О комбинированных технологиях очищения воды, разработанных БИП СО РАН

ПРОБЛЕМА ЧИСТОЙ ВОДЫ АКТУАЛЬНА для всего мира. Ещё совсем недавно люди брали воду для питья из чистейших ручьёв и сверкающих голубизной озёр. Такими они получили их в наследство от предшествующих поколений, такими же передали нам. А как мы распорядились этим наследством, развивая промышленность, энергетику, транспорт, сельское хозяйство? Воздействие человека на природу принимает угрожающий характер, и всё чаще мы стали слышать о дефиците водных ресурсов, об их загрязнении и исчезновении. Ученые бьют тревогу: через 30 лет, считают они, мировые запасы пресной воды будут и вовсе исчерпаны. И тому есть объяснение: за прошлое столетие население земного шара выросло втрое, а потребление пресной воды – в 17 раз. Страшно?!

 Все мы со школьной скамьи знаем, что вода незаменима, она источник всей жизни на Земле. Природные ископаемые, животные и растительные белки – все это можно заменить искусственными заменителями, но воду заменить нельзя. Как решить проблему дефицита чистой пресной воды? Какую воду можно пить, а какую нельзя? Что такое пресная вода? Как получить пресную воду, когда её не хватает? Какие есть методы очистки сточных и природных вод? Об этом мы решили спросить у компетентных ученых Байкальского института природопользования СО РАН. Наш разговор с Денисом Асеевым, старшим научным сотрудником лаборатории инженерной экологии, кандидатом химических наук.   

- Денис, для «разбега» задам личный вопрос: с какой поры вас начала притягивать вода и как получилось, что вы начали изучать воду и заниматься исследованиями в этой области?

- Осадками в виде воды я начал увлекаться с детства. Это, по-моему, интересно всем дошкольникам, и все они одинаково задаются вопросом: почему дождь, почему туман? Откуда вода из крана бежит, почему есть озера и т.д. Вода меня действительно притягивала. Это особый мир, и он фантастически интересный. В дальнейшем уже в школе я познакомился с профессором из технологического университета, и он, как говорится, «окунул меня в воду». В 10-11 классе я стал серьезно заниматься водой, и это предопределило мой дальнейший выбор профессии. Я поступил в Бурятский государственный университет на химический факультет и успешно его окончил. Хотя я отходил от науки, от воды, но судьба все равно привела меня в лабораторию инженерной экологии, где я все равно занимаюсь водой. И это правда очень интересно.

- Теперь о серьёзном. Насколько актуальна для всех нас вода и как остро стоит вопрос чистой воды?

- Проблема чистой воды стоит на втором месте после проблемы чистого воздуха. Если без воздуха человек сможет прожить минуты три-четыре, то без воды – пару дней. И здесь очень важно качество воды, которое для нашего здоровья имеет большое значение. Вода совершенно особое творение природы. Она основная часть животного и растительного мира. В тканях человека ее 65-70%, в бактериях 81%, в рыбе 75%, в медузе 96%. А пища, которую мы ежедневно употребляем? Она тоже содержит много воды: огурцы 95%, помидоры 90%, яблоки 85%, картофель 76%. Отсюда ясно, почему ни человек, ни животные, ни растения не могут существовать без воды. Наш организм состоит из воды, детский на 85%, взрослый в среднем на 70%; чем старше возраст, тем меньше воды в нашем организме. Вода также вокруг нас – это реки, моря, океаны, в воздухе в виде пара, туманов, дождя и т.д. И когда у нас исчезает вода из крана – это катастрофа. Но все мы мечтаем, чтобы из крана текла хорошая вода. Отсюда возникает вопрос: что такое «хорошая вода»?

Простой человек не сможет ответить на вопрос, какая вода в его доме. Но сейчас столько возможностей позаботиться о себе, можно заказать по Интернету гаджеты (они могут быть в виде ручки и т.д.), которые могут определить содержание, например, солей в воде. Их должно быть меньше 50 мг/л, тогда это хорошая вода, если солей больше 300 мг/л – эта вода считается опасной для здоровья. Мы каждый раз проверяем воду у себя дома и на работе, в среднем содержание солей составляет 250 мг/л.

- Получается, это не очень качественная вода. И что же делать? Кипятить?

- Кипячение – простой способ, но при таком воздействии на воду «из-под крана» образуются нерастворимые вещества. У многих людей на чайниках образуется налёт, накипь, которая быстро копится, – это и есть тяжёлые нерастворимые соединения солей, которые, попадая в организм, оседают на сосудах человека (нерастворенные соли кальция, магния). Это оседание солей провоцирует хрупкость сосудов и может быть одной из причин инфарктов и инсультов.

- Но реклама нас убеждает в том, что пить надо бутилированную воду, что она самая чистая…

- Это, конечно, спорный вопрос, по факту она практически не отличается от нашей водопроводной воды. И солесодержание в ней колеблется в достаточно широком пределе. Природа в северном полушарии очищает воду очень простым способом: она ее замораживает. При замерзании вода выталкивает из себя все загрязнения, а солнечный ультрафиолет разрушает их на простые соединения. Люди давно пользуются этим методом, они замораживают воду и пьют уже талую. Кто-то пьет дистиллированную воду, считая, что это чистая вода, но, во-первых, ее получить достаточно сложно, это энергозатратное производство. Во-вторых, такая вода имеет кислую среду (5,6 рH), считается слабой кислотой, поэтому пить ее постоянно тоже нельзя, она закисляет организм, а в кислой среде развивается патогенная микрофлора, хотя она не содержит в себе никаких растворенных солей. Я бы сказал, что это «мертвая вода», а вот талая вода по солесодержанию близка к дистиллированной, в ней может находиться 10-15 мг/л растворенных солей, но реакция среды такой воды близка к нейтральной.

В основном, минеральные вещества (катионы металлов – катализаторы всех процессов в организме), которые поступают в организм, усваиваются только в органической форме! И попасть в организм они могут только из растений. А если просто пить воду с большим содержанием минеральных солей, то эти вещества не усвоятся. Поэтому я призываю людей, которые хотят улучшить свое здоровье, заниматься проростками (проращивать дома пшеницу, семена и т.д.). Например, проростки пшеницы (высотой около 10-12 см) максимально полезны. Но при этом не стоит забывать, что почва должна быть обогащена минеральными веществами, ее нужно удобрять, тогда и проростки будут очень полезными. Все фрукты и овощи из магазинов и рынков, которые мы едим, к сожалению, в основном из соседних государств и растут они уже на обедненной почве, минеральных веществ там практически нет – такие фрукты и овощи не приносят никакой пользы.

Я предлагаю в домашних условиях производить талую воду. Вечером ставлю воду в морозильную камеру, утром достаю ее, сливаю все, что не замерзло, а чистый лед использую для питья и других целей. Нужно, чтобы вода оттаяла, и можно пить, готовить пищу.

- А так ли важна проблема очистки и обеззараживания вод? Чем мы рискуем, когда пьем некачественную по химическому составу воду?

- В настоящее время проблема очистки и обеззараживания природных вод (водоподготовка) для получения питьевой воды, а также очистки сточных вод крайне актуальна. В связи с глобальным потеплением повышается температура воды как морей, так и внутренних водоемов, что наряду   с их химическим загрязнением создает благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры. По данным ВОЗ, в глобальном масштабе примерно 2 млрд населения Земли употребляют недостаточно очищенную воду.

Химическое загрязнение характеризуется, прежде всего, растущим объемом поступающих в водные экосистемы современных синтетических органических микрополлютантов, таких как фармацевтические препараты, гербициды, компоненты косметических и гигиенических средств, которые могут быть удалены лишь частично за счет существующих муниципальных очистных сооружений (в основном за счет биологической очистки). Остаточные количества данных микрополлютантов, постоянно поступающих в водные экосистемы, и их метаболитов являются сейчас большой проблемой для водных экосистем и представляют потенциальную опасность для здоровья человека. В водные экосистемы органические микрополлютанты поступают в основном в составе недостаточно очищенных хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод и отходов. Загрязнение такими стоками природных поверхностных и грунтовых вод приводит к дефициту качественной питьевой воды. По данным ЮНЕП, ежегодно в мировые природные водоемы и водотоки сбрасывается 2 млн т неочищенных сточных вод и промышленных отходов.

В результате глобального исследования по всему миру в природных и поверхностных водах был обнаружен опасно высокий уровень концентрации микрополлютантов, в том числе антибиотиков. Загрязнение антибиотиками является одним из ключевых путей, с помощью которого бактерии способны выработать устойчивость к жизненно важным лекарствам, что делает их неэффективными для использования человеком. Исследователи протестировали 711 речных участков в 72 странах и обнаружили антибиотики в 65% из них. На 111 участках концентрации антибиотиков (ципрофлоксацин, метронидазол, триметоприм, сульфаметоксазол) превышали безопасные уровни, причем в некоторых случаях более чем в 300 раз. В реках развивающихся стран концентрация антибиотиков обычно выше. Они достигли пика в Бангладеш, где метронидазол, используемый для лечения инфекций, был найден в концентрациях более чем в 300 раз выше безопасного уровня.

В связи с широким использованием полимерных материалов в мире, одним из наиболее распространенных микрополлютантов является бисфенол А (БФА), который нашел широкое применение в промышленности при производстве пластмасс, эпоксидных смол и других полимерных материалов. Объем его производства составляет более 450 миллионов тонн в год, при этом более 100 тонн выпускаются в атмосферу ежегодно. Бисфенол А относится к эндокринным дисрапторам, т.е. к соединениям, оказывающим гормоноподобный эффект на живые организмы и вызывающим неблагоприятное воздействие на репродуктивную и иммунную системы. В связи с этим задача минимизации уровня органических микрополлютантов в водных ресурсах является актуальной и чрезвычайно важной не только для защиты водных экосистем и качества питьевой воды, но и здоровья населения.

- И какие же инновационные методы очистки воды разработаны сотрудниками вашей лаборатории?

- В лаборатории инженерной экологии БИП СО РАН разрабатываются способы окислительной деструкции органических загрязнителей природных и сточных вод, в том числе микрополлютантов. Поскольку концентрация органических микрополлютантов очень мала, порядка микрои нанограммов на литр, они транзитом проходят через системы водоочистки и могут оказаться в питьевой воде. К тому же эти вещества способны поступать в поверхностные водные объекты и через них — в подземные воды. Опасность в том, что, попадая в организм, органические микрополлютанты негативно влияют на здоровье человека, в частности нарушают функции эндокринной системы. Также ученые работают с загрязнителями неорганической природы (цианидсодержащими веществами), попадающими в сточные воды от предприятий по переработке золотосодержащих руд и флотоконцентратов — концентратов, получаемых при обогащении полезных ископаемых методом флотации. Другое направление деятельности лаборатории — одновременная деструкция биорезистентных органических загрязнителей воды и обеззараживание содержащейся в ней патогенной микрофлоры. В перспективе разработки можно будет использовать для очистки воды на городских очистных сооружениях, на промышленных предприятиях и так далее.

Разрабатываемые в лаборатории технологии водоочистки являются комбинацией уже известных способов. Окислительные методы в сочетании с методами физического воздействия на воду (акустической, гидродинамической кавитации и ультрафиолетового  излучения) дают синергический эффект. Для того чтобы полностью нейтрализовать вредное воздействие этих веществ, используется метод окислительной деструкции с применением физически стимулированных процессов. Например, экологически чистые окислители (пероксид водорода или персульфаты), в качестве катализаторов — ионы железа или наночастицы оксида железа, закрепленные на слоистых алюмосиликатных матрицах. Например, окислительные процессы в сочетании с энергией солнца или эксимерных ламп, разработанных в Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск), дают обнадеживающие результаты. Ультрафиолетовая часть светового спектра воздействует на раствор, что приводит к образованию свободных радикалов. Таким образом, начинаются фотохимические процессы. Получать свободные радикалы можно не только при воздействии ультрафиолета, но и посредством акустической или гидродинамической кавитации. Метод гидродинамической кавитации работает следующим образом: через специальное устройство под большим давлением пропускается водный раствор, возникают разрывы сплошности среды (кавитация), и при их коллапсе образуются радикалы. Эта технология известна давно, но ученые пытаются оптимизировать ее для очистки воды в совокупности с химическими методами. Кроме того, разрывы сплошности среды можно создавать с помощью ультразвука. Обычно при его использовании применяются низкие частоты 22-44 кГц, но исследования показывают, что работа с более высокими частотами мегагерцового диапазона (1,7 МГц), используя пьезокерамические излучатели, позволяет значительно повысить кавитационный выход и, следовательно, увеличить энергоэффективность метода.

Наши окислительные методы опираются главным образом на работу свободных радикалов активных форм кислорода, в первую очередь гидроксильных, которые получаются при химическом и физическом воздействии. Именно активные формы кислорода ответственны за окисление токсичных органических молекул и перевод их в более безопасные формы. Прежде всего работа нацелена на то, чтобы оптимизировать физико-химические процессы.

- В рамках каких проектов проводятся эти исследования и какими учеными?

- Исследования по созданию инновационных методов очистки природных и сточных вод проводятся не только в рамках госзадания, но и при поддержке грантов РНФ и РФФИ. За 2019-2020 годы сотрудниками лаборатории опубликованы четыре статьи в высокорейтинговых международных журналах, входящих в первый квартиль Q1 WоS.

Надо еще подчеркнуть, что мы живем в буферной экологической зоне: всё, что здесь производится, в итоге оказывается в Байкале. В нашем регионе не посыпают солью дороги, хотят отказаться от фосфатсодержащих поверхностно-активных моющих веществ, от полиэтиленовых упаковок и одноразовой посуды. К очистке воды здесь требования жестче, чем в других регионах России. Пока экологические запросы сильно опережают современное развитие технологий: «Национальный проект «Экология» на период с 2019 по 2024 год содержит несколько пакетов проектной документации с требованиями для очистных сооружений населенных пунктов, где есть централизованная канализация. Однако на данный момент нет технологий, которые позволили бы достичь таких жестких показателей. Те же, которые удовлетворят требованиям, очень дороги, чтобы их использовать повсеместно.

Сейчас мы, ученые, работаем над методами очистки, потом идет проекционная деятельность, когда берут наши разработки и создают технологии, а потом уже создаются новые установки. Главная наша задача – создать научную основу, предложить более эффективные методы, оптимизированные, чтобы получить лучшие результаты.

Коллектив нашей лаборатории состоит из 14 человек: это 12 научных сотрудников и два инженера. Работаем в трех направлениях: первая группа работает над разработками методов очистки воды окислительными методами с использованием физического стимулирования, вторая группа использует те же процессы, только в борьбе с патогенной микрофлорой в воде, и третья группа работает над созданием катализаторов на основе глин, это модифицированные глины, куда добавлены металлы переходной валентности. Руководит лабораторией Батоева Агния Александровна, доктор технических наук, доцент. У нас замечательный коллектив, перед которым поставлены серьезные задачи, и мы справляемся с ними, потому что нам интересно и потому, что мы понимаем высокую ответственность и пользу того, над чем работаем.                   

Людмила Шишмарева