ВОДО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

А. Г. Первов, кафедра водоснабжения, Московский государственный строительный университет

А. П. Андрианов, кафедра водоснабжения, Московский государственный строительный университет

Д. В. Спицов, кафедра водоснабжения, Московский государственный строительный университет

Настоящим источником энергии являются сточные воды. По данным профессора Калифорнийского университета Джорджа Чобаноглуса, из 1 м³ сточной воды можно получить почти 42 МДж тепловой энергии при снижении ее температуры на 10 °C, а переработка содержащихся в стоках органических веществ – от 3 до 6 МДж на 1 м³. Кроме того, в высотных зданиях можно использовать потенциальную энергию текущей вниз воды в канализационных стояках для частичного возмещения затрат электроэнергии на ее подъем, однако это связано с рядом объективных трудностей и пока в настоящее время серьезно не рассматривается.

Тепловая энергия сточных вод

Идея извлечения тепловой энергии из сточных вод возникла достаточно давно, однако технологии еще находятся в процессе разра-ботки и апробации. Сточные воды в зависимости от климатических условий и сезона года имеют температуру от 6–12 до 20–30 °C, т. е. являются источником низкопотенциального тепла, и для получения электроэнергии или высокопотенциального тепла для ТЭЦ, систем отопления или горячего водоснабжения требуется дополнительное оборудование – как правило, это тепловые насосы. Полученное тепло наиболее рационально использовать для первичного подогрева воды на тепловых станциях или в системах отопления и горячего водоснабжения зданий.

Интересно, что теплообменные установки, устраиваемые на бытовой канализации, служат не только для отопления зданий в зимний период, но и для эффективного отвода избыточного тепла от систем кондиционирования в теплые сезоны года (рис. 1).

Рис. 1. Теплообменные установки для утилизации тепла бытовых сточных вод фирмы Huber

В России эта технология в порядке промышленного эксперимента была опробована на районной тепловой станции (РТС) № 3 г. Зеленограда. Тепло, утилизируемое из бытовых сточных вод от главной КНС ПУ «Зеленоградводоканал», использовалось для подогрева водопроводной воды перед паровыми котлами. Для передачи тепла последовательно использовалось два теплоносителя: проме-жуточный – вода и основной (в тепловых насосах) – хладон. Необходимость в промежуточном теплоносителе возникла из-за того, что КНС была расположена в полукилометре от территории РТС-3. Тепловая мощность утилизации составила 1100–1400 кВт при расходе сточных вод 400 м³/ч при теоретически возможной мощности около 2000 кВт. Мощность, потребляемая теплонаносной установкой и циркуляционными насосами, составила 550–680 кВт [4].

Очевидный путь повышения эффективности теплоутилизационного оборудования за счет максимального сближения источника и потребителя тепла привел к появлению оригинальных решений для частных домов и квартир, использующих местные водонагреватели (рис. 2). Фактически устройство представляет собой теплообменник простой конструкции: гладкую медную трубу-вставку в канализационный трубопровод и навитую на нее тонкую медную трубку, через которую пропускается холодная вода, поступающая к водонагревателю. Очевидно, что вклад в нагрев воды и экономия энергии составят не более 30 %, однако простота конструкции и невысокая стоимость могут заинтересовать потребителей.

Рис. 2. Теплообменник на канализационном стояке

Наибольший успех достигнут в области получения биогаза из осадков сточных вод. Как было отмечено выше, в 1 м³ сточной жидкости в зависимости от величин БПК и ХПК содержится от 3 до 6 МДж потенциальной тепловой энергии. Для очистки такого же количества сточных вод требуется от 1,2 до 2,4 МДж (аэрация, перекачка и обезвоживание осадков, обогрев метантенков и пр.), следовательно, энергии, содержащейся в стоках в 2–4 раза больше, чем необходимо для ее очистки. Следует заметить, что указанное количество энергии можно извлечь при полном анаэробном разложении всех органических веществ, содержащихся в бытовых стоках. В реальности на канализационных сооружениях весомая доля органики минерализуется в сооружениях биологической очистки, а на «производство» биогаза в метантенки идет осадок из первичных и вторичных отстойников. В метантенках осадок также разлагается лишь частично – минерализуется не более 40–50 % от массы органического вещества, а существенное увеличение степени распада беззольного вещества требует значительных затрат. Поэтому полностью перевести станции аэрации на самообеспечение не удастся.

В качестве яркого примера внедрения этой технологии в России можно привести теплоэлектростанцию мощностью 10 МВт, работающую на биогазе Курьяновских очистных сооружений (рис. 3). В результате реализации данного проекта 70 млн кВт•ч, или 50 % электро- и теплоэнергии, КОС стали получать за счет собственного ее производства.

Рис. 3. Мини-ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях (Москва)

Для прямой выработки электроэнергии из сточных вод в последние годы ведутся разработки микробных топливных элементов, в которых для преобразования энергии химических связей органических веществ в электричество используются микроорганизмы. Такие элементы выполняют двойную функцию, т. к. в них одновременно происходит частичная очистка сточных вод от органических загрязнений [5, 6].

Повторное использование сточных вод

Во всем мире следующей ступенью рационального расходования воды является повторное использование бытовых сточных вод. Очищенные сточные воды используются для искусственного восполнения подземных и поверхностных вод, пополнения источников питьевого водоснабжения, для орошения и в сельском хозяйстве, для технического водоснабжения промышленных предприятий, противопожарного и хозяйственного (непитьевого) водоснабжения и даже для питьевого водоснабжения!

Повторное использование сточных вод можно разделить на несколько категорий (по степени очистки воды и по назначению).

1. Техническое водоснабжение и орошение.
Здесь используются городские (бытовые) стоки, прошедшие полную биологическую очистку и упрощенную доочистку. Схема доочистки обычно включает механические решетки с мелкими прозорами, скорые фильтры и обеззараживание. Однако при использовании на основных очистных сооружениях мембранных биореакторов доочистка вообще не требуется.
Полученная техническая вода может использоваться на предприятии для получения обессоленной воды. В этом случае далее следует стандартная схема, включающая предварительную очистку (глубокое осветление и обеззараживание), одну или две ступени обратного осмоса.

2. Хозяйственное водоснабжение (уборка, полив, помывка машин, смыв туалетов и т. п.).
Для этих целей удобно использовать так называемые «серые стоки» – от ванн и умывальников. В этом случае их обработка про-изводится по упрощенной схеме, включающей механическую очистку (удаление сора и осветление) и обеззараживание.
Для общего бытового стока необходима полная биологическая очистка, дополненная третичной очисткой, описанной в п. 1.

3. Питьевое водоснабжение.
Делится в свою очередь на непрямое (пополнение запасов природных вод в источниках питьевого водоснабжения) и прямое. Здесь требуется полная биологическая очистка и глубокая третичная очистка, обычно включающая на последних стадиях обратный осмос.

Повторное использование сточных вод для непрямого питьевого водоснабжения отчасти мы можем наблюдать на любой крупной реке, где вышерасположенные по течению населенные пункты сбрасывают очищенные сточные воды, которые смешиваются с речной водой и в дальнейшем после доочистки в естественных условиях поступают на водозаборы, расположенные ниже по течению. В нашей статье мы под этим подразумеваем целевое восполнение запасов воды в непроточных источниках водоснабжения – водохранилищах, озерах и подземных горизонтах.

Что касается прямого питьевого водоснабжения, то здесь большую роль играет психологический фактор, и только серьезные причины могут побудить людей принять тот факт, что они будут пить воду, которая недавно текла по канализации.

В истории водоснабжения таких примеров немного, большая часть их осталась в рамках проводимых в разные годы за рубежом экспериментов [7]. Вот несколько самых характерных.

«Классический» пример: г. Виндхоек, Намибия. Первая станция доочистки городских сточных вод для питьевого водоснабжения производительностью 4 800 м³/сут. была построена еще в 1968 г., а в 1997–2002 годах была реконструирована с увеличением подачи воды до 21 000 м³/сут. Решающим фактором стало отсутствие доступных источников водоснабжения – все возможные ресурсы либо уже эксплуатировались, либо их разработка была экономически невыгодна, включая сбор дождевых вод в этом засушливом и жарком регионе.

Схема очистки была очень сложной и включала дозирование порошкообразного активированного угля (ПАУ), первичное озониро-вание, дозирование коагулянта и флокулянта, флотацию, дозирование перманганата калия (KMnO4) и едкого натра (NaOH), фильтрова-ние на двухслойной зернистой загрузке, вторичное озонирование, обработку пероксидом водорода (H2O2), биосорбцию на гранулированном активированном угле (ГАУ), сорбцию на ГАУ, ультрафильтрацию и дезинфекцию жидким хлором. Себестоимость очистки воды составляла 0,76 $/м³. Полученная вода смешивалась с питьевой водой, полученной из традиционных источников водо-снабжения, непосредственно в распределительной сети города.

Пример 2. В 1976–1982 годах американская компания Pure Cycle Co. устанавливала в частных домах Колорадо системы полной очистки бытового стока для создания замкнутого цикла и получения питьевой воды. Установка включала сетку для механической очистки, биореактор с иммобилизированной биопленкой, тканевый (мешочный) фильтр, ультрафильтрационные мембраны, ионообменный фильтр, фильтр с ГАУ и бактерицидную лампу. Из-за финансовых трудностей компания вскоре прекратила обслуживание своих установок и их использование было прекращено, однако жители еще некоторое время продолжали их эксплуатировать и требовали от властей штата разрешение на их дальнейшее применение.

Пример 3. Международная космическая станция. В 2009 году на МКС была доставлена новая система для получения питьевой воды из мочи и конденсированной из атмосферы станции влаги (пар и пот, выделяемые человеком). Схема обработки урины включает многоступенчатую фильтрацию, дистилляцию, каталитическое окисление и ионный обмен.

Масштабы повторного использования сточных вод хорошо характеризуют следующие примеры:

• г. Вульпен, Бельгия. 6850 м³/сут., доочистка городских сточных вод для восполнения запасов подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, схема включает микрофильтрацию, обратный осмос и обработку ультрафиолетом;
• г. Ипсвич, Австралия. 230 000 м³/сут., доочистка городских сточных вод для охлаждения оборудования ТЭС, схема включает микрофильтрацию и обратный осмос;
• г. Оранж, США. 265 000 м³/сут., доочистка городских сточных вод для восполнения подземных вод, схема включает микрофильтрацию, обратный осмос и обработку ультрафиолетом и пероксидом водорода;
• Сингапур, проект «NEWater». 5 станций с суммарной производительностью около 450 000 м³/сут., доочистка городских сточных вод для восполнения водоисточников, используемых для питьевого водоснабжения, использования в промышленности и в качестве воды для непитьевых целей, схема включает микрофильтрацию и обратный осмос;
• г. Сулаибия, Кувейт. Крупнейшая в мире станция по доочистке сточных вод 311 250 м³/сут. (по очищенной воде), схема включает сетчатые фильтры, ультрафильтрацию (8704 аппаратов X-Flow, Norit), обратный осмос (21000 аппаратов Toray), отдувку СО₂, хлорирование. Очищенная вода используется для промышленных нужд, а концентрат обратного осмоса сбрасывается в Персидский залив. Качество очищенной воды: взвешенные вещества, БПК, азот аммонийный, нитраты (по N) – менее 1 мг/л, фосфаты (по РО4) – 2 мг/л, нефтепродукты – менее 0,5 мг/л, общее солесодержание – 100 мг/л.

Можно сделать вывод, что в настоящее время ключевой технологией повторного использования сточных вод является мембранная технология – в абсолютном большинстве случаев схемы доочистки включают одну или несколько ступеней мембранного разделения: микро- или ультрафильтрацию и обратный осмос. Можно сказать иначе: без обратного осмоса и ультрафильтрации такое масштабное применение сточных вод в водном хозяйстве было бы невозможно.

Вот уже более 10 лет во всем мире успешно развивается технология мембранного биореактора для очистки сточных вод. Изначально применение ультрафильтрации вместо вторичного отстаивания позволяло сократить размеры сооружений, повысить эффективность и стабильность очистки. Теперь мы можем рассматривать мембранные биореакторы и как технологическое решение, позволяющее сразу, в основной технологической цепочке получить воду технического качества для орошения, промышленности, хозяйственных нужд.

Интересно отметить, что три крупнейшие станции очистки сточных вод с мембранными биореакторами находятся в Китае.

Хорошим примером системного рационального использования сточных вод может служить Австралия – страна с ограниченными ресурсами пресной воды. Один из крупных проектов реализован в районе Сиднея, где параллельно хозяйственно-питьевому водопроводу проложен второй, непитьевой водопровод для хозяйственных нужд. Система обеспечивает водой более 60 тыс. человек и ее подача составляет 13000 м³/сут.

Технологическая цепочка состоит из следующих сооружений:

• основные сооружения: решетка, песколовка, первичный отстойник, биореактор (аэротенк), вторичный отстойник;
• сооружения доочистки: коагуляция сульфатом алюминия, отстойник (третичный), скорый фильтр. После скорых фильтров часть воды обеззараживается и выпускается на болотистые территории, а другая часть поступает на мембранную микрофильтрацию (0,2 мкм) и после обеззараживания направляется в распределительную сеть.

Плата за пользование доочищенной сточной водой в Сиднее составляет примерно 2,068 $/м³, при том, что стоимость водопроводной воды лишь немногим выше – 2,168 $/м³. Существует еще годовая фиксированная плата в размере $125 за подключение к городскому водопроводу и $34 за подключение к непитьевому водопроводу.

Водопровод, по которому течет дочищенная сточная вода, трубопроводы и арматура, маркируются сиреневой краской; водо-разборные точки оснащаются табличками с предупреждающими надписями: «повторно использованная вода, не пейте», «вода не питьевого качества» и т. п. (рис. 4). Аналогичная маркировка применяется в США, где системы непитьевого хозяйственного водоснабжения на основе доочищенных стоков получили широкое распространение.

Рис. 4. Непитьевой водопровод

Во всем мире повторное использование сточных вод активно пропагандируется. В парках, музеях, на улицах можно встретить рекламу и пропаганду бережного экономного отношения воды.

Рис. 5. Домашняя система повторного использования «серого» стока AQUS Grey Water Recycling System

Системы повторного использования воды могут абсолютно разного масштаба – от целого города до одного здания и собственной квартиры. В квартирах могут найти применение такие системы, как например AQUS Grey Water Recycling System (рис. 5) или Aqua2use Greywater System (рис. 6), которые представляют небольшой сборный резервуар с маломощным насосом и простейшей системой механической очистки. Возможная экономия воды при использовании таких установок составляет до 30 %.

Рис. 6. Домашняя система повторного использования «серого» стока Aqua2use Greywater System

Бывают и почти курьезные конструкции (рис. 7).

Рис. 7. Унитаз-рукомойник экономит воду

Литература

1. Наумов А. Л., Бродач М. М. Ресурсосбережение в системах водоснабжения и водоотведения // Сантехника. 2012. № 1.
2. Исаев В. Н., Чухин В. А., Герасименко А. В. Ресурсосбережение в системе хозяйственно-питьевого водопровода // Сантехника. 2011. № 3, 4.
3. Свинцов А. П., Квартенко В. С. Водопотребление и водоснабжение в жилищном фонде // Безопасность жизнедеятельности. 2008. № 10.
4. Васильев Г. П., Абуев И. М., Горнов В. Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая низкопотенциальное тепло сточных вод г. Зеленограда // AВОК. 2004. № 5.
5. Booki Min, Bruce E. Logan Continuous electricity generation from domestic wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell // Environ. Sci. Technol. 2004. № 38. P. 5809–5814.
6. Дебабов В. Г.?Производство электричества микроорганизмами // Микробиология. 2008. Т. 77. № 2.
7. Tchobanoglous G, Leverenz H., Nellor M. H., Crook J. Direct portable reuse. A path forward. (Reprot). WateReuse Research Foundation, 2011.