Война за чистую воду: как самая распространенная жидкость оказалась в дефиците

Почему может случиться дефицит пресной воды

Дефицит питьевой воды связан с последствиями изменения климата, с деятельностью человека, приводящей к сокращению водных ресурсов из-за загрязнения пресноводных экосистем, а также с последствиями урбанизации и изменений в землепользовании.

По статистике, практически 1/5 часть мирового населения живет в районах, в которых наблюдается серьёзная нехватка чистой питьевой воды. Кроме того, 1/4 населения живёт в развивающихся странах, которые испытывают нехватку воды из-за отсутствия инфраструктуры, необходимой для её забора из водоносных пластов и рек.

Одной из основных является проблема загрязнения пресной воды, существенно сокращающего имеющиеся запасы. Этому загрязнению способствуют промышленные выбросы и стоки, смыв удобрений с полей, а также проникновение соленой воды в прибрежных зонах в водоносные слои из-за откачивания грунтовых вод.

Как загрязняется пресная вода

• Загрязнители попадают в пресную воду различными путями: в результате несчастных случаев, намеренных сбросов отходов, проливов и утечек.
• Крупнейший потенциальный источник загрязнения — фермерские хозяйства, занимающие в Англии и Уэльсе почти 80% земель. Часть покрывающего почву необработанного навоза животных проникает в источники пресной воды.
• Кроме того, фермеры Англии и Уэльса ежегодно вносят в почву 2,5 млн тонн азота, фосфора и калия, и часть этих удобрений попадает в пресную воду. Некоторые из них — стойкие органические соединения, проникающие в пищевые цепи и вызывающие экологические проблемы. Сегодня в Великобритании свертывают производство хлорорганических соединений, выпускаемых в больших количествах в 1950-е гг.
• Все большую угрозу для пресноводных водоёмов представляют стоки, сбрасываемые рыбоводными хозяйствами, ввиду широкого применения ими фармацевтических средств борьбы с болезнями рыб.
• Быстрое загрязнение подземных вод вокруг городов. Источник — возрастающее число загрязнённых скважин вследствие неправильной эксплуатации.
• Лесные хозяйства и открытый дренаж — источники большого количества веществ, попадающих в пресную воду, в первую очередь железа, алюминия и кадмия. С ростом деревьев кислотность лесной почвы увеличивается, и проливные дожди образуют очень кислые стоки, губительные для живой природы.
• Атмосферное загрязнение пресной воды особенно пагубно. Есть два вида таких загрязнителей: грубодисперсные (зола, сажа, пыль и капельки жидкости) и газы (сернистый газ и двуокись азота). Все они — продукты промышленной или сельскохозяйственной деятельности. Когда в дождевой капле эти газы соединяются с водой, образуются концентрированные кислоты — серная и азотная.

Глобальное загрязнение водоемов

• Экологические катастрофы. Все серьёзные случаи загрязнения океана связаны с нефтью. В результате широко распространенной практики мытья трюмов танкеров в океан ежегодно сознательно сбрасывается от 8 до 20 млн баррелей нефти. В осадках умеренного климата последствия нефтяных разливов могут прослеживаться более 9 мес. В арктических условиях нефть сохраняется значительно дольше.
• Сточные воды. В малых количествах они обогащают воду и способствуют росту растений и рыб, а в больших — разрушают экосистемы. В двух крупнейших в мире местах сброса стоков — в Лос-Анджелесе (США) и Марселе (Франция) — специалисты занимаются очисткой загрязнённых вод уже более двух десятилетий. На снимках со спутника чётко видно растекание сбрасываемых выпускными коллекторами стоков. Подводные съемки свидетельствуют о массовой гибели морских организмов. 
• Металлы и химикаты. К опасным химическим веществам, способным нарушить экологический баланс, относятся и такие тяжелые металлы, как кадмий, никель, мышьяк, медь, свинец, цинк и хром. Согласно подсчетам только в Северное море ежегодно сбрасывается до 50 000 т этих металлов. Ещё большую тревогу вызывают пестициды — альдрин, дильдрин и эндрин, — накапливающиеся в животных тканях. Пока неизвестны отдаленные последствия применения таких химикатов.
• Воздействие на экосистемы. От загрязнения страдают все океаны, но загрязнённость прибрежных вод выше, чем в открытом океане, из-за намного большего числа источников загрязнения: от береговых промышленных установок до интенсивного движения морских судов. Вокруг Европы и у восточных берегов Северной Америки на мелководных континентальных шельфах устраивают садки для разведения устриц, мидий и рыб, уязвимых для токсичных бактерий, водорослей и загрязнителей.
• Цветение воды. Со взрывным ростом биомассы фитопланктона консументы первого порядка не справляются, в результате чего большая часть в пищевых цепях не используется и просто отмирает, опускаясь на дно. Разлагая органическое вещество отмершего фитопланктона, донные бактерии нередко используют весь растворенный в воде кислород, что может привести к формированию зоны гипоксии (с недостаточным для аэробных организмов содержанием кислорода). Подобные зоны приводят к сокращению биоразнообразия и биомассы аэробных форм бентоса. 
• Загрязнение пластмассовыми отходами. Скопления отходов из пластмасс образуют в Мировом океане под воздействием течений особые мусорные пятна. На данный момент известны пять больших скоплений мусорных пятен — по два в Тихом и Атлантическом океанах, и одно — в Индийском океане. Данные мусорные круговороты в основном состоят из пластиковых отходов, образующихся в результате сбросов из густонаселённых прибрежных зон континентов.

Как распределены водные ресурсы мира

Примерно третья часть из всех запасов пресной воды сосредоточена в Южной Америке, четвертая ее часть находится в Азии, а на страны постсоветского пространства приходится чуть больше 20%. И только около 2% распределено на Ближний Восток и Северную Африку.

Наибольшими же потребителями пресной воды считается Индия, Китай, США, Пакистан, Япония, Таиланд, Индонезия, Бангладеш, Мексика и Россия. При этом особо остро дефицит питьевой воды наблюдается в Китае, Индии и на всей территории Африки.

Помимо нехватки пресной воды, есть еще одна актуальная проблема — ее качество. Его ухудшение напрямую зависит от повышенного уровня загрязнения окружающей среды. В большинстве случаев причиной этому становится человеческая деятельность и перенаселение.

Как фильтровать воду, чтобы она была не опасна

Чистой питьевую воду, строго говоря, называть нельзя. С точки зрения химика чистая вода — это дистиллят, свободный от всех примесей и микроорганизмов. Для микробиолога чистая вода — идеальная среда для бактерий. Для нас чистая вода — жидкость, обогащенная минералами, которую можно без риска для здоровья пить ежедневно.

На сегодняшний день не существует единого универсального метода очистки пресной воды — его выбор зависит от состава воды, требований к ней и сферы дальнейшего использования. К примеру существуют озоновые, осмотические, фильтрационные и ионные системы очистки, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы.

Самой перспективной пока является технология нанофильтрации. Этот метод эффективно устранит даже галогенные органические и хлорсодержащие примеси в воде без использования агрессивных реагентов. Используют нанофильтрацию в Голландии, США и Франции. Этот способ — один из самых дорогостоящих, поэтому он не используется массово. Даже в странах, где применяют технологию нанофильтрации, делают это лишь для очистки воды, имеющей специальное назначение.

Способы фильтрации воды будущего

• Нанофибра

Корейские исследователи представили новую технологию, которая делает морскую воду пригодной для питья за несколько минут. Ученые использовали процесс мембранной дистилляции, который позволил добиться 99,9% очистки воды от соли. Они уверены, что решение облегчит кризис питьевой воды, усугубляемый изменением климата. 

В новом исследовании подробно описывается способ очистки морской воды с помощью мембраны из нановолокна в качестве солевого фильтра. Хотя ученые раньше уже использовали мембранную дистилляцию, они сталкивались с проблемой, которая замедляла процесс. Если мембрана становилась слишком влажной или заливалась водой, она больше не могла отделять соль.

Поэтому ученым приходилось ждать, пока мембрана высохнет, либо придумывать дополнительные решения, например, использовать воздух под давлением, чтобы выпустить из пор застрявшую воду.

• Новейшие опреснительные установки

Исследователи из Даляньского морского университета в Китае разработали новую опреснительную установку, которая может плавать на поверхности морской воды, эффективно поглощать солнечную энергию и использовать это тепло для испарения воды.

Сам блок состоит из трех слоев: основная часть — это вспененный полиэтилен, который помогает ему плавать и действует как теплоизолятор. Снаружи пенопласт завернут в специальную бумагу — абсорбирующий материал, используемый в одноразовых подгузниках. Он отводит воду вверх к поверхности. 

Важно отметить, что устройству удается избежать одной серьезной ошибки — загрязнения из-за накопления солей на поверхности. Со временем это снижает его эффективность.

В ходе испытаний команда выяснила, что солевой слой не образовался. Это свидетельствует о том, что специальные поры на покрытии блока отводят соль и сбрасывают ее обратно в морскую воду. Еще одно преимущество, по словам команды, заключается в том, что бумажный материал можно повторно использовать более 30 раз.

• Катализатор из наночастиц палладия и золота

Химики из Кардиффского университета создали катализатор для мгновенной дезинфекции воды на основе частиц палладия и золота.

Авторы работы обнаружили, что в процессе синтеза H₂O₂ возникает множество других молекул, содержащих кислород, которые в десятки и сотни миллионов раз активнее взаимодействуют с микробами, чем перекись и хлорка.

Подобный уровень бактерицидности этих соединений, как отмечают Хатчинс и его коллеги, позволяет проводить практически мгновенную очистку воды от микробов, спор и прочих органических загрязнений, способных негативно повлиять на здоровье человека.

• Гибкая мембрана

Химики Калифорнийского университета в Беркли нашли способ упростить удаление из воды токсичных металлов — ртути и бора.

Новый метод на основе мембран удаляет почти 100% токсичных металлов и выделяет ценные металлы для последующего использования или утилизации. По словам авторов, мембрану легко интегрировать в нынешние системы очистки воды.

В процессе разработки химики из Калифорнийского университета в Беркли синтезировали гибкие полимерные мембраны с наночастицами, которые могут быть настроены на поглощение определенных ионов металлов, например, золота или урана.

Мембрану можно настроить на какой-то определенный тип частиц, которые она будет поглощать.

• Древесные фильтры

Ученые из Массачусетского технологического института использовали заболонь нецветущих деревьев при создании фильтра для питьевой воды из натуральных материалов.

Они изготовили новые ксилемные фильтры, которые отфильтровывают такие патогены, такие как кишечная палочка и ротавирус. Лабораторные тесты подтвердили, что их разработка удаляет бактерии из загрязненных родников и грунтовых вод. Также ученые разработали простые методы для продления срока годности фильтров. В итоге, древесные диски могут очищать воду не менее двух лет.

Последствия дефицита воды

Недостаток чистой воды вынуждает людей использовать для питья воду из небезопасных источников, что сопряжено с повышенным риском ущерба для здоровья. Потребление загрязненной пресной воды приводит к ухудшению условий жизни, развитию серьёзных заболеваний — вплоть до смертельных исходов.

Из-за нехватки воды существует практика хранения воды в жилищах, что может существенно повысить риск загрязнения и привести к созданию благоприятных условий для размножения вредных бактерий. Также серьёзной является проблема гигиены: люди не могут надлежащим образом мыться, стирать одежду и содержать в чистоте свои дома.

Если не принимать никаких мер, то к 2030 году без удовлетворительной очистки воды будут оставаться почти 5 млрд человек — около 67 % населения планеты.

Сегодня на каждого жителя Земли приходится около 750м³ в год пресной воды, к 2050 году это количество уменьшится до 450 м³. До 80% стран мира окажутся в зоне, которая по классификации ООН относится к категории ниже черты дефицита водных ресурсов.

Только в Африке к 2020 году из-за изменений климата в такой ситуации окажутся от 75 до 250 млн человек. Нехватка воды в пустынных и полупустынных регионах вызовет интенсивную миграцию населения.

Уже сейчас от недостатка питьевой воды страдает большая часть Индии.

Читать далее:

Житель Турции случайно нашел следы неизвестной цивилизации во дворе дома

Как в Мексиканском заливе вспыхнул подводный пожар и к чему это может привести

Данные со спутников-шпионов помогли выяснить причину таяния ледников в Азии