1 литр, а в районах нереста - ниже 7 мг многие виды рыб погибают.

Болезнетворные микроорганизмы и вирусы содержатся в плохо обработанных или совсем не обработанных канализационных стоках населенных пунктов и животноводческих ферм. Попадая в питьевую воду, патогенные микробы и вирусы вызывают различные эпидемии, такие, как вспышки сальмонеллиоза, гастроэнтерита, гепатита и др. В развитых странах сегодня распространение эпидемий через общественное водоснабжение происходит редко. Могут быть заражены пищевые продукты, например овощи, выращиваемые на полях, которые удобряются шламами после очистки бытовых сточных вод (от нем. Schlamme - буквально грязь). Водные беспозвоночные, например устрицы или другие моллюски, из зараженных водоемов служили часто причиной вспышек брюшного тифа.

Питательные элементы, главным образом соединения азота и фосфора, поступают в водоемы с бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Увеличение содержания нитритов и нитратов в поверхностных и подземных водах ведет к загрязнению питьевой воды и к развитию некоторых заболеваний, а рост этих веществ в водоемах вызывает их усиленную эвтрофикацию (увеличение запасов биогенных и органических веществ, из-за чего бурно развиваются планктон и водоросли, поглощая весь кислород в воде).

К неорганическим и органическим веществам также относятся соединения тяжелых металлов, нефтепродукты, пестициды (ядохимикаты), синтетические детергенты (моющие средства), фенолы. Они поступают в водоемы с отходами промышленности, бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Многие из них в водной среде либо вообще не разлагаются, либо разлагаются очень медленно и способны накапливаться в пищевых цепочках.

Увеличение донных осадков относится к одному из гидрологических последствий урбанизации. Их количество в реках и водоемах постоянно возрастает из-за эрозии почв в результате неправильного ведения сельского хозяйства, сведения лесов, а также зарегулированности речного стока. Это явление приводит к нарушению экологического равновесия в водных системах, пагубно действует донные организмы.

1.3 Тепловое загрязнение воды

Источником теплового загрязнения служат подогретые сбросные воды теплоэлектростанций и промышленности. Повышение температуры природных вод изменяет естественные условия для водных организмов, снижает количество растворенного кислорода, изменяет скорость обмена веществ. Многие обитатели рек, озер или водохранилищ гибнут, развитие других подавляется.

Еще несколько десятилетий назад загрязненные воды представляли собой как бы острова в относительно чистой природной среде. Сейчас картина изменилась, образовались сплошные массивы загрязненных территорий.

1.4 Нефтяное загрязнение Мирового океана

Нефтяное загрязнение Мирового океана, несомненно, есть самое распространенное явление. От 2 до 4% водной поверхности Тихого и Атлантического океанов постоянно покрыто нефтяной пленкой. В морские воды ежегодно поступает до 6 млн. т нефтяных углеводородов. Почти половина этого количества связана с транспортировкой и разработкой месторождений на шельфе. Континентальное нефтяное загрязнение поступает в океан через речной сток.

Реки мира ежегодно выносят в морские и океанические воды более 1,8 млн. т нефтепродуктов.

В море нефтяное загрязнение имеет различные формы. Оно может тонкой пленкой покрывать поверхность воды, а при разливах толщина нефтяного покрытия вначале может составлять несколько сантиметров. С течением времени образуется эмульсия нефти в воде или воды в нефти. Позже возникают комочки тяжелой фракции нефти, нефтяные агрегаты, которые способны долго плавать на поверхности моря. К плавающим комочкам мазута прикрепляются разные мелкие животные, которыми охотно питаются рыбы и усатые киты. Вместе с ними они заглатывают и нефть. Одни рыбы от этого гибнут, другие насквозь пропитываются нефтью и становятся непригодны для употребления в пищу из-за неприятного запаха и вкуса..

Все компоненты нефти токсичны для морских организмов. Нефть влияет на структуру сообщества морских животных. При нефтяном загрязнении изменяется соотношение видов и уменьшается их разнообразие. Так, обильно развиваются микроорганизмы, питающиеся нефтяными углеводородами, а биомасса этих микроорганизмов ядовита для многих морских обитателей. Доказано, что очень опасно длительное хроническое воздействие даже небольших концентраций нефти. При этом постепенно падает первичная биологическая продуктивность моря. У нефти есть еще одно неприятное побочное свойство. Ее углеводороды способны растворять в себе ряд других загрязняющих веществ, таких, как пестициды, тяжелые металлы, которые вместе с нефтью концентрируются в приповерхностном слое и еще более отравляют его. Ароматическая фракция нефти содержит вещества мутагенной и канцерогенной природы, например бензпирен. Сейчас получены многочисленные доказательства наличия мутагенных эффектов загрязненной морской среды. Бензпирен активно циркулирует по морским пищевым цепочкам и попадает в пищу людей.

Наибольшие количества нефти сосредоточены в тонком приповерхностном слое морской воды, играющем особенно важную роль для различных сторон жизни океана. В нем сосредоточено множество организмов, этот слой играет роль "детского сада" для многих популяций. Поверхностные нефтяные пленки нарушают газообмен между атмосферой и океаном. Претерпевают изменения процессы растворения и выделения кислорода, углекислого газа, теплообмена, меняется отражательная способность (альбедо) морской воды.

Больше всего страдаю от нефти птицы, особенно когда загрязняются прибрежные воды. Нефть склеивает оперенье, оно утрачивает теплоизолирующие свойства, и, кроме того, птица, выпачканная в нефти, не может плавать. Птицы замерзают и тонут. Даже чистка перьев растворителями не позволяет спасти всех пострадавших. Остальные обитатели моря страдают меньше. Многочисленные исследования показали, что нефть, попавшая в море, не создаёт ни постоянной, ни долговременной опасности для живущих в воде организмов и не накапливает в них, так что её попадание в человека по пищевой цепи исключено.

По последним данным, значительный вред флоре и фауне может быть нанесен только в отдельных случаях. Например, гораздо опаснее сырой нефти изготовленные из нее нефтепродукты - бензин, дизельное топливо и так далее. Опасны высокие концентрации нефти на литорали (приливно-отливной зоне), особенно на песчаном берегу, в этих случаях концентрации нефти долго остается высокой, и она наносит много вреда. Но к счастью такие случаи редки.

Обычно при катастрофах танкеров нефть быстро расходится по воде, разбавляется, начинается её разложение. Показано, что углеводороды нефти могут без вред для морских организмов проходить через их пищеварительный тракт и даже через ткани: такие опыты проводились с крабами, двустворчатыми моллюсками, разными видами мелкой рыбы, и никаких вредных последствий дляподопытных животных не было обнаружено.

1.5 Другие загрязнения водных ресурсов

Хлорированные углеводороды, широко применяемые в качестве средств борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства, с переносчиками инфекционных болезней, уже многие десятилетия вместе со стоком рек и через атмосферу поступают в Мировой океан. ДДТ и его производные, полихлорбифенилы и другие устойчивые соединения этого класса сейчас обнаруживаются повсюду в Мировом океане, включая Арктику и Антарктику. Они легко растворимы в жирах и поэтому накапливаются в органах рыб, млекопитающих, морских птиц. Будучи ксенобиотиками, т. е. веществами полностью искусственного происхождения, они не имеют среди микроорганизмов своих "потребителей" и поэтому почти не разлагаются в природных условиях, а только накапливаются в Мировом океане. Вместе с тем они остротоксичны, влияют на кроветворную систему, подавляют ферментативную активность, сильно влияют на наследственность.

Вместе с речным стоком в океан поступают и тяжелые металлы, многие из которых обладают токсичными свойствами. Общая величина речного стока составляет 46 тыс. км воды в год. Вместе с ним в Мировой океан поступает до 2 млн. т. свинца, до 20 тыс. т. кадмия и до 10 тыс. т. ртути. Наиболее высокие уровни загрязнения имеют прибрежные воды и внутренние моря. Немалую роль в загрязнении Мирового океана играет и атмосфера. Так, например, до 30% всей ртути и 50% свинца, поступающих в океан ежегодно, переносится через атмосферу. По своему токсичному действию в морской среде особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в гораздо более токсичные органические формы ртути. Накопленные благодаря биоаккумуляции в рыбе или в моллюсках соединения метилированной ртути представляют прямую угрозу жизни и здоровью людей. Вспомним хотя бы печально известную болезнь "минамато", получившую название от японского залива, где так резко проявилось отравление местных жителей ртутью. Она унесла немало жизней и подорвала здоровье многим людям, употреблявшим в пищу морские продукты из этого залива, на дне которого накопилось немало ртути от отходов близлежащего комбината. Ртуть, кадмий, свинец, медь, цинк, хром, мышьяк и другие тяжелые металлы не только накапливаются в морских организмах, отравляя тем самым морские продукты питания, но и самым пагубным образом влияют на обитателей моря. Коэффициенты накопления токсичных металлов, т. е. концентрация их на единицу веса в морских организмах по отношению к морской воде, меняются в широких пределах - от сотен до сотен тысяч, в зависимости от природы металлов и видов организмов. Эти коэффициенты показывают, как накапливаются вредные вещества в рыбе, моллюсках, ракообразных, планктонных и других организмах. Масштабы загрязнения продуктов морей и океанов так велики, что во многих странах установлены санитарные нормы на содержание в них тех или других вредных веществ. Интересно отметить, что при концентрации ртути в воде, только в 10 раз большей ее естественного содержания, загрязнение устриц уже превышает норму, установленную в некоторых странах. Это показывает, как близок тот предел загрязнения морей, который нельзя переступить без вредных последствий для жизни и здоровья людей.

2. Возможные пути решения

Для того чтобы избежать водного кризиса, разрабатываются новые технологии очистки и дезинфекции воды, её опреснения, а также методы её повторного использования. При этом помимо научных изысканий необходимы действенные методы организации контроля над водными ресурсами стран: к сожалению, в большинстве государств использованием и планированием водных ресурсов занимается несколько организаций (так, в США этим заняты более двадцати разных федеральных агентств). Эта тема стала основной для номера от 19 марта 2007 года научного журнала Nature. В частности, Марк Шеннон (Mark Shannon) и его коллеги из университета Иллинойса в Эрбане-Шампейн (США) провели обзор новых научных разработок и систем нового поколения в следующих областях: дезинфекции воды и удаления патогенов без использования избыточного количества химических реагентов и образования токсичных побочных продуктов; обнаружение и удаление загрязняющих веществ в низкой концентрации; повторное использование воды, а также опреснение морской и воды из внутренних водоемов. Что немаловажно, эти технологии должны быть относительно недорогими и пригодными к использованию в развивающихся странах.

2.1 Очищение воды

Дезинфекция особенно важна в развивающихся странах Юго-восточной Азии и Субсахары: именно там патогены, живущие в воде, чаще всего становятся причиной массовых заболеваний. Наряду с болезнетворными организмами -- такими, как гельминты (глисты), простейшие одноклеточные, грибы и бактерии, повышенную опасность представляют вирусы и прионы. Свободный хлор -- самый распространенный в мире (а также самый дешевый и один из самых эффективных) дезинфектор -- отлично справляется с кишечными вирусами, однако бессилен против вызывающих диарею криптоспоридий С.parvum или микобактерий. Ситуация осложняется и тем, что многие возбудители болезней живут в тонких биопленках на стенках водопроводных труб.

Новые эффективные методы дезинфекции должны состоять из нескольких барьеров: удаление с помощью физико-химических реакций (например, коагуляции, седиментации или мембранной фильтрации) и обезвреживание с помощью ультрафиолета и химических реагентов. Относительно недавно для фотохимического обезвреживания патогенов вновь стали использовать свет видимого спектра, а в некоторых случаях эффективно использование комбинирование УФ с хлором или с озоном. Правда, такой подход иногда вызывает появление побочных вредных веществ: например, от действия озона в воде, содержащей ионы бромида, может появиться канцероген бромат.

В Индии, где потребность в дезинфекции воды ощущается довольно остро, для этих целей применяется жавелевая вода.

В развивающихся странах используется технология дезинфекции водыв бутылях из полиэтилена терефталата (PET) с помощью, во-первых, солнечного света, во-вторых, гипохлорида натрия (этот метод используется в основном в сельской местности). Благодаря хлору удалось снизить частоту желудочно-кишечных заболеваний, однако в областях, где в воде содержится аммиак и органический азот, метод не работает: с этими веществами хлор образует соединения и становится неактивен.

Предполагается, что в будущем методы дезинфекции будут включать действие ультрафиолета и наноструктур. Ультрафиолетовое излучение эффективно в борьбе с бактериями, живущими в воде, с цистами простейших, однако не действует на вирусы. Тем не менее ультрафиолет способен активировать фотокаталитические соединения, например, титана (TiO2), которые в свою очередь способны убивать вирусы. Кроме того, новые соединения, такие как TiO2 с азотом (TiON) или с азотом и некоторыми металлами (палладием), могут активироваться излучением видимой части спектра, на что требуется меньше затрат энергии, чем при облучение ультрафиолетом, или даже просто солнечным светом. Правда, подобные установки для дезинфекции имеют крайне небольшую производительность.

Другой важной задачей в очищении воды является удаление вредных веществ из нее. Существует огромное количество токсичных веществ и соединений (таких как мышьяк, тяжелые металлы, галогенсодержащие ароматические соединения, нитрозоамины, нитраты, фосфаты и многие другие). Список предположительно вредных для здоровья веществ постоянно растет, а многие из них токсичны даже в ничтожных количествах. Обнаружить эти вещества в воде, а потом удалить их в присутствии других, нетоксичных примесей, содержание которых может быть на порядок выше, -- сложно и дорого. А кроме всего прочего, это поиск одного токсина может помешать обнаружению другого, более опасного. Методы мониторинга загрязняющих веществ неизбежно связаны с использованием сложного лабораторного оборудования и привлечением квалифицированного персонала, поэтому очень важно везде, где только возможно, находить недорогие и относительно простые способы идентификации загрязнений.

Важна здесь и своего рода "специализация": например, триоксид мышьяка (As-III) раз в 50 токсичнее пентоксида (As-V), и поэтому необходимо измерять их содержание и вместе, и по отдельности, для последующей нейтрализации или удаления. Существующие же методы измерения или имеют низкий предел точности, или требуют квалифицированных специалистов.

Ученые считают, что перспективным направлением в разработке методов обнаружения вредных веществ является метод молекулярного распознавания (molecular recognition motif), основанном на использовании сенсорных реактивов (вроде знакомой со школы лакмусовой бумажки), вместе с микро- или нанофлюидным управлением (micro/nanofluidic manipulation) и телеметрией. Подобные биосенсорные методы можно применять и к болезнетворным микроогранизмам, живущим в воде. При этом в этом случае надо следить за наличием в воде анионов: их присутствие может нейтрализовать достаточно действенные -- при других условиях -- методы. Так, при обработке воды озоном бактерии гибнут, но если в воде находятся ионы Br-, происходит окисление до BrO3-, то есть один вид загрязнения меняется на другой.

водыс противоположной стороны. В соответствии с законами гидростатики, вода просачивается через мембрану, очищаясь до дороге. В целом существует два способа борьбы с вредными веществами -- влияние на микрозагрязнитель с помощью химических или биохимических реагентов, пока он не перейдет в неопасную форму, или его удаление из воды. Этот вопрос решается в зависимости от местности. Так, в колодцах в Бангладеш используют технологию фильтрации Sono, а на заводах в США -- обратного осмоса (reverse osmosis), для решения одной и той же проблемы -- удаления из воды мышьяка.

Система обратного осмоса, применяющаяся в США: давление воды с той стороны синтетической мембраны, где находятся загрязнители, превосходит давление чистойводыс противоположной стороны. В соответствии с законами гидростатики, вода просачивается через мембрану, очищаясь до дороге.

В настоящее время органические вредные вещества в воде стараются посредством реакций превратить в безобидные азот, углекислый газ и воду. Серьезные анионные загрязнители, такие как нитраты и перхлораты, удаляют с помощью ионообменных смол и обратного осмоса, а токсичные рассолы сливают в хранилища. В будущем, возможно, будут использоваться биметаллические катализаторы для минерализации этих рассолов, а также активные нанокатализаторы в мембранах для трансформации анионов.

2.2 Повторное использование воды

Сейчас специалисты по охране природы самозабвенно мечтают о повторном использовании промышленных и городских сточных вод, предварительно доведенных до качества питьевой воды. Но в этом случае приходится иметь дело с огромным количеством всевозможных загрязнителей и патогенов, а также органических веществ, которые должны быть удалены или трансформированы в безвредные соединения. Следовательно, все операции удорожаются и усложняются.

Городские сточные воды обычно проходят обработку в очистных сооружениях, в которых во взвешенном состоянии находятся микробы, удаляющие органику и остатки пищевых веществ, а потом в отстойных резервуарах, где происходит разделение твердых и жидких фракций. Воду после такой очистки можно сбрасывать в поверхностные водоемы, а также использовать для ограниченного полива и на некоторые заводские нужды. В настоящее время одна из активно внедряемых технологий -- мембранные биореакторы (Membrane Bioreactor). Эта технология сочетает использование взвешенной в воде биомассы (как в обычных очистных сооружениях) и водных микро- и ультратонких мембран вместо отстойников. Воду после МБР можно свободно использовать для ирригации и для заводских нужд.

МБР также могут принести большую пользу в развивающихся странах с плохой канализацией, особенно в быстрорастущих мегаполисах: они позволяют обрабатывать непосредственно сточные воды, отделяя из них полезные вещества, чистую воду, азот и фосфор. МБР используют также как предварительную обработку воды для обратного осмоса; если же потом обработать её УФ (или фотокаталитическими веществами, реагирующими на видимый свет), то она будет пригодна для питья. В будущем, возможно, системы для "повторного использования воды" будут состоять только из двух этапов: МБР с нанофильтрационной мембраной (что избавит от необходимости этапа обратного осмоса) и фотокаталитического реактора, который послужит преградой для патогенов и уничтожит органические загрязнители с малой молекулярной массой. Правда, одной из серьезных преград является быстрое засорение мембраны, и успех развития этого направления очистки воды во многом зависит от новых модификаций и свойств мембран.

Немалую преграду составляют и законы об охране окружающей среды: во многих странах строго запрещено повторное использование воды для коммунальных нужд. При этом из-за недостачи водных ресурсов меняется и это: так, в США повторное использование воды ежегодно возрастает на 15%.

2.3 Опреснение солёных вод

Увеличить запасы пресной воды с помощью опреснения вод морей, океанов и засоленных внутренних водоемов -- очень соблазнительная цель, ведь эти запасы составляют 97,5% всей воды на Земле. Технологии опреснения шагнули далеко вперед, особенно за последнее десятилетие, однако до сих пор они требуют много энергии и капиталовложений, что сдерживает их распространение. Скорее всего, доля крупных установок по опреснению воды традиционным (термальным) способом уменьшится: они расходуют слишком много энергии и сильно страдают от коррозии.

Предполагается, что будущее за небольшими системами опреснения, рассчитанными на одну или несколько семей (это касается в основном развивающихся стран).

Современные технологии опреснения используют мембранное разделение с помощью обратного осмоса и температурную дистилляцию. Сдерживающими факторами для развития опреснения являются, как уже было сказано, высокое потребление энергии и эксплуатационные расходы, быстрое загрязнение мембран установок, а также проблема утилизации соляного рассола и присутствие в воде остатков загрязнителей с низким молекулярным весом, например, бора.

Перспективность исследований в этом направлении определяется прежде всего снижением удельных затрат энергии, и тут определенный прогресс налицо: если в 1980-х годах они в среднем составляли 10 кВт·ч/м3, то сегодня они сократились до 4 кВт·ч/м3. Но есть и другие важные успехи: создание новых материалов для мембран (например, из нанотрубок из углерода), а также создание новых очистных биотехнологий.

Остается надеяться, что в ближайшие годы наука и технологии действительно сильно шагнут вперед -- ведь даже оставаясь пока для многих почти незаметным, призрак водного кризиса давно уже бродит не только по Европе, но и по всему миру.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема обеспечения надлежащего количества и качества воды является одной из наиболее важных и имеет глобальное значение.

В настоящее время человечество использует 3,8 тыс. км 3 воды ежегодно, причем можно увеличить потребление максимум до 12 тыс. км 3 . При нынешних темпах роста потребления воды этого хватит на ближайшие 25-30 лет. Выкачивание грунтовых вод приводит к оседанию почвы и зданий (Мехико, Бангкок) и понижению уровней подземных вод на десятки метров (Манила).

Поскольку численность населения на Земле беспрерывно увеличивается, то неустанно возрастают и потребности в чистой пресной воде. Уже сегодня недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, ещё недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20 % городского и 75 % сельского населения планеты.

Ограниченный запас пресных вод ещё больше сокращается из-за их загрязнений.

Главную опасность представляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные и бытовые). Последние, попадая в поверхностные и подземные источники вод, загрязняют их вредными токсическими примесями, опасными для здоровья человека, вследствие чего сокращаются и без того ограниченные резервы пресной воды. Человеку необходима чистая высококачественная пресная вода и лишь в его силах сохранить её резервы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Материалы научного журнала Nature за 2007 год

Проблема чистой воды . Природная вода - не только естественный ресурс огромной экономической ценности, но и один из важнейших компонентов экосистем, а для водных растений и животных - среда обитания.

Казалось бы, запасы воды на Земле неисчерпаемо велики. Однако на самом деле проблема количества и качества воды год от года приобретает все большую биоценотическую и экономическую остроту, причем вызвана она хозяйственной (а чаще бесхозяйственной) деятельностью людей.

Объем всей гидросферы Земли составляет 1 454 327 000 км 3 . Однако около 94% ее приходится на Мировой океан, 4,12% - на подземные воды, 1,64% -на ледники и всего приблизительно 0,5% -на озера, реки, почвенную влагу, водяные пары атмосферы. Следовательно, пресные воды представляют ничтожно малую часть общих водных ресурсов (рис. 158).

Рис. 158. Объем отдельных частей гидросферы Земли и связанной воды земной коры (включая воду живых организмов) (в тыс. км 3) (по: Благосклонов и др., 1967).

На речную воду, в которой мы особенно сильно заинтересованы, приходится менее одной миллионной части объема гидросферы. Очень важное ее свойство - высокая степень подвижности, способность быстро обновляться. Вода в руслах рек сменяется в среднем каждые 12 суток, или 30 раз в течение года.

Между тем, в прочих водоемах полный обмен осуществляется несравненно медленнее: в озерах примерно через 10 лет.

Весьма важно крайне неравномерное распределение воды на Земле. К тому же большая часть ее непригодна для использования растениями, животными, человеком. Между тем потребление воды нарастает из года в год, ибо современная промышленность требует огромного количества воды, не считая того, что расходует сельское хозяйство и население для собственных нужд. Отметим, например, что для изготовления 1 т бумаги требуется 36 т воды, для того же количества азотной кислоты - 300 т, синтетического волокна - 3500 т воды. Металлургический комбинат, вроде Магнитогорского, потребляет воды примерно столько же, сколько город с миллионным населением. Впрочем, надо иметь в виду, что, например, для производства 1 т зерна расходуется 500 т воды. Подсчитано, что к 1980 г. потребности в воде в Советском Союзе достигнут масштабов, почти равных устойчивому стоку наших рек. При этом промышленность и коммунальное хозяйство нуждаются обязательно в чистой воде, а некоторые отрасли - в столь чистой, какая имеется только в Байкале.

К сожалению, при столь большой потребности в воде, нередко она используется весьма нерационально. Так, в одной из оросительных систем Таджикистана фильтрация отнимает около 63% поступающей в нее воды.

Во многих странах уже сейчас ощущается дефицит пресной воды, возникают сложные технологические, экономические, а одновременно биогеоценологические проблемы. Ясно, что все они вместе взятые имеют непосредственное значение для живой природы и для человека. Вырубка лесов около рек и в их истоках, распашка склонов долин и пойм, спрямление русел, огульное осушение верховых моховых болот и другие недостаточно продуманные мероприятия резко отрицательно сказываются на состоянии рек и других пресных водоемов, вызывают их обмеление, снижение запасов и уровня грунтовых вод, пересыхание почв.

Количественный дефицит пресной воды усугубляется резким ухудшением ее качества вследствие сброса непосредственно в реки и озера, а также в грунтовые воды неочищенных или плохо очищенных промышленных, сельскохозяйственных и прочих стоков. В недавние годы в водоемы РСФСР ежегодно поступало 16 млрд м 3 сточных вод, из них очищенных только 4,5 млрд м 3 . Между тем известно, что каждый кубометр сточных вод заражает в 40-60 раз больший объем чистой воды.

Особенно опасны отходы химических и нефтеперегонных заводов. Даже их очистка не снимает полностью угрозу водоемам, так как самые совершенные способы обработки не дают полной гарантии; 10-20% наиболее стойких загрязнителей, в том числе все растворяющиеся в воде соли, остаются в сточных водах.

Большой сложностью отличается задача борьбы с попавшими в водоемы детергентами, т. е. моющими химическими веществами, используемыми в промышленности и домашнем хозяйстве. Они покрывают поверхность воды толстым слоем пены и с большим трудом поддаются разрушению.

Все эти отходы вызывают массовую гибель водных растений, беспозвоночных и рыб, делают воду непригодной для употребления. В конечном счете такие водоемы ждет трагическая участь североамериканского озера Эри, которое превратилось в мертвое озеро.

В последние 20-30 лет в водоемы поступает много отходов, содержащих соединения азота и фосфора. В результате наступает антропогенное евтрофирование таких водоемов, т. е. непомерное повышение продуктивности. Оно вызывается, главным образом, за счет смывания в водоемы химических удобрений с окрестных полей. Евтрофирование влечет усиленное развитие некоторых гидробионтов, в частности фитопланктона (что вызывает «цветение» воды), прибрежных зарослей, водорослей и др. Расширяется глубинная зона с анаэробным обменом, накоплением сероводорода, аммиака и т. д. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы и возникает дефицит кислорода. За всем этим следует гибель ценных видов рыб, вода становится непригодной не только для питья, но даже для купанья. В конечном счете, подобный евтрофированный водоем утрачивает свое и хозяйственное, и биогеоценотическое значение.

Борьба за чистую воду превратилась в одну из самых злободневных задач всего комплекса проблем охраны природной среды. Не вдаваясь в подробности, отметим некоторые основные способы. Наиболее эффективным из них надо признать категорический запрет спускать сточные воды в водоемы без предварительной очистки. К сожалению, подобная рекомендация в своем абсолютном выражении невозможна. Взамен ее высказывались, например, предложения спускать сточные воды не в водоемы. В некоторых южных районах предлагалось зимой собирать сточные воды в лиманы, а летом использовать их для полива полей. Однако полив необходим не везде и для него пригодны далеко не все виды сточных вод. Нельзя безоговорочно принять и совет накачивать сточные воды под большим давлением в подземные выработки, поскольку при этом возникает реальная опасность загрязнения артезианских вод, крайне необходимых для местных бытовых и производственных потребностей.

Поэтому остается самый обычный путь - очистка спускаемых вод физическими, химическими или биологическими способами. В качестве простейшего примера первых из них можно назвать так называемые нефтяные ловушки. В них примесь нефти в воде механически задерживается, осаждается и таким путем исключается из дальнейшего круговорота. Хорошие результаты приносит более сложный способ электрокоагуляции.

Значительно сложнее химическая очистка, при которой растворенные в воде вещества тем или иным путем выводятся в осадок, а затем удаляются с помощью отстаивания. Химическая очистка широко распространена, но далеко не всегда приводит к ожидаемому результату. В частности, не поддаются химической обработке остатки моющих средств, которые теперь в огромных количествах попадают через канализацию в водоемы.

Весьма перспективна биологическая и биохимическая очистка. Она состоит в том, что минерализацию вредных примесей осуществляют микроорганизмы. Процесс минерализации протекает либо в почве, либо в специальных водоемах, в условиях, близких к естественным или искусственно созданных. При этом применяются разные типы очистных сооружений. Раньше предпочтение отдавалось биологическим прудам, полям орошения, полям фильтрации, но так сточные воды очищаются очень медленно. Поэтому теперь чаще используются биологические фильтры и аэротенки. Последние имеют вид открытых сверху емкостей, где медленно движется сточная жидкость, обогащенная микроорганизмами.

Большое значение имеет постоянное совершенствование технологии производств с тем, чтобы свести к минимуму потери сырья, отходы производства и т. д. Весьма перспективно внедрение в фабрично-заводскую практику замкнутых циклов применения воды, когда вода, поступившая извне и использованная для изготовления продукции, не выбрасывается наружу, а проходит тщательную очистку и снова включается в технологический процесс на том же самом заводе. Этот прием позволяет достичь большой экономии в расходовании воды и избежать ее загрязнения за пределами предприятия. Он с успехом применяется на ряде наших предприятий, а также в других странах, особенно в Японии, где ощущается острая нехватка пресной воды.

В настоящее время несравненно энергичнее, чем в недавнем прошлом, ведется строительство и совершенствование очистных сооружений. К сожалению, они очень дорого стоят, медленно строятся и еще далеки от должной эффективности. До сих пор сплошь и рядом очистные сооружения вводятся в действие с большим опозданием, и окружающая среда испытывает серьезный ущерб от отходов промышленных предприятий и населенных пунктов.

В лесопромышленных районах заметный вред рекам, озерам и их фауне наносит неправильно организованный лесосплав. Особенно пагубно на водоемы действует молевой сплав, когда стволы сплавляют без предварительной сплотки, а так сказать россыпью. При этом многие бревна обсыхают по берегам или тонут, вода засоряется гниющей корой и отравляется выделяемыми из коры и древесины химическими веществами. В настоящее время молевой сплав запрещен, сплавные реки постепенно очищаются от скопившегося «топляка», и в конечном счете улучшается режим таких водоемов. Однако все эти мероприятия еще далеки от завершения и осуществляются слишком медленно.

Во время сильных дождей и в период таяния снегов в сельскохозяйственных районах происходит интенсивное смывание с полей в реки и озера минеральных удобрений и ядохимикатов, что приводит к заражению водоемов вредными химическими веществами. Кроме того, одновременно реки засоряются смываемыми с полей частицами почвы и соответственно мелеют. По данным Комитета по Десне, в одной только Брянской области ежегодно бурные потоки уносят массу земли порядка 3 млн кубометров. Конечно, в ней преобладают песок и глина, но вместе с тем - тысячи тонн плодородного слоя земли.

Защитой от этих явлений могут служить древесно-кустарниковые посадки в поймах, на склонах речных долин и в районе водосбора, а также сохранившиеся леса, требующие бережного к себе отношения. Благодаря им поверхностный сток резко сокращается, становится более равномерным в течение года, реки перестают мелеть и уровень воды в них приобретает большую устойчивость. Этому способствует также прекращение сплошной распашки пойменных земель и спрямления русел рек.

Особо стоит вопрос об охране Мирового океана и морей. Многие из этих акваторий служат местами бесконтрольного сброса всевозможных отходов. Известный путешественник Тур Хейердал, пересекая Атлантический океан, с тревогой наблюдал, что даже его центральные части чрезвычайно засорены всевозможными отбросами и отходами.

Океанские танкеры ежегодно перевозят сотни миллионов тонн нефти и различных нефтепродуктов. Жидким горючим пользуются многочисленные суда. Иногда у них недостаточно хорошо отрегулированы двигатели и какая-то часть горючего оказывается за бортом. В открытом море, несмотря на международные соглашения, нередко промывают свои опорожненные емкости танкеры, и нефть в больших количествах попадает в воду. Огромные беды приносят аварии гигантских супертанкеров, когда наружу извергается масса нефти, которая сплошным слоем покрывает поверхность воды и кромку берега и губит массу водных растений, беспозвоночных, рыб, морских птиц (рис. 159). При этом погибают даже многие наземные птицы, а позднее - их яйца.

Рис. 159. Черный турпан, погибающий от нефти. Фото Р. Родэ.

Безусловно, необходимо строжайшее соблюдение общепринятых правил в отношении мест и способов промывки танкеров и других судов. Специального внимания заслуживают разработка и совершенствование методов ускоренного и полного уничтожения вылившейся наружу нефти, особенно в случае катастроф супертанкеров.

Совершенно недопустимо, как то практикуют некоторые западные страны, затапливать в глубинах океана в контейнерах промышленные отходы, содержащие опасные яды, отравляющие и радиоактивные вещества. Рано или поздно и металлические, и железобетонные контейнеры разрушаются и их содержимое оказывается в воде. Между тем морская вода даже на самых больших глубинах постепенно вовлекается в течения и, будучи заражена ядовитыми отходами, становится чрезвычайно опасной для морских организмов и для людей, соприкасающихся с океаном и гидробионтами.

Воды на планете по-прежнему много, но доля пригодной для питья - стремительно сокращается.

На в однение в провинции Дарфур на юге Судана в 2005 году вызвало острую нехватку питьевой воды . И это со в сем не удивительно: хотя воды в избытке, для питья она не пригодна. Фото: WHO

Среди химических соединений, с которыми человеку приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вода, пожалуй, - самое привычное и в то же время самое странное. Её удивительные свойства всегда привлекали к себе внимание ученых, а в последние годы стали вдобавок и поводом для разнообразных околонаучных спекуляций. Вода - не пассивный растворитель, как принято считать, это активное действующее лицо в молекулярной биологии; при замерзании она расширяется, а не уменьшается в объеме, как большинство жидкостей, достигая наибольшей плотности при 4 °C. Пока никто из теоретиков, работающих над общей теорией жидкостей, не приблизился к описанию её странных свойств.

Отдельного упоминания достойны слабые водородные связи, благодаря которым молекулы воды образуют на короткое время довольно сложные структуры. Много шума наделала опубликованная в 2004 году в журнале Science статья Ларса Петтерсона (Lars Pettersson) и его коллег из Стокгольмского университета (Stockholm University). В ней, в частности, утверждалось, что каждая молекула воды связана водородными связями в точности с двумя другими. Из-за этого возникают цепи и кольца, длиной порядка сотен молекул. Именно на этом пути исследователи надеются найти рациональное объяснение странностей воды.

Но для жителей нашей планеты вода в первую очередь интересна не этим: без чистой питьевой воды все они просто вымрут, а доступность её с годами становится все более проблематичной. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в настоящее время 1,2 млрд. человек не имеют её в необходимом количестве, миллионы людей умирают ежегодно от болезней, вызванных растворенными в воде веществами. В январе 2008 года на Всемирном экономическом форуме ООН (World Economic Forum Annual Meeting 2008), проходившем в Швейцарии, утверждалось, что к 2025 году население более половины стран мира будет испытывать недостаток в чистой воде, а к 2050 году - 75%.

Проблема чистой воды надвигается со всех сторон: так например, ученые предполагают, что в ближайшие 30 лет таяние ледников (одни из основных запасов пресной воды на Земле) приведет к сильным скачкам в уровне многих крупных рек, таких как Брахмапутра, Ганг, Хуанхэ, что поставит полтора миллиарда жителей Юго-Восточной Азии под угрозу нехватки питьевой воды. При этом уже сейчас расход воды, например, из реки Хуанхэ настолько велик, что она периодически не достигает моря.

США, округ Чероки в о время засухи 2007 года. Фото (Creative Commons license): Mark N aka mjn9

Для того чтобы избежать водного кризиса, разрабатываются новые технологии очистки и дезинфекции воды, её опреснения, а также методы её повторного использования. Однако помимо научных изысканий необходимы действенные методы организации контроля над водными ресурсами стран: к сожалению, в большинстве государств использованием и планированием водных ресурсов занимается несколько организаций (так, в США этим заняты более двадцати разных федеральных агентств). Эта тема стала основной для номера от 19 марта этого года научного журнала Nature. В частности, Марк Шеннон (Mark Shannon) и его коллеги из университета Иллинойса в Эрбане–Шампейн (США) провели обзор новых научных разработок и систем нового поколения в следующих областях: дезинфекции воды и удаления патогенов без использования избыточного количества химических реагентов и образования токсичных побочных продуктов; обнаружение и удаление загрязняющих веществ в низкой концентрации; повторное использование воды, а также опреснение морской и воды из внутренних водоемов. Что немаловажно, эти технологии должны быть относительно недорогими и пригодными к использованию в развивающихся странах.

Тонкая зараза

Дезинфекция особенно важна в развивающихся странах Юго-восточной Азии и Субсахары: именно там патогены, живущие в воде, чаще всего становятся причиной массовых заболеваний. Наряду с болезнетворными организмами - такими, как гельминты (глисты), простейшие одноклеточные, грибы и бактерии, повышенную опасность представляют вирусы и прионы. Свободный хлор - самый распространенный в мире (а также самый дешевый и один из самых эффективных) дезинфектор - отлично справляется с кишечными вирусами, однако бессилен против вызывающих диарею криптоспоридий С.parvum или микобактерий. Ситуация осложняется и тем, что многие возбудители болезней живут в тонких биопленках на стенках водопроводных труб.

Новые эффективные методы дезинфекции должны состоять из нескольких барьеров: удаление с помощью физико-химических реакций (например, коагуляции, седиментации или мембранной фильтрации) и обезвреживание с помощью ультрафиолета и химических реагентов. Относительно недавно для фотохимического обезвреживания патогенов вновь стали использовать свет видимого спектра, а в некоторых случаях эффективно использование комбинирование УФ с хлором или с озоном. Правда, такой подход иногда вызывает появление побочных вредных веществ: например, от действия озона в воде, содержащей ионы бромида, может появиться канцероген бромат.

В Индии, где потребность в дезинфекции воды ощущается до в ольно остро, для этих целей применяется жавелевая вода. Фото: WHO

В развивающихся странах используется технология дезинфекции воды в бутылях из полиэтилена терефталата (PET) с помощью, во-первых, солнечного света, во-вторых, гипохлорида натрия (этот метод используется в основном в сельской местности). Благодаря хлору удалось снизить частоту желудочно-кишечных заболеваний, однако в областях, где в воде содержится аммиак и органический азот, метод не работает: с этими веществами хлор образует соединения и становится неактивен.

Предполагается, что в будущем методы дезинфекции будут включать действие ультрафиолета и наноструктур. Ультрафиолетовое излучение эффективно в борьбе с бактериями, живущими в воде, с цистами простейших, однако не действует на вирусы. Тем не менее ультрафиолет способен активировать фотокаталитические соединения, например, титана (TiO2), которые в свою очередь способны убивать вирусы. Кроме того, новые соединения, такие как TiO2 с азотом (TiON) или с азотом и некоторыми металлами (палладием), могут активироваться излучением видимой части спектра, на что требуется меньше затрат энергии, чем при облучение ультрафиолетом, или даже просто солнечным светом. Правда, подобные установки для дезинфекции имеют крайне небольшую производительность.

Другой важной задачей в очищении воды является удаление вредных веществ из нее. Существует огромное количество токсичных веществ и соединений (таких как мышьяк, тяжелые металлы, галогенсодержащие ароматические соединения, нитрозоамины, нитраты, фосфаты и многие другие). Список предположительно вредных для здоровья веществ постоянно растет, а многие из них токсичны даже в ничтожных количествах. Обнаружить эти вещества в воде, а потом удалить их в присутствии других, нетоксичных примесей, содержание которых может быть на порядок выше, - сложно и дорого. А кроме всего прочего, это поиск одного токсина может помешать обнаружению другого, более опасного. Методы мониторинга загрязняющих веществ неизбежно связаны с использованием сложного лабораторного оборудования и привлечением квалифицированного персонала, поэтому очень важно везде, где только возможно, находить недорогие и относительно простые способы идентификации загрязнений.

Важна здесь и своего рода «специализация»: например, триоксид мышьяка (As-III) раз в 50 токсичнее пентоксида (As-V), и поэтому необходимо измерять их содержание и вместе, и по отдельности, для последующей нейтрализации или удаления. Существующие же методы измерения или имеют низкий предел точности, или требуют квалифицированных специалистов.

Ученые считают, что перспективным направлением в разработке методов обнаружения вредных веществ является метод молекулярного распознавания (molecular recognition motif), основанном на использовании сенсорных реактивов (вроде знакомой со школы лакмусовой бумажки), вместе с микро- или нанофлюидным управлением (micro/nanofluidic manipulation) и телеметрией. Подобные биосенсорные методы можно применять и к болезнетворным микроогранизмам, живущим в воде. Однако в этом случае надо следить за наличием в воде анионов: их присутствие может нейтрализовать достаточно действенные - при других условиях - методы. Так, при обработке воды озоном бактерии гибнут, но если в воде находятся ионы Br-, происходит окисление до BrO3-, то есть один вид загрязнения меняется на другой.
Система обратного осмоса, применяющаяся в США: давление воды с той стороны синтетической мембраны, где находятся загрязнители, превосходит давление чистой воды с противоположной стороны. В соответствии с законами гидростатики, вода просачивается через мембрану, очищаясь до дороге.Фото (Creative Commons license): Fred aka fhemerick

В целом существует два способа борьбы с вредными веществами - влияние на микрозагрязнитель с помощью химических или биохимических реагентов, пока он не перейдет в неопасную форму, или его удаление из воды. Этот вопрос решается в зависимости от местности. Так, в колодцах в Бангладеш используют технологию фильтрации Sono, а на заводах в США - обратного осмоса (reverse osmosis), для решения одной и той же проблемы - удаления из воды мышьяка.

Система обратного осмоса, применяющаяся в США: давление воды с той стороны синтетической мембраны, где находятся загрязнители, пре в осходит давление чистой воды с проти в оположной стороны. В соответствии с законами гидростатики, вода просачивается через мембрану, очищаясь до дороге.Фото (Creative Commons license): Fred aka fhemerick

В настоящее время органические вредные вещества в воде стараются посредством реакций превратить в безобидные азот, углекислый газ и воду. Серьезные анионные загрязнители, такие как нитраты и перхлораты, удаляют с помощью ионообменных смол и обратного осмоса, а токсичные рассолы сливают в хранилища. В будущем, возможно, будут использоваться биметаллические катализаторы для минерализации этих рассолов, а также активные нанокатализаторы в мембранах для трансформации анионов.

По вторное использование воды

Сейчас специалисты по охране природы самозабвенно мечтают о повторном использовании промышленных и городских сточных вод, предварительно доведенных до качества питьевой воды. Но в этом случае приходится иметь дело с огромным количеством всевозможных загрязнителей и патогенов, а также органических веществ, которые должны быть удалены или трансформированы в безвредные соединения. Следовательно, все операции удорожаются и усложняются.

Городские сточные воды обычно проходят обработку в очистных сооружениях, в которых во взвешенном состоянии находятся микробы, удаляющие органику и остатки пищевых веществ, а потом в отстойных резервуарах, где происходит разделение твердых и жидких фракций. Воду после такой очистки можно сбрасывать в поверхностные водоемы, а также использовать для ограниченного полива и на некоторые заводские нужды. В настоящее время одна из активно внедряемых технологий - мембранные биореакторы (Membrane Bioreactor). Эта технология сочетает использование взвешенной в воде биомассы (как в обычных очистных сооружениях) и водных микро- и ультратонких мембран вместо отстойников. Воду после МБР можно свободно использовать для ирригации и для заводских нужд.

МБР также могут принести большую пользу в развивающихся странах с плохой канализацией, особенно в быстрорастущих мегаполисах: они позволяют обрабатывать непосредственно сточные воды, отделяя из них полезные вещества, чистую воду, азот и фосфор. МБР используют также как предварительную обработку воды для обратного осмоса; если же потом обработать её УФ (или фотокаталитическими веществами, реагирующими на видимый свет), то она будет пригодна для питья. В будущем, возможно, системы для «повторного использования воды» будут состоять только из двух этапов: МБР с нанофильтрационной мембраной (что избавит от необходимости этапа обратного осмоса) и фотокаталитического реактора, который послужит преградой для патогенов и уничтожит органические загрязнители с малой молекулярной массой. Правда, одной из серьезных преград является быстрое засорение мембраны, и успех развития этого направления очистки воды во многом зависит от новых модификаций и свойств мембран.

Немалую преграду составляют и законы об охране окружающей среды: во многих странах строго запрещено повторное использование воды для коммунальных нужд. Однако из-за недостачи водных ресурсов меняется и это: так, в США повторное использование воды ежегодно возрастает на 15%.

Без соли

Увеличить запасы пресной воды с помощью опреснения вод морей, океанов и засоленных внутренних водоемов - очень соблазнительная цель, ведь эти запасы составляют 97,5% всей воды на Земле. Технологии опреснения шагнули далеко вперед, особенно за последнее десятилетие, однако до сих пор они требуют много энергии и капиталовложений, что сдерживает их распространение. Скорее всего, доля крупных установок по опреснению воды традиционным (термальным) способом уменьшится: они расходуют слишком много энергии и сильно страдают от коррозии. Предполагается, что будущее за небольшими системами опреснения, рассчитанными на одну или несколько семей (это касается в основном развивающихся стран).

Опреснительная станция. Подобные сооружения пока не часто в стретишь - они довольно дороги. Но сомневаться не приходится: со временем их будет становиться все больше. Фото (Creative Commons license): Tom Arthur

Современные технологии опреснения используют мембранное разделение с помощью обратного осмоса и температурную дистилляцию. Сдерживающими факторами для развития опреснения являются, как уже было сказано, высокое потребление энергии и эксплуатационные расходы, быстрое загрязнение мембран установок, а также проблема утилизации соляного рассола и присутствие в воде остатков загрязнителей с низким молекулярным весом, например, бора.

Перспективность исследований в этом направлении определяется прежде всего снижением удельных затрат энергии, и тут определенный прогресс налицо: если в 1980-х годах они в среднем составляли 10 кВт·ч/м3, то в настоящее время они сократились до 4 кВт·ч/м3. Но есть и другие важные успехи: создание новых материалов для мембран (например, из нанотрубок из углерода), а также создание новых очистных биотехнологий.

Остается надеяться, что в ближайшие годы наука и технологии действительно сильно шагнут вперед - ведь даже оставаясь пока для многих почти незаметным, призрак водного кризиса давно уже бродит не только по Европе, но и по всему миру.

Ученые всего мира говорят о том, что в мире все острее ощущается нехватка пресной воды. Но как же так получается? Ведь, по логике, в природе существует круговорот воды, а значит, теоретически, количество воды на планете не меняется.

Тем не менее, проблема пресной воды существует. Но чтобы решить ее нужно не так уж и много. Если бы каждый человек на планете придерживался в быту простых правил экономии воды, проблема ее нехватки ощущалась бы не настолько остро. Но экономить должны не только люди, но и предприятия. Ученые подсчитали, что за XX столетие потребление пресной воды увеличилось в семь раз, тогда как население планеты выросло всего втрое. Причина этого – стремительный рост промышленности. Если бы предприятия использовали в производстве воду более экономно, строго следя за утечками и порывами, максимально очищая воду и возвращая назад в природу, проблема нехватки воды исчезла бы как минимум на сотню лет.

Каждый человек может внести свой посильный вклад в экономию воды. Для этого не нужно прилагать много усилий. Просто следуйте правилам, приведенным в этой статье.

«Вечный двигатель»

Вода на Земле – уникальна. Ведь только это вещество находится на нашей планете одновременно в трех своих ипостасях: в жидком, твердом и газообразном виде. Более того, вода постоянно пребывает внутри цикла, который носит название «круговорот воды в природе». Таким образом, вода на Земле постоянно используется повторно.

Круговорот воды в природе выглядит очень просто. Солнце нагревает воду в реках, озерах, океанах, и превращает ее в пар. Вода также испаряется и из почвы, листьев деревьев и других мест. Пар поднимается в воздух и конденсируется в виде облаков. Интересно, что облака состоят из мелких капель воды. Когда эти капли становятся тяжелые и уже не могут удерживаться в воздухе – они проливаются на землю в виде дождя. Если на то время температура воздуха минусовая – то в виде града или снега. Дождевая вода насыщает водой землю, реки, озера, моря, океаны и другие водоемы. Часть воды просачивается под верхний слой почвы и образует так называемые подземные воды – водоносные горизонты. После этого цикл круговорота воды начинается сначала.

Сколько в мире воды?

Ученые подсчитали, что около 75% поверхности нашей планеты покрыто водой. Объем Мирового океана составляет 1,3324 млрд. кубических метров воды. Но только 1% от общего объема воды на Земле доступен для использования людьми. Остальное – это или соленая вода морей и океанов, либо же замороженная в полярных ледниках, в ледовых шапках гор.

Интересно, что количество воды на Земле относительно статично. Более того, в процессе круговорота вода очищается. Ведь испаряется пар, то есть пресная вода без примесей. Возникает вопрос: если вода с Земли никуда не девается, а просто проходит цикл кругооборота и, тем более, очищается при этом, то почему ее все меньше? Почему о проблеме нехватки пресной воды так много говорят? Почему экологи призывают беречь воду? Ответ прост – люди используют запасы пресной воды быстрее, чем природа может пополнить их естественным путем. Кроме того, технический прогресс и увеличение количества людей на Земле приводит и к увеличению использования воды. Подсчитано, что потребление воды возрастает на семь процентов каждый год. Вместе с тем, пресная вода распределена на планете неравномерно, и для многих людей она является не просто «удобством», а очень дефицитным и необходимым веществом. Более того, от нехватки пресной воды страдают не только люди, но и рыбы и другие животные. У них нет краника, из которого течет вода. А интенсивное использование воды из рек и других водоемов приводит к снижению их уровня и даже пересыханию.

Помоги себе сам

Используя воду мудро, мы помогаем природе, а значит и себе. Если мы экономим воду, - значит мы меньше ее потребляем и больше воды остается в скважинах, реках или других местах, откуда ее добывают для наших нужд. Если мы экономим воду – мы экономим энергию. Ведь поставщику воды нужно будет тратить меньше энергии для подачи воды в наш дом и для дальнейшего очищения стоков. Сократив использование горячей воды, мы экономим вдвойне – не расходуем энергию на ее нагревание. И стоит ли говорить, что экономя воду, мы экономим, прежде всего, наши деньги. Которые можно будет потратить на другие нужды.

Ученые подсчитали, что средний человек в обычной стране, где вода доступна, использует около 200 литров воды в день. При этом, например, в США эта цифра составляет 280 литров, а в Германии – 140 литров. В мегаполисах воды потребляется намного больше, чем в маленьких городах и селах. К примеру, в Москве в среднем один человек потребляет до 400 литров воды в сутки. На самом деле это очень много. Особенно если посмотреть, как обычно люди используют воду.

Для нормальной жизнедеятельности организма каждому человеку нужно выпивать около 2-3 литров жидкости в сутки. Но куда же деваются оставшиеся 197 литров? Воду человек тратит еще и на посещение туалета, принятие ванной и душа, для стирки одежды, для мытья рук, для мытья посуды, приготовления пищи, для уборки и других нужд. А еще вода, которую якобы использует человек – на самом деле не используется. Она расходуется в виде разного рода утечек.

Как же сэкономить воду?

Есть несколько очень простых, но и очень эффективных способов экономии воды.

1. Мытье рук. Известно, что для мытья рук необходима вода. Но во время их намыливания вода просто течет из крана и не используется. Чтобы она не растрачивалась, после того, как вы намочили руки, нужно сначала выключить воду, а потом уже брать мыло. Но многие возразят, что откручивать кран мыльными руками не удобно. Возможно, но для удобства созданы и краны с рычагом, а также краны с детекторами движения, которые автоматически перекрывают воду, если вы убрали руки.

2. Чистка зубов. Если вы выключите воду, когда будете чистить зубы, вы сэкономите не менее 4 литров воды в минуту. Учитывая то, что на процесс чистки зубов уходит 2-3 минуты, то это 8-12 литров только за один раз! Простая математика поможет подсчитать, что если вы прислушиваетесь к советам стоматолога и чистите зубы два раза в сутки, то просто выключая воду в процессе чистки вы экономите как минимум 16 литров воды в сутки. В месяц это получается 480 литров воды!

3. Мелкий мусор. Мы экономим воду также и тогда, когда не засоряем унитаз! Лучше выбросить бумагу, насекомых, волосы и другой мелкий мусор в мусорное ведро, а не спустить в унитаз. Таким образом вы уменьшаете нагрузку на очистительную систему стоков.

4. Мытье посуды. Пора вступать в «общество чистых тарелок»! Ведь чем чище тарелка, тем меньшее колличество воды расходуется на ее мытье. Также более экономно мыть посуду при помощи посудомоечной машины, а не вручную. Конечно, если ею пользоваться при полной загрузке.

5. Купание. Реже принимайте ванную. Но и принимая душ, сократите напор воды. Таким образом вы сможете сэкономить до 1000 литров воды в месяц!

6. Утечки и порывы. Проверьте свои краны и трубы на наличие утечек и если таковые обнаружились – избавьтесь от них. Даже через небольшие утечки может расходоваться до 300 литров воды в месяц!

К стати, небольшая утечка в унитазе может стоить вам около 600 литров воды в месяц! Поэтому проверьте, свой унитаз на предмет малейших утечек. Они не всегда заметны, но есть простой способ их обнаружить. Снимите крышку бачка и добавьте в воду пищевой краситель. Подождите несколько минут. И если чаша унитаза окрасится, - значит протечка есть и ее необходимо немедленно ликвидировать.

7. Стирка. Стирать также нужно уметь. Убедитесь, что ваша одежда действительно грязная, прежде чем положить ее в корзину для белья. Стирайте только при полной загрузке машинки и по возможности используйте экономные режимы стирки.

8. Полив растений. Если у вас есть сад, огород или газон возле дома, не поливайте его каждый день. Растения хорошо себя чувствуют и при поливе раз в 3-5 дней. Также следите за тем, что вы поливаете именно растения, а не тротуар, забор, дорожки и... соседей или прохожих.

9. Уборка. Соблазн смыть грязь с пола, лестниц, крыльца или террасы просто сильным напором воды велик. Но воздержитесь от него и воспользуйтесь метлой или веником, а потом промойте при помощи швабры.

А если вам необходимо помыть автомобиль, - перекройте воду в шланге, когда будете намыливать машину. Так вы сэкономите свыше 100 литров воды.

Что дальше?

Во всем мире ученые прорабатывают различные варианты того, как более эффективно использовать воду, как избежать ее утечек и свести к нулю нерациональное использование. Пока что большинство из них склоняется к тому, что наилучшим способом экономить воду для бытовых нужд является отказ от ее централизованной подачи. В Китае, Испании, Бразилии и некоторых других странах уже реализуются проекты создания частных систем водоснабжения. Ожидается, что это сократит потребление воды больше чем на половину - до 90-120 литров на человека в сутки.

Некоторые страны, которые имеют непосредственный выход к морю или океану, внедряют проекты по опреснению соленой воды. Особенно активно опресняют воду в странах Персидского залива. На данный момент опреснение обходится от 2,5 до 4,5 $ за один кубический метр пресной жидкости. Но экологи предупреждают – массовое опреснение воды – не выход. Ведь это может привести к нарушению экологического баланса в морях и океанах.

Поэтому, прежде чем включить кран, задумайтесь – а действительно вам необходимо расходовать воду именно здесь и сейчас?

ВВЕДЕНИЕ

Можно, пожалуй, сказать, что

назначение человека как бы

заключается в том, чтобы

уничтожить свой род,

предварительно сделав земной шар

непригодным для обитания.

Ж.-Б. Ламарк

Когда-то люди довольствовались водой, которую они находили в реках, озерах, ручьях и колодцах. Но с развитием промышленности и ростом населения появилась необходимость гораздо тщательнее управлять водоснабжением, чтобы избежать вреда для здоровья человека и ущерба окружающей среды.

Прежде неисчерпаемый ресурс - пресная чистая вода - становиться исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира. Уже сейчас из-за диоксинового загрязнения водоемов в России ежегодно погибает 20 тыс. человек.

Выбранная мною тема в настоящее время актуальна как никогда, ведь если не мы, то уж наши дети точно ощутят в полной мере влияние антропогенного загрязнения окружающей среды. Однако, если во время распознать проблему и следовать путям её решения, то экологической катастрофы можно избежать.

Цель данной работы - познакомиться с проблемой чистой воды как с глобальной экологической проблемой. Существенное внимание при этом будет уделяться причинам, экологическим следствиям и возможным путям решения данной проблемы.

Суть проблемы чистой воды

Среди химических соединений, с которыми человеку приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вода, пожалуй, -- самое привычное и в то же время самое странное. Её удивительные свойства всегда привлекали к себе внимание ученых, а в последние годы стали вдобавок и поводом для разнообразных околонаучных спекуляций. Вода -- не пассивный растворитель, как принято считать, это активное действующее лицо в молекулярной биологии; при замерзании она расширяется, а не уменьшается в объеме, как большинство жидкостей, достигая наибольшей плотности при 4 °C. Пока никто из теоретиков, работающих над общей теорией жидкостей, не приблизился к описанию её странных свойств.

Отдельного упоминания достойны слабые водородные связи, благодаря которым молекулы воды образуют на короткое время довольно сложные структуры. Много шума наделала опубликованная в 2004 году в журнале Science статья Ларса Петтерсона (Lars Pettersson) и его коллег из Стокгольмского университета (Stockholm University). В ней, в частности, утверждалось, что каждая молекула воды связана водородными связями в точности с двумя другими. Из-за этого возникают цепи и кольца, длиной порядка сотен молекул. Именно на этом пути исследователи надеются найти рациональное объяснение странностей воды.

Но для жителей нашей планеты вода в первую очередь интересна не этим: без чистой питьевой воды все они просто вымрут, а доступность её с годами становится все более проблематичной. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в настоящее время 1,2 млрд. человек не имеют её в необходимом количестве, миллионы людей умирают ежегодно от болезней, вызванных растворенными в воде веществами. В январе 2008 года на Всемирном экономическом форуме ООН (World Economic Forum Annual Meeting 2008), проходившем в Швейцарии, утверждалось, что к 2025 году население более половины стран мира будет испытывать недостаток в чистой воде, а к 2050 году -- 75%.

Проблема чистой воды надвигается со всех сторон: так например, ученые предполагают, что в ближайшие 30 лет таяние ледников (одни из основных запасов пресной воды на Земле) приведет к сильным скачкам в уровне многих крупных рек, таких как Брахмапутра, Ганг, Хуанхэ, что поставит полтора миллиарда жителей Юго-Восточной Азии под угрозу нехватки питьевой воды. При этом уже сейчас расход воды, например, из реки Хуанхэ настолько велик, что она периодически не достигает моря.