СИНЯЯ ЭКОНОМИКА. Ресурсоэффективность в очистке сточных вод

29 травня 2018 р.
 

Иван Борисов

Виктор Гевод

«Синяя экономика: 10 лет, 100 инноваций, 100 миллионов рабочих мест» — доклад Римскому Клубу Гюнтера Паули в июне 2012 года, показавший инновационные способы управления и использования доступных ресурсов, и таким образом борьбу с проблемами экологии и изменения климата. О том, как внедрить принципы синей экономики в очистке сточных вод, которые привлекут интерес предпринимателей к инновационным бизнес-проектам.

 

Основные принципы Синей Экономики: любой ресурс можно заменить другим, если он нужен для производства; в природе не существует отходов; любой побочный продукт является источником для нового продукта.

СТОЧНАЯ ВОДА – НЕДООЦЕНЕННЫЙ РЕСУРС

Сточные воды на 99% состоят из воды и лишь на 1% из взвешенных, коллоидных и растворенных примесей. Наибольшими источниками сточных вод являются городские, промышленные и сельскохозяйственные стоки. Городские стоки имеют высокие концентрации патогенов, азота, фосфора и органических соединений, поставщиками которых являются экскременты и детергенты. Промышленные сточные воды богаты на тяжелые металлы и трудно-разлагаемые синтетические органические соединения. Экскременты животных и удобрения являются поставщиками примесей в сельскохозяйственные стоки, которые по составу схожи с городскими.

Сброс неочищенных стоков пагубно влияет на окружающую среду. Уничтожаются экосистемы, ухудшаются условия человеческой жизни и его производственной деятельности. Загрязненные сточные воды приводят к ухудшению качества воды природных водоемов. В них происходит эвтрофикация и соответственно, возрастают последующие затраты на очистку воды для её потребления в быту и на производствах.

Следовательно, по причине низкого качество природной воды, возрастают экономические затраты, связанные с подготовкой загрязненной воды для дальнейших целей. Таким образом, сточная вода должна быть эффективно очищена.

Существуют два типа отведения и дальнейшей очистки стоков:

  • коммунальные системы, где вода транспортируется от потребителя к станции очистки стоков.
  • локальные системы, где вода поступает в септик и подвергается дальнейшей очистке в системе, построенной вблизи от потребителя.

Канализационная сеть может быть, как объединенная, так и разделенная. Объединенные сети просты и пока ещё распространены во всем мире. Они собирают все стоки вместе, которые затем обрабатываются на предприятиях очистки сточных вод по общепринятым технологиям. А разделенные сети более сложные, но они позволяют для каждого вида сточной воды применить оптимальную технологию и тем самым сэкономить как на общих затратах водоочистки, так и резко сократить объемы сточных вод, возвращаемых в гидросферу (Рисунок 1).

Согласно разделенной системе очистке стоков, потоки делятся на 5 типов:

  • серая вода – душевые стоки, содержащие высокие концентрации поверхностно-активных веществ;
  • коричневая и желтая вода (вместе черная вода) – раздельные потоки, богатые на органику, фосфор и азот, которые поступают из унитаза; коричневая вода используется для получения биогаза, а желтая – для извлечения фосфора и азота;
  • дождевая вода – ливневые стоки.
  • шламы – твердые отходы очистки сточных вод.

Очистка бытовых сточных вод состоит из комбинаций физических, биологических и химических процессов.

Физические процессы очистки воды основаны на применении методов седиментации и фильтрации, которые значительно понижают содержание взвешенных частиц. При химической очистке бытовых сточных вод обеспечивается удаление фосфора и взвешенных частиц при помощи коагулянтов. Передовой технологией химической очистки является норвежская модульная система, где в одном аппарате скомпонованы 3 стадии химической очистки, занимающие минимум площади.

В основе биологической очистки лежит «поедание» органических веществ бактериями активного ила. Усовершенствованными технологиями биологической очистки являются мембранный биореактор (Рисунок 2) и биореактор с движущимся слоем носителя.

Существенным фактором, влияющим на очистку стоков, является урбанизация, ускорение которой в комбинации с последствиями глобального потепления увеличивает нагрузки на очистные сооружения, модернизация которых является дорогостоящей и непосильной для регионов развивающихся стран. Рост населения в таких регионах происходит в неформальных поселениях (трущобах), которые не обслуживаются централизованной канализацией и не имеют других локальных очистных систем, сбрасывая сточные воды в дренажи к ближайшему водному ресурсу.

В настоящее время сточную воду следует рассматривать как источник ценных компонентов (сырья и энергетического ресурса).

Извлечение и обработка примесей сточных вод ограничивается экономическими возможностями, однако, при правильном инвестировании вырастает в прибыльный бизнес-проект.

ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЫ – ЗАМКНУТЫЕ ЦИКЛЫ

В местах сброса сточных и дефицита природных вод, повторное использование стоков становится не только экологически, но и экономически обоснованным. Возможность переработки сточных вод значительно зависит от степени ее загрязнения, актуальность приобретает система разделения потоков канализации, поскольку в отличие от ливневых стоков, черная
вода является нецелесообразной для очистки и повторного использования.

В повторном использовании сточных вод существует понятие целевого назначения (fit-for-purpose), которое
определяет требования к качеству воды не выше, чем для предполагаемого пользования. В большинстве случаев “fit-for-purpose” относится к качеству сточных вод, сбрасываемых станциями очистки, которое соответствует вторичной очистке.
Согласно концепции “fit-forpurpose”, сточные воды классифицируются тремя группами назначений:

1. Непрямое питьевое повторное использование, в основе которого лежит инфильтрация очищенных сточных вод в поверхностные и грунтовые воды, где протекают природные процессы очистки (биофильтрация, адсорбция, УФ-терилизация и другие), которые при отсутствии затрат энергии, позволяют достигнуть высокого качества для последующей питьевой водоподготовки.
2. Прямое питьевое повторное использование начинает применяться по мере развития водоочистных решений, обеспечивающих глубокую очистку воды. Целью является возврат очищенной сточной воды в места водозабора. На сегодняшний день применяется в районах дефицита относительно чистых водных ресурсов. Повторная подготовка питьевой
воды из городских стоков применя ется в Сан-Диего в США, где сточная вода очищается до качества питьевой и используется для городского водоснабжения. Как альтернатива, сточная вода могла бы быть использована для орошения, что снизило бы затраты на ее очистку. Однако, расширение сети трубопроводов для транспортировки воды на орошение было бы не рентабельным. Более того, по экономическим подсчетам подготовка питьевой воды из сточной является дешевле технологии обессоливания морской воды.

3. Не питьевое повторное использование применяется в других сферах деятельности, не требующих высококачественной водоподготовки. Важно отметить, что из всего количества образующихся сточных вод только малая часть подвергается повторному использованию, распределение отраслей в котором изображено на Рис. 3. На орошение приходится наибольшая доля среди использования очищенных, неочищенных и частично очищенных сточных вод. Например, в Израиле 40% всех очищенных стоков используются для орошения. В промышленности очищенные стоки используются, как для возврата в технологический процесс, так и для непроизводственных целей. Повторно очищенные сточные воды достаточно долго и успешно используются в нефтеперерабатывающей, энергетической, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности.
Улучшение окружающей среды определяется пополнением водных ресурсов при помощи таких мероприятий, как пополнение грунтовых вод и русел рек, озер, ставков и водно-болотных угодий.


ИЗВЛЕЧЕНИЕ РЕСУРСОВ ИЗ СТОКОВ

В сточных водах доминирующим компонентом являются органические вещества, которые при разложении образуют метан, использующийся в виде топлива и для получения электроэнергии. Ценными примесями сточных вод являются также азот и фосфор. При сегодняшнем высоком мировом спросе на удобрения, важно извлекать эти «питательные» элементы из сточных вод. В процессе очистки сточных вод азот концентрируется в фильтрате после обезвоживания шлама, а фосфор – в химическом шламе. Для извлечения азота существуют как физико-химические (отгонка аммиака, ионный обмен, термокаталитическая деструкция), так и биологические процессы (нитрификацияденитрификация, деаммонификация, биоаугментация). Конечный полученный продукт используется для получения удобрений. Ярким примером является станция сточных вод ВЕАС в Осло, где извлеченный из фильтрата аммиак путем отгонки используется для производства аммиачной селитры. Особо остро в мире стоит проблема запасов фосфоритов, прогнозируемая добыча которых начнет снижаться к середине текущего столетия. В последние годы в передовых странах мира активно реализуются исследования по извлечению фосфора из шламов сточных вод. Ряд факторов давления на водные ресурсы обуславливают необходимость более эффективного использования сточных вод. Рост населения, урбанизация, изменение структуры потребления, изменение климата, экономический рост и индустриализация оказывают влияние на водные ресурсы и потоки сточных вод, что сказывается на загрязнении атмосферы, земли и воды. Улучшенный подход к управлению сточными водами поможет смягчить воздействие некоторых из этих факторов давления.

УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ: ПРОБЛЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТИ

Обработка и утилизация шламов сточных вод становится все более насущной задачей из-за роста численности мирового населения и, соответственно, объемов образующихся шламов. Эффективность процесса их обработки и обезвоживания определяет экологические риски утилизации и экономические затраты. Процесс обработки шлама может
различаться в зависимости от целей и условий конкретных станций, однако, зачастую современная технология состоит из следующих стадий:

  • гомогенизация (перемешивание)
  • уплотнение (до 5-15% твердых веществ)
  • предварительная обработка (термический гидролиз)
  • стабилизация (анаэробное сбраживание)
  • обезвоживание (до максимальной степени сухости)
  • очистка фильтрата (извлечение азота и деструкция органики)
  • утилизация шлама (компостирование, иловые площадки и другое).

Обезвоживание является наибольшей проблемой процесса обработки шлама по причинам дорогостоящих флокулянтов и затрат на транспортирование. Существует ряд оборудования и реагентов, упрощающих обезвоживание, но максимальный результат обеспечивает только сжигание шлама, сопровождающееся выделением энергии, которая используется для хозяйственных нужд. Степень обезвоживания сильно зависит от свойств исходного шлама, например, первичный шлам после механической очистки сточных вод имеет наибольшую отдачу воды, в то время как анаэробный шлам после сбраживания – наименьшую. Следующей проблемой является обработка фильтрата после обезвоживания, содержащего трудно-разлагаемые органические вещества. Данный фильтрат зачастую направляется на биологическую очистку сточных вод, при этом негативно влияя на работоспособность активного ила. Для решения этой проблемы применяются различные методы предочистки, направленные, как на деструкцию трудно-разлагаемой органики, так и на извлечение азота. Шламы сточных вод характеризуются разной степенью биоразлагаемости, которая влияет на дальнейшие процессы его обработки. Для повышения биоразлагаемости шлама используются методы предварительной очистки, одним из которых является термический гидролиз, разработанный в 1995 году.

Термический гидролиз – это предварительная обработка шлама паром высокого давления при времени удержания 30 минут, температуре 160°С и давлении 6 бар. Применение термического гидролиза позволяет удвоить нагрузку на метантенк, увеличить выработку биогаза, а также получить стабилизированный шлам. Это позволяет сократить расходы на транспортировку и энергозатраты на его обработку. Конечная утилизация шлама зависит от потребностей администрации станции и спроса на удобрения cо стороны сельского хозяйства. При наличии спроса на удобрения актуальность приобретает компостирование – аэробный процесс бактериального разложения с целью стабилизации шлама и производства гумуса. Компостирование протекает при 60°С в течение 3-6 дней. Смешивание с наполнителями (например опилками) помогает достичь необходимого содержания сухого вещества, баланса углерода и азота. Однако, в реалиях Украины шлам захороняется на иловых площадках, создавая антисанитарные условия и загрязнение грунтовых вод. Более того, углекислый газ и метан, выделяющиеся при разложении шлама, вызывают парниковый эффект – причину глобального потепления. Тем не менее, процесс модернизации украинских станций аэрации уже начался и в скором времени в городе Днепр появятся первые метантенки, использующие в качестве сырья шламы сточных вод [4].

ЭНЕРГИЯ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД

Для использования энергии шламов сточных вод в последние десятилетия были разработаны различные методы их утилизации, наиболее эффективным из которых является анаэробное сбраживание для производства биогаза. Анаэробное сбраживание проходит в метантенках при мезофильном (30-40°С) или термофильном (55-70°С) температурном режиме. Конечный биогаз, состоящий на 50-75% из метана используется как топливо либо для производства электроэнергии, покрывая затраты на обработку и утилизацию шлама.

Мировая тенденция – стремиться к модернизации мезофильного режима термофильным по причине большего выхода метана (Таблица 1), однако мезофильный режим более стабильный и экономичный, поэтому зачастую применяют два режима параллельно (Таблица 2). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шламы сточных вод широко используются во всем мире для извлечения ценных ресурсов и энергии, превращаясь не только в ценное удобрение, но и в привлекательный объект инвестирования.

ИСТОЧНИКИ:

[1] Courtesy of Singapore’s National Water Agency (PUB)

[2] https://goo.gl/2RRW5E

[3] https://goo.gl/SGXgKJ

[4] https://goo.gl/2fgVaf

[5] https://goo.gl/YcztLX

Выражается благодарность д.х.н. Виктору Сергеевичу Геводу за внесение интеллектуального вклада и рекомендаций по оформлению статьи.

Коментарі

Дивись також
 
Популярні