CC BY
70
ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД С ЦЕЛЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
© Коненкова А.А.1
Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
г. Пермь
В статье рассмотрено три способа очистки бытовых сточных вод для получения питьевой воды: с помощью мембранных технологий, системы утилизации отходов Janicki Omni Processor и микробных топливных элементов. Приведен опыт применения мембран в конкретных населенных пунктах, а также оценена эффективность их работы. Описан принцип действия недавно разработанной системы утилизации компанией Janicki Bioenergy, освещены возможности и основные характеристики данного устройства. Микробные топливные элементы являются развивающейся технологией очистки, которая может служить как для переработки сточных вод в питьевую, так и для выработки электричества. Показаны основные тенденции её дальнейшего совершенствования. Проведен сравнительный анализ данных методов, выявлены преимущества и недостатки каждого из них.
Ключевые слова: очистка сточных вод, питьевая вода, мембранный реактор, дистилляция, микробные топливные элементы.
Уже к 2050 году гидрологи прогнозируют мировой дефицит пресной воды, связанный с повышением среднегодовой температуры и ростом численности населения планеты [1]. На сегодняшний день Россия обладает богатейшими водными ресурсами. Однако качество воды 37 % поверхностных и 16,9 % подземных источников питьевого водоснабжения не соответствует нормам СанПиН. В некоторых регионах страны наблюдаются проблемы с наличием питьевой воды ввиду нерационального её использования или недостатка водных ресурсов [2].
Одним из путей выхода из сложившейся ситуации является применение систем водоснабжения с повторным использованием очищенных сточных вод. В основном такие системы применяются на промышленных предприятиях.
Однако всё чаще начинают затрагивать тему применения для водоснабжения очищенных до питьевого качества хозяйственно--бытовых стоков. Можно выделить непрямые и прямые системы использования очищенных сточных вод. Непрямые, предполагают сброс очищенных сточных вод в верхнем течении крупных рек. После смешения с водами реки, а также доочистки в
1 Студент кафедры Теплогазоснабжения, вентиляции и водоснабжения, водоотведения.
естественных условиях, глубоко очищенные сточные воды попадают в нижерасположенные водозаборы. Также предварительно очищенные сточные воды могут направляться в непроточные источники водоснабжения (в т.ч. подземные) для восполнения запаса воды. По сути, в настоящее время большинство систем водоснабжения и водоотведения густонаселенных районов планеты реализованы по этому принципу. Системы прямого использования сточных вод предполагает глубокую очистку с последующей подачей потребителю без промежуточного сброса в водные объекты.
Системы прямого использования сточных вод для питьевого водоснабжения представляют больший интерес в регионах с отсутствием доступных источников водоснабжения. Можно привести несколько примеров реализации таких систем на практике:
1. Системы полной очистки бытовых сточных вод для получения питьевой воды в частных домах Колорадо устанавливала компания Pure Cycle Co. в 1976-1982 годах. В состав системы очистки входили сетка для механической очистки, биореактор с иммобилизиро-ванной биопленкой, тканевый (мешочный) фильтр, ультрафильтрационные мембраны, ионообменный фильтр, фильтр с гранулированным активированным углём и бактерицидную лампу. Компания прекратила обслуживание установок из-за финансовых трудностей.
2. Реализованная в 1997-2002 годах в г. Виндхоек, Намибия система производительностью 21 000 м3/сут. Схема очистки была достаточно сложной включала дозирование порошкообразного активированного угля, первичное озонирование, дозирование коагулянта и флокулянта, флотацию, дозирование перманганата калия (KMnO4) и едкого натра (NaOH), фильтрование на двухслойной зернистой загрузке, вторичное озонирование, обработку пероксидом водорода (H2O2), биосорбцию на гранулированном активированном угле, сорбцию на ГАУ, ультрафильтрацию и дезинфекцию жидким хлором. Далее полученная вода смешивалась с питьевой в распределительной сети города. Стоила такая очистка 0,76 долларов/м3.
3. В г. Вульпен (Бельгия) схема доочистки городских стоков для восполнения запасов подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, включает микрофильтрацию, обратный осмос и обработку ультрафиолетом; производительность - 6850 м3/сут.
4. В г. Оранж, США такая схема включает микрофильтрацию, обратный осмос и обработку ультрафиолетом и пероксидом водорода; производительность - 265 000 м3/сут.
Во всех перечисленных примерах в процессе глубокой очистки сточных вод применены мембранные технологии [3]. В зависимости от характера загрязнений используются микро-, ультра-, нанофильтрационные и обратно-осмотические мембраны (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость применяемых мембран от типа загрязнений
Для очитки хозяйственно-бытовых сточных вод мембраны применяются совместно с традиционными технологиями очистки.
Схема работы обратноосмотической системы представлена на рис. 2. Загрязненная вода подается на насос высокого давления. Далее она разделяется на два потока: один проходит через мембрану (пермеат), другой смывает задержанные мембраной вещества (концентрат). Это основное отличие данного метода от обычной фильтрации.
Рис. 2. Установка обратного осмоса
Одна из главных особенностей мембран - способность удалять патогенные микроорганизмы, одновременно производя дезинфекцию сточных вод. Качество очищенной воды с помощью мембран превосходит качество,
получаемое при традиционных процессах. К примеру, БПК5 при использовании мембранного реактора < 0,4, тогда как при биологической очистке -10-30. Также их преимуществами являются компактность и более простая эксплуатация [4].
Помимо технологий мембранного разделения для получения питьевой воды может быть применена высокотемпературная обработка сточных вод. На этом процессе основана работа системы утилизации отходов Janicki Omni Processor (JOP), разработанной компанией Janicki Bioenergy при финансовой поддержке фонда Билла и Мелинды Гейтс. Она была представлена совсем недавно - в 2015 году.
В первую очередь данный проект представляет интерес для развивающихся стран. К примеру, для Африки, Южной Азии, Восточной Азии, в которых сточные воды без очистки попадают в водоёмы, тем самым загрязняя источники водоснабжения. Однако возможность применения Omni processor предполагается не только в развивающихся странах, но и во всем мире.
Модель s200 (рис. 3) представляет теплоэлектростанцию, которая преобразует фекальный шлам в электричество, питьевую воду и золу.
Рис. 3. Omni processor, model s200
Для запуска установки Omni processor S200 используется пропан или бутан. Спустя 30 минут подача топлива автоматически выключается, и машина переходит на автономный режим работы. Благодаря этому применение пропана или бутана сводится к минимуму. Omni processor в состоянии перерабатывать бытовые и фекальные отходы, отходы животноводства, бумажные и пластмассовые изделия.
Система очистки сточных вод включает в себя кипячение экскрементов, в результате чего образуется пар, часть которого конденсируется в воду. Далее производится фильтрация и аэрация жидкости с последующим озонировани-
ем и хлорированием. Для достижения питьевого качества в воду добавляют минералы. В полученной воде не содержится тяжелых металлов и фармацевтических препаратов, так как в процессе дистилляции от шлама отрывается только пар и данные виды загрязнителей остаются в осадке установки.
Основные характеристики установки приведены в табл. 1. В качестве топлива Omni processor требует около 14 тонн сухих отходов в день.
Таблица 1
Производительность установки
Объем обрабатываемого осадка в день 92.3 м3
Максимальное содержание влаги в шламе 100 %
Получаемая продукция
Электричество 150-250 кВт
Вода 50 000-86 000 литров
Зола (в среднем в сутки) 1 м3
Обслуживание населения
Обработка фекального осадка 100 000-200 000 людей
Электричество (10 Вт/семью) 25 000 семей
Питьевая вода 35 000 людей
Персонал, необходимый для управления 1-2 человека в смену
Занимаемая площадь
Основной блок 11.5 м х 20 м
Завод в целом 11.5 м х 29 м
Полученная вода соответствует стандартам Всемирной организации здравоохранения (WHO) питьевой воды. Для доведения выбросов газообразных продуктов сгорания до требований стандартов Агенства по сохранению окружающей среды (EPA) предусмотрена система газоочистки.
Omni processor не производит много шума и стоит около 2-4 миллионов долларов США. Особенностью системы является выработка электроэнергии из биомассы, что несет определенную прибыль и возможность окупаемости установки.
Управление технологическими процессами, проходящими в установке, возможно как через интернет, так и с помощью центрального командного центра [5].
Ещё одним способом очистки бытовых сточных вод до питьевого качества является применение микробных топливных элементов (MFC).
Помимо обеспечения биологической очистки стоков с их помощью возможно получение энергии, что обеспечивает рост интереса к исследованию микробных топливных элементов.
В 2014 году учеными центра NASA и университета Пуэрто-Рико была предложена переработка сточных вод Международной космической станции вместо их выброса в космос.
Проведенные исследования показали, что с помощью прямого осмоса совместно с технологией топливных элементов можно получить питьевую
воду и энергию из смеси воды после принятия душа и мочи. Данные методы также могут дать результаты и на Земле. Электрохимический Мочевинный Биореактор (Urea Bioreactor Electrochemical system - UBE), созданный учеными, удаляет около 80 % органического углерода из отходов и преобразуют 86 % мочевины в аммиак [6].
Установка представляет собой две ёмкости с погружёнными в них электродами (рис. 4). Анод, который покрыт «плёнкой» из живых микроорганизмов, находится в резервуаре для урины. Эти бактерии расщепляют органику на протоны, электроны и углекислый газ. Они не могут производить воду из-за отсутствия кислорода и отправляют электроны на анод. Протоны водорода проходят через мембрану и, соединяясь с кислородом, образуют воду [7].
Рис. 4. Схема действия микробного топливного элемента
Данная технология требует ряд доработок для того, чтобы стать коммерчески дееспособной. Прежде всего, это касается низкой плотности мощности и низкого напряжения, вырабатываемого с помощью микробных топливных элементов. Дальнейшее развитие установки довольно перспективно, так как с её помощью можно перерабатывать различные виды стоков, сократить затраты на утилизацию органических отходов.
На основании приведенной в данной статье информации можно сделать следующие выводы. Ввиду ограниченности запасов водных ресурсов в некоторых регионах Российской Федерации, использования привозной воды, а также несоответствия доли водопроводов санитарным нормам из-за отсутствия зон санитарной охраны, очистных сооружений, обеззараживающих установок получение питьевой воды из хозяйственно-бытовых стоков может стать перспективным направлением.
Применение мембранных технологий позволяет удалить из хозяйственно-бытовых стоков вирусы, бактерии, органические и минеральные вещества. При этом сокращается как количество используемых реагентов, так и объем образующегося осадка.
Недавно созданная установка Omni processor s200 производит не менее эффективную очистку стоков до воды питьевого качества. Однако ввиду отсутствия на сегодняшний день конкретных показателей качества получаемой воды невозможно произвести более детальную оценку. Основным отличием Omni processor s200 является сокращение расходов на утилизацию осадка и получение из него электроэнергии.
Что касается области применения, мембранные технологии могут использоваться как в крупных городах, так и в установках очистных частного дома.
Omni processor предназначен для небольших городов с численностью населения 100-200 тыс. человек; применение микробного топливного элемента целесообразно на космических кораблях, морских и речных судах, в частных домах.
Список литературы:
1. http://www.mirprognozov.ru/prognosis/climate/k-2050-godu-gryadet-era-severnogo-rima/ru (дата обращения: 2 марта).
2. Онищенко Г.Г. Проблемы качества питьевой воды в Российской Федерации и пути их решения // Водоснабжение и санитарная техника. -2010. - № 12. - С. 5-8.
3. Первов А.Г., Андрианов А.П., Спицов Д.В. Водо- и энергосбережение в городском хозяйстве. Применение современных мембранных технологий // Сантехника. - 2013. - № 6. - С. 30-35.
4. Френкель В.С. Мембранные технологии: будущее, настоящее, прошлое (на примере Северной Америки) // Водоснабжение и санитарная техника. - 2010. - № 8. - С. 48-54.
5. http://janickibioenergy.com: сайт компании Janicki Bioenergy (дата обращения: 5 марта).
6. http://facepla.net/the-news/energy-news-mnu/4466-mochu-v-kachestve-elektrichestva: Эко-технологический журнал (дата обращения: 5 марта).
7. www.nauka21vek.ru: научно-популярный журнал «Наука 21 век» (дата обращения: 5 марта).
ЭНЕРГОСЕРВИСНЫЙ КОНТРАКТ: ПРИМЕНЕНИЕ В РОССИИ
1 2 © Михайлова А.И. , Кладкина С.Н.
Северо-Восточный федеральный университет, г. Якутск
В статье ставится задача рассмотреть актуальность применения энергосервисного контракта в субъектах Российской Федерации. От-
1 Студент 4 курса.
2 Научный руководитель, старший преподаватель кафедры ЭиУП ФЭИ СВФУ.
