№ 24—25 (3648—49), 1 ноября 2003 года
главная | оглавление | <... | ...>	удивительный вопрос

«…Потому что без воды —
и не туды, и не сюды…»

Вода – это уникальное химическое вещество, без которого никакие известные формы жизни невозможны. Уникальность ее состоит как в химических свойствах, так и в той роли, которые эти свойства играют в любом живом организме. Вода – это главный растворитель в биологической системе. В ней происходят биохимические реакции, переносятся все полезные вещества, выводятся продукты метаболизма. Среднестатистический человек состоит из воды на 50–80%. Эмбрион человека состоит из воды на 95%, ребенок на 70–80%, а взрослый человек на 50–70%, то есть с возрастом человек усыхает и, вместе с уменьшением доли воды в организме, приходят болезни и старость.

Давно отмечена взаимосвязь качества питьевой воды, ее химического и бактериологического состава с уровнем заболеваемости населения, состоянием здоровья и долголетием отдельных людей. Именно поэтому очень важно быть уверенным в качестве употребляемой воды. Качество воды определяется не только бактериологической безопасностью и содержанием минералов в составе воды. Среднестатистический человек, пользуясь водопроводной водой, за свою жизнь пропускает через организм от 200 до 300 кг химических веществ. Часть этих веществ попадает в организм из природных источников, а часть вносится при водоочистке и транспортировке от источника до потребителя.

В XX веке антропогенное загрязнение природных источников питьевой воды, в том числе и подземных, значительно возросло. Источник загрязнения – практически любая хозяйственная деятельность человека: от выплавки металлов до фермерства и домашнего хозяйства. Человечество использует порядка 75000 химических соединений для повышения производительности труда, повышения качества жизни и комфорта. Полностью устранить загрязнение среды человеком означает устранить сам источник этого загрязнения – вид Homo sapiens.

Однако человек хочет жить, жить хорошо и долго и пить при этом хорошую воду. Это вызвало создание систем водоочистительных станций (порой очень сложных) с централизованной подачей воды населению крупных городов. Разработаны сложные и дорогостоящие технологии очистки природной воды и ее обеззараживания. В общем случае, основными этапами технологии очистки питьевой воды являются: очистка от механических примесей и взвешенных частиц (фильтрация); очистка от тяжелых металлов, радионуклеидов и, частично, от органических примесей (химическая обработка воды); хлорирование воды с целью обеззараживания. Эти этапы могут осуществляться и в другом порядке, иногда повторяются для достижения наилучших результатов. Однако даже самые сложные системы очистки не всегда гарантируют защиту от нежелательных примесей, а иногда применяемые реагенты сами являются источниками вторичного загрязнения питьевой воды. И с этим вынужденно мирятся санитарно-эпидемиологические службы всех стран. Вода может быть годной к употреблению по параметрам и нормативам, которые установила местная законодательная власть, основываясь, как правило, на рекомендациях врачей и ученых и местных реалиях, но при этом не обеспечивать здоровье и долголетие потребителей.

В настоящее время в практике водоочистки широкое применение нашли реагенты на основе соединений алюминия и железа. Эти реагенты известны давно, известны их сильные и слабые стороны. Механизм их работы одинаков: это химическая коагуляция – при введении реагента в воду происходит образование тонкодисперсной взвеси, которая в той или иной степени поглощает нежелательные примеси и отделяется в качестве осадка.

Наиболее распространены коагулянты на основе алюминия. Они удаляют от 60 до 80% различных вредных примесей. Они дешевы, доступны, хорошо изучены, имеют длительную историю применения в практике водоочистки. Коагулянты на основе железа используют главным образом для очистки сточных вод.

Однако при высоких уровнях загрязнения источника алюминиевые коагулянты требуют больших дозировок, что приводит к увеличению уже в очищенной воде концентрации ионов алюминия. Это и есть «вторичное загрязнение». Недавние медицинские исследования под патронажем Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) установили, что повышенное содержание ионов алюминия в воде влияет на здоровье человека, вызывает неблагоприятные изменения в организме, повышает риск таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера. Поэтому в США и европейских странах сейчас ужесточены требования к остаточному содержанию ионов алюминия в питьевой воде. Аналогичные меры планирует и Госсанэпидемнадзор РФ. Об отказе от использования в быту алюминиевой посуды читателям, наверное, известно из периодической печати.

Кроме того, алюминиевые коагулянты недостаточно хорошо очищают воду от органических соединений и микроорганизмов. Для улучшения работы алюминиевых коагулянтов совместно с ними используют всевозможные дополнительные реагенты: коагулянты на основе железа, органические флокулянты, активированный уголь, щелочь или соду, естественные адсорбенты. Однако эти меры не приносят ощутимых успехов, сильно удорожают процесс и не решают проблему, а лишь несколько улучшают результаты.

Соли алюминия практически не работают как коагулянт в зимнее время, поскольку при температуре очищаемой воды ниже 10°С коагуляция (образование хлопьев и осаждение) гидроокиси алюминия происходит чрезвычайно медленно. Поэтому в умеренных широтах зимой очистка воды сводится только к ее фильтрации на механических фильтрах и обеззараживанию хлором или другими дезинфицирующими реагентами.

Другим серьезным недостатком применяемых технологий является очень сильное хлорирование воды. Применение хлора для обеззараживания воды (впервые – еще в XIX веке) в свое время было прогрессивным шагом в деле санитарной безопасности населения. Но с развитием науки было установлено, что хлорирование воды, наряду с гибелью бактерий, ведет к образованию канцерогенных хлорорганических соединений. При недостаточной очистке воды от органических веществ (или отсутствии таковой в зимнее время) хлорирование воды, безусловно необходимое перед подачей в трубопроводы водоснабжения, приводит к образованию значительных количеств канцерогенных соединений. И вот в настоящее время каждый третий житель Земли рискует заболеть раком.

Есть ли альтернатива? В принципе их несколько: это и чистая, разлитая в бутылки вода (при условии добросовестности изготовителя и правильного хранения), и индивидуальные системы водоочистки. Однако не дорого ли людям платить от 0.5–2 доллара за литр питьевой воды (больше чем за бензин!) при том, что, фактически, качество воды в лучшем случае – на совести производителей и дистрибьюторов. Все это – меры половинчатые и дающие только частичный и локальный эффект. В США душевое водопотребление не превышает 1870 куб. м, в Канаде – 1602 кубических метров, в Китае – всего 460, а в Туркменистане – наиболее высокое в мире душевое водопотребление – 6216 куб. м в год. Не вся эта вода используется для питья, но и по 70 тонн воды на 6 миллиардов человек из «кристально чистых горных источников» не насобирать. Надо искать другие, «коллективные» способы повышения качества очистки воды.

И такие способы есть. И не только есть, но и уже испытываются сотрудниками Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН (НИЦЭБ РАН). Но сначала коротко о самом Центре.

Научно-исследовательский центр экологической безопасности основан в 1987 г. в Ленинградском научном центре Российской Академии наук. С 1987 по 1991 он существовал как отдел экологической безопасности Института информатики Российской Академии наук и в 1991 получил права института. Руководит центром Владислав Константинович Донченко, доктор экономических наук, профессор Санкт-Петербургского университета, заведующий кафедрой экологической безопасности и устойчивого развития регионов факультета географии и геоэкологии.

Деятельность НИЦЭБ финансируется главным образом из бюджета Российской Академии наук. Бюджетное финансирование чрезмерно щедрым не назовешь, поэтому дополнительные финансовые средства поступают из различных организаций, осуществляющих поддержку научных исследований. НИЦЭБ занимается междисциплинарными фундаментальными и прикладными исследованиями в области экологической безопасности. Сюда входит изучение медико-экологических аспектов, подготовка предложений по созданию природоохранной нормативно-законодательной базы, безопасное для окружающей среды планирование промышленного производства и другие наукоемкие разработки.

В НИЦЭБ очень серьезно изучают экологические проблемы Северо-Западного региона России и Санкт-Петербурга. Особенно большое значение придается изучению состояния природных водных объектов, включая акваторию Финского залива, озер и рек прилегающего региона. В частности, отделом натурных эколого-химических исследований под руководством Игоря Владимировича Викторовского проводятся уникальные исследования состава и содержания природных и техногенных экотоксикантов. Отдел оснащен самым современным оборудованием: масс-хроматоспектрометрами, жидкостными и газовыми хроматографами, прибором для определения общего углерода, инфракрасным и ультрафиолетовым спектрографами и другой аппаратурой. Это позволяет проводить сложные комплексные исследования состава природной воды, находить новые соединения и давать оценку состояния окружающей среды.

Учитывая сложный химический состав экотоксикантов, их низкую концентрацию в природной среде, большое значение придается разработке метода их концентрирования. При этом внимание обращается на процессы трансформации природных, особенно органических соединений. В разрабатываемом методе концентрирования важную роль играет новый коагулянт на основе соединений титана, который способен эффективно адсорбировать ионы различных металлов, ионногенные и неионногенные органические соединения. Разработками, связанными с этим уникальным коагулянтом, занимается ведущий научный сотрудник НИЦЭБ РАН, доктор технических наук Нина Николаевна Стремилова.

Соединения титана хорошо известны ученым, работающим в области химии и технологии. Пожалуй, наиболее известное из всех – диоксид титана. Это основа большинства типов красок и наполнитель для пластмасс. Диоксид титана используют в некоторых сортах бумаги и сыра, во многих косметических средствах (зубные пасты, кремы, губная помада) и лекарствах (как наполнитель). Металлический титан химически инертен и в таком качестве широко применяется в аэрокосмической и химической промышленности и в медицине.

В водной среде соединения титана образуют сложные полимерные системы с большим набором различных абсорбционных центров и микропор. Для наблюдателя это выглядит как образование в воде хлопьев, похожих на снежинки. Как и частицы гидроокиси алюминия, но гораздо более крупные, хлопья титанового коагулянта адсорбируют из воды ионы тяжелых металлов, радионуклидов, органических веществ, только в значительно большей степени, поскольку сорбционная способность тем выше, чем больше валентность иона металла-сорбента и больше его радиус.

Крупные (до 1 мм) и тяжелые хлопья титанового коагулянта, быстро оседая, работают своего рода фильтрами, очищающими весь объем воды. При этом происходит практически полный захват на центрах адсорбции и в микропорах всех примесей и взвешенных частиц. Осветленный слой очищенной воды перед подачей в разводящую систему водоснабжения для страховки обрабатывается небольшими дозами дезинфицирующих реагентов (хлором, озоном или ультрафиолетовым излучением). Что чрезвычайно важно, так это то, что дозу дезинфицирующего агента можно многократно уменьшить, а благодаря практически полному удалению органических веществ образования канцерогенной хлорорганики не наблюдается.

Образовавшийся осадок меньше по объему, чем осадок гидроокиси алюминия, оставшийся после воздействия любого алюминиевого коагулянта, он легко фильтруется и утилизируется.

Применение титанового реагента при очистке различных водных объектов (реки, озера, подземные воды) показало его несомненное преимущество по сравнению со всеми известными реагентами. Это преимущество состоит, прежде всего, в том, что нет необходимости во введении дополнительных реагентов (щелочи, флокулянтов) для повышения качества очистки воды, и резко, в 10 раз или более, сокращается расход хлора.

Очистка от тяжелых металлов при применении титанового коагулянта достигает 90–95% (против 60–80% при использовании алюминиевых коагулянтов). Очистка от органических соединений составляет 90–100% (против 60–70%). Очистка от микроорганизмов, бактерий, фито- и зоопланктона достигает 100%. Именно поэтому для обеззараживания воды много хлора и не требуется.

Еще одним из преимуществ титанового реагента является способность эффективно очищать воду при низких температурах природной воды. Испытания показали, что при снижении температуры до 4°С интенсивность образования хлопьев практически не снижается. Это его свойство особенно ценно для таких северных стран, как Россия.

Особо необходимо отметить низкий уровень вторичного загрязнения компонентами применяемых реагентов. Остаточное содержание ионов титана в очищенной воде даже при передозировке не превышает 0,03 мг/л, в то время как допустимое содержание титана в воде составляет 0,1 мг/л (в 30 раз больше). Известно, что в воде многих рек содержание титана выше 0,1 мг/л. По данным ВОЗ, титан не представляет опасности для живых организмов и человека. Специальные медицинские исследования показали, что титановый реагент по своим санитарно-гигиеническим свойствам удовлетворяет требованиям к качеству реагентов для очистки питьевой воды.

С технической точки зрения, применение титанового реагента позволяет повысить пропускную способность станций водоподготовки, что снизит затраты на производство питьевой воды. Одновременное снижение расхода реагентов и/или исключение дополнительных реагентов не только уменьшит уровень вторичного загрязнения, но даст существенную экономию. Образующийся осадок легко фильтруется и может быть направлен на регенерацию или утилизацию.

Дело, как говорится, за малым: внедрить новый коагулянт в практику водоочистки. Уже есть промышленные партии коагулянта, есть разрешительные документы на его применение. Но внедрение требует определенных финансовых затрат и активной организационной деятельности, а это уже далеко выходит за рамки возможностей изобретателя и сферы деятельности НИЦЭБ РАН.

С развитием цивилизации, с ростом населения Земли более или менее чистых природных источников пресной воды станет недостаточно для питьевого водоснабжения. Вследствие роста населения в 2050 году на каждого жителя планеты будет приходиться лишь четверть того количества пресной воды, обеспечиваемой естественным гидрологическим циклом, которое имелось в 1950, а спрос на воду растет быстрее, чем население. Соответственно, придется привлекать в качестве источников питьевой воды водоемы, сильно и очень сильно загрязненные. При этом использовать технологии и реагенты позапрошлого века уже станет невозможно. Бесконечно повышать дозы химикатов для очистки воды нельзя. Поэтому во всех странах мира ведутся интенсивные поиски новых решений и новых реагентов, более безопасных и более эффективных. Будущее за ними. 

Степан Высоцкий

© Журнал «Санкт-Петербургский университет», 1995-2003 Дизайн и сопровождение: Сергей Ушаков