2.6.1 Общие объемы водопотребления
Объем мирового потребления пресной воды за последнее столетие увеличился на порядок, причем наибольший рост приходится на последнюю четверть столетия. В настоящее время ежегодное мировое потребление пресной воды составляет 5-6 тыс. км3, или более 10 % ресурсов пресной воды на Земле. В Российской Федерации в последние пять лет годовое потребление составляет 90-100 км3, или порядка 2 % мирового водопотребления. Напряженность с пресной водой возникает, прежде всего, в тех регионах и странах, где скорость потребления пресной воды выше скорости возобновления ее запасов. В ряде регионов России забор воды из водоисточников в средний по водности год достигает 50 % от ресурсов пресной воды данного региона и даже больше. Обобщенная структура водопотребления в России такова: промышленность - 54 %; сельское хозяйство - 23 %; коммунально-бытовое хозяйство - 23 %.
Пресную воду используют на промышленных предприятиях, много ее потребляет сельскохозяйственное производство, вода питьевого качества расходуется на коммунально-бытовые нужды населения. Потребление пресной воды в мире и в России показано на диаграмме (рис. 2).
2.6.2 Водопотребление промышленными предприятиями
Расход воды на нужды промышленного производства очень велик. Вода - компонент большинства промышленных технологий и энергетических установок. Например, для выплавки 1 т чугуна, переработки его в сталь и прокат потребляется до 300 м3 воды, а для получения цветных металлов - еще больше (например, для получения 1 т меди - 500 м3, 1 т никеля - почти 4000 м3 чистой пресной воды).
Высока водоемкость отраслей химической промышленности, производящих каучук, капрон и другие синтетические материалы.
Добыча нефти и подавляющее большинство нефтехимических процессов ее переработки связаны с использованием больших объемов воды. Известно, что всего 30 % нефти поступает в скважины самотеком, дальнейшая добыча возможна лишь при закачивании в соседнюю скважину пара или воды. Объем воды, используемой при российской технологии нефтедобычи, очень велик: более 1000 млн. м3 в год. Одновременно происходит значительное загрязнение поверхностных водоемов из-за сброса предприятиями нефтедобычи сточных вод, более половины которых не очищены. На нефтеперерабатывающих заводах, работающих по старой технологии, расходуется до 10-15 м3 воды на 1 т перерабатываемой нефти. По мере совершенствования технологических процессов этот расход воды сокращается: на заводах, построенных в 60-е гг., он достигает 1 м3/т, а на современных предприятиях - 0,5-0,8 м3/т.
Очень водоемки технологические процессы в угольной промышленности - гидродобыча угля в гидрошахтах и гидромеханизированные вскрышки на разрезах, а также мокрое обогащение угля на обогатительных фабриках. Средний объем водопотребления объектами угольной промышленности в России составляет более 3000 млн. м3 в год, при этом предприятия отрасли сбрасывают в поверхностные водоемы загрязненную воду (81 % всех промышленных сточных вод, требующих очистки) с большим содержанием вредных, в том числе и канцерогенных, веществ и элементов. Отметим, что сброс в поверхностные водоемы шахтных вод, которые также загрязнены, вообще не предусматривает их очистки.
Велик расход воды непосредственно на электроэнергетических установках - ТЭС и АЭС: в среднем для получения 1 кВт ч электроэнергии требуется до 200 м3 воды. Объемы используемой воды можно рассчитать, зная цифровое значение вырабатываемой в стране электроэнергии (например, ежегодная выработка электроэнергии в России составляет около 1000 мдрд кВтч). В целом расход воды при работе тепловых и атомных электростанций соответствует стокам крупных рек.
2.6.3 Водопотребление в сельском хозяйстве
Крупный потребитель пресной воды - сельское хозяйство. Орошение - одно из средств увеличения объема сельскохозяйственной продукции, поскольку для выращивания зеленой массы, цветения и плодоношения растениям требуется очень много воды. Так, для получения 1 кг зеленой массы растение расходует на транспирацию от 200 до 1000 м3 воды. Для орошения 1 га зерновых полей в среднем необходимо около 1000 м3 воды, 1 га рисовых полей - от 8000 до 12000 м3 воды. В связи с ростом населения в тех регионах, в которых рис - основная сельскохозяйственная культура, там расширяются площади орошаемых земель. В настоящее время во всем мире орошается почти 300 млн. га земли и 60 % мирового водозабора затрачивается на орошение.
Еще одна из причин сокращения запасов пресной воды - уменьшение водоносности рек, связанное с вырубкой лесов и осушением болот.
Строительство плотин на равнинных реках и водохранилищ при ГЭС приводит к итоге не к пополнению запасов воды, а к их уменьшению. Вода водохранилищ заболачивается, прилегающие к ним земли засоляются, снижается их плодородность, и как следствие возрастают расходы воды на производство сельскохозяйственной продукции и затраты на восстановление почвы.
2.6.4 Водопотребление в жилищно-коммунальном хозяйстве
Как следует из диаграммы (рис. 3), расходы на хозяйственно-питьевое снабжение населения России почти в 3 раза превышают соответствующий мировой показатель. Установленная ВОЗ норма расхода воды на одного городского жителя составляет 200 л/сут. Расход воды на одного жителя в Лондоне равен 170 л/сут, в Париже - 160 л/сут.
По данным Госкомстата России, при среднем уровне удельного водопотребления (на одного человека) в Российской Федерации на хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды, равном 272 л/сут, в Москве этот показатель составляет 539 л/сут, в Челябинской области - 369 л/сут, Магаданской - 359 л/сут, Камчатской - 353 л/сут.
2.6.5 Техногенное загрязнение поверхностных вод
Одна из главных причин дефицита пресной воды на Земле - ее загрязнение. Аномальные свойства воды определяют потенциальную возможность накопления в ней самых разнообразных загрязняющих веществ, в том числе патогенных микроорганизмов.
Рассмотрим ситуацию с загрязнением поверхностных водоемов суши в России. Экологический мониторинг состояния окружающей природной среды в Российской Федерации отмечает, что качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям; объемы нормативно очищенных сточных вод, поступающих в поверхностные водоемы, не превышают 10 % от общего объема сточных вод в эти природные объекты.
По отдельным речным объектам ситуация критическая. Около 1/3 населения России использует для питья воду из естественных источников (главным образом из рек) без прохождения ее через очистные сооружения. О качестве такой воды можно судить по ситуации со сбросом загрязненных вод в бассейны Кубань, Енисей, Волга (рис. 3).
Кубань: ежегодный забор воды из реки на все нужды составляет 1,8 км3, или 74 % от среднемноголетнего годового стока, при этом 100 % сброса сточных вод в реку загрязненные.
Енисей: среднегодовой объем сброшенных вод составляет 3,9 км3, из этого объема требуют очистки 2,34 км3, а объем неочищенных и недостаточно очищенных сброшенных вод составляет 2,329 км3, т.е. очищены до нормативных показателей менее 0,5 %.
Рис. 3. Сброс загрязненных вод в бассейны рек России, км3 [9, 10]
Волга: среднегодовой забор свежей воды составляет 41 % от водозабора в России, или 14 % от годового речного стока бассейна реки. Объем сброшенных вод после промышленного, сельскохозяйственного и бытового использования - 22 км3, почти половина его (10,6 км3) - загрязненные воды, не отвечающие требованиям по санитарно-химическим и бактериологическим показателям, содержащие вредные вещества (фенолы, нефтепродукты, канцерогенные тяжелые металлы, пестициды и др.). Объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в бассейн Волги, составляет в последнее время более 30 % от общего объема сточных вод, образующихся на территории России. Бассейн Волги - источник питьевого водоснабжения плотно населенного региона европейской части России, но эффективность очистных сооружений здесь крайне низкая. Забор воды в деревнях и поселках идет непосредственно из реки, минуя всякие очистные сооружения. Каскад водохранилищ вдоль реки резко замедлил скорость течения воды, снизил ее способность к самоочищению. Уровень загрязнения воды волжских водохранилищ в течение ряда лет остается достаточно высоким, качество воды оценивается от «загрязненной» до «чрезвычайно загрязненной» (термины экологической экспертизы).
В целом по России из всего объема сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, более 90 % сбрасываются загрязненными из-за крайне неудовлетворительного технического состояния действующих систем водоснабжения и канализации: 60 % очистных сооружений перегружены, 40 % сооружений эксплуатируются более 25 лет и требуют срочной реконструкции.
Как показывает эколого-геохимическое картирование, изменение химического состава природных вод за счет антропогенных стоков в ряде промышленно урбанизированных и сельскохозяйственных регионов в России настолько значительно, что эти воды приобрели резко аномальные геохимические свойства. В связи с этим подземные воды становятся практически единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения. Однако положение с этим источником чистой воды усугубляется тем, что пригодные для питья, культурно-бытовых нужд и для многих отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства подземные воды залегают в верхней части артезианских бассейнов и других геологических структур, наиболее подверженных загрязнению.
Опасный вид загрязнения водоемов - стоки, несущие тепловое загрязнение, даже если в них нет химических загрязнителей. Такая теплая вода поступает в водоемы из систем охлаждения, например, ТЭС и ТЭЦ. Концентрация растворенного в воде кислорода - лимитирующего фактора для биоценозов (сообществ живых организмов) водных экосистем - с повышением температуры воды понижается.
Исследования, проведенные за рубежом и в России, выявили положительную корреляционную связь между степенью загрязнения питьевой воды и здоровьем человека. По данным Всемирной организации здравоохранения, употребление питьевой воды, загрязненной нитратами и нитритами, канцерогенными ионами тяжелых металлов, радионуклидами и другими вредными веществами, стало причиной 40 % заболеваний людей, а основная причина большинства эпидемий - употребление воды, зараженной вирусами и микробами.
2.6.6 Контроль уровня загрязнения водного бассейна
Надежная оценка и прогноз состояния водной системы - очень трудная задача, так как на эту систему воздействуют многочисленные изменчивые во времени антропогенные загрязнители, при попадании которых в водоемы происходят сложные физико-химические и микробиологические процессы.
В экологическом мониторинге водных объектов важная характеристика уровня их загрязнения - концентрация С (мг/л) вредных веществ, содержащихся в водоеме. Обычно эту величину оценивают в единицах предельно допустимых концентраций (ПДК). [1, 11]. Например, в окрестностях Звенигорода под Москвой, где ведется интенсивное огородничество с применением повышенных доз органических удобрений, было установлено, что вода в колодцах содержит до 180 мг/л нитратов. ПДК нитратов для питьевой воды составляет 45 мг/л. В данном случае загрязнение колодезной воды нитратами достигает 4 ПДК.
Значения ПДК различных загрязняющих веществ определяют для питьевой и технической воды, а также для воды рыбно-хозяйственных водоемов. При установлении ПДК какого-либо вещества рассматривают три признака вредности: общесанитарный, органолептический, санитарно-токсикологический.
Под общесанитарной вредностью подразумевают влияние вредных веществ в сточных водах на процессы естественного самоочищения водоемов от загрязнения их бытовыми или промышленными сточными водами.
Органолептическая вредность определяет изменение свойств воды, которые обнаруживаются органами чувств (неприятный запах, цвет, привкус, повышенная температура, жесткость) и которые ограничивают возможности использования воды.
Под санитарно-токсикологической вредностью понимается влияние содержащихся в воде веществ на здоровье человека при использовании этой воды для водоснабжения населения.
ПДК того или иного вредного вещества устанавливают по тому признаку вредности, которому соответствует наименьшая пороговая концентрация (по лимитирующему признаку вредности).
Если в водоем поступает несколько веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности, то экологическая чистота водоема определяется выполнением условия:
С1/ПДК1 + С2/ПДК2 +… + Сn/ПДКn 1,
или
(Cn/ПДКn) 1,
где Cn - концентрация в мг/л, ПДКn - ПДК соответствующего вещества […].
Промышленные и бытовые сточные воды содержат загрязнители, которые разлагаются, окисляясь растворенным в воде кислородом. Общий уровень загрязнения в этом случае определяется биологической и химической потребностью в кислороде.
Биологическая потребность воды в кислороде (БПК), мг/л - масса кислорода в сточной воде, которая необходима водным организмам для окисления органических и части неорганических веществ, находящихся в 1 л этой воды. Биологическому окислению подвергаются только те компоненты, которые организмы могут использовать для своей жизнедеятельности. Процесс биологического окисления длительный, поэтому величины БПК снабжаются индексами, означающими время окисления в сутках, например БПК10 или БПК5. Все БПК стремятся к некоторой величине - полной биологической потребности в кислороде - БПКП, значение которой для рыбно-хозяйственных и хозяйственно-питьевых водоемов составляет 3 мг/л.
Химическая потребность в кислороде (ХПК), мг/л - масса кислорода, который требуется для химического окисления органических и неорганических веществ, находящихся в 1 л сточной воды. Для определения ХПК в качестве окислителя обычно используют горячий кислый раствор дихромата калия K2Cr2O7. Химическое окисление более полное, чем биологическое, поэтому ХПК больше БПКП. Величины ХПК важны для определения характеристики промышленных сточных вод, которые, как правило, более загрязнены, чем бытовые сточные воды. Порядок значений ХПК следующий: для сравнительно чистой воды ХПК = 10-20 мг/л, для грязных сточных вод ХПК = 1000 мг/л и более.
Отношение величин БПКП и ХПК называется биохимическим показателем (БХП). Эта величина всегда меньше единицы, по ней можно судить о возможности и степени очистки сточных вод биологическим путем: для бытовых сточных вод, наиболее полно очищаемых биологическим путем, БХП = 0,5; для промышленных сточных вод БХП на порядок меньше (0,05).
Аналитические методы контроля качества воды требуют огромных материальных затрат. Трудность контроля за поступлением загрязнителей в водоемы возрастает, когда источники загрязнения не точечные (завод или фабрика), а неточечные - тысячи гектаров полей, с которых происходит смыв удобрений и химикатов.
2.6.7 Пути преодоления дефицита пресных водных ресурсов
В настоящее время проблема охраны и сохранения чистоты пресных вод планеты особенно актуальна из-за возрастающего дефицита пресной воды в связи с ростом населения планеты, огромными расходами на нужды промышленности и сельского хозяйства [12]. Основные направления рационального водопользования, направленного на преодоление дефицита чистой воды и сохранение природных источников чистой пресной воды, показаны на схеме 1.
Как уже отмечалось, в настоящее время 60 % мирового водозабора чистой пресной воды идет на орошение почти 300 млн га земли. Однако несовершенство систем орошения приводит к тому, что до 50 % пресной воды в них тратится впустую. Эти потери включают непродуктивное испарение, фильтрацию из каналов и глубинное просачивание воды и становятся сравнимы с водопотреблением объектами промышленности.
Эффективный путь экономии воды в промышленном производстве - создание оборотных систем водоснабжения, разработка методов маловодных и безводных («сухих») технологий, в частности, в химическом производстве. Внедрение «сухих» технологий в нефтеперерабатывающей промышленности позволяет снизить расходы воды почти в 100 раз.
Природная вода обладает способностью к самоочищению, но при сильном загрязнении оно не происходит из-за нарушения внутриводных биологических процессов. В этом случае необходимо применять специальные меры по очистке сточных вод.
