Арктическая вода: лёд, снег и артезианские скважины

Арктическая зона Российской Федерации (АЗРФ) масштабна во всех отношениях. Она занимает пятую часть площади всей страны, там добывается до 100% титана, циркония и редкоземельных металлов, ну и, конечно, 87% российского газа. Там же находятся «полюса холода» Северного полушария. Это якутские города Верхоянск и Оймякон. Последний был признан самым холодным населённым пунктом на планете с минимальной температурой -71,2°С. 

Сейчас, правда, учёные говорят о смещении «полюса холода» в Гренландию. Также любопытно, что Оймяконский улус пока не входит в АЗРФ. То есть получается, что на сегодняшний день принадлежность к АЗРФ определяется, преимущественно, географическим положением региона. Наверное, это не вполне корректно, и следует учитывать условия проживания.
 

Как уже многократно отмечалось, экстремальные условия тормозят развитие инфраструктуры российской Арктики. Прежде всего, это относится к транспортной инфраструктуре, но и инженерная не менее важна. Именно она отвечает за комфорт, пусть и относительный, проживания на Крайнем Севере. Инженерная инфраструктура обеспечивает жителей арктических населённых пунктов электричеством, теплом, связью и водой. 

Так устроено природой, что среднестатистический человек может прожить без еды более месяца, а без воды – не больше недели. Получается, что вода – вторая по значимости субстанция для человечества. Первая, разумеется, -- воздух. Уже через 5-6 минут без воздуха в мозге начинается необратимая гибель клеток.  

 

Перечислим основные источники воды:

Источники водоснабжения	Источники пополнения	Характеристика качества воды
Реки, ручьи	Поверхностный сток и грунтовые воды	Имеют взвешенные вещества (взвеси), слабо минерализованы, могут содержать патогенные бактерии
Озёра, водохранилища	Поверхностный сток и грунтовые воды	Взвеси, слабая минерализация, могут содержать патогенные бактерии
Моря	Поверхностный сток и подпитка Атмосферные осадки, реки и т.д.	Солёные/слабосолёные
Снег, лёд	Атмосферные осадки	Возможно биологическое заражение
Подземные воды	Атмосферные воды, грунтовые потоки	Сильно или средне минерализованы

В условиях Арктики источники водоснабжения можно подразделить на поверхностные и подземные. Большинство поверхностных пресных источников находятся в мёрзлом состоянии в течение 6-9 месяцев в году. Незамерзающие зимой подземные протоки встречаются преимущественно в гористой местности. Промерзание рек и ручьёв происходит в нижнем течении, при выходе на равнину. Не промерзают только те равнинные реки, у которых водосборная площадь измеряется тысячами квадратных километров, а в их зимнем питании участвуют подземные воды или очень крупные озёра. 

К сожалению, во многих регионах АЗРФ до сих пор отсутствуют централизованное водоснабжение и водоотведение, а вода многих расположенных там водных объектов не соответствует санитарно-гигиеническим нормам. Также проблемой является её централизованная доставка, затраты на которую весьма существенны. Зачастую, стоимость доставки питьевой воды на большие расстояния в разы превосходит стоимость её производства на месте. А это важная составляющая коммунального тарифа для населения, заставляющая призадуматься о переселении на материк. 

Коренное население Крайнего Севера (КМНС), жители малых отдалённых посёлков и специализированных объектов, например, метеостанций, в качестве источника питьевой воды используют лёд. Техническая вода там – это своего рода излишество. Летом она черпается из открытых водных источников (при их наличии), а зимой для её получения используется снег. Здесь необходимо подчеркнуть, что снег и лёд дают разную по потребительским свойствам воду. Лёд – это вода, сразу перешедшая из жидкого агрегатного состояния в твёрдое. Кроме того, талая вода, даже получаемая в домашних условиях путём замораживания и размораживания, благотворно влияет на человеческий организм на клеточном уровне. Её молекулы, минуя клеточные оболочки, питают ядра клеток, ускоряют метаболизм, обеспечивают ускоренный рост и деление.   

А снег переходит в твёрдое состояние постепенно, через пар. Он образуется из конденсата, и в результате его таяния получается, по сути, дистиллированная вода. Её, конечно, можно пить, но такая вода вымывает из человеческого организма необходимые соли и микроэлементы и не может называться полезной. Животные и птицы, в отличие от людей, могут употреблять снег, они к этому приспособлены. Для них опаснее всего именно бесснежные зимы, когда вся вода скована льдом. Людям же воду из талого снега без специальной водоподготовки желательно употреблять только в случае крайней необходимости. Некоторые КМНС, например, закрепляют на себе под меховую одежду кожаные фляги со снегом. Но некоренным жителям такие эксперименты на себе повторять не стоит. 

Для того, чтобы запастись питьевой водой, жители большинства малых отдалённых посёлков и объектов выпиливают бензопилами лёд и буксируют его до жилищ. Далее нарезанный в виде параллелепипедов лёд размещают в сарае или сенях, где он хранится до наступления тепла. С приходом арктического лета лёд перемещают в подземные «морозильники», обустроенные в вечной мерзлоте неподалёку от жилищ. Обычно запасов хватает до следующей зимы, и процедура повторяется заново.

   

   Но средние и крупные, по северным меркам, посёлки так водой не запитаешь. В тех из них, которые ещё не обеспечены магистральной питьевой водой надлежащего качества, необходимо применение современных технологий водоподготовки и доставки воды. Более того, необходимо учитывать и износ существующих магистральных водопроводов. То есть даже при их наличии технические условия на подключение к ним можно просто не получить. Они попросту не выдержат увеличения давления. К тому же, в российской Арктике невысокий уровень рН, одновременно с повышенным содержанием железа. Это приводит к зарастанию стальных труб и уменьшению срока их службы. Выходом может быть постепенная замена таких труб на долговечные теплоизолированные трубы из полимеров, включая полиэтилен. Поскольку значительная часть труб будет прокладываться по поверхности, то их целесообразно оснащать теплоспутником – электрическим нагревательным кабелем:

  Водозабор в «полупромышленных» масштабах можно осуществлять путём бурения скважин. Как известно, в России имеется несколько крупных артезианских областей. Например, западносибирская, относящаяся к АЗРФ и занимающая площадь в 3 млн. кв. км. Но и здесь есть свои сложности. Не вся вода из скважин обладает необходимым качеством и органолептическими свойствами. Возьмем, к примеру, столицу Ямала – Салехард. Как наглядно видно из карты качества подземных вод Уральского федерального округа (УрФО), вода из водозаборов, обозначенных красными кружками, неудовлетворительна как по природным, так и по техногенным показателям:   

   На территории УрФО залежи чистой природной воды располагаются на глубинах от 70 до 250 метров. В Тюменской области, к примеру, артезианский водный горизонт ближе всего расположен в районах Велижанского, Старобольского, Тобольского и Ирбитского трактов.

В районе последнего есть места, в которых можно пробурить относительно неглубокую скважину на известняк. В других районах известняковый слой отсутствует, а это значит, что даже глубокая скважина будет «на песок». Оговоримся, что скважина на известняк обладает преимуществом перед «песчаной». У неё более высокая производительность (дебит), она не заиливается, а средний срок её эксплуатации превышает пятьдесят лет.

В окрестностях Салехарда источников артезианской воды не так много. Также необходимо убедится в качестве воды из них, проведя химический анализ. Как правило, вода из артезианской скважины чище, чем из «песчаной», поскольку водоносный слой находится между слоями известняка, который способствует защите от вредных примесей. Тем не менее, если содержание каких-либо веществ или примесей будут превышать норму, необходимо обустроить систему дополнительной водоочистки и водоподготовки.   

 Кстати, стоимость 1-го погонного метра бурения артезианской скважины в районе Салехарда составляет порядка 1,5 тыс. руб., что сопоставимо со многими «материковыми» регионами и дешевле, чем, например, в Подмосковье. При этом необходимо учитывать глубины. Если скважина пробурена на максимальную глубину в 250 метров, то её стоимость будет весьма существенной. Ещё одним нюансом является дебит скважин. Нормативный расход воды на человека в сутки составляет 180 литров, то есть это небольшая ванна габаритами 150 на 80 см. Для простоты расчётов примем дебит за 1 800 литров в час, что позволит нам ежечасно наполнять 10 ванн. В сутки это будет 10 х 24 = 240 ванн или 240 человек. То есть, для обеспечения посёлка в 2 400 человек понадобится, в среднем, десять скважин. Но это в теории, а на практике может получиться, что дебит меньше, вода непитьевого качества и т.п. К тому же, в некоторых районах АЗРФ бурение скважин на воду практически невозможно. Снегоплавление в промышленных масштабах для нужд производства воды питьевого качества также затруднительно. Основная сложность – заготовка и доставка снега. Более того, уборка снега может повредить местной чувствительной флоре и фауне. Тем не менее, проведём теоретические расчёты снегоуборки и снегоплавления на территории 1 гектар без учёта стоимости капитальных и операционных затрат на водоочистку и её последующую искусственную минерализацию.

    

Экономический расчёт плавления снега

Допущения: 

Толщина снежного покрова = 1 м. 

 Коэффициент уплотнения снега = 0,75 

 1 Га (10 000 м²) х 1 м × 0,75 = 7 500 м³ 

Снегоплавление:

а) Дизельное топливо (ДТ) арктическое: 

Средняя мелкооптовая цена ДТ = 45,00 руб./л. 

На плавление 1 м³ снега требуется 2,7 литра = 121,5 руб. 

Затраты на плавление общего объёма = 911 250 руб.    

б) магистральный газ 

Средняя стоимость газа в 2021 году = 4,60 руб./м³ 

На плавление 1 м³ снега требуется 3 м³ газа = 13,80 руб. 

Затраты на плавление общего объёма = 103 500 руб. 

Стоимость вывоза снега: 

Количество машин объёмом кузова 20 м³ = 375 шт. (7 500 м³ / 20 м³)  

Стоимость вывоза 1 машины (средняя по России) = 5 000 руб.

Средняя стоимость вывоза данного объёма снега по России = 1 875 000 руб.

 

Расчёты показывают, что при идеальных условиях снег с площади в 1 гектар можно собрать за двадцать часов (при скорости 500 м³ в час) и растопить за тридцать четыре часа (при скорости плавления 220 м³ в час). Таким образом, в сутки около 30 тыс. жителей могут быть обеспечены водой питьевого качества (при условии её минерализации).     

Морская вода

Теперь разберём более подробно ещё один существенный источник – морскую воду. На сегодняшний день, к сожалению, даже населённые пункты, расположенные на берегу Северного Ледовитого океана (его многочисленных морей), не имеют преимуществ, поскольку неопреснённая морская вода непригодна не только для питья, но и для технических нужд. Исключением является пожаротушение, да и то весьма условно. Морская вода разъедает металл и обладает большей электропроводимостью по сравнению с пресной. То есть трансформаторную подстанцию, к примеру, ей тушить нельзя.  

Как известно, морская вода отличается от пресной, прежде всего, солёностью -- суммарным содержанием минеральных неорганических солей, которое характеризует степень минерализации воды. Морская вода содержит, в основном, растворённые ионы соединений Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, MgCl₂ и NaCl. Концентрация солей колеблется в зависимости от расположения моря. Средний показатель солёности Мирового океана составляет 35 г/л, а моря Лаптевых, например, -- 32-34 г/л, в зависимости от удалённости от берега и глубины. Чтобы вода соответствовала категории «питьевая», показатель минерализации должен быть не выше 1000 мг/л. Для этого её необходимо опреснить.

Процесс опреснения морской воды основан на удалении из неё солей химическими или физическими способами. В зависимости от этого установки по опреснению воды делят на дистилляционные и фильтрационные. Обычные или многостадийные дистилляторы работают на основе принципа перегонки: нагревают воду до перехода в газообразное состояние и конденсируют чистый пар в другом сосуде. Более половины опреснительных установок работают именно так. Однако, как уже было сказано ранее, в результате получается не самая полезная вода.

Фильтрационные установки опреснения используют технологию обратного осмоса, не предполагающую изменения её агрегатного состояния. Вкратце процесс выглядит следующим образом: нагнетаемое насосом давление «продавливает» молекулы воды через нано-отверстия осмотической мембраны, обеспечивая на выходе воду со степенью очистки в 98%. То есть, если исходная минерализация воды была 18 г/л, то вода на выходе будет иметь минерализацию 360 мг/л. Такая вода является питьевой. Расчётная производительность мембраны и степень опреснения зависят от исходного состава морской воды, а также температуры и давления в системе.

Теперь разберём эту и альтернативные технологии более подробно. 

Опреснение воды с помощью обратного осмоса

Самым выгодным и эффективным способом очистки морской воды от солей до показателей питьевой является обратный осмос. Главным элементом в нём является селективная мембрана, предназначенная для опреснения морской воды. Под действием давления в 30 - 65 атмосфер поток разделяется на фильтрат, проходящий сквозь мембранные элементы, и концентрат, сливаемый в дренаж. Для продления срока службы мембран в систему добавляют специальные вещества, которые замедляют процесс образования осадка. Также регулярно проводят химическую мойку мембран. 

Опреснение с помощью дистилляции 

Это самый древний способ опреснения морской воды. Его суть заключается в переводе молекул воды в газообразное состояние при температуре кипения, перегонке и конденсации пара в другой ёмкости. Метод достаточно эффективный и позволяет получать до 90% пресной воды в коллекторах дистиллята. Системы могут быть как одноступенчатые, так и многоступенчатые. Способ термического опреснения сопряжен с большими энергозатратами и, как уже отмечалось, дистиллированная вода без искусственной минерализации, по сути, является мёртвой. 

Химическая вода и опреснение воды

Данный способ основан на дозированном добавлении реагентов, направленном на связывание растворённых ионов в нерастворимые соли, и последующей фильтрации осадка. В качестве связующих химических соединений применяют соли серебра и бария в концентрации 5% к общему объёму воды. В результате реакции осаждения образуется хлористое серебро AgCl и сернокислый барий BaSO₄. Соли бария токсичны, а реакция осаждения с их участием протекает медленно, что обусловливает редкое применение данного способа в промышленных масштабах опреснения морской воды. 

Вымораживание и газогидратный метод опреснения

Способ вымораживания основан на медленном искусственном замораживании воды. Для формирования кристаллов льда применяют дополнительное пропускание углеводородных газов (пропан, бутан, этилен и др.) через солёный водный раствор. При определённой температуре и давлении они образуют с молекулами воды газовые гидраты. В дальнейшем их отделяют от рассола и, растапливая лёд, получают пресную воду. Газ, выделяющийся при топлении льда, подвергают рекуперации и отправляют в следующий цикл вымораживания. Газогидратный метод опреснения воды имеет все плюсы стандартного замораживания, но позволяет снизить энергозатраты и потери холода за счёт более высокой рабочей температуры.

***

Как прогнозируют учёные, к 2035 году более двух миллиардов землян будут испытывать нехватку чистой питьевой воды. Проблема в том, что основная часть пресной воды остаётся замороженной в полярных льдах, в то время как грунтовые и подземные воды всё больше загрязняются антропогенными отходами. Поэтому человечеству достаточно скоро придется обратить пристальное внимание на ресурсы Мирового океана как неисчерпаемого источника получения пресной воды.

Но вода – это не только водопровод, канализация и ирригация. Вода – это источник энергии для человечества в транзитный период от сжигания углеводородов до использования энергии «эфира». Вода, как следует из формулы H₂O, является источником водорода. 

Процесс получения водорода и кислорода из воды именуется «электролизом». Впервые его описал Майкл Фарадей в 1834 году: расщепление молекул происходит благодаря источнику питания, к которому подключены два электрода (опущенные противоположными концами в воду). Таким образом на катоде образуется поток водорода, а на аноде – поток кислорода.

Для пресной воды этот метод работает безукоризненно, а вот в солёной воде электроды активно разрушаются хлоридами, что заметно ограничивает срок их службы. Однако недавно учёные нашли способ решить эту проблему. Они поняли, что если анод будет покрыт отрицательно заряженным веществом, то оно будет отталкивать ионы хлора (тоже обладающие отрицательным зарядом) и тем самым снижать скорость распада металла. Это означает, что в скором будущем водород можно будет получать из морской воды, минуя стадию опреснения. Только никогда не стоит пренебрегать безопасностью, чтобы не повторилась трагедия дирижабля «Гинденбург», использовавшего водород в качестве газа, который легче воздуха. Сегодня летательные аппараты подобного типа используют инертный гелий.

Автор: Владимир Тишак.