Хабрахабр

От Ганга до Волги: как спасти реки от загрязнения?

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. Мы уже описывали путь, который преодолевает речная вода на пути в наши стаканы, превращаясь из приготовленного природой «биохимического супа» в важнейший напиток человечества. 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?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Они разлагаются, поглощают кислород и выделяют фенольные вредные вещества. Лесосплав. Сплав древесины по рекам засоряет воду корой и другими фрагментами деревьев. 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.

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

В первом блоке сточные воды НПЗ сначала попадают в сектор предварительной очистки, где удаляются механические примеси. «Биосфера» состоит из двух блоков очистки — физико-химического и биологического. Отсюда вода попадает в блок дополнительной очистки, оборудованный десятью фильтрами с активированным углём. 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.

Чем больше ступеней очистки, тем лучше, но, увы, дороже результат. Источник: YouTube-канал «Газпром-нефть»

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 нефетпродукты. 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.

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

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.

Такой способ сопряжён с высокими расходами. Обычно для очистки используются аэробные микроорганизмы, которым для жизни нужен кислород. Попадая в реактор, сточная вода очищается от органических примесей флотацией при низком давлении. Вместе этого мы используем биореактор населённый анаэробами, способными использовать для жизни другие вещества. 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). При этом в отсутствие кислорода анаэробные бактерии разлагают органические загрязнители.

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

В зависимости от характера сточных вод БПК может быть снижено на 80-95%, а ХПК — на 60-80%.
Базовая система метанового брожения. Для этого достаточно увеличивать или уменьшать число ступеней очистки, а точнее — количество метановых резервуаров. Источник: Toshiba

Система адаптируется практически под любые стандарты допустимой биологической загрязнённости реки, которые могут отличаться в разных странах.

Источник: Toshiba

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

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

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.

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. Проблема Индии ещё и в том, каки́м образом грязь попадает в Ганг. Именно поэтому компании Toshiba построила целую систему из очистных фабрик, которые контролируют и очищают стоки вдоль берегов Ганга.

Уттар-Прадеш) в районе слияния рек Ганг и Ямуна.
Очистные сооружение, установленные в районе города Аллахабад (шт. Чтобы связать воедино все узловые элементы этой системы и снизить стоимость её использования, все эти мощности оснащены IoT-датчиками. Источник: Toshiba

На сегодняшний день Toshiba создала вдоль берегов Ганга сеть очистных сооружений общей протяжённостью 110 км. И всё-таки, хотя эффективность мер по очистке воды растёт, темпы загрязнения будут повышаться вслед за ростом экономики. Это позволяет управлять всей сетью удалённо в режиме реального времени, сокращая тем самым расходы на персонал и управления на каждой из фабрик очистки. 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.

В эксперименте участвовали фермеры долины главной реки штата Небраска Платт — притока Миссури, долго страдавшего от естественного смыва азотных удобрений с полей агрохозяйств. 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. По их полям начали ездить «глазастые тракторы».

Большинство принявших участие фермерских хозяйств не только снизили выброс лишних азотных удобрений, но и повысили урожайность. Источник: YouTube-канал Nebraska Extension On-Farm Research Network

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%.

Поэтому экономониторинг реки строится на показателях, поступающих онлайн. 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.

Как организован экомониторинг рек?

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

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

Источник: Fondriest Environmental, Inc.

Общая черта этих устройств — береговое базирование. Собранные в зонде показатели передаются по проводам в размещённый на берегу передатчик, который транслирует их через беспроводную сеть в базу данных. Между тем, для анализа состояния больших рек важно знать, что происходит далеко от побережья.

Она представляет собой сеть плавучих платформ для мониторинга качества воды в реальном времени в бассейне рек Миссисипи, Миссури, Огайо и Арканзас. 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). 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.

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. Пример с родины Toshiba. Но в 2010 году они пропали. Среди местных жителей она славилась как место обитания большого количества светлячков. Тогда совместными усилиями была реализована программа по возвращению светлячков в Китанохану. Совместно со службой экологического контроля Toshiba местные энтузиасты и приглашенные эксперты установили: виной всему стоки в реку. Благодаря принятым усилиям через пять лет светлячки вернулись. Для этого пришлось изучить рацион питания насекомых, подходящий температурный режим, а также выявить вещества, попадание которых в реку повредило среде обитания.

Источник: Toshiba

Этот и другой описанный выше опыт может использовать и Россия, перед которой также стоит масштабная природоохранная задача — спасти Волгу.
Один из репатриантов на реке Китанохану. 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.). На берегах главной водной артерии России живут 2/3 населения и расположено 2/3 промышленных предприятий страны. Кстати, с Доном ситуация не лучше.

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

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть