Революционные способы очистки

Ситуация с водой в мире с каждым годом обостряется. За последние 10 лет, по данным ООН, число жителей, не имеющих водопровода, увеличилось на 114 млн., а  канализации – 134 млн. Через одно поколение 60 % всего населения в мире будет проживать в городах, дефицит воды будет возрастать.
Проблема обеспечения качественной питьевой водой и очистки стоков до нормативных показателей актуальна  и в нашей стране. Не смотря на то, что Россия обладает уникальным потенциалом природных ресурсов (20 % общемировых запасов питьевой воды), каждый десятый городской житель (11 %) и половина жителей сельских населенных пунктов (53 %) не имеют доступа к централизованному водоснабжению и потребляют воду без предварительной очистки. В стране не очищаются 7 % сточных вод, а из тех, что проходят очистку, до нормативных требований доводится менее половины (46 %).
Основная причина – недостаточная или изношенная инфраструктура систем водоснабжения и водоотведения. На сегодняшний день в России изношенность инфраструктуры водной отрасли составляет 70 %. В целом по стране около 37 % поверхностных и 17 % подземных водозаборов не соответствуют санитарным правилам и нормативам. Степень износа основных фондов, задействованных в распределении, сборе и очистке воды составляет около 54 %.
Большинство очистных сооружений канализации и станций водоподготовки работают с помощью технологий, которые разрабатывались в конце 1970-х годов. Вместе с тем, с каждым годом требования к очистке воды возрастают и появляются новые загрязнители (лекарственные препараты, продукты косметологии и пр.), от замысла до реализации любого проекта проходит много времени (от 5 до 15 лет). Поэтому сегодня необходимо внедрять такие технологии очистки воды, которые на несколько лет опережали бы изменения в нормативных документах, соответствовали бы современному уровню технического прогресса.
Теперь давайте рассмотрим, какие технологии водоподготовки и очистки стоков используются в большинстве существующих отечественных систем водоснабжения и водоотведения.

Начнем с водоподготовки. Очистка природной воды состоит из трех стадий: предварительная очистка – основная очистка – доочистка.
На стадии предварительной очистки, как правило, происходит удаление крупных частиц и природных газов, при этом используется:
- отстаивание с помощью емкостей;
- физико-химическая очистка с помощью реагентов (коагулянтов, флокулянтов);
- очистка от природных газов на дегазаторах.
Основной этап водоподготовки состоит из фильтрования в несколько ступеней на сорбционных и механических сооружениях и предназначен главным образом для удаления из воды железа, солей жесткости, мелкодисперсных частиц.
Доочистка природной воды необходима ее обеззараживания и удаления ионов загрязняющих веществ. При этом используются:
- бактерицидные установки;
- обратноосмотические системы;
- устройства, добавляющие хлорсодержащие реагенты;
- озонаторы.
Основные недостатки большинства существующих станций водоподготовки:
- использование крупногабаритных песчаных фильтров: включение их в проект существенно увеличивает инвестиции в строительство и вместе с тем, учитывая необходимость круглосуточного обслуживания, затраты на эксплуатацию;
- обеззараживание с помощью хлорсодержащих реагентов: не смотря на то, что хлор эффективно обеззараживает воду и имеет остаточное воздействие, он является веществом второго класса опасности и его соединения обладают канцерогенным действием.

Далее рассмотрим существующие методы очистки сточных вод. И в данном случае очистка состоит из трех стадий: предварительная очистка – основная очистка – доочистка.
На стадии предварительной очистки происходит, как правило, выделение из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем:
- процеживания;
- отстаивания;
- фильтрования.
Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют  процеживание через решетки и сита. Для выделения более или менее плотных веществ применяют песколовки. Основную массу более мелкой взвеси (преимущественно органики) выделяют в отстойниках или гидросепараторах. Вещества, всплывающие на поверхности (жиры, масла, нефть, смолы и прочие), выделяются в нефтеловушках, маслоуловителях, флотаторах, пенных сепараторах и пр. Для освобождения сточных вод от частиц более мелкой суспензии применяют фильтрование.
На стадии основной очистки сточных вод производится удаление органических загрязнений, как правило, двумя основными способами:
- физико-химическая очистка, при которой в очищаемую воду вводят реагенты (коагулянты или флокулянты) с помощью реагентных устройств (электрокоагуляторов, дозаторов  и пр.);
- биологическая очистка, основанная на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ, находящихся в сточной воде в виде тонких суспензий, коллоидов и в растворе и являющихся для микроорганизмов источником питания (производится в аэротенках, биофильтрах, нитрификаторах и пр.).
Доочистка сточных вод осуществляется с целью удаления мелкодисперсных частиц и ионов загрязнителей, обеззараживания стоков, для чего используются следующие сооружения:
- механические, ионообменные и сорбционные фильтры;
- бактерицидные установки;
- устройства, добавляющие хлорсодержащие реагенты.
Основные проблемы большинства очистных сооружений:
- часто возникает ситуация, при которой  сооружения, построенные десятки лет назад, рассчитанные на очистку от определенных загрязнителей с определенными концентрациями, не способны очищать стоки от «дополнительных» веществ, да еще при более жестких требованиях к сбросу;
- еще одна крупная проблема «старых» очистных сооружений канализации – технология, рассчитанная на постоянное присутствие обслуживающего персонала и зависимость от человеческого фактора: особенно остро возникает на биологических сооружениях с «ручной» (немеханизированной) предварительной очисткой (подсчитать убытки, нанесенные биологическим очистным сооружениям от недобросовестного труда обслуживающего персонала, не представляется возможным);
- габариты очистных сооружений: например, там, где возведены крупные отстойники, можно обойтись «карманным» гидросепаратором, где обустроены иловые площадки площадью в несколько «соток» – несколькими пористыми мешками;
- в сооружениях биологической очистки в большинстве своем используется «плавающая» загрузка, требующая постоянной регулировки дозы ила и не способная эффективно работать при малых расходах сточных вод или непостоянной подаче стоков;
- после сооружений физико-химической очистки велика вероятность того, что очищенные стоки будут обладать повышенной токсичностью;
- отдельно следует сказать об утилизации осадков сточных вод – как правило, производится «нехитрое» обезвоживание на иловых картах или в пористых мешках до 70-80 % и передача сторонним организациям, хотя осадок и образующийся от него биогаз можно после дополнительной обработки использовать во многих отраслях народного хозяйства (строительство, обустройство дорог, удобрение культур и даже для производства моторного топлива).

Какие же из применяемых методов очистки в настоящее время считаются наиболее «продвинутыми» в нашей стране? По данным второго международного форума «Чистая вода – 2010», наилучшие доступными технологиями в России являются:
- мембранное фильтрование (обратный осмос и пр.);
- озонирование;
- фильтрация воды на активированном угле;
- удаление азота и фосфора с помощью реагентных методов;
- обеззараживание сточных вод ультрафиолетовым излучением.
Данные методы в большинстве своем внедрены уже относительно давно (десятки лет назад) и не имеют новизны. В условиях меняющихся требований к очистке воды и появления новых загрязнителей необходимы новые решения.

Говоря о новых методах очистки воды, предлагаю обратиться к зарубежному опыту и начать с Израиля. В связи с непростыми географическими условиями (большую часть страны занимает пустыня) и дефицитом воды, для полива растений используются очищенные сточные воды. Очистка производится поэтапно: сначала реагентная, затем фильтрация песком, причем для этого воду выливают на землю там, где в почве имеется большое содержание песка, она возвращается в водоносные слои, но делают это там, где водоносный слой закрыт и не сообщается с другими. Затем воду из аквифера берут в наиболее удаленной его точке. При добыче вода проходит еще одну обработку, часто — хлорирование. Данные метод позволяет экономить до 25 % затрат на водоотведение и очистку сточных вод, сократить забор свежей воды. При этом, полив производится по уникальной технологии капельного орошения, которая ведет к экономии воды и энергии. Суть заключается в правильном (оптимальном) выборе солевого состава поливочной воды и капельном дозировании удобрений на разных стадиях роста культур непосредственно в корневую систему (для удобрений используют, например, фильтрат мембранных фильтров).
Теперь переместимся в Австралию. В условиях сильнейшей засухи молодым дизайнером из Мельбурна Эдвардом Линнэкро разработана установка по добыче воды для полива … из воздуха. Принцип работы таков: воздух из атмосферы с помощью турбины засасывается под землю, где он охлаждается до температуры почвы. Образованная в процессе конденсации влага собирается в подземных резервуарах, а затем передается к корням растений. По подсчетам австралийца, таким образом из одного кубического метра воздуха можно получить примерно 11,5 мл жидкости, объем добываемой жидкости с одного устройства – до 1 литра воды в день. Казалось бы немного, однако и устройство, работающее автономно, не требует никаких затрат на свое функционирование и обслуживание. Оно потребляет небольшое количество энергии, необходимой для отображения на жидкокристаллическом дисплее уровня заряда аккумулятора, давления воды и других показателей, однако эта энергия вырабатывается самим устройством, оснащенным солнечной батарей. Данное устройство серийно выпускается в нескольких странах (США, Китай и пр.).
Еще одно интересное изобретение, о котором хотелось бы рассказать – дезинфекция воды … обычным дневным светом без помощи бактерицидных ламп. Этому научились специалисты из университета Иллинойса. При этом, новая технология позволяет установке продолжать свою полезную деятельность даже ночью после выключения освещения. Обеззараживание производится с помощью фотокатализатора (блока высокопроницаемых пористых пластин, погружаемых в воду), который быстро и эффективно дезинфицирует воду даже под воздействием дневного света. Для начала учёные насытили пластины фотокатализатора оксидом титана азотом (чтобы они смогли поглощать видимый свет). Получилось соединение TiON, которое само по себе способно убивать бактерии, но не очень эффективно. Далее химики добавили в систему наночастицы оксида палладия (PdO). Выяснилось, что обеззараживание в таком случае происходит не только при дневном свете, но и спустя 24 часа после выключения света (в темноте).
Американский изобретатель Джон Тодд пошел еще дальше и внедрил завод по очистке стоков … без использования очистных сооружений! Проект получил название «Живые машины». Внешне завод больше напоминает тропические заросли, нежели бетонную коробку. Работает следующим образом. По специальным маршрутам вода проходит серию бассейнов, населённых водными и болотными растениями, бактериями, водорослями, простейшими живыми организмами, планктоном, улитками, моллюсками, рыбой и прочими животными. На каждом этапе жители маленького мира забирают те или иные загрязняющие вещества, насыщают живительную влагу кислородом, обеззараживают и избавляют её от патогенных микроорганизмов. Главное преимущество «Живых машин» перед классическими заводами в том, что они по-своему просты и полностью дружественны природе. Никаких тебе сложных и дорогостоящих химических соединений, многоступенчатых систем фильтров и сложных в производстве технических сооружений. При этом отсутствует токсичный осадок, так как почти все загрязнители переводят в биомассу. Данным изобретение получило распространение в США.
На очереди – более дерзкие проекты. Трое британцев, изобретатель Чарли Патон, архитектор Майкл Паулин и инженер Билл Уаттс разработали план под названием «Лес Сахары». Они предлагают создать в Сахаре обширные супертеплицы, в которых комбинировалось бы сразу несколько перспективных и уже испытанных технологий. Сочетание солнечных электростанций термального типа и оригинальных опреснителей позволило бы «Лесу Сахары» буквально «из ничего» производить еду, топливо, электроэнергию и питьевую воду, что преобразило бы целый регион. Можно ли выращивать зерновые культуры в Сахаре без необходимости в бурении водоносных скважин? Реально ли получать в сухой и жаркой местности и энергию, и питьевую воду, и пищу одновременно, причём без привлечения ресурсов извне? Выполним ли план превращения части пустыни в искусственный лес, способный накормить и напоить тысячи людей? На все эти вопросы ответит данный проект.

Теперь обратимся к отечественному опыту в области изобретений систем водоочистки.
Альтернативный способ очистки бытовых и промышленных стоков нашли ученые Института физики высоких технологий (ИФВТ) Томского политехнического университета. Разработанная ими водоочистная конструкция в несколько раз меньше стандартной станции и обладает уникальными свойствами. Технологический комплекс очистки сточных вод создан на основе импульсного электронного ускорителя и позволяет одновременно очищать и обеззараживать воду, которая ранее использовалась для хозяйственных нужд в жилых домах и на предприятиях. По сути, в загрязненной воде происходит процесс самоочищения – определенные химические реакции запускаются без посторонних реагентов, например, образуется перекись водорода – соединение, известное своими дезинфицирующими свойствами.
Научно-производственный центр «ТЕРОС-МИФИ» (г. Москва) разработал гидроволновой метод очистки и обессоливания воды. Суть метода в следующем. За счет воздействий на воду источниками механических колебаний и электромагнитных полей, создаются условия, способствующие очистке и испарению воды во много раз больше, чем в других известных случаях. При этом энергоэффективность нового метода — вне всякой конкуренции: например, на очистку кубометра сточных вод нефтеперерабатывающего завода потребуется лишь около 3 кВт•час. Современные методы очистки и обессоливания водных сред различной степени загрязнения не обходятся либо без фильтрации (например, обратный осмос), либо термической дистилляции (например, выпаривание нагревом через стенку с последующей конденсацией пара). В данном случае очистка и обессоливание воды проводятся только за счет физических процессов, осуществляемых непосредственно в очищаемой воде.
На  кафедре органической химии Северо-Осетинского госуниверситета, разработан способ очистки, обеззараживания и структурирования воды методом  минерало-кавитационной обработки (МКО). Суть метода. Сначала на воду воздействуют с помощью различных излучений и полей (электрических, магнитных, гравитационных), механических воздействий (перемешиваний разной интенсивности, встряхиваний в различных режимах и т.д.), а также их всевозможных сочетаний. Затем вода проходит через минеральную загрузку (углеродистый кварц, шунгит, доломит и т.д.). При этом, выдерживается определенное время контакта для очистки и насыщения полезными минеральными веществами. Использование данного метода позволяет значительно (до 10 раз) снизить концентрацию органических загрязнителей в поверхностных водах, а также концентрацию ионов тяжелых металлов. Внедрение данного экономичного и энергоэффективного метода позволит очищать и использовать в промышленности и в быту даже сильно загрязненную воду, а обработка питьевой воды придаст ей дополнительные лечебные свойства.   

Помимо вышеперечисленных технологий, разработано множество устройств локального назначения, позволяющих значительно увеличить эффект очистки на разных стадиях, например:
- дисковый биоконтактор – сооружение, которое состоит из вращающегося барабана почти наполовину погруженного в жидкость, с насадкой, закрепляющей микроорганизмы, которые служат для очистки сточных вод; такие устройства компактны, имеют малую энергоемкость, просты и надежны в эксплуатации, не требуют больших перепадов высот при движении воды, процесс аэрации обрабатываемой сточной воды осуществляется за счет вращения дисков;
- электрохимический фильтр – сооружение, состоящее из зернистой загрузки с встроенными в нее электродами; при прохождении воды происходит выработка электрического тока, укрупнение частиц загрязнителей и задерживание их в слоях загрузки; при этом вырабатываемая электроэнергия может использоваться не только для очистки воды, но и для контроля работы фильтра в качестве датчика.
Примеры внедрения новых решений можно бесконечно долго. Существует еще много интересных технологий и оборудования, не получивших пока широкого применения (выпаривание стоков, замораживание воды, электродуговая обработка, аквагребень, ситяной отстойник, плазмохимический фильтр, гидрофобный осветлитель и пр.). Как видим, в водопроводно-канализационном хозяйстве есть немало проблем и множество решений, которые, надеюсь, предстоит внедрять.

2013