Установка очистки сточных вод Living Machine

М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ,

Н. В. Шилкин, инженер

В январе 2000 года на территории колледжа города Оберлин (штат Огайо, США) был построен Центр Адама Джозефа Льюиса по изучению окружающей среды, здание которого само является предметом изучения. Один из его создателей, американский ученый Дэвид Орр, назвал эту концепцию «архитектура как педагогика». Разработчики проекта надеются сделать здание Центра климатически нейтральным – зданием, которое не требует внешних источников энергии и воды.

Принципы, в соответствии с которыми проектировалось и строилось здание учебного центра, Дэвид Орр сформулировал следующим образом:

- строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию технологий, связанных с использованием окружающей среды;

- здание не должно «производить» никаких сточных вод, т. е. здание должно не только потреблять, но и сбрасывать воду, пригодную для питья;

- здание должно производить больше электрической энергии, чем использовать;

- в здании не должны использоваться никакие канцерогенные, мутагенные или вызывающие эндокринные заболевания материалы;

- энергия и материалы должны использоваться максимально эффективно;

- здание должно использовать материалы и оборудование, произведенные без ущерба для окружающей среды;

- строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию экологической компетентности и внимательности к окружающей среде;

- здание должно стать инструментом обучения;

- автоматика должна обеспечивать строгий учет стоимости эксплуатации здания.

В соответствии с этими принципами в здании предусмотрена возможность производства при помощи солнечных батарей электрической энергии, превышающей потребности самого здания. Это решение позволяет сделать здание Центра не потребителем, а экспортером энергии. Пока эта цель не достигнута, но к 2020 году по мере развития новых технологий создатели здания планируют превысить производство электроэнергии над потреблением.

Схема установки очистки сточных вод Living Machine

Здание Центра площадью 1 263 м² состоит из двух частей: двухэтажной, в которой расположены классные комнаты и двухэтажный атриум, и соединенной с ней постройкой, в которой расположена аудитория на 100 мест и оранжерея с установкой Living Machine. Помимо учебного процесса, здание используется для конференций, приемов и других подобных мероприятий.

На участке площадью 28,33 га, принадлежащих Центру, расположены сады для выращивания сельскохозяйственной продукции, места отдыха и прогулок, а также размещен водоем и болота, позволяющие собирать дождевую воду для использования в целях ирригации. Планируется в дальнейшем использовать часть этой воды для водоснабжения здания.

Солнечные батареи (фотоэлектрические панели)	Атриум

При строительстве здания широко использовалось дерево и другие экологически чистые материалы, а также материалы, которые в дальнейшем можно многократно использовать или переработать, например, стальной каркас здания, керамическая плитка в санузлах, алюминиевые оконные переплеты. Все материалы отбирались по соображениям долговечности и удобства обслуживания.

По идее проектировщиков, здание Центра должно быть синтезом архитектуры и окружающей среды и позволять изучать взаимодействие природы и человека. Моделируя фундаментальные биологические и социальные процессы, Центр показывает, как формируется окружающая среда и как на нее влияет человек.

Вид здания с северной стороны	Классная комната

В апреле 2002 года это здание вошло в Top Ten Green Projects – список 10 экологичных инновационных проектов, ежегодно составляемый Комитетом по окружающей среде Американского института архитектуры.

Одна из основных инновационных экологических особенностей проекта Центра Адама Джозефа Льюиса – установка очистки сточных вод Living Machine, изобретенная доктором Джоном Тоддом. Стоимость этой установки составила 400 тыс. долл. США при общей стоимости проекта 7,110 млн долл. США.

Living Machine – локальная система очистки сточных вод, которая комбинирует обычные технологии очистки сточных вод и процессы очистки естественных экосистем. Установка Living Machine выполняет три вида обработки сточных вод: удаление органических загрязнений, дезинфекция и удаление или снижение концентрации в воде веществ типа азота и фосфора, которые могут принести ущерб окружающей среде. Органические загрязнения разлагаются при помощи солнечного света и управляемых органических процессов, в которых используются живые организмы – бактерии, растения, зоопланктон и беспозвоночные. В зависимости от климата установка Living Machine может быть размещена в защищенной оранжерее, под легким укрытием или на открытой площадке. В отличие от традиционных систем очистки при работе установки не выделяются неприятные запахи, что позволяет поместить ее в непосредственной близости от обитаемых помещений.

Установка очистки сточных вод Living Machine Центра Адама Джозефа Льюиса использует систему, включающую микробов, растения, улиток и насекомых. Традиционные методы химической очистки сточных вод при этом не применяются. Производительность этой установки составляет 9 462 л сточных вод ежедневно. Обработанные установкой сточные воды возвращаются в здание и повторно используются в качестве непитьевой воды, например, в туалетах. Пять основных компонентов установки играют важную роль в процессе очистки:

- подземные герметично закрытые анаэробные реакторы;

- подземные герметично закрытые аэробные реакторы;

- открытые аэробные реакторы;

- отстойник (осветлитель);

- искусственное болото;

- ультрафиолетовая дезинфекционная установка.

Основная часть установки размещена в оранжерее, смежной с атриумом и аудиторией на 100 мест. Сточные воды пропускаются через ряд биологических сообществ, населенных различными микроорганизмами, которые помогают понизить уровень органических загрязнений, а также азота и фосфора.

Ультрафиолетовая дезинфекционная установка

Сточные воды здания самотеком поступают в 2 подземных анаэробных реактора – герметичных резервуаров, расположенных вне здания. В этих резервуарах анаэробные биологические процессы начинают разложение отходов. Анаэробные бактерии – микробы, живущие при отсутствии кислорода – преобразовывают органические отходы в аммиак, метан и органические кислоты. В анаэробных реакторах из сточных вод удаляются твердые вещества и жиры. Количество органического углерода в воде, измеренное как биологическая потребность в кислороде BOD (Biological Oxygen Demand), уменьшается на 50%. Азот, важное для растений питательное вещество, переходит из органической формы в неорганическую – аммоний (NH4).

Распределение потребления электрической энергии различными системами здания в июне 2002 года

После анаэробных реакторов сточные воды поступают в 2 закрытых аэробных реактора, также расположенных за пределами здания, где разлагаются оставшиеся органические составы, а сточные воды насыщаются кислородом. В этих реакторах происходит аэрация сточных вод при помощи больших насосов и распылителей. Аэробные бактерии в присутствии кислорода перерабатывают сахарозу и выделяют углекислый газ (CO2). Содержание органических веществ в воде уменьшается на 90% от начального уровня. Кроме этого, в этом резервуаре происходит начальная стадия удаления азота – преобразование аэробными бактериями аммония в нитрит и нитрат в результате реакции нитрификации.

Как только аэробные реакторы заполняются, сточные воды перекачиваются в 3 открытых аэробных реактора, расположенных в оранжерее.

Открытые аэробные реакторы – наиболее заметный компонент установки. Они являются частью гидропонной системы оранжереи. Растущие в оранжерее тропические, субтропические и местные растения, такие как папирус, каллы и ивняк, характеризуются большим числом нитевидных корней, которые являются средой обитания для простейших и беспозвоночных. Образовавшаяся экосистема живет за счет веществ, содержащихся в сточных водах. Резервуары постоянно аэрируются, создавая условия, при которых аэробные (нуждающиеся в кислороде для поддержания жизнедеятельности) бактерии преобразуют аммоний, образовавшийся в анаэробном реакторе, в нитриты и нитраты.

Из 3-го открытого аэробного реактора мелкие фракции возвращаются в закрытые аэробные реакторы для возврата бактерий и непереработанного аммония. Основная часть сточных вод после обработки в открытых аэробных резервуарах попадает в отстойник (осветлитель).

Отстойник представляет собой конусообразный резервуар. Сточные воды, поступившие в этот резервуар, разделяются на чистую воду в верхней части резервуара и слой осадка, который обрабатывается бактериями. Эти бактерии, названные «хлопьеобразующими», играют ключевую роль в процессе очистки. Они позволяют отделить активные бактерии, обеспечивающие основную очистку, от воды и использовать их вновь. Насос, расположенный в основании отстойника, возвращает осадок в закрытые аэробные реакторы, а вода сливается в искусственное болото на полу оранжереи. Осадок в пределах отстойника обеспечивает среду обитания для денитрифицирующих бактерий, осуществляющих преобразование азота. Эти бактерии разлагают нитрат в газ (азот), удаляемый из системы.

После отстойника вода поступает в искусственное болото в оранжерее. На полу оранжереи располагается гравийная подушка толщиной 91 см. Камни и корни растений, таких как осока, ирисы и тростник, обеспечивают среду обитания для денитрифицирующих бактерий. Гравий и органические вещества также удаляют и осаждают часть фосфора, содержащегося в воде. Вода сочится из восточной стороны оранжереи в западную, где собирается и направляется в наружный сборный резервуар.

Очищенная вода из наружного сборного резервуара по мере необходимости поступает на ультрафиолетовую дезинфекционную установку. Под действием ультрафиолетовых лучей уничтожаются болезнетворные бактерии.

Очищенная и продезинфицированная вода закачивается под давлением в герметичный резервуар, откуда и используется в случае необходимости.