Паводки – подъём уровня воды в реках в результате снеготаяния или обильных дождей – напрямую влияют на систему водоснабжения. В этот период качество питьевой воды может значительно ухудшаться.
Вода приобретает несвойственный ей цвет, запах и привкус, становится мутной. Это неудивительно – ведь с талыми водами в реки и озера попадают все те загрязнения, которые накопились за зиму. Паводковые воды создают благоприятную среду для размножения патогенных микроорганизмов. Вода может стать причиной передачи кишечных (брюшной тиф, паратифы, сальмонеллез, дизентерия), вирусных (ротавирусная, норовирусная, энтеровирусная инфекции, гепатит А и Е) и зоонозных инфекций (лептоспироз, туляремия, бруцеллез), возбудители которых попадают в воду с выделениями грызунов и других животных.
Паводок вызывает подъем уровня грунтовых вод. Тогда верховодка (подземные воды, залегающие близко к поверхности) смешивается с загрязненными паводковыми водами. В результате загрязняющие вещества проникают также и в подземные источники водоснабжения. Глубокие артезианские скважины, как правило, остаются чистыми, но колодцы и родники, которые питаются из незащищенных водоносных горизонтов, являются в эпидемиологическом отношении ненадежными.
Во время паводков нагрузка на станции водоочистки и водоподготовки возрастает. Вот некоторые технологии, которые предлагает ИФХЭ РАН для очистки воды.
Фильтрация воды от твердых частиц
Первый шаг очистки – отделение твёрдых частиц, на которых в основном и концентрируется микрофлора. Проблема любого фильтра (будь то керамика, ткани, картон, спеченные металлы) – его необратимое засорение и снижение проницаемости, которое невозможно ликвидировать промывкой, из-за чего требуется заменить фильтр. В случае токсичных или радиоактивных сред эти продцедуры сложны и опасны. В ИФХЭ РАН разработан саморегенерируемый фильтрующий элемент на основе спиральной структуры с переменным зазором.
Фильтрующая перегородка выполнена из проволоки диаметром 0.6–0.8 мм, навитой так, что образуются зазоры в диапазоне от 7 до 100 мкм. Перегородка закреплена на каркасе с подпружиненным торцом. При фильтрации вода подаётся на внешнюю поверхность. Твёрдые частицы задерживаются на ней, отфильтрованная вода отводится через внутреннюю полость и штуцер.
Схема саморегенерируемого фильтрующего элемента. Источник: © 2026 ИФХЭ РАН
Когда проницаемость засорившегося фильтра падает, через штуцер подаётся поток чистой воды в противоположном фильтрации направлении. Гидравлическое давление преодолевает усилие пружины, фильтрующая перегородка растягивается, и зазоры между витками увеличиваются. Задержанный мусор вымывается из фильтра. После сброса давления пружина возвращает исходную геометрию.
Ресурс фильтра составляет не менее ста тысяч циклов «фильтрация-регенерация» с полным восстановлением фильтрующих свойств. Фильтр эффективен для концентрирования частиц субмикронного размера и биологических объектов (цисты, яйца гельминтов) из больших объёмов воды (до 1000 л).
Опытные образцы, сконструированные в ИФХЭ РАН, проходят испытания или эксплуатируются в составе фильтровального оборудования на предприятиях нефтехимии, пищевой промышленности, атомного флота, а также в системах водоочистки и пневмотранспорта.
Таким фильтром можно очищать от механических частиц не только воду, но и нефть, тяжелые масла, солевые растворы, сахарные сиропы, радиоактивные растворы, а также газы, содержащие твёрдые примеси (сажа, металлическая пыль, оксиды, радиоактивные аэрозоли).
Сточные воды с полигонов твёрдых бытовых отходов
Особую опасность представляют затопления территорий, на которых расположены потенциальные источники загрязнения, например, свалки мусора и полигоны твердых бытовых отходов (ТБО). Биохимические процессы анаэробного разложения органики, просачивание атмосферных осадков через тело полигона, а также содержащаяся в отходах влага формируют фильтрационные стоки, которые считаются одним из самых сложных для очистки видов сточных вод.
Это не просто грязная вода, а высококонцентрированный динамичный «коктейль» из продуктов биохимических реакций, смешанных с солями металлов, включая медь, цинк и никель, и c поверхностно-активными веществами. Многие методы очистки пасуют перед таким составом. Классическая «биология» не работает из-за токсичности этой «гадости» и нежелания микробов ее «поедать».
Численный показатель загрязненности органикой называется «химическое потребление кислорода» (ХПК). Это расчетная величина, показывающая, сколько кислорода нужно, чтобы полностью окислить все органические вещества в воде с помощью сильного химического окислителя (например, бихромата калия). ХПК обычной условно-чистой воды из поверхностного источника составляет 20-30 мг/л. В городских сточных водах этот показатель может доходить до 100 мг/л. Но для фильтрата эти цифры меркнут. Для «старого» полигона (на который не привозят отходы) ХПК составляет 1500-2000 мг/л, а для «молодого» (где мусор постоянно пополняется) может достигать шокирующих 15 000–30 000 мг/л.
Точная настройка химических реакций в сочетании с каскадом мембран
Распространение фильтрата с полигонов в окружающую среду обычно предотвращают дамбами. Однако во время паводков и сильных ливней происходит лавинообразное нарастание объёмов токсичного фильтрата, поэтому есть риск переполнения дамбы и даже её прорыва. Только постоянная очистка фильтрата, предотвращающая его накопление в пределах дамбы, позволяет предотвратить его попадание в окружающую среду.
В настоящее время системы очистки фильтрата имеются лишь на крупных полигонах. Однако даже они недостаточно эффективны. К тому же при очистке воды обратным осмосом образуется значительное количество концентрата (до 30% от общего объёма очищаемой воды), который тоже требует утилизации.
Учёные ИФХЭ РАН совместно с АО «Квантовые технологии» показали, что до 80% вклада в ХПК дают гуминоподобные вещества. Они активно связывают ионы тяжелых металлов (свинца, кадмия, цинка) и d-элементов (железа, никеля) и превращают их в нерастворимые, но очень мелкие коллоидные частицы. Эти частицы парят в воде как взвесь. Обычным фильтром отделить их невозможно – частицы слишком мелкие, чтобы фильтры могли их задерживать.
Предлагаемая технология очистки фильтрата полигонов ТБО состоит из нескольких этапов.
Сначала фильтрат подкисляют. Это необходимо для нейтрализации огромного количества соды (гидрокарбоната натрия), которая всегда присутствует в нём и который будет мешать дальнейшим реакциям. При этом выделяется углекислый газ, вызывая обильное пенообразование, которое необходимо гасить. Кроме того, экспериментально и теоретически установлено, что именно в диапазоне кислотности от 5,7 до 6,0 (слабокислая среда) лучше всего осаждаются как высокомолекулярные гуминовые кислоты, так и их низкомолекулярные аналоги – фульвокислоты.
Добившись нужной кислотности, в фильтрат добавляют хлорид железа. Железо вступает в реакцию с карбоксильными группами гуминовых веществ, образуя нерастворимые комплексные соли – гуматы железа. Основная часть хлорида железа гидролизуется водой, создавая хлопья гидроксида железа. Эти хлопья работают как коагулянт: они склеивают коллоидные частицы в крупные тяжелые агрегаты. После обработки жидкость направляют в тонкослойные отстойники, в которых взвесь быстро оседает на дно. На стадии отделения взвеси удаляются гуматы, негативно влияющие на мембраны, что позволяет повысить эффективность мембранной очистки и увеличить срок работы фильтров.
После осаждения взвешенных веществ вода всё ещё содержит растворенную органику и соли, в частности, ионы аммония. Для их удаления используется гипохлорит натрия. В этой реакции образуются безобидные газообразный азот, поваренная соль и вода. Однако реакция требует достаточно высоких концентраций гипохлорита, что повышает солевой фон и рН среды.
Затем воду пропускают через нанофильтрационные мембраны. Они задерживают 90–96% остаточной органики (и лишь треть солей). Освобожденный от органических молекул раствор далее последовательно проходит через три ступени обратного осмоса. При этом объём итогового токсичного концентрата (рассола) сокращается до 3-5% от исходного. Его можно выпаривать, а сухой остаток – захоронить.
Разработанная в ИФХЭ РАН технологическая цепочка (коагуляция – нанофильтрация – обратный осмос – выпаривание) была протестирована на стенде производительностью 50 л/час. Испытания показали, что при использовании каскада мембран удается получить очищенную воду, соответствующую нормативам на сброс в водоемы.
Электронный пучок против микроорганизмов
Для очистки воды от микроорганизмов есть много проверенных способов: хлорирование, озонирование, обработка ультрафиолетом. В ИФХЭ РАН предложили перспективную современную технологию с высокой безопасностью – облучение ускоренными электронами.
Лабораторный ускоритель электронов. Фото: © 2026 Ольга Макарова, ИФХЭ РАН
При электронно-лучевой обработке молекулы воды распадаются на осколки: свободные радикалы и гидратированные (т. е. не связанные с определенной молекулой, а находящиеся в растворе) электроны. Этот процесс называется радиолизом. В чистой воде эти «осколки» быстро собираются обратно в молекулу H2O, но, если в воде есть примеси, то радиолиз «атакует» именно их. Там, куда проникли ускоренные электроны, вода превращается в сильнодействующий химический реактив. Хотя активные частицы живут одно мгновение, этого достаточно для того, чтобы разрушить находящиеся в воде микроорганизмы или продукты их жизнедеятельности – сложные органические молекулы. Например, эксперименты по облучению микроводорослей Cochlodinium polykrikoides и Alexandrium catenella (которые являются одной из причин губительных «красных приливов») показали, что малой поглощенной дозы (до 1 кДж/кг) уже достаточно для уничтожения более двух третей популяции этих микроорганизмов и инактивирования остальных. Опыты с сине-зелеными водорослями, типичными для средней полосы России, дали не менее впечатляющие результаты.
Во время весенних паводков микроводоросли чаще всего находятся в форме спор или зигот. Обернувшись плотной оболочкой, они рассчитывают дожить до лучших теплых дней. Ни хлор, ни озон, ни ультрафиолет не могут разрушить «законсервировавшиеся» зиготы и споры. Но образовавшиеся при радиолизе активные радикалы взламывают и эту защиту.
При радиолизе воды не только уничтожается микробная популяция. Радиолиз разрушает многие сложные органические соединения. Их в весенних реках и озерах очень много, потому что во время паводка или сильного половодья придонные слои воды взмучиваются. Со дна поднимается ил, а с ним – вся та органика, которая образовалась при цветении водорослей в конце лета. С ней смешиваются антигололедные реагенты и нефтепродукты, попавшие в воду из ливневой канализации. Иногда размываются скотомогильники, захватываются стоки ферм или выгребные ямы. Электронные пучки уничтожают микробы и трансформируют опасные примеси в безопасные.
Радиолиз убирает из воды не только то, что принесено половодьем, но и присутствующие в ней постоянно химические загрязнители. В частности, это пищевые красители, которые в огромных количествах применяются в пищевой, фармацевтической и косметической промышленностях. Мутагенность и канцерогенность многих из них подтверждена экспериментально. До настоящего времени не известна технология, кроме электронно-лучевой обработки, которая способна очистить воду от пищевых красителей и их остатков.
Химическая эффективность электронно-лучевой обработки при решении экологических задач доказана многочисленными исследованиями. Низкая необходимая доза облучения делает этот процесс экономически выгодным. Стоимость обработки уменьшается с увеличением объема обрабатываемой воды, что делает эту технологию еще более экономически привлекательной. Существующие промышленные ускорители способны обезвреживать свыше 200 000 кубометров воды в сутки. Новая конструкция ускорителя, предложенная в ИФХЭ РАН в 2025 году, позволяет удвоить этот объем.
Впервые опубликовано: журнал «Гражданская защита», N4, 2026
Материал подготовлен: Ольга Макарова / Пресс-служба ИФХЭ РАН
