Мы уже описывали путь, который преодолевает речная вода на пути в наши стаканы, превращаясь из приготовленного природой «биохимического супа» в важнейший напиток человечества. Однако чтобы и в будущем сохранить пресноводные ресурсы, нам нужно бережно относиться к той воде, которую сам человек превращает в «суп», прежде чем вернуть её в реки после использования в быту, промышленности и сельском хозяйстве. Рассказываем, почему это важно, что́ загрязняет реки и какие новые технологии помогают их очистить и сохранить.

Цель № 6: Почему нам важно сохранить воду

В 2015 году 193 государства-члена ООН поставили перед собой 17 целей устойчивого развития, которые нужно достичь до 2030 года, чтобы «улучшить благосостояние и защитить нашу планету». Круг задач широкий — от ликвидации нищеты до мира во всем мире. Не первой, но и отнюдь не 17-й целью признали «обеспечение доступа к безопасным водным ресурсам и санитарии для всех» (цель № 6). Почему человечество озаботилось этим?

По данным ООН, более 40% населения планеты страдает от нехватки воды. Около 1,8 млрд человек используют источники питьевой воды, заражённые фекальными бактериями. Причина тому — активное загрязнение водоёмов, потому что 80% жидких отходов сбрасываются без какой-либо очистки. Последствия исчисляются миллионами смертей ежегодно и процентами ВВП огромных континентов типа Африки и населённых стран, таких как Индия. Как это происходит?

Грязная диффузия: что и как портит реки

Самые распространённые типы загрязнения — химическое и бактериальное. Химическое происходит через диффузию — взаимное проникновение молекул одного вещества в другое с последующим выравниванием его концентрации по всем объёму. Бактериальное же предполагает попадание в экосистему реки не свойственных ей микроорганизмов либо аномальное размножение имеющихся.

Практически все виды человеческой деятельности так или иначе вредят бассейнам рек. Бытовые сточные воды, производство, загрязнённые атмосферные осадки, сельское хозяйство, судоходство, энергетика. Какие загрязнители в этом участвуют?

Нефть и нефтепродукты. Хотя в основном нефть транспортируют морем, реки также нередко подвергаются нефтяному загрязнению. При розливе этого жидкого ископаемого сначала образуются так называемые слики — пятна на водной поверхности. Для этого много нефти не нужно — одна тонна может загрязнить 12 кв. км акватории. Затем часть выброса испаряется (примерно 30%), а другая вымывается (ещё 30%). Оставшуюся массу называют «шоколадным муссом» — это стойкая эмульсия повышенной вязкости, в которой гибнет всё живое.

Радиация. Заражение рек радионуклидами чаще всего происходит из-за стока промышленных вод соответствующих производств. К примеру, в России уже более полувека постоянному радиоактивному заражению подвергается река Теча в Челябинской области. Производственное объединение «Маяк» даже построило в бассейне этой реки каскад искусственных водоёмов, где отстаивается вода с радиоактивными выбросами. Изотопы радиоактивных элементов накапливаются в грунте, растениях и живых организмах, вызывая лучевую болезнь.

С 1949 года в реку Теча регулярно происходил сброс ядерных отходов. Источник: Ecodefense/Heinrich Boell Stiftung Russia/Slapovskaya/Nikulina

Детергенты или, говоря проще, — моющие вещества. Они очень токсичны и устойчивы к биологическому разложению. Иногда детергенты образуют на поверхности рек слой пены до 1 м в ширину. Моющие средства наиболее опасны для молодой рыбы и водорослей.

Тяжёлые металлы. Ртуть, свинец, цинк, хром, олово и другие металлы этой группы попадают в речные воды также чаще всего с промышленных производств. Тяжёлые металлы и их соединения накапливаются в организме речных животных, вызывая болезни.

Тепловое загрязнение. Реке может вредить чистая, но нагретая вода. Чаще всего её источники — тепловые и атомные электростанции. Тёплая вода усиливает испарение, увеличивает минерализацию, способствует интенсивному росту водной растительности и микроорганизмов, распространению патогенов и вирусов.

Стоки животноводства. Из-за экономической выгоды чаще всего животноводческие комплексы располагают недалеко от рек и озёр. Ежесуточно на крупной ферме образуются 1 тонна навозной жижи. Попадание в воду такой смеси приводит к распространению патогенов и паразитов.

Балластные воды судов. Для сохранения устойчивости речные суда и суда класса река-море забирают из реки или моря воду, а затем сбрасывают этот балласт вместе с накопившейся грязью, в том числе и нефтепродуктами.

Лесосплав. Сплав древесины по рекам засоряет воду корой и другими фрагментами деревьев. Они разлагаются, поглощают кислород и выделяют фенольные вредные вещества. Помимо этого, часто вырубаются кустарники, мешающие сплаву, что приводит к эрозии и заиливанию русла рек.

Бороться с этими и другими загрязнителями, а также улучшать экологию рек помогает экономия, внедрение менее вредных веществ в производство, умный гидромониторинг, микробы и даже скорлупа грецкого ореха.

Ореховая скорлупа и бактерии-нефтееды: как чистят сточные воды на Московском НПЗ

Прежде всего сохранять речную и пресную воду помогает её экономия. Ни одно производство без воды не обходится, поэтому важно, во-первых, применять уже изъятые у природы ресурсы вторично, и, во-вторых, возвращать их обратно в нормальном состоянии.

Хорошо это получилось у Московского НПЗ, на котором в 2017 году был внедрён комплекс «Биосфера». Новая система очистки позволила в 2,5 раза сократить потребление речной воды и в 3 раза снизила объем сточных вод с нефтеперерабатывающего гиганта. Как?

«Биосфера» состоит из двух блоков очистки — физико-химического и биологического. В первом блоке сточные воды НПЗ сначала попадают в сектор предварительной очистки, где удаляются механические примеси. Затем вода проходит сепараторы, флотаторы — специальные резервуары, в которых к воде добавляют вещества, способствующие всплытию грязи и примесей, — и фильтры с ореховой скорлупой, хорошо абсорбирующей нерастворимые вещества. Отсюда вода попадает в блок дополнительной очистки, оборудованный десятью фильтрами с активированным углём.

Затем водный поток чистят ветром, точнее методом напорной флотации, при котором на водяную смесь направляется мощный поток воздуха. Он создаёт воздушные пузыри, которые, поднимаясь на поверхность, подхватывают примеси и нефтепродукты. Отсюда вода перетекает в центральную часть системы — мембранный биореактор, удаляющий органику, а также азот и фосфор. Здесь сточные воды смешиваются с илом, который предварительно был населён специальными бактериями, способными поглощать остатки нефтепродуктов. Чтобы избавиться от самого ила, вода проходит через мембраны с шириной пор тоньше человеческого волоса. Теперь жидкость готова к обратному осмосу — поток проходит через мембрану, состоящую из ячеек размером с молекулу H₂O.

В результате получается на 99,9% чистая вода, которую не стыдно не только вернуть в бассейн Москвы-реки, но даже пить. Хотя есть одно «но»: это дорого.

Генерируй & Очищай: как улучшить экономику очистки

Очистка воды — это всегда поиск баланса между качеством результата и его ценой. Системы, подобные «Биосфере» Московского НПЗ, стоят недёшево: в проект вложено 9 млрд рублей. Более того, сам процесс очистки энергозатратный. И если у нефтяников и денег, и электричества много, то у других потребителей речных вод — а это в основном аграрии, пищепром, бумажное производство, муниципальные власти — дела с этим обстоят иначе. И тут обширные знания о том, как превратить сточные воды в сырье для самостоятельной выработки электроэнергии, есть у Toshiba.

Обычно для очистки используются аэробные микроорганизмы, которым для жизни нужен кислород. Такой способ сопряжён с высокими расходами. Вместе этого мы используем биореактор населённый анаэробами, способными использовать для жизни другие вещества. Попадая в реактор, сточная вода очищается от органических примесей флотацией при низком давлении. При этом в отсутствие кислорода анаэробные бактерии разлагают органические загрязнители. Результатом их пиршества становится вода, метан и углекислый газ, а также радикальное снижение биохимического и химического потребления кислорода (основные критерии загрязнённости воды — уровни БПК и ХПК).

Сгенерированный реактором биогаз при этом можно использовать как источник электричества, тепла или (в будущем) биотоплива для заправки автомобилей или генераторов.

Базовая система метанового брожения. В зависимости от характера сточных вод БПК может быть снижено на 80–95%, а ХПК — на 60–80%. Источник: Toshiba

Система адаптируется практически под любые стандарты допустимой биологической загрязнённости реки, которые могут отличаться в разных странах. Для этого достаточно увеличивать или уменьшать число ступеней очистки, а точнее — количество метановых резервуаров.

Двухступенчатая система метанового брожения способна очищать воду с биохимическим потреблением кислорода до 15 000 мг/л при допустимой обычно норме не более 600 мг/л. Источник: Toshiba

В мире уже есть примеры очистных сооружений, которые не просто снизили потребление, а стали полностью энергонезависимыми за счёт преобразования биогазов в электричество. В 2015 году завод по переработке сточных вод, обслуживающий 114 тыс. потребителей в городах Грэшам, Фэйрвью и Вуд-Вилладж (шт. Орегон, США), стал вырабатывать больше электричества, чем было необходимо для собственных нужд. Местные власти довольны: ежегодно они экономят 500 тыс. долларов на электроэнергии.

Однако очистка рек в развивающихся странах проходит не так гладко, как в развитых. Здесь это проблема стоит острее, но ресурсов для её решения – меньше.

Тяжёлый случай: как интернет вещей помогает чистить Ганг

На берегах реки Ганг живут 600 млн индийцев, и несмотря на то, что этот народ создал одну из древнейших мировых цивилизаций, важнейшая река Индии сегодня не в лучшем состоянии. Ежедневно в главную водную артерию Индостана сбрасывается 1 млн килолитров загрязнённых вод. Причём этот сброс происходит неконтролируемо и практически без каких-либо попыток снизить вред. Более того, даже если задействовать все имеющиеся очистные мощности, только 1/3 всех стоков будут дезактивированы.

Проблема Индии ещё и в том, каки́м образом грязь попадает в Ганг. Здесь не существует системы организованного сброса сточных вод в реку, то есть и отходы производства, и городская канализация, и технические воды для нужд сельских жителей образуют единый поток, практически бесконтрольно попадающий в Ганг. Именно поэтому компании Toshiba построила целую систему из очистных фабрик, которые контролируют и очищают стоки вдоль берегов Ганга.

Очистные сооружение, установленные в районе города Аллахабад (шт. Уттар-Прадеш) в районе слияния рек Ганг и Ямуна. Источник: Toshiba

На сегодняшний день Toshiba создала вдоль берегов Ганга сеть очистных сооружений общей протяжённостью 110 км. Чтобы связать воедино все узловые элементы этой системы и снизить стоимость её использования, все эти мощности оснащены IoT-датчиками. Это позволяет управлять всей сетью удалённо в режиме реального времени, сокращая тем самым расходы на персонал и управления на каждой из фабрик очистки. И всё-таки, хотя эффективность мер по очистке воды растёт, темпы загрязнения будут повышаться вслед за ростом экономики. Поэтому важно не только эффективно чистить, но и меньше загрязнять реки.

«Умный» фермер: как инфракрасные датчики уменьшают сток удобрений в реки

Один из главных загрязнителей рек — сельское хозяйство. Причём речь идёт не только о биологическом, но и химическом загрязнении, ведь все химудобрения рано или поздно смываются с полей или попадают через грунтовые воды в реки. Особенно вредны азотные удобрения, которые поглощаются растениями не полностью. Остатки либо испаряются, либо попадают в близлежащие реки и озера, вызывая в них эвтрофикацию — чрезмерное насыщение биогенными элементами, которые способствуют росту микроорганизмов и растений. При этом сколько нужно азотных удобрений растению никогда точно не известно — фермеры руководствуются принятыми нормативами.

Чтобы решить эту проблему в американском штате Небраска в 2015 году стартовал проект SENSE (Sensors for Efficient Nitrogen Use and Stewardship of the Environment), который предполагал проведение замеров реального уровня азота, накапливающегося в растениях, с целью контроля расхода азотных удобрений. В эксперименте участвовали фермеры долины главной реки штата Небраска Платт — притока Миссури, долго страдавшего от естественного смыва азотных удобрений с полей агрохозяйств. По их полям начали ездить «глазастые тракторы».

Они оснащены датчиками, направленными на пологи растений и излучающими видимый и инфракрасный свет в ближнем радиусе. Фотоприёмники устройств фиксируют отражённый сигнал от растений. В зависимости от его интенсивности подсчитывается их индекс здоровья, на основе которого строится расчёт необходимых объёмов азотных удобрений. За три года проекта SENSE использование азотных удобрений в хозяйства долины реки Платт сократилось на 15%.

Итак, приняв меры охраны рек, нам нужно замерить результат усилий, и разовые исследования в этом плане неэффективны, ведь река — быстро меняющаяся экосистема — это как фотографировать бегуна, пытаясь запечатлеть всю гонку. Поэтому экономониторинг реки строится на показателях, поступающих онлайн.

Как организован экомониторинг рек?

Для наблюдения за рекой используются разные устройства. В основном применяют водомерные колодцы и многопараметровые зонды.

Водомерный колодец — это резервуар, вкопанный недалеко от берега и соединённый с рекой двумя каналами, обеспечивающими приток и отток воды. Главным образом такие устройства измеряют подводное давление. Более сложный механизм — многопараметровый прибор для определения качества воды. Он представляет собой трубу-зонд, которая погружается в воду у берега параллельно углублению речного дна. Труба оснащена различными датчиками, которые анализируют скорость речного потока, температуру и другие параметры на разной глубине.

Собранные в зонде показатели передаются по проводам в размещённый на берегу передатчик, который транслирует их через беспроводную сеть в базу данных. Источник: Fondriest Environmental, Inc.

Общая черта этих устройств — береговое базирование. Между тем, для анализа состояния больших рек важно знать, что происходит далеко от побережья.

Национальный исследовательский и образовательный центр Великие реки США (National Great Rivers Research and Education Center, NGRREC) создал систему экологического наблюдения за бассейнами крупнейших рек (Great Rivers Ecological Observation Network, GREON). Она представляет собой сеть плавучих платформ для мониторинга качества воды в реальном времени в бассейне рек Миссисипи, Миссури, Огайо и Арканзас. Каждый блок оснащён сенсорами для измерения качества воды, температуры, удельной электропроводности, растворенного кислорода, мутности, водорослей, растворенной органики, нитратов и ортофосфатов.

Данные, полученные GREON, можно изучить онлайн в виртуальной базе данных, куда стекаются все снятые параметры экологического состояния рек.

Финальный аккорд: как репатриировать светлячков

Суммируя вышесказанное: чтобы сохранить реки, нужно научиться не загрязнять их, очищать водный поток, экономить энергию, мониторить результаты. Но и этого недостаточно. Далеко не все экосистемы восстанавливаются самостоятельно. Иногда природе нужно помогать.

Пример с родины Toshiba. В префектуре Оита на острове Кюсю протекают множество рек и ручьёв, при этом регион активно застраивается промышленными предприятиями, среди которых и завод полупроводников, изготавливающий продукцию для Toshiba, на реке Китанохана. Среди местных жителей она славилась как место обитания большого количества светлячков. Но в 2010 году они пропали. Совместно со службой экологического контроля Toshiba местные энтузиасты и приглашенные эксперты установили: виной всему стоки в реку. Тогда совместными усилиями была реализована программа по возвращению светлячков в Китанохану. Для этого пришлось изучить рацион питания насекомых, подходящий температурный режим, а также выявить вещества, попадание которых в реку повредило среде обитания. Благодаря принятым усилиям через пять лет светлячки вернулись.

Один из репатриантов на реке Китанохану. Источник: Toshiba

Этот и другой описанный выше опыт может использовать и Россия, перед которой также стоит масштабная природоохранная задача — спасти Волгу. На берегах главной водной артерии России живут 2/3 населения и расположено 2/3 промышленных предприятий страны. Однако на некоторых хозяйственных участках до 90% загрязнений имеют неточечный характер, то есть поступают, условно говоря, не из сливной трубы завода, а из естественных каналов (смыв дождевых вод, подземные реки и т.п.). Кстати, с Доном ситуация не лучше.

В 2018 году российские власти приняли программу «Оздоровление Волги» в рамках национального проекта «Экология». До 2025 года планируется снизить объем загрязнённых стоков на 67%, увеличить мощность очистных сооружение в два раза, а также реконструировать 89 объектов водопропускных сооружений. На эти цели выделят 205 млрд рублей. Сумеет ли Россия достичь Цель № 6 в отдельно взятой стране — покажет будущее.