Состояние водоемов сегодня
Каждый водоем — это сложная экологическая система, которая способна самостоятельно очищаться и обновляться. Но негативные внешние факторы, такие как загрязнение в результате человеческой деятельности, нарушают это равновесие.
После того, как мы пользуемся водой в быту, она попадает в Мировой океан. В этой цепочке самое важное — вернуть природе максимально очищенную после использования воду. Но баланс не всегда соблюдается — и качество воды в реках и морях постепенно падает.
Очевидная проблема, о которой давно говорят, — загрязнение Мирового океана пластиком, но есть еще одна — его закисление сточными водами, насыщенными химикатами и вредными микроорганизмами, и изменение качества воды. Средний уровень pH океана составляет 8,1 — это примерно на 30% кислее, чем в доиндустриальные времена.
Больше всего от загрязнений страдают водоемы Азии из-за урбанизации и перенаселения. Среди рек самые грязные в мире — Янцзы в Китае и Ганг в Индии. Основные причины — большая плотность населения и огромное количество промышленных и бытовых стоков.
В России самая грязная вода зафиксирована в реках, которые испытывают наибольшую нагрузку от деятельности человека: из крупных это Обь, Волга и Дон. Среди регионов первое место по количеству высоких загрязнений водоемов в 2023 году заняла Свердловская область. Самые грязные реки находятся в бассейне Оби — Тальтия, Черная и Ольховка.
Загрязнение не всегда связано с мусором и сточными водами, также среди причин — естественное старение водоема, климатические изменения, заболачивание.
Технологии мониторинга
Чистоту водоемов регулярно отслеживают и контролируют на государственном уровне. В России самый распространенный способ — ручной забор воды и лабораторные исследования на предмет загрязняющих веществ. Это утвержденные методики, которые берут начало с советских времен.
Как рассказывает Игорь Шкрадюк, координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы, делать это могут только аккредитованные лаборатории Росгидромета и Роспотребнадзора. Но, признает эксперт, метод устаревший и имеет другие недостатки. Например, если у жителей возникнут вопросы к качеству воды, или они заметят несанкционированные токсичные сбросы, и они сами возьмут пробы и принесут в лабораторию, — результаты таких проб суд может не признать. А официальные регулярные пробы проводят редко.
Игорь Шкрадюк:
«Большая трудность в том, что проверить результаты официального мониторинга качества воды очень сложно и затратно. Пробы воды берут всего раз в квартал, плюс перечень загрязняющих веществ, которые измеряются, далеко не полон. Лаборатории учитывают примерно одну тысячную от всех загрязняющих веществ. Например, в угольной пыли измеряют только уровень бензапирена, а там есть еще другие вещества, которые оседают на дне, и этим питается рыба и другие водные обитатели».
Поэтому есть второй метод мониторинга — тестирование с помощью биоиндикаторов. Это проверка выживаемости микроорганизмов, водорослей, рачков, рыб, улиток в пробах воды. Такой метод также применяется в официальных лабораториях Росгидромета для определения уровня токсичности воды.
Приборы и методы, которые используют в лабораториях:
- Турбидиметр — измеряет мутность воды;
- Хроматограф — служит для анализа содержания в пробе органических и неорганических веществ, включая пестициды, гербициды, растворители и летучие органические соединения;
- pH-метр — измеряет уровень кислотности или щелочности воды;
- Кондуктометр — измеряет электрическую проводимость воды, уровень растворенных солей и других ионов;
- Диссолвиметр — измеряет концентрацию растворенного кислорода;
- Спектрофотометр — используется для анализа концентрации химических веществ и загрязнителей;
- Лабораторные анализаторы — выполняют детальные химические и биологические анализы проб;
- Тесты и методы ПЦР для определения содержания патогенных микроорганизмов, бактерий и вирусов.
Также в последние годы появился новый метод — с использованием селективных датчиков. Как рассказывает Шкрадюк, это небольшие датчики, которые находятся в воде и реагируют на загрязняющие вещества. Они собирают данные о качестве воды и передают их в специальные центры мониторинга. Например, в США селективные датчики используют в рамках программ Агентства по охране окружающей среды. В Европе ученые работают над проектом IBAIA — внедряют сенсорные модули для обнаружения в водоемах микропластика, химикатов, солей и тяжелых металлов.
В России, по словам эксперта, сейчас это направление сильно отстает из-за санкций и дефицита импортных запчасттей: отечественное производство микроэлектроники направлено на военные нужды.
Технологии очистки сточных вод
Основной источник загрязнения водоемов — сточные воды, которые образуются при бытовой и производственной деятельности человека. Использованная вода идет в канализацию, а затем на очистные сооружения. Там из стоков удаляют загрязнения перед сбросом в водоем.
Процесс состоит из нескольких этапов, они идут друг за другом. Первые три — механические:
- смешивание стоков воды из разных источников;
- фильтрация от крупных частиц мусора с помощью сеток и фильтров;
- отстаивание;
- биологический этап — брожение. Оно может быть анаэробное (с микроорганизмами) и аэробное (с помощью воздуха);
- химический этап — дезинфекция хлором, ультрафиолетом или азотом. Этот этап необходим, если сточные воды будут использовать повторно или сбрасывать в водоемы.
«Некоторые вещества (например, в стоках гальванических производств) требуют специальных методов очистки. Немногие предприятия используют отдельные методы очистки для сточных вод разного типа, но, как правило, большую часть стоков просто смешивают. Основной недостаток такой схемы очистки — низкая интенсивность и неселективность (неизбирательность. — «РБК Тренды»). Эффективнее всего удалять загрязняющие вещества от специфических производств на ранней стадии, когда конкретные вещества загрязняют небольшой объем стоков, чем после смешивания с остальной массой стоков. Например, лучше очищать порознь стоки автомойки и жилых домов», — комментирует эколог.
В мире набирает популярность анаэробный метод очистки воды без доступа к кислороду. Он основан на том, что специально отбранные микроорганизмы перерабатывают органические соединения в метан и воду. Метан, выделяемый в процессе, можно использовать как источник энергии. Этот способ используется для очистки бытовых сточных вод, а также в тех промышленных отраслях, где сточные воды имеют высокую концентрацию органики: например пищевой и целлюлозно-бумажной.
«В некоторых странах такие установки ставят возле дома. Они могут обслуживать целый квартал и перерабатывать бытовые, канализационные стоки от нескольких домов. На выходе будет технически чистая вода, которая подойдет, например, для полива. Сейчас такая обработка проходит быстро, примерно за сутки. И еще большой плюс в том, что установка герметична, а значит, рядом с ней нет неприятного запаха», — рассказывает Шкрадюк.
Есть и несколько новых методов. Они имеют большой потенциал, поясняет эксперт, но пока только развиваются и используются точечно:
- очистка с помощью ионообменных смол для уменьшения жесткости воды. В процессе удаляются ионы кальция и магния и заменяются на более мягкие ионы натрия. Метод применяется в бытовых фильтрах, а также для очистки воды на химическом, металлургическом и тяжелом производстве;
- применение сорбентов. Это процесс удаления загрязняющих веществ из воды с использованием материалов, которые поглощают или удерживают на поверхности молекулы загрязнений. Метод используют на некоторых производствах в металлургической и атомной промышленности, а также в бытовых фильтрах;
- плазменная очистка. Плазма способна уничтожать сложные токсины, бактерии и вирусы. В воду подают электроэнергию, образуется тлеющий разряд, плазма которого уничтожает микроорганизмы и ядовитые соединения. Пока эта технология мало известна, но в будущем может активно применяться как в быту, так и на производствах.
Новая разработка: нанопорошок из минерала
В апреле 2024 года ученые московского Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН предложили новый способ, позволяющий превратить синтетический аналог минерала гидроксиапатита в катализатор для очистки нефти, почвы и воды от загрязняющих веществ.
Гидроксиапатит — это соединение кальция, фосфора, кислорода и водорода. Он может образовывать пористую структуру и поглощать загрязнения. Но сам по себе гидроксиапатит почти не способен участвовать в химических реакциях.
Ученые ввели в структуру минерала остатки молибденовой кислоты. Получившийся порошок стал сорбентом и начал поглощать химические вещества.
Как рассказала в интервью «Известиям» руководитель проекта, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМЕТ РАН Маргарита Гольдберг, такой подход поможет упростить получение материалов для очистки нефти и расщепления загрязнителей в воде и почве.
«В дальнейшем мы планируем исследовать каталитическую активность таких материалов для разных процессов «зеленой химии», например, для окисления бензилового спирта и глицерина при мягких условиях. Интересно, что ионы молибдена могут усиливать каталитические сорбционные свойства материалов. Поэтому исследование российских ученых может иметь практическое значение и применяться в будущем для очистки и реабилитации территорий. Но его использование зависит от возможности внедрения технологии в промышленных масштабах», — рассказала эксперт.
Игорь Шкрадюк отметил, что если этот метод очистки сточных вод в будущем внедрят для очистки стоков рудников и металлургических комбинатов Урала, уральские реки станут намного чище.