Что такое опреснение? Как оно влияет на окружающую среду?

Опреснение – это процесс преобразования морской воды в питьевую путем удаления соли и других минералов. Хотя рудиментарные формы опреснения использовались с древних времен, только в середине 20-го века методы опреснения в промышленных масштабах стали широкодоступными для прибрежных сообществ, не имеющих доступа к питьевой воде, по всему миру. Сегодня около 300 миллионов человек в более чем 150 странах получают воду каждый день примерно с 16 000 систем опреснения. (1)

Лишь 2,5% поверхностных вод на планете являются пресными, и лишь часть из них доступна и пригодна для потребления человеком. По мере усиления изменения климата опреснение обеспечивает альтернативный источник питьевой воды и орошения. Однако оно также оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Новые технологии могут помочь смягчить некоторые из этих эффектов, но опреснение – это компромисс между удовлетворением растущих потребностей человека в источниках пресной воды и экологическими проблемами, которые этот процесс усугубляет. (2)

Процессы и технологии

На протяжении всей истории люди использовали различные методы дистилляции и фильтрации для пополнения запасов пресной воды. Но только в середине 20 века опреснение превратилось в крупномасштабный промышленный процесс, способный обеспечивать водой крупные населенные пункты. Сегодня широко используются три основные категории опреснения: мембранные технологии, термические технологии (дистилляция) и химические процессы. В настоящее время наиболее распространенными методами опреснения являются мембранные и термические методы. (3, 4)

Термическая дистилляция

Термическое опреснение предусматривает кипячение воды до тех пор, пока она не испарится, оставив после себя соль. Водяной пар, который теперь не содержит соли, затем улавливается путем конденсации. Тепловая энергия, необходимая для этого в больших масштабах, поступает от парогенераторов, котлов-утилизаторов или путем отбора пара из турбин электростанций.

Одним из наиболее распространенных термических методов является многоступенчатая дистилляция (MFS), тип установки, который относительно прост в строительстве и эксплуатации, но чрезвычайно энергоемок. По данным Международной ассоциации воды, сегодня опреснение MSF наиболее распространено на Ближнем Востоке, где большое количество ископаемых видов топлива делают это возможным. (2, 5)

Мембранная сепарация

Базовая технология мембранного опреснения предусматривает приложение сильного давления, чтобы заставить соленую воду проходить через несколько крошечных полупроницаемых мембран. Эти мембраны пропускают воду, но не растворенные соли. Звучит просто, но это еще одно очень энергоемкое мероприятие. Наиболее распространенным мембранным процессом является обратный осмос, впервые разработанный в 1950-х годах и коммерциализированный в 1970-х годах. В настоящее время это наиболее широко используемый тип опреснения за пределами Ближнего Востока и Северной Африки.

Экологические преимущества и последствия

Опреснение – важная технология для поддержания водной безопасности и устойчивости засушливых, подверженных засухе сообществ, расположенных вблизи источников соленой или солоноватой воды. За счет снижения спроса на источники пресной воды, такие как грунтовые воды, реки и озера, опреснение может помочь сохранить среду обитания, зависящую от тех же водных ресурсов. (6)

Хотя опреснение является дорогостоящим мероприятием, оно, как правило, является надежным местным источником чистой воды не только для потребления человеком, но и для сельского хозяйства. Небольшие опреснительные установки в сельских районах с дефицитом воды могут помочь обеспечить водную безопасность для некоторых из наиболее уязвимых общин. Более крупные объекты могут сыграть важную роль в обеспечении доступа городских жителей к безопасной и надежной питьевой воде. Использование опреснения, вероятно, расширится в ближайшие годы, поскольку изменение климата усиливает засуху и способствует уменьшению количества и качества ресурсов пресной воды. (7)

Но опреснение не лишено недостатков. Наибольшую озабоченность вызывают его энергетический след, количество сточных вод, производимых и сбрасываемых обратно в океан, и пагубное воздействие на морскую жизнь на обоих концах процесса. Поскольку все больше предприятий постоянно подключаются к сети, поскольку сообщества ищут более устойчивые к изменению климата источники воды, опреснение никуда не исчезнет. Новые технологии могут снизить часть его воздействия на окружающую среду.

Использование энергии

Подавляющее большинство опреснительных установок по-прежнему работают на ископаемом топливе. Это означает, что опреснение способствует выбросам парниковых газов и ухудшению климатических изменений. Однако существуют также опреснительные установки, работающие на возобновляемых источниках энергии, но пока они в основном ограничены мелкомасштабными операциями. В настоящее время прилагаются усилия, чтобы сделать их более распространенными и более рентабельными. Недавние данные свидетельствуют о том, что опреснение с использованием возобновляемых источников энергии может работать практически везде, где есть доступ к океанской воде или солоноватым водам. (8, 9, 10)

Солнечная, ветровая и геотермальная энергия уже предоставляют жизнеспособные варианты для питания новых опреснительных установок, при этом солнечная энергия является наиболее распространенным источником энергии для опреснительных установок, работающих на возобновляемых источниках энергии. Гибридный подход, который чередует возобновляемые источники, такие как ветер и солнце, может обеспечить большую надежность в периоды колебаний производства энергии. Использование энергии океана для опреснения воды – еще одна развивающаяся область исследований. (2, 11, 12)

Кроме того, ряд разрабатываемых технологий нацелен на повышение энергоэффективности при опреснении. Прямой осмос – одна из новых перспективных технологий. Другой вариант включает использование низкотемпературного термического опреснения, при котором вода испаряется при более низких температурах для снижения потребления энергии, а затем восстанавливается в жидкой форме. Такие менее энергоемкие технологии, как эта, могут хорошо сочетаться с возобновляемыми источниками энергии, как подробно описано в исследовании Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии, в котором исследуется использование низкотемпературного термического опреснения с помощью геотермальной энергии. (13)

Воздействие на морскую жизнь

Более половины морской воды, используемой при опреснении, превращается в соленые сточные воды, смешанные с токсичными химическими веществами, которые добавляются во время очистки. Струи под высоким давлением смывают эти сточные воды обратно в океан, где они угрожают морской жизни. (14, 15)

Недавнее исследование показало, что количество соляного раствора в этих сточных водах на 50% больше, чем предполагалось ранее. Стандарты сброса сточных вод обратно в океан значительно различаются. В некоторых регионах, особенно в Персидском заливе, Красном море, Средиземном море и Оманском заливе, опреснительные установки часто сгруппированы вместе, непрерывно сбрасывая теплые сточные воды в мелководные прибрежные воды. Это может повысить температуру и соленость морской воды и снизить общее качество воды, что отрицательно скажется на прибрежных морских экосистемах. (14, 16)

Первоначальное потребление морской воды также представляет опасность для морской флоры и фауны. Забор воды из моря приводит к гибели рыб, личинок и планктона, поскольку они случайно попадают в опреснительную установку. Ежегодно миллионы рыб и беспозвоночных попадают в опреснительные установки и попадают на водозаборные решетки. Те, что достаточно малы, чтобы пройти через фильтры, попадают в систему и погибают во время химической обработки соленой воды. (17)

Изменения в конструкции могут снизить количество погибающих в этом процессе морских организмов, включая использование более крупных труб для замедления поступления воды, что позволяет рыбе выплывать и убегать, прежде чем она попадет в ловушку. Новые технологии могут уменьшить количество сточных вод, которые попадают в море, и более эффективно рассеивать эти отходы для смягчения воздействия на морскую жизнь. Но эти меры могут работать только в том случае, если они будут приняты и должным образом обеспечены.

К большему объему данных, лучшим стандартам

Обеспечение опреснительных систем возобновляемой энергией и строительство объектов, снижающих потенциальный вред морской жизни, требуют инвестиций в исследования, чтобы лучше понять воздействие на окружающую среду и использовать эти данные для разработки более эффективных правил проектирования и эксплуатации систем опреснения. Полезный пример – это Калифорния, которая приняла Поправку по опреснению воды к своему плану контроля качества воды в океане. Это требует согласованного процесса выдачи разрешений на опреснитель морской воды, требуя соблюдения определенных строительных и эксплуатационных стандартов, чтобы свести к минимуму вред морской жизни. (18)

Перевешивают ли преимущества негативное воздействие на окружающую среду?

По данным Организации Объединенных Наций, около 2,3 миллиарда человек живут в странах, испытывающих нехватку воды. А 4 миллиарда человек – почти две трети населения мира – испытывают острую нехватку воды, по крайней мере, один месяц в году. Эти цифры, вероятно, увеличатся с усилением засухи и истощением запасов пресной воды. (19)

Управляющие водными ресурсами и политики знают, что опреснение не может быть единственным решением проблемы водной безопасности. Это слишком дорого и не гарантирует бесконечные запасы пресной воды без экологических последствий для нашего постоянно растущего населения планеты. Вместо этого его необходимо сочетать с интеллектуальными технологиями экономии воды, чтобы предотвратить отходы в сельскохозяйственном, жилом, добывающем и промышленном секторах. Инвестиции в водосбережение представляют собой альтернативную стратегию с гораздо меньшими экологическими издержками. (20)

Города с дефицитом воды по всему миру демонстрируют, как можно добиться сбережения путем сочетания ограничений на использование и инновационных стратегий, таких как переработка серой воды и повторное использование сточных вод. Например, Лас-Вегас, штат Невада, США, недавно ввел постоянный запрет на использование декоративной травы – одно из нескольких ограничений, которые город наложил на использование воды, поскольку его основной источник воды, озеро Мид, достигает опасно низкого уровня. В то же время водный район региона использует высокотехнологичный процесс очистки сточных вод для очистки серой воды и сточных вод для повторного использования местными полями для гольфа, парками и предприятиями, а также возвращает часть чистой воды в озеро Мид для использования в будущем. (21)

Человечеству нужно будет использовать все доступные сегодня уловки – и несколько уловок, о которых мы еще не мечтали – чтобы обеспечить безопасное и стабильное снабжение водой растущего населения. Среди них, безусловно, будут новые технологии опреснения, но опреснение должно сопровождаться строгими, последовательными стандартами и их соблюдением, чтобы затраты не перевешивали выгоды.

Ключевые выводы

• Опреснение – это процесс удаления соли из морской воды, чтобы обеспечить источник безопасной и чистой питьевой воды.
• Оно способствует обеспечению водной безопасности примерно 300 миллионов человек во всем мире, особенно в засушливых прибрежных районах, и в настоящее время строится больше опреснительных установок, поскольку мир сталкивается с растущей проблемой отсутствия водной безопасности.
• Однако опреснение оказывает значительное воздействие на окружающую среду, включая большой энергетический след и нанесение ущерба морской жизни.
• Новые технологии снижают воздействие на морскую жизнь, повышают энергоэффективность и помогают сделать опреснительные установки, работающие на возобновляемых источниках энергии, конкурентоспособными по сравнению с установками, работающими на ископаемом топливе.

Treehugger