Качество воды и неравенство

Автор: Филип Дэвис, профессор, специалист по технологии очистки воды, Инженерный факультет Университета Бирмингема, Соединенное Королевство

В настоящее время около полумиллиарда людей страдают от острой нехватки воды на протяжении всего года, а от 1,8 до 2,9 млрд человек страдают от этой проблемы несколько месяцев в году. К 2025 году половина населения мира будет жить в районах, где ощущается дефицит воды.

В плане качества воды водные ресурсы распределены в мире не лучшим образом. Основная часть воды (97,5 процента) – это океан, и эта вода слишком соленая, чтобы ее можно было пить. Речная и озерная вода приемлемого качества составляет менее половины процента мировых запасов воды. Между этими двумя крайностями существуют другие источники воды, например, грунтовые воды, которые во многих местах являются слишком солеными и для потребления их необходимо очищать, и промышленные сточные воды, которые могут содержать самые разные естественные и антропогенные загрязняющие вещества.

Наиболее уязвимы от проблемы нехватки воды те районы, где потребности в питьевой воде и воде для орошения превышают объем запасов воды, пополняемых за счет осадков. К таким районам относятся пустынные зоны (расположенные в широтах от 15 до 45 градусов), особенно в Северном полушарии. Страны этих регионов обладают неодинаковыми возможностями для строительства объектов инфраструктуры, таких как плотины, трубопроводы для подачи воды или опреснительные установки.

Поскольку гораздо больше воды требуется для сельскохозяйственной деятельности, чем для прямого потребления, важным фактором являются также экономические возможности для импорта продовольствия. В настоящее время такие страны, как Кувейт и Катар, которые не имеют практически никаких возобновляемых естественных источников пресной воды, решают эту проблему опресняя морскую воду и импортируя продовольственные товары. В то же время, такие страны со слабой экономикой и сложной политической ситуацией, как Сомали и Йемен, страдают от катастрофической нехватки воды. Если говорить о прогнозах, проблемными зонами, где возможно ухудшение ситуации в связи с нехваткой воды, являются Египет, Пакистан, Индия, а также северные и северо-западные регионы Китая. 

Прибрежные опреснительные установки

Цивилизация зарождалась и развивалась в прибрежных зонах. Это значит, что опреснение морской воды является перспективным способом увеличить объем водоснабжения значительного процента населения районов, страдающих от нехватки воды. Однако строительство опреснительных сооружений требует значительных затрат, и до недавних пор они потребляли в три раза больше электроэнергии, чем традиционные методы очистки воды. Это значит, что на практике в наибольшем объеме опресненную морскую воду потребляют богатые, располагающие значительными запасами ископаемого топлива страны Персидского залива.

Эти опреснительные установки удаляют соль из морской воды с использованием метода, который называется обратным осмосом, когда вода под давлением прогоняется через полупроницаемую мембрану, которая пропускает молекулы и ионы воды, но задерживает более крупные молекулы соли. Благодаря инновационным технологиям качество таких мембран постоянно повышается, что увеличивает объем очищенной воды на выходе. В результате пропускная способность опреснительных установок увеличилась в разы, и некоторые из них выдают почти 1 миллион кубических метров пресной воды в день.

Благодаря совершенствованию этих и других технологий, используемых для опреснения воды, за последние годы потребление электроэнергии опреснительными установками сократилось почти наполовину за последние 20 лет, благодаря чему они стали гораздо менее дорогостоящими. До некоторых пор эта тенденция будет продолжаться, но есть определенный нижний предел – в лучшем случае энергопотребление можно сократить максимум в два раза по сравнению с тем, что потребляется сейчас.

Что делать населению удаленных от моря районов?

Довольно много людей живут в районах, удаленных от моря, в том числе в Китае, Индии и Соединенных Штатах, и подача опресненной воды на большие расстояния может быть экономически нецелесообразным или слишком дорогостоящим способом водоснабжения этих районов. Жителям многих из этих районов приходится использовать грунтовые воды низкого качества.

Я особенно ясно осознал эту проблему, проводя исследования на северо-западе Индии. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, 64 процента сельскохозяйственного производства зависит от грунтовых вод. Согласно результатам гидрогеологических исследований, около половины территории Индии расположена выше водоносных горизонтов, где вода содержит слишком много соли и не соответствует стандартам питьевой воды.

Тем не менее в большинстве мест эта вода является гораздо менее соленой, чем морская, поэтому теоретически для ее опреснения может потребоваться меньше энергии. Это открывает возможности для инновационных решений, которые могут снизить затраты на опреснение и сделать воду более доступной для малоимущих групп населения.

Наша технология

В Университете Бирмингема мы разработали технологию, которая предназначена в основном для очистки грунтовых вод. В процессе обработки грунтовых вод самое трудное – это удаление остаточного рассола. Наша технология «повышенной рекуперации» обеспечивает превращение максимального объема грунтовой воды в пресную воду, и при этом остается минимум остаточного рассола. Это довольно трудно обеспечить, поскольку для увеличения объема очищенной воды требуется больше энергии.

Мы начали с того, что взяли за основу объем потребления энергии существующими установками обратного осмоса и спроектировали систему, цель которой – обеспечить экономию электроэнергии. Мы разработали технологию опреснения, которая может работать в автономном режиме, причем энергия вырабатывается из возобновляемых источников.

Энергетический баланс систем обратного осмоса (ОО) определяется законами термодинамики: по мере повышения давления подачи воды уменьшается ее объем (при определенной стандартной температуре). Самая важная часть этого уравнения – это энергия, используемая для поддержания соленой воды под давлением. Эта энергия должна генерироваться насосом высокого давления, который является наиболее энергоемким компонентом опреснительной системы. В нашей системе достаточно использовать давление, которое немного выше того, что определяется законами термодинамики, в то время как в обычных системах давление в несколько раз выше.

С самого начала мы поставили перед собой задачу – разработать такую систему, которую можно было бы построить полностью из уже имеющихся компонентов. Мы решили использовать «герметичный контур», конструкцию, при которой происходит рециркуляция соленого концентрата, обеспечивающая поддержание минимального давления. Очень важно, что в нашей системе клапаны расположены в таком порядке, который не позволяет рециркулируемому концентрату смешиваться с поступающей в контур водой, что снизило бы эффективность и повысило энергопотребление.

Этот новый порядок расположения клапанов также позволил нам вместо двух отдельных операций – промывки резервуара и его наполнения – использовать одну операцию «промывки-наполнения», когда система промывается под сильным напором и осадки смываются с мембраны. Такое объединение двух стадий в одну также сводит к минимуму время простоя и увеличивает пропускную способность системы.

Мы назвали эту систему «ОО с герметичным контуром», чтобы ее можно было отличить от систем обратного осмоса, которые использовались до сих пор. По сравнению с традиционными системами наш метод способен обеспечить экономию электроэнергии в размере от 33 до 66 процентов при коэффициенте водоотдачи в 80 процентов.

Однако преимущества нашей системы обратного осмоса с герметичным контуром на этом не заканчиваются. Это конструкторское решение открывает возможности для использования низконапорных мембран, способных работать под менее высоким давлением подаваемой воды. Мы рассчитываем на то, что такие мембраны будут служить дольше, что снизит затраты на материально-техническое обслуживание. Функция промывки также означает, что система является самоочищающейся, а это значит, что ее работой можно управлять удаленно и для этого не требуются технические специалисты.

Для чего нужен патент?

Мы изготовили нашу систему из готовых стандартных компонентов. Вместе с тем мы готовы рассматривать любые варианты коммерциализации, в том числе социальное предприятие, и решили запатентовать наше изобретение, чтобы не стеснять себя в выборе. Мы стараемся обеспечить охрану нашей технологии на многих рынках в рамках Договора о патентной кооперации (PCT).

Мы реализуем один из наших проектов в долине р. Иордан, довольно удачном месте для испытания нашей технологии. Долина р. Иордан – гидрологический тупик, поэтому неудивительно, что там скапливается соль, и бассейн этой реки является довольно проблематичной зоной в плане использования водных ресурсов в сельском хозяйстве.

Истощение запасов грунтовых вод в этих районах является общей проблемой для стран региона. Международные соглашения ограничивают доступ палестинцев, живущих на Западном берегу, к грунтовым водам, а бесхозяйственность привела к чрезмерной откачке воды, в результате чего рекордно высокие показатели минерализации воды заставляют менять систему земледелия. Товарные культуры, не переносящие высокое содержание соли в воде, сменяются финиковыми пальмами сорта «меджул», потребляющими большое количество воды, из-за чего запасы грунтовых вод могут иссякнуть уже в ближайшие пять лет.

Этот проект является продолжением работы, начатой вместо со студентами израильского Института Арава, которые помогли разработать прототип технологии. Сейчас мы возвращаемся в этот регион, чтобы установить и протестировать увеличенный вариант нашей системы. В настоящее время наши партнеры в Рамалла приобретают необходимые комплектующие, и в этом году должно начаться строительство.