Электростанции — главные потребители пресной воды во всем мире

Автор материала: Брама Челлани — профессор стратегических исследований в Центре политический исследований (Нью-Дели), научный сотрудник Академии Роберта Боша в Берлине, автор девяти книг, в том числе «Азиатский джаггернаут», «Вода: Новое поле битвы в Азии», «Вода, мир и война: Преодоление глобального водного кризиса».

Изменение климата, несомненно, представляет собой огромную — даже экзистенциальную — угрозу для планеты. Но нынешние методы борьбы с этой угрозой стали результатом одностороннего акцента на сокращении выбросов углекислого газа, что в итоге может нанести серьезный вред, поскольку этот подход не учитывает истощение водных ресурсов энергетической отраслью. Между тем, такое истощение является не менее важным фактором, способствующим изменению климата.

Вода = энергия

«Вода находится в центре причин и следствий процесса изменения климата», — говорится в докладе Национального совета по исследованиям США. Действительно, круговорот воды в природе (такие процессы, как осадки, испарение, замерзание, таяние и конденсация, благодаря которым вода циркулирует между облаками, землей и океанами) неразрывно связан с энергетическим обменом между землёй, океаном и атмосферой, определяющим климат Земли. Изменению климата способствует не только накопление углерода в атмосфере, но также деградация и исчерпание водных ресурсов. Эти процессы взаимно усиливают, подталкивают и ускоряют друг друга.

Добыча энергоресурсов, их переработка (в том числе нефтепереработка), а также производство электроэнергии — это процессы, которые требуют очень много воды. Энергетический сектор является крупнейшим потребителем воды во всех развитых странах, кроме Австралии, где, как и в большинстве развивающихся стран, на первом месте по потреблению воды находится сельское хозяйство. В Евросоюзе на долю одних только электростанций приходится 44% всей потребляемой ежегодно пресной воды; в США эта цифра равна 41%.

Чем активней исчерпываются водные ресурсы, тем больше энергии требуется системам водоснабжения, поскольку увеличиваются глубины, с которых приходится выкачивать воды из-под земли, и расстояния, на которые приходится транспортировать воду от источников на поверхности земли. Например, в Индии на долю энергозатрат сейчас приходится около 90% стоимости грунтовой воды.

Радикальные меры

Данные процессы повышают климатическую уязвимость, сокращают доступность водных ресурсов, ещё больше повышают спрос на энергию и создают, тем самым, порочный круг, который будет трудно разорвать. И более того, в ближайшие 25 лет для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию и для реализации национальных планов по производству биотоплива и других альтернативных видов топлива придётся повысить потребление воды в мире на энергетические цели в два с лишним раза.

Единственный способ разорвать этот порочный круг и, тем самым, эффективно противостоять изменению климата, — начать контролировать баланс между водными ресурсами и энергопроизводством (а также производством продовольствия, которое зависит от водных и энергетических ресурсов). Иными словами, государства мира должны принимать такие решения в сфере энергетики, которые приведут не только к снижению выбросов углерода, но и к снижению потребления воды.

Водоснабжение в мире уже и так ограничено, поэтому переход к «умной» политике в сфере обеспечения водными ресурсами энергетического сектора является крайне насущной задачей. Две трети населения мира, особенно в Центральной и Южной Азии, на Ближнем Востоке и в Северной Африке, испытывают серьёзные перебои в обеспечении водой. Азия, крупнейший мотор роста мирового спроса на энергию, является также самым засушливым континентом в мире, если измерять количество воды, доступной на душу населения.

Энергетическая стагнация

В этих регионах, испытывающих недостаток воды, её дефицит уже начал мешать расширению энергетической инфраструктуры. Одной из ключевых причин, почему Китай не смог создать собственную индустрию сланцевых углеводородов, стал недостаток водных ресурсов в тех районах, где залегают их запасы. (Для извлечения углеводородов из сланца необходимо закачивать под землю миллионы галлонов воды.)

Увеличение дефицита воды приводит также к росту стоимости существующих проектов в сфере энергогенерации, ставя под угрозу их реализуемость. Засуха «Миллениум» в Австралии, длившаяся с конца 1990-х годов по 2012 год, привела к снижению производства электроэнергии, спровоцировав рост цен.

Дефицит электроэнергии обычно оказывается более серьёзной проблемой для регионов, испытывающих нехватку воды. Что делать странам, которые сталкиваются с этой проблемой? Прежде всего, им следует признать, что источники энергии, которые с точки зрения выбросов углекислого газа являются «чистыми», могут оказаться «грязными» с точки зрения потребления водных ресурсов. Например, «чистые» угольные технологии улавливания и хранения углерода, как и атомная энергетика, являются лидерами по потреблению воды.

В поисках альтернативы

Некоторые формы возобновляемой энергетики, например, термальная солнечная и геотермальная энергетика, также отличаются высокими показателями водопотребления. Напротив, для нормальной работы солнечных батарей и ветряных электростанций (эти две технологии возобновляемой энергетики набирают сейчас популярность во всём мире) не требуется вода. Это означает, что приоритетом должно стать развитие именно этих источников энергии.

Впрочем, виды используемых источников энергии — это не единственный вопрос. Важно также выбирать правильные типы электростанций ещё на стадии планирования. Альтернативные технологии охлаждения в энергогенерации, в частности, сухое и гибридное охлаждение, позволяют снизить потребление воды (хотя применению данных технологий пока что препятствует снижение эффективности производства и увеличение затрат).

Электростанции следует размещать в таких местах, где они могут использовать источники не пресной, а солёной и засоленной воды, а также загрязнённой или очищенной воды. В Азии, ставшей сейчас мировым лидером по вводу атомных энергомощностей, большинство новых электростанций размещаются вдоль береговой линии, чтобы эти объекты с «сильной жаждой» потребляли морскую воду.

Разрушительные последствия

Однако и здесь тоже возникают серьёзные риски. Повышение уровня моря из-за изменения климата создаёт даже более серьёзные угрозы, чем природные катастрофы, подобные катастрофе Фукусимы в Японии, вызванной цунами. Кроме того, береговые линии государств часто густо заселены и имеют высокую экономическую ценность, поэтому поиск подходящего места для новых АЭС на берегу моря перестал быть простой задачей. Хотя береговая линия Индии протянулась более чем на 4500 миль (7200 км), эта страна с трудом реализует планы расширения атомной энергетики за счёт строительства приморских АЭС из-за сильной оппозиции жителей.

Подлинная энергетическая безопасность возможна только в контексте ресурсной, климатической и экологической устойчивости. Сосредоточение мирового внимания исключительно на задаче снижения выбросов углекислого газа не только мешает увидеть эти критически важные связи, но и стимулирует принятие мер, которые негативно отразятся на ресурсной стабильности. Пришло время выбрать всеобъемлющие, интегрированные и долгосрочные подходы к управлению и планированию в сфере энергетических, водных и других ресурсов, такие подходы, которые шире рассматривают проблему защиты окружающей среды. В противном случае мы не сможем справиться с барьерами на пути к устойчивому развитию, которые стоят перед нами. Последствия этого провала будет иметь разрушительные последствия, причём, прежде всего, для тех регионов мира, где острее всего ощущается нехватка водных ресурсов.

Факторы, влияющие на выбор источника водоснабжения

Количество исходной воды и постоянство расхода

При выборе источника воды необходимо провести расчет требуемого количества воды и имеющегося в распоряжении в данном месте или на приемлемом расстоянии. Потребности в воде должны находиться в соответствии с запасами воды в глубоком водном пласте, которые могут быть уже в основном исчерпаны, а для поверхностных вод потребности должны быть увязаны с минимальным расходом воды в источнике при наиболее низком ее уровне, так как количество воды значительно уменьшается в течение засушливого времени года.

Постоянному снабжению водой необходимо уделять первостепенное внимание. Это гарантируется при использовании поверхностных вод, расход которых в различное время года можно легко измерить. Для подземных вод это не всегда возможно, так как требует проведения длительных исследований с использованием самой совершенной техники.

Стоимость изыскания, транспортировки, обработки и распределения воды

Стоимость изыскания воды заслуживает особого рассмотрения при использовании глубоких подземных источников для получения большого количества воды.

В некоторых случаях стоимость транспортировки воды может быть одним из определяющих факторов при выборе источника водоснабжения. Подача подземных вод на большие расстояния экономически оправдана для воды хорошего качества, не требующей обработки, и при достаточной площади водосбора, а также если стоимость транспортировки воды экономически целесообразна.

Загрязнения природной воды, используемой для водоснабжения

Известны четыре основных источника загрязнения воды (первые три из них встречаются чаще):

• сточные воды животного происхождения (навозные кучи, стоки животноводческих помещений и т. д.) или сточные воды, образующиеся в результате жизнедеятельности человека. Сточные воды животного происхождения часто влияют на качество воды в колодцах, близлежащих родниках или небольших водоемах. Бытовые сточные воды загрязняют реки, или непосредственно стекая в них, или за счет сброса в реки вод, обработанных на очистных сооружениях, но содержащих неразложившиеся вещества. Загрязнения в бытовых водах представлены взвешенными веществами, детергентами, органическими веществами, фосфатами, бактериями и иногда вирусами;
• производственные стоки или жидкие выбросы, которые весьма разнообразны и могут содержать все известные загрязнения, включая радиоактивные вещества, а иногда минеральные и органические канцерогены в соотношении, зависящем от предшествующей очистки;
• поверхностный сток, содержащий такие сельскохозяйственные загрязнения, как удобрения, пестициды, детергенты и т.д.;
• случайные загрязнения за счет концентрированного выброса, которые воздействуют на поверхностные и даже глубоко расположенные воды.

Многочисленные загрязнения и микрозагрязнения, обнаруживаемые в воде, которая используется для потребностей человека, можно разделить на три вида: минеральные загрязнения, органические загрязнения и вирусы.

Взвешенные вещества органического или минерального происхождения (пакеты из пластика plastikp.ru, песок, глина и т. д.) также должны быть учтены; такие загрязнения должны быть удалены при предварительной очистке (улавливание загрязнений на решетках, удаление песка).

Минеральные загрязнения и микрозагрязнения

К этим загрязнениям относятся:

• нежелательные или токсичные вещества: тяжелые металлы, фтор, мышьяк и т. д. В национальных и международных стандартах установлены максимально допустимые пределы для некоторых из этих веществ;
• железо, марганец, цинк и медь, которые воздействуют главным образом на органолептические свойства воды. Медь, которая необходима человеческому организму в малых количествах, становится токсичной, если накапливается в больших дозах;
• фосфор и его соединения, благодаря которым размножаются водоросли и происходит эвтрофикация озер;
• радиоактивные вещества (регистрация в целях контроля).

Органические загрязнения и микрозагрязнения

Эти загрязнения многочисленны и могут быть классифицированы как фенолы, углеводороды, детергенты и пестициды.

Фенолы и их производные

Присутствие фенолов и их производных является показателем промышленного загрязнения. В присутствии хлора даже очень малое количество этих веществ придает воде хлорфенольный привкус. Обычно вода не имеет привкуса, если в ней содержится чистый фенол в концентрации менее 1 мг/л, но иногда незначительный привкус хлор-фенола обнаруживается при концентрациях 0,1—0,01 мг/л.

Биоразложение производных фенола зависит от их структуры. Максимальное количество фенола, которое было обнаружено в речной воде, придает ей привкус, но не является токсичным (270 мкг/л в Рейне, 35 мкг/л в Маасе и 40 мкг/л в Сене).

Углеводороды

Углеводороды появляются в поверхностных или подземных источниках водоснабжения вследствие сброса главным образом стоков с нефтеочистительных заводов, газоперерабатывающих заводов и других промышленных предприятий. Они могут содержать парафин, керосин, бензин, дизельные масла, мазут и другие масла и смазочные материалы.

Биоразложение углеводородов происходит медленно. Случайное загрязнение углеводородами оказывает непродолжительное воздействие на речную воду, но может длительное время (до нескольких лет) сохраняться в подземных водах вследствие удержания углеводородов почвой. Поэтому подземные водные источники должны строго охраняться во избежание риска загрязнения их углеводородами.

Вредное и токсическое воздействие углеводородов заключается в следующем:

• они способствуют образованию пленки, которая мешает насыщению воды кислородом воздуха и протеканию природных процессов самоочищения;
• препятствуют работе водопроводных очистных сооружений; присутствие углеводородов оказывает влияние на процессы флокуляции и отстаивания вследствие того, что эти вещества продолжительное время остаются в материале фильтра;
• придают воде привкус и запах; пороговые величины привкуса и запаха изменяются в очень широких пределах в зависимости от загрязняющих продуктов (от 0,5 мкг/л для бензина до 1,0 мг/л для масел и смазочных материалов);
• углеводороды токсичны, если их концентрация в питьевой воде превышает ту концентрацию, при которой появляются привкус и запах. Более опасны циклические углеводороды, которые могут оказывать канцерогенное действие (например, 3,4-бензпирен). В присутствии других соединений (поверхностно-активных веществ) опасность увеличивается.

Детергенты

Детергенты — это синтетические поверхностно-активные вещества, попадающие в воду с бытовыми и производственными стоками.

Торговый продукт содержит активные соединения в форме собственно поверхностно-активных веществ и вспомогательных добавок.

Поверхностно-активные вещества имеют структуру, которая влияет на физические свойства поверхности, снижая поверхностное натяжение, что способствует проведению некоторых процессов очистки.

Различают следующие типы поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Анионоактивные ПАВ. Длительное время наиболее широко использовались «жесткие» вещества, такие как алкилбензол-сульфонаты (ABS)—слабо биоразлагаемые продукты, молекулы которых представляют собой разветвленные цепочки. С их присутствием главным образом связаны проблемы, возникающие при нахождении детергентов в воде. В странах, производящих 80—90% таких детергентов, органы здравоохранения приняли решение о замене их на линейные детергенты, которые разлагаются биохимическим путем на 80% (во Франции принят закон от 25 сентября 1970 г.). Линейные алкилбензолсульфонаты чаще всего заменяют прежние детергенты.

Концентрация анионоактивных ПАВ может быть легко определена анализом с метиленовым голубым. Их биоразрушение происходит сравнительно легко.

Неионогенные ПАВ (их получают на основе алкилфенолов). Они препятствуют образованию накипи, но до сих пор не решен вопрос их дозирования.

Катионоактивные ПАВ, состоящие из солей четвертичного аммония, используются мало и сохраняются для специального применения, связанного с их биостатическими свойствами. Вспомогательные средства включают:

• полифосфаты, карбонаты, силикаты;
• стабилизаторы и комплексообразующие вещества (полифосфаты и др.);
• активаторы, улучшающие действие активных составляющих (аминооксидов, карбоксиметилцеллюлозы, алканоламидов);
• добавки: отбеливающие вещества, пероксобораты, оптические отбеливатели, красители, эфирные масла;
• минеральные соли в качестве наполнителей, улучшающих внешний вид изделий;
• ферменты, способствующие гидролизу определенных видов загрязнений.

Концентрации детергентов в воде. Прежде чем перешли к использованию биоразлагаемых веществ, концентрация анионоактивых детергентов в речной воде изменялась от 0,05 до 6,0 мг/л, теперь она уменьшается.

Концентрацию неионогенных детергентов трудно определить точно; существует много различных методов анализа, позволяющих установить концентрацию этих соединений с различной точностью.

Вредное воздействие. Детергенты, присутствующие в воде, окалывают следующее вредное воздействие:

• образуют пену, которая препятствует процессам естественной п искусственной очистки, концентрирует загрязнения и создает возможность распространения бактерий и вирусов; для образования устойчивой пены достаточно присутствия анионоактивного детергента в концентрации 0,3 мг/л и выше;
• образуют мешающую пленку на поверхности воды, которая замедляет перенос и растворение кислорода в воде, если даже пена на поверхности воды не образуется;
• придают воде мыльный привкус при концентрациях, значительно превышающих пенообразующую концентрацию;
• увеличивают содержание фосфатов за счет полифосфатов, что приводит к эвтрофикации озер и росту планктона в реках; в некоторых странах большая часть полифосфатов заменяется нитрил-триуксусной кислотой;
• постепенно увеличивают содержание бора в поверхностных и подземных источниках воды из-за присутствия больших количеств нероксобората натрия, используемого в детергентах.

Детергенты не уничтожают бактерии, водоросли, рыбу и другие формы жизни в реке, пока их концентрация не превышает 3 мг/л.

Ферменты, которые сравнительно недавно стали добавлять в детергенты, не оказывают неблагоприятного воздействия на получаемую воду и на работу очистной станции.

Влияние биоразлагаемых детергентов. Использование детергентов, которые разлагаются биохимическим путем на 80%, заметно улучшило положение, по крайней мере с анионными детергентами, что отмечается повсеместно. Конечные продукты биологического распада линейных детергентов очень слабо токсичны.

В некоторых случаях промежуточные продукты неполного распада детергентов более токсичны для рыб, чем те детергенты, которые вообще биологически не разрушаются.

Присутствие неионогенных детергентов создает трудности, так как они стимулируют образование пены анионоактивными детергентами и затем стабилизируют ее. Сейчас используют неионогенные вещества, стойкие к биологическому разрушению, особенно при низких температурах.

Современные исследования дают возможность получать в будущем новые анионоактивные и неионогенные детергенты, которые будут почти полностью разрушаться (спирты с линейной цепью) и иметь усовершенствованные добавки.

В общем можно сказать, что сами по себе детергенты не вредны, и их косвенное вредное воздействие будет значительно уменьшено, если ограничить образование пены путем использования полностью биоразлагаемых веществ. В отношении применяемых до сих пор добавок нельзя сказать t полной уверенностью, что они не оказывают токсичного воздействия.

Пестициды и вещества, применяемые для оздоровления растений

Пестициды — это вещества, используемые для борьбы с организмами, которые вредны для здоровья или поражают материалы, животных и растительные источники пищи. Они сами по себе вредны для здоровья и могут накапливаться в растениях и клетках животных, нанося ущерб окружающей среде.

Пестициды включают не только вещества, применяемые для оздоровления растений (инсектициды, фунгициды, гербициды), но и такие вещества промышленного происхождения, как дифенилполихлориды.

Классификация. Пестициды могут быть разделены на пять классов:

• хлорорганические соединения, некоторые из них запрещены в ряде стран. Инсектициды этого класса включают такие устойчивые соединения, как ДДТ, НСН, альдрин, а гербициды— 2,4 D, 2,4 DT, МСРА, МСРР, а также дифенил- и трифе-нилполихлориды; сюда же относят менее устойчивые соединения, такие, как симазин;
• фосфорорганические соединения, которые менее устойчивы, в связи с чем наблюдается тенденция замены их хлорпроизводными; в некоторых случаях образуются продукты неполного окисления типа оксониевых производных, более токсичные, чем исходные соединения (паратион);
• азоторганические соединения включают неустойчивые соединения, например симазин, и устойчивые соединения, например DNOC;
• металлоорганические соединения, включающие производные мочевины, тиоурацила, нитратов или тионитратов тиазенов, используемых для уничтожения сорняков; карбаматы и дитиокарбаматы применяются в качестве фунгицидов;
• минеральные вещества, такие как сера, сульфат меди, арсенаты свинца и кальция; первые два до сих пор довольно часто используют для обработки пораженных растений.

Источники загрязнения и факторы переноса. Причина загрязнения стоком с поверхности водосбора — обильные дожди и инфильтрация. Например, в воде может быть обнаружен паратион на глубине 60 м. В этих случаях пестициды абсорбируются почвой и затем вследствие эрозии почвы переносятся к источникам воды. На перенос пестицидов влияют такие факторы, как их растворимость, трудность физического и биохимического разрушения, характер почв, объем и интенсивность осадков.

Вредное и токсическое воздействие пестицидов. Органолептическое воздействие. Пестициды придают запах и привкус при пороговых концентрациях от 0,1 до 1000 мкг/л. Например, 1 мкг/л НСН придает воде привкус, тогда как пороговая концентрация привкуса у ДДТ — 1 мг/л.

Воздействие на водную фауну. Пестициды оказывают как прямое воздействие (медленное или острое отравление организмов), так и косвенное (наблюдаемое по исчезновению планктона), а именно, снижение содержания кислорода, изменение значения pH и содержания СО2. Хлорорганические инсектициды более токсичны для рыб, чем фосфорорганические соединения, в то время как гербициды вообще значительно менее ядовиты, чем инсектициды.

Воздействие на человека. Различают хронические и острые отравления. Обычно вода не бывает причиной острых форм отравления, но она может вызвать хроническое отравление путем кумулятивного воздействия пестицидов. Жировые ткани аккумулируют главным образом хлорорганические пестициды, а печень и почки наиболее чувствительны к ДДТ. В общем фосфорорганические пестициды более токсичны для человека и млекопитающих животных, чем хлорорганические соединения, за исключением малатиона, который является слаботоксичным фосфорным соединением, и эндрина — сильнотоксичного хлорсодержащего соединения, применение которого во Франции запрещено.

Биологические загрязнения и микрозагрязнения

Микроорганизмы и вирусы

Этот вид загрязнений связан с присутствием микроорганизмов и вирусов в различных видах отбросов. Они могут воздействовать на поверхностные и подземные источники воды.

Вещества, выделяемые в окружающую среду микрофауной и микрофлорой

Многие организмы (водоросли и актиномицеты в особенности) могут развиваться в речной воде, особенно если она загрязнена органическими веществами или веществами, вызывающими эвтрофикацию, а также в резервуарах и распределительных системах. Их метаболиты, попадающие в природную среду в течение их жизни или после отмирания. вызывают ряд проблем.

Привкус и запах: наиболее обычные виды привкуса — ила, земли и плесени — вызваны присутствием в воде актиномицетов и некоторых сине-зеленых водорослей, которые выделяют в воду различные вещества, главным образом геосмин. Весьма неприятный привкус могут придавать основные категории водорослей: Chlorophyta, Chrysophita (chrysophyceae, diatoms), Cyanophyta. Запахи воды могут меняться в широких пределах в соответствии с видом и концентрацией веществ, присутствующих в воде, от ароматных (запахи фруктов, цветов или овощей) до запахов рыбы, травы, гнили, тины, винной пробки и т. д.

Токсичные вещества: некоторые из сине-зеленых водорослей продуцируют вещества, которые токсичны для высших животных. Эти внутриклеточные вещества не представляют непосредственной опасности при условии, что водоросли удаляются в процессе очистки. Однако очень мало известно об их длительном воздействии (о накоплении в организме), если они остаются в воде в форме следов после отмирания и разложения водорослей.

Внешний вид воды: цветность или мутность воды вызваны жизнедеятельностью микрофлоры и физиологическими выделениями микрофауны.

Загрязнения от реагентов, используемых при очистке воды

Очень важно, чтобы реагенты, используемые в процессе очистки питьевой воды, не вносили в воду добавочные загрязнения, которые могут сохраняться в воде и после очистки.

Если, например, перед распределением воды по системе корректируется величина pH отфильтрованной воды путем применения каустической соды, то надо позаботиться о том, чтобы этот реагент не содержал ртути.

Составляемые сейчас нормы будут учитывать максимально допустимое содержание загрязнений в каждом реагенте.