Использование воды повторное. Повторное использование и циркуляция воды в промышленности

Кафтанчиково - село в Томском районе Томской области, административный центр Заречного сельского поселения. Население 1323 человека. Село расположено на левом берегу Томи, в 15 км от Томска, рядом с селом проходит автодорога M53. В 16 веке на реке «Томь» жили несколько групп татар во главе с князем Тояном. Князь Тоян подал челобитную царю Борису Годунову, в которой от имени «томских жителей» просил построить в низовьях реки «Томь» крепость и принять томских татар в русское подданство. На что Борис Годунов дал свое согласие и в 1604 году был сформирован отряд для строительства русской крепости. Летом 1604 года крепость была построена. В последствии население Томска росло. Здесь селились русские крестьяне-промысловики. В 1626 году проживало уже 531 семья. Жителей надо было снабжать хлебом, в 1605 году появились первые посевы зерновых, люди занялись сельским хозяйством. Селения Заречного сельского поселения являются одними из старейших в устье реки «Томь», которые возникли в период 1627 по 1630 года. Место для деревень было выбрано удачно: близост...

2.3 Вторичная вода в сельском хозяйстве
Вторичная вода в сельском хозяйстве дает ощутимую экономию расхода водных ресурсов. Действительно потребление воды в агрозоотехнической сфере существенно превышает потребление в гражданской сфере и промышленности. Для Италии эти цифры составляют соответственно 60 %, 15 % и 25 %. Во исполнение европейского регламента (признание действующими положений Европейской Директивы 91/271) в настоящее время предпочтение отдается вторичной воде, а подключение к магистральному водопроводу – если вода не предназначена для питьевых целей или ихтиогенной сферы – ограничивается случаями, когда не имеется возможности использоватьочищенные сточные воды или когда эти экономические затраты носят очевидный запретительный характер. Сточные воды отпускаются бесплатно, а капитальные расходы на организацию очистных систем вычитаются из налогооблагаемой базы.
Следует учитывать, что использование вторичной воды в сельском хозяйстве возможно далеко не всегда, а только, например, если сельскохозяйственные угодья, где предполагается применять такую технологию, расположены в очень удаленном районе либо на нижнем высотном уровне.
Нельзя использовать сточную воду, когда ее химический состав несовместим с сельским хозяйством (превышение содержания натрия и кальция по сравнению с калием и магнием). Важно отметить, что смехотворно низкая нынешняя цена обычной водопроводной воды, отпускаемой для орошения (определяемая стоимостью лицензии на подключение к источнику или бурение скважины) не способствует переходу на использование в этих целях очищенной сточной воды. Технология очистки сточных вод для сельского хозяйства различается в зависимости от видов культур, для которых они предназначены. Для орошения культур, предназначенных для употребления в пищу в сыром виде, вода должна пройти осветление флокуляцией, фильтрацию и дезинфекцию (иногда лагунирование). Для орошения садов и пастбищ – только осветление флокуляцией (или биологическое отстаивание) и дезинфекцию, для орошения полей с непищевыми культурами – биологическое отстаивание (и при необходимости водохранилищные ванны).

2.4 Регенерация дождевой воды
В индивидуальных жилых домах, кондоминиумах, гостиницах дождевая вода, собираемая в накопительные резервуары, может успешно использоваться в рабочих контурах санитарных приборов, стиральных машин, для уборки, поливки растений, мойки автомобилей. По имеющимся оценкам в частном секторе до 50 % дневной потребности воды можно перевести на использование регенерированной дождевой воды.
В силу своих характеристик (очень мягкая) дождевая вода в сравнении с водопроводной водой дает наилучшие результаты, если используется для поливки растений и стирки белья. В частности, такая вода не дает отложений на трубах, манжетах и нагревательных элементах стиральных машин и позволяет снизить количество моющего средства, не говоря о том, что за нее не надо никому платить. В коммунальной сфере ее можно рекомендовать для поливки садово-парковых зон и мойки улиц. В промышленности дождевую воду можно также использовать на множестве производственных участков, что дает существенную экономию в оплате водных ресурсов и ощутимо влияет на себестоимость процессов.
Следует при этом учитывать, что дождевая вода вообще не требует какой-либо особой очистки: достаточно лишь простого фильтрования, пока она стекает по крышам зданий и попадает в накопительные резервуары.
В системе регенерации дождевой воды в зависимости от того, где именно расположен накопительный резервуар (к примеру, зарыт в грунт), может потребоваться водонапорный насос. На рис. 5 приведена схема подобной системы.
Дождевая вода считается непригодной для питья, поэтому питающий трубопровод и водоразборные точки (водоразборные краны, точки подключения к бытовым приборам) должны быть маркированы хорошо видимой предупредительной надписью: «вода не пригодна для питья».

Заключение
На вторичное использование могут направляться как бытовые стоки, так и городские и промышленные. Вторичное использование разрешается при условии, если будет обеспечена полная экологическая безопасность (т. е. такое использование не должно наносить ущерб сложившейся экосистеме, почве и культурным растениям), а также исключен всякий риск для местного населения в санитарно-гигиеническом отношении. Таким образом, очень важно, чтобы в рамках любого такого проекта тщательно соблюдались требования действующих нормативных документов в части охраны здоровья и безопасности, а также действующие отраслевые нормы и правила для промышленности и сельского хозяйства.
В большинстве случаев, чтобы воду можно было направить на вторичное использование, требуется ее предварительная очистка. Выбор степени такой очистки определяется установленными требованиями санитарно-гигиенической безопасности и стоимостными параметрами. Для организации снабжения вторичной регенерированной воды после очистки необходим выделенный распределительный трубопровод.
В соответствии с постановлением 185/2003 в отношении использования регенерированной воды выделяются три основные категории:
– системы орошения: полив культурных растений, предназначенных для производства пищевых продуктов для потребления человеком и домашними животными, а также продуктов непродовольственной сферы, полив участков озеленения, садово-парковых зон и спортивных объектов;
– гражданское назначение: мойка мостовых и тротуаров населенных пунктов, водоснабжение отопительных сетей и сетей кондиционирования воздуха, водоснабжение вторичных водораспределительных сетей (отдельно от питьевого водопровода) без права непосредственного использования такой воды в зданиях гражданского назначения за исключением систем слива туалетов и санузлов;
– промышленное назначение: снабжение систем пожаротушения, производственных контуров, моечных систем, термических циклов производственных процессов с исключением областей применения, предусматривающих контактирование вторичной регенерированной воды с пищевой, фармацевтической и косметической продукцией.
Перед вторичным использованием регенерированной воды необходимо обеспечить определенный уровень качества, особенно в отношении санитарно-гигиенических требований. Традиционные методы обработки воды, направляемой на сброс, для обеспечения такого качества недостаточны. Сегодня появляются новые альтернативные технологии очистки и дезинфекции, при помощи которых удается снизить уровень содержания в воде микробов, питательных веществ, токсических веществ и выйти на требуемый уровень качества воды при относительно невысокой стоимости. В нормативной документации представлены минимально допустимые параметры качества, которые должна иметь вода после регенерации, если предполагается направить ее на вторичное использование. Указанные требования (химико-физические и микробиологические) для регенерированной воды, предназначенной для вторичного использования в целях орошения или на гражданских объектах, приведены в таблице в приложении к постановлению 185/2003. Для воды, предназначенной для промышленного использования, предельно допустимые значения устанавливаются в зависимости от конкретных производственных циклов. Строительство систем регенерации сточных вод и последующее их использование должны осуществляться с санкции компетентных властей и подлежат периодическому инспекционному контролю. Распределительные сети регенерированной воды должны быть особым образом обозначены и отличаться от сетей питьевого водоснабжения, для того чтобы полностью исключить всякий риск загрязнения распределительной водопроводной сети питьевого назначения. Водоразборные точки таких сетей должны иметь соответствующую маркировку и четко отличаться от питьевых.
Вместе с тем при всех преимуществах, которые дает современная технология, помимо прямой выгоды, реализация мер экономии гидроресурсов может повлечь и определенные риски.

Литература
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2000.
2. Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник для вузов. М., 2004.
3. Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. М., 2001.
4. Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Экология. – М.: Дрофа, 1995.
5. Кривошеин Д.А., Муравей Л.А. Экология и безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Л.А. Муравья. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2000.
6. Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. М.: Юнисам, 1999.
7. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов. – М.: Агенство ФАИР, 1998.
8. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России. / Под ред. В.Ф. Протасова. – М.: Финансы и статистика, 1995.
9. Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. М., 2000.
10. Степановских А.С. Общая экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2000.
11. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Учеб. пособие для химико-технолог. вузов. – М.: Высш. шк., 1988.
12. Хатунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность. М., 2002.
13. Хван Т.А., Хван П.А. Основы экологии. – Ростов н/Д.: Феникс, 2001.
14. Цветкова Л.И., Алексеев М.И. Экология: Учебник для технических вузов./ Под ред. Л.И. Цветковой. – М.: Изд-во АСВ; СПб.: Химиздат, 1999.
15. Шилов И. А. Экология. М., 2001.
16. Экологические основы природопользования: Учеб. пособие./ Под ред. Э.А. Арустамова. – М.: Издательский Дом Даликов и К, 2001.

Для производственных и хозяйственных нужд расходуется огромное количество воды. Ситуацию ухудшает сброс загрязненной жидкости в водоемы. Уделяя внимание охране природы и экономическим аспектам бизнеса, многие предприятия переходят на оборотное водоснабжение. Этот метод предполагает многократное использование водного ресурса. Сокращение потребления свежей воды и сброса стоков приводит к удешевлению водоснабжения.

Как функционирует замкнутая система водоснабжения

Наиболее перспективный вариант сокращения потребления воды – создание замкнутых систем. Сточные воды проходят очистку специальным оборудованием и используются повторно. Составляющие системы оборотного водоснабжения зависят от объема стоков и требований, которые предъявляются к качеству очищенной жидкости. Прогрессивную установку можно встретить в производственных цехах, атомных и тепловых электростанциях, на автомойках, в загородных домах с автономными источниками.

П – производство; ОС – очистка стоков, НС –насосная станция, ОХ-охлаждение

В зависимости от технологических процессов производства вода может загрязняться с первого раза или не требовать очистки долгое время. Замкнутая система необходима в нескольких случаях:

1. Используемый источник не обладает достаточным количеством воды, чтобы удовлетворить потребности предприятия.
2. Источник находится на большом удалении от производственных цехов (до 4 км), расположенных на значительной высоте(25 м и выше).

Она незаменима в регионах с высокой стоимостью воды, чрезмерной жесткостью или загрязнением источника, в случае реальной опасности отравления природы стоками. Очистные комплексы в зависимости от назначения включают от одной до шести ступеней. Среди них: предочистка в отстойниках, электрофлотация, фильтрация, адсорбция, обратный осмос.

Электрофлотатор – агрегат, действие которого основано на принципах электролиза. Он обеспечивает удаление из воды химических соединений и взвешенных частиц. Его показатели очистки загрязнения нефтепродуктами составляют – от 75 до 90%, остатками ПВА – от 50 до 70%.

К охладительным сооружениям относятся пруды-отстойники, градирни и брызгальные бассейны. В водонепроницаемых котлованах вода специальными насадками рассекается на брызги и охлаждается потоками воздуха.

Конструктивными частями замкнутой сети являются подающие и обратные трубопроводы, циркуляционные насосы, очистные сооружения и фильтры, охлаждающие установки. Для водоемов, страдающих от сброса плохо очищенных стоков или горячей воды, такая система становится настоящим спасением.

Устройство оборотного водоснабжения на производстве

Информация. Кроме открытых систем охлаждения существуют закрытые конструкции, в которых вода не контактирует с воздухом. Снижение температуры происходит за счет теплообменных аппаратов.

Преимущества повторного использования

Высокие расходы на покупку и монтаж оборудования для оборотного водоснабжения не становятся препятствием для внедрения современной технологии на предприятиях.

• Потребности в воде снижаются в 10 раз.
• Существенная экономия финансовых средств.
• Ответственное отношение к экологии и рациональному использованию ресурсов.
• Отсутствие штрафов за грязные стоки.

Принцип замкнутой системы

Оборотные комплексы в промышленности

Владельцы предприятий, которые заботятся об экологии и умеют считать прибыль, переходят на прогрессивный метод – оборотное водоснабжение. Сфера его применения достаточно широкая:

Энергетика

Предприятиям энергетической отрасли – тепловым и атомным электростанциям вода необходима для охлаждения турбин или как рабочее тело – пар. Техническое водоснабжение объектов происходит двумя системами:

• прямоточной;
• оборотной.

Процесс происходит следующим образом: пар подается в градирни, охлаждается и конденсируется. С помощью насоса вода для охлаждения турбин и вспомогательных механизмов. Их природного источника берется вода для восполнения потерь, неизбежных в технологических процессах.

Схема градирни

Металлургия

Во многих технологических процессах вода используется исключительно для охлаждения. Она не загрязняется, а только нагревается, поэтому после остывания может применяться снова. На металлургических предприятиях схема оборотного водоснабжения сложнее. Жидкость нагревается и загрязняется различными примесями. Для дальнейшего использования в газоочистке потребуются пруды или градирни для охлаждения и механические фильтры очистки.

Нефтепереработка

На современных нефтеперерабатывающих заводах в замкнутом цикле, включающем фильтрацию и локальную очистку, находится 95-98% всей используемой воды. Для химической промышленности ведется разработка замкнутых систем, не требующих осуществления сброса стоков в водоемы.

Пищевая промышленность

Оборотное водоснабжение популярно на предприятиях отрасли. По этому принципу работают системы мойки тары, упаковки и сырья. Он используется в холодильных установках.

Машиностроение

Заводы по выпуску машин применяют воду в процессах гальванизации деталей. Замкнутая система сокращает ее расход на 90%. Использование в схеме замкнутой системы выпарной установки позволяет направлять солевой концентрат на переработку. Очищенная жидкость идет на промывку деталей, а продукция из концентрата – на подготовку электролитических растворов.

Прогрессивный метод внедряют на бумажно-целлюлозном производстве, в горной промышленности, мойке транспортных средств, на прачечных комбинатах.

Невозможно избежать потерь воды в производственных условиях. Частичное уменьшение ее объема происходит вследствие испарения. В оставшейся жидкости повышается уровень минерализации. Это ведет к негативным последствиям: активной коррозии и отложению солей. Добавление свежей воды важно для восстановления количества и состава циркулирующей жидкости.

Схемы систем оборотного водоснабжения

Внимание. Потери жидкости в замкнутой сети составляют 3-5%. Они восполняются свежей водой из источника.

Устройство оборотной системы для автомойки

Технологические процессы, связанные с мытьем автомобилей, сопровождаются потреблением большого объема воды и загрязнением стоков нефтепродуктами и ПВА. Чтобы снизить опасность попадания опасных соединений в природную среду, внедряется система повторного использования стоков. Установка замкнутой системы водоснабжения на мойках позволяет экономить до 90% воды и 50% моющих средств.

Замкнутая система на автомойке

Внимание. Для мойки 10 автомобилей требуется 1 м3 воды, при использовании оборотной системы таким объемом жидкости можно вымыть до 50 машин.

Технические стоки на автомойке проходят несколько этапов очистки:

1. Стоки попадают в отстойник, накопительную емкость. С помощью механической фильтрации из воды удаляются крупные частицы загрязнения.
2. Напорным насосом жидкость подается в мембранный флотатор. Здесь происходит пропускание воздуха под давлением через керамические мембраны для насыщения стоков пузырьками. В результате образуется пена, абсорбирующая остатки нефтепродуктов и моющих средств. Напорная флотация удаляет мелкий шлам и взвеси. Эти частицы попадают в накопитель, откуда периодически удаляются для дальнейшей переработки.
3. После флотатора вода поступает в емкости с фильтрами для извлечения оставшихся частиц. Установка рассчитана на многократное использование, фильтры регулярно промываются обратным током воды, которая попадает в накопительную емкость для стоков.

Схема повторного водоснабжения мойки

Для окончательной обработки жидкости задействуется химическая (добавление реагентов) и биологическая очистка. Полное удаление загрязнений происходит микроорганизмами.

Помещение автомойки оборудуется двумя водными контурами. Они питают мощные аппараты для очистки транспорта. Один контур наполнен свежей водой, а второй – оборотной. Жидкость, используемая после переработки, применяется в первичной мойке. Им пользуются при нанесении моющих средств и предварительном смывании пены. Свежей водой осуществляется окончательное ополаскивание машин.

Внимание. Ополаскивание водой из прямого водопровода позволяет избежать появления белых разводов на поверхности автомобилей.

Оборотное водоснабжение автомоек составляет 90%, а на свежую воду для ополаскивания, приходится 10%. Установки для очистки стоков имеют различную производительность – от 3 до 40 м 3 /час. Системы малой мощности наиболее популярны, Они используются на большинстве автомоек с ручным и автоматическим оборудованием. Высокопроизводительные установки предназначены для крупных моечных комплексов, имеющих системы портального и туннельного типа. Их базовая комплектация:

• отстойники;
• фильтры;
• система флокуляции;
• датчики и манометры;
• насосы.

При необходимости комплексы дополняют устройствами умягчения воды, аэраторами, дозаторами реагентов и другими приспособлениями. Количество циклов повторного использования зависит от возможностей оборудования. Оно составляет от 50 до 70 оборотов с очисткой. Цикл завершается сбором и утилизацией жидкости.

Оборотная система для загородного дома

В частных домах, где есть возможность разделить сети канализации и водоснабжения практикуется установка замкнутой системы, уменьшающей в несколько раз объем потребляемой свежей воды. Ее внедрение – действенный способ экономии ресурсов. Система функционирует по принципу обратного осмоса. Одна из ее особенностей это необходимость периодической замены старой воды.

Оборудование для системы оборотного водоснабжения

Внимание. Один из плюсов оборотного водоснабжения загородного коттеджа – увеличение срока эксплуатации автономной скважины.

Обеспечить работу оборотного водоснабжения позволяет монтаж специального оборудования. Оно включает многоступенчатые фильтры, различные реагенты и коагулянты, доводящие химический состав жидкости до санитарных норм. Мощное очистное сооружение совмещает три типа процессов:

• механический;
• химический;
• биологический.

Контроль сети осуществляется автоматикой, показатели проверяются на соответствие заданным параметрам. Для поддержания эффективной работы комплекса требуются определенные климатические условия:

• монтаж системы вентиляции для циркуляции воздуха;
• температура не ниже отметки +5 0 .

Замкнутую структуру может иметь отопление и водопровод. В последнем случае происходит развитие биоценозов – совокупности микроорганизмов. Предотвратить составные части от биологического обрастания поможет периодическая промывка емкостей и труб. Специальные вещества полиалкиленгуанидины обеспечивают защиту от нескольких разрушающих факторов: коррозии, солей и биозарастания.

Для монтажа водоснабжения используются металлические трубы. Этот материал отличается прочностью и долговечностью, но под действием изменений в составе воды возникают коррозийные процессы. Применение пластика – оптимальный способ создания эффективной рециркуляции. Полимеры нейтральны к воздействию влаги, химических и биологических веществ, поэтому рекомендуются для создания замкнутых сетей.

В связи с растущим потреблением промышленностью воды высокого качества экономия воды, а также снижение ее потребления и сброса достигается с помощью повторного использования и циркуляции.

Повторное, или последовательное использование означает использование воды в открытой системе для двух последовательных, но различных процессов, в некоторых случаях с промежуточной подкачкой воды или ее очисткой. Второй технологический процесс обычно предъявляет меньшие требования к воде, чем первый, и поэтому для него может использоваться вода худшего качества. Наиболее общий пример - использование воды сначала для теплообменников или конденсаторов, а затем для промывки. Другой пример: сточную воду от туалетов и лабораторий собирают, подвергают биологической очистке, нейтрализуют и затем, после доочистки, используют как подпиточ-ную воду в открытых системах охлаждения. При этом принимают специальные меры для контроля физических характеристик воды, таких, как температура и содержание взвешенных веществ, а также любого фактора, который может способствовать росту бактерий.

Циркуляция означает неограниченное повторное использование одной и той же воды для одного и того же процесса с добавкой воды только для восполнения потерь, которых нельзя избежать: продувки системы или потерь на испарение.

Циркуляционное отношение может быть очень высоким, что приводит к концентрированию неорганических или органических солей или постепенному накоплению взвешенных веществ и необходимости непрерывной очистки воды. Поэтому следует контролировать следующие показатели качества циркуляционной воды:

• содержание сульфатов и карбонатов щелочноземельных металлов - для предотвращения их осаждения;
• количество всех растворенных неорганических солей - для предотвращения повышения электрической проводимости воды и усиления коррозии;
• количество разлагающихся органических веществ, солей аммония и фосфатов, способствующих росту аэробных и анаэробных бактерий;
• содержание детергентов - для предотвращения пенообразо-вания и других нежелательных явлений;
• количество оседающих и взвешенных веществ - для предотвращения обрастаний аппаратуры;
• температуру, чтобы избежать промежуточного охлаждения или сброса излишне горячей воды в реку.

Циркуляционное отношение

В зависимости от того, происходит ли в процессе циркуляции испарение воды, циркуляционное отношение может быть выражено двумя способами. Концентрационное отношение:

где С -отношение количества подпиточной воды а к сумме потери воды на капельный унос и расхода на продувку системы р.

В охлаждающих системах с открытыми градирнями при условии, что окружающий воздух чистый, С приблизительно равно отношению солесодержания циркуляционной воды в системе S к солесодержанию добавочной воды s:

С = S/s = а/р.

В системах охлаждения конденсаторов и теплообменников С обычно изменяется от 1,5 до 6, но в экстремальных случаях достигает значений от 20 до 40.

Так как карбонаты могут быть легко удалены в процессе очистки подпиточной воды, главным лимитирующим фактором обычно являются сульфаты.

При очистке отработанных газов к концентрированию за счет испарения добавляется растворение некоторых газов и солей. В этом случае концентрационное отношение уже не отражает повышения солесодержа-ния, которое может оказаться намного больше при наличии некоторых указанных соединений или, наоборот, меньше при наличии осаждающихся или адсорбируемых соединений.

Циркуляционное отношение R. Если испарения нет или оно практически ничтожно, то R представляет собой отношение циркуляционного расхода воды Q к расходу подпиточной воды:

При проектировании циркуляционной системы в промышленности следует уделять особое внимание неконтролируемым условиям, которые ограничивают циркуляционное отношение, прежде всего - повышению температуры. Следует учитывать также наличие в воде сульфатов, обусловленное применением неорганических коагулянтов при подготовке воды.

Цель обработки всего или части циркуляционного расхода - ограничение накопления указанных выше вредных соединений.

В зависимости от свойств соединений, которые нужно удалить, может быть применен один из следующих процессов:

• общее обессоливание с помощью ионного обмена или обратного осмоса; последний процесс обычно используется для обработки воды при нанесении гальванических покрытий;
• осветление воды отстаиванием для удаления пыли, попавшей в воду при очистке газов, или частиц, попадающих в воду при разрушении различных материалов;
• фильтрование через зернистую загрузку для удаления частиц оксидов и различных кристаллических частиц.

Если загрязнения содержатся в циркуляционной воде в малых количествах и требуется частичное снижение их концентрации, очистке подвергается только часть воды в системе (от 5 до 50%); байпасную часть циркуляционного потока обрабатывают с целью снижения щелочности и жесткости воды, а атмосферная пыль, захваченная охлаждающей водой, удаляется фильтрованием.

В указанных выше процессах очистки не следует использовать минеральные коагулянты; вместо них лучше применять различные полиэлектролиты. Очистка циркуляционной воды часто сопровождается ее противокоррозионной обработкой или обработкой для предотвращения образования отложений и биообрастаний.

ВОДО И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Проблема энергоресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве - сегодня одна из самых обсуждаемых. Инженерная инфраструктура и, в частности, водное хозяйство города несет в себе большой потенциал энергоресурсосбережения, что уже достаточно хорошо освещено в литературе . В нашей статье мы хотели бы рассмотреть ряд направлений, непосредственно связанных с использованием сточной воды и ее энергетического потенциала, ее очисткой и повторным использованием.

Настоящим источником энергии являются сточные воды. По данным профессора Калифорнийского университета Джорджа Чобаноглуса, из 1 м 3 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 м 3 . 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).

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 м 3 /ч при теоретически возможной мощности около 2000 кВт. Мощность, потребляемая теплонаносной установкой и циркуляционными насосами, составила 550-680 кВт .

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.

Наибольший успех достигнут в области получения биогаза из осадков сточных вод. Как было отмечено выше, в 1 м 3 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.

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 .

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 . Вот несколько самых характерных.

«Классический» пример: г. Виндхоек, Намибия. Первая станция доочистки городских сточных вод для питьевого водоснабжения производительностью 4 800 м 3 /сут. была построена еще в 1968 г., а в 1997-2002 годах была реконструирована с увеличением подачи воды до 21 000 м 3 /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 $/м 3 . 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 м 3 /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 м 3 /сут., доочистка городских сточных вод для охлаждения оборудования ТЭС, схема включает микрофильтрацию и обратный осмос;
• г. Оранж, США. 265 000 м 3 /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 м 3 /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 м 3 /сут. (по очищенной воде), схема включает сетчатые фильтры, ультрафильтрацию (8704 аппаратов X-Flow, Norit), обратный осмос (21000 аппаратов Toray), отдувку СО 2 , 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 м 3 /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 $/м 3 , при том, что стоимость водопроводной воды лишь немногим выше - 2,168 $/м 3 . 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.

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 %.

Бывают и почти курьезные конструкции (рис. 7).