Жива вода: п'ять прогресивних технологій очищення

Кожен дев'ятий житель планети не має доступу до чистої води поряд з будинком. І ситуація постійно погіршується. Чи врятують людство технології очищення та вторинне використання води?

За оцінками ООН, до 2050 року на Землі житимуть 9,8 млрд людей. Зміна клімату, а також розвиток сільського господарства та промисловості для задоволення потреб постійно зростаючого населення призведуть до серйозного скорочення доступних водних ресурсів. Згідно з дослідницьким проектом WaterAid, 60% населення планети вже зараз живе в районах, де водопостачання не може або скоро припинить задовольняти попит. Водна криза найболючіше проявляється на Близькому Сході, в Центральній Азії та Північній Африці. Росія в рамках прогнозного горизонту 2040 знаходиться в зоні низько-середнього ризику.

Головні тренди ринку

Як розвинені, так і країни, що розвиваються, стикаються з однією загальною проблемою — зростанням обсягів промислових і міських стічних вод. Це, у свою чергу, спонукає розробників з різних країн до пошуку нових і більш досконалих технологій очищення води. Традиційні методи очищення включають використання адсорбентів, зворотного осмосу, іонного обміну та електростатичного осадження. Їх недоліки - висока вартість, погана можливість повторного використання та низька ефективність. Незважаючи на прогрес, досягнутий у розробці нових технологій за останнє десятиліття, їх використання обмежене в основному через властивості матеріалів та вартості.Згідно з аналітичним агентством Mordor Intelligence, у 2020 році обсяг світового ринку технологій очищення води оцінювався на рівні $50,5 млрд. До 2026-го ринок щорічно зростатиме приблизно на 7% через ресурси прісної води, що швидко скорочуються, у всьому світі. Попит зростає також із боку розробників родовищ сланцевих вуглеводнів, виробників біопалива та інших.

Негативно вплинула ринку пандемія COVID-19. Але ж вона призвела до появи нової технології, яка дозволяє виявити коронавірус у стічних водах. Метод дозволяє виміряти присутність РНК-генетичного матеріалу SARS-CoV-2 (рибонуклеїнова кислота) у людських фекаліях у системі збирання стічних вод. Дослідження в Нідерландах показали зв'язок між обсягом вірусного матеріалу у стічних водах та кількістю випадків зараження у даному районі та допомагають відстежувати епідеміологічну ситуацію та еволюцію вірусів. Ця методика була також протестована у 2020 році у більш ніж 40 штатах Америки, причому в університеті Арізони допомогла запобігти спалаху коронавірусу, де виявили двох людей з безсимптомним перебігом хвороби. Перерахуємо п'ять найбільш інноваційних, на нашу думку, технологій очищення води.

1. Мембранний поділ

Це давній та популярний метод очищення води від домішок та забруднювачів. Є багато технологій, які працюють як фільтр: пропускають воду через плівку із мікроскопічними отворами. Вода проходить, а забруднюючі частинки застряють на мембрані. Методи сучасного мембранного поділу, такі як зворотний осмос (видаляє частки навіть розміром 0,001-0,0001 мкм - солі жорсткості, сульфати, нітрати, іони натрію, барвники тощо) можуть очистити воду від 99,5% домішок.Але для цього розмір часу повинен бути меншим за мікрон. Основний недолік технології – висока вартість обслуговування (мембрани часто забиваються).

2. Опромінення

Як випливає з назви, цей процес заснований на дії радіації на стічні води, щоб знищити органічні забруднювачі. Джерела випромінювання - від гамма-променів до ультрафіолетового світла. Опромінення зазвичай використовують для знезараження, але деякі методи, наприклад, іонізуюче опромінення, у поєднанні з додаванням озону або перекису водню покращують ефективність розкладання органічних домішок, включаючи пестициди та феноли. Сучасні системи УФ-обробки пропонують використовувати світлодіодні лампи. Наразі такі лампи починають активно впроваджувати в комунальному секторі, а також використовуються NASA у космічних розробках агентства.

Другий спосіб – це гідрооптичні технології. Вони дозволяють використовувати кілька разів енергію фотонів, оскільки ультрафіолетові промені відбиваються від стінок кварцової камери. Це підвищує ефективність дози УФ-опромінення для знищення складних вірусів, наприклад, коронавірусу або аденовірусу.

Артур Душенко, головний інженер VODACO, Росія: «Віруси та бактерії, що надходять у водойми зі стічними водами, надалі можуть потрапляти до систем комунального водозабору на тій же водоймі. Сучасні системи реагентної дезінфекції з використанням гіпохлориту натрію або рідкого хлору не здатні знешкодити всі бактерії, оскільки багато з них, такі як Cryptosporidium або Giardia (криптоспоридії або лямблії). РБК Тренди), стійкі до впливу хлору так само, як і складні форми вірусів - аденовірус та коронавірус (як яскравий приклад - SARS-CoV-2).Системи УФ-дезінфекції на базі технології HOD UV забезпечують дозу впливу на дані мікроорганізми в 120 mJ/cm2 і вище - це необхідна умова для знешкодження вірусу, руйнування ланцюжка РНК та пригнічення здатності до відновлення. У Росії її стандарт впливу обмежений на законодавчому рівні — 30 mJ/cm2».

3. Очищення наночастинками

Люди давно використовують такі речовини, як деревне вугілля, для очищення води шляхом адсорбції. При очищенні наночастинками використовується та сама механіка, але з частинками в наномасштабі. Різні типи наноматеріалів - металеві наночастинки, наносорбенти, біоактивні наночастинки, нанофільтраційні (NF) мембрани, вуглецеві нанотрубки (УНТ), цеоліти та глина - виявилися ефективними матеріалами для очищення стічних вод. Їх використання усуває пестициди та важкі метали у воді. Вуглецеві нанотрубки також розглядають як проривну технологію для опріснення морської води до питної стадії. Основний недолік технології – вартість.

4. Біоаугментація

Органічний спосіб очищення є додаванням у воду суміші мікроорганізмів, яка руйнує і видаляє забруднення. Ці мікроорганізми включають ферменти та безпечні бактерії, які природно розкладають забруднюючі речовини, такі як олії або вуглецеві продукти. Але біоаугментація може впливати на екосистему мікрофлори та, як наслідок, порушувати процес очищення. Тому цю технологію поки що не можна використовувати для отримання питної води.

Бацили. Використовуються в нафтопереробці для очищення від хіноліну (Фото: Mauritius Images / Science Source / Nano Creative)

5. Мембранна біоаугментація

Мембранні біореактори (MBR) - гібридна технологія, яка включає мембранний поділ та біоаугментацію.Стічні води після біологічного очищення за допомогою активного мулу подають у ємність, що називається біореактором. У цій ємності розташовуються мембрани, які поділяють стічні води на два потоки - активний мул, що використовується повторно для біологічної очистки, і чисту воду. На ринку представлені два основні типи MBR - це системи з вакуумним (або гравітаційним) потоком та системи під тиском. Вакуумні системи занурюються у воду і мають мембрани, встановлені або всередині біореакторів, або в наступному резервуарі. Другий тип MBR, де потік керується тиском, є внутрішньотрубні картриджні системи, розташовані поза біореактора. Перевага мембранної біоаугментації – невелика площа для біологічного очищення. MBR-реактори збільшують потужність очисних споруд без збільшення площі конструкцій.

• Механічна очистка включає грати, пісколовки, відстійники, у тому числі пресування та відмив покидьків (додаткове надходження органічних речовин у стоки) та преферментацію сирого осаду на стадії відстоювання (збільшення летких жирних кислот).
• Біологічна очистка заснована на технологічних схемах UCT (технологія Кейптаунського університету) та JHB (технологія Йоганнесбурзького університету).
• Хімічна обробка застосовується видалення фосфатів. Реагент, що використовується, - сульфат алюмінію.

Так як у Санкт-Петербурзі немає дефіциту води, то в місті немає ні вторинного використання очищеної води, ні планів щодо застосування таких технологій».

Необхідність через огиду

Повторне використання стічних вод для зрошення та інших непитних цілей стало звичайним явищем і існує не одне десятиліття.Так, наприклад, в Ізраїлі майже 90% стічних вод країни використовується повторно в сільському господарстві.

Для доочищення стічної води до питної необхідна надійна технологічна схема, яка включає як мінімум п'ять стадій. Повторно використовують очищені стічні води питної якості Австралія, Сінгапур, Намібія, Південна Африка, Кувейт, Бельгія, Великобританія та США (штати Каліфорнія та Техас). У цих країнах очищеною водою поповнюють підземні чи поверхневі водні джерела (греблі).

Річкова вода, що використовується в різних містах для виробництва питної води, містить великі обсяги стічних вод. Перероблена вода є безпечною для пиття, але деякі люди не можуть подолати почуття огиди. Періодично у всьому світі відбуваються акції з подолання психологічних бар'єрів. Так, засновник Microsoft Білл Гейтс випив склянку рідини, яка була перероблена з людських фекальних мас у питну воду за технологією Omniprocessor Фонду Білла та Мелінди Гейтс. А французька компанія Veolia запустила в Чехії спільний проект із пивоварнею Čížová, яка з перероблених стоків зварила пиво.

Очищення води від органічних речовин та забруднень

Вибрати ефективну технологію видалення шкідливих домішок непросто. Доводиться враховувати вартість, обсяги устаткування, особливості обслуговування. У цій публікації розглянуто одне із найскладніших завдань – очищення води від органічних речовин. Наведена інформація допоможе приймати правильні рішення на всіх важливих етапах реалізації відповідного проекту.

Формулювання завдання

Для коректного вибору обладнання необхідно уточнити особливості забруднень. Як правило, їх концентрація збільшена у відкритих водоймах та порівняно неглибоких джерелах.Фахівці розрізняють природні та техногенні домішки (приклади):

• фульво- та гумінові кислоти;
• комплексні сполуки із залізом;
• діоксини, пестициди.

Деякі з цих речовин суттєво погіршують органолептичні властивості рідини, роблячи її непридатною для пиття. Інші – мають канцерогенні властивості, становлять загрозу здоров'ю та життю людини.

Типові особливості забруднень цієї категорії:

• стійкість до окислення, інших видів зовнішніх впливів;
• здатність прикріплення до стінок трубопроводу;
• утворення сприятливого середовища для життєдіяльності мікроорганізмів

На першому етапі застосовують попереднє руйнування молекулярних сполук із розкладанням на безпечні компоненти:

Так як органічні речовини відрізняються стійкістю, отримати необхідний результат можна із застосуванням сильних окислювачів. Найпростіше відстоювання не підходить. Доводиться використовувати:

• озонування;
• хлорування;
• опромінення хвилями ультрафіолетового та інших діапазонів.

Далі затримують домішки, що залишилися:

• коагуляцією (флокуляцією) з наступною механічною фільтрацією;
• сорбцією (активованим вугіллям, іншими наповнювачами);
• іонним обміном;
• за допомогою коагулянтів;
• мембранні методики.

З урахуванням наведених відомостей зрозуміла необхідність додаткового очищення стічних вод. Сорбцією, наприклад, видаляють залишки хлору. Крім усунення специфічних запахів, така процедура запобігає потраплянню в їжу небезпечних сполук.

Окремі робочі операції виконують з урахуванням особливостей конкретних технологій. Вугільні засипки, наприклад, у побутових установках очищають воду від заліза. Після накопичення забруднень встановлюють нове засипання.

При виборі мембранних технологій забезпечують відповідність розмірів отворів із певними органічними фракціями. Виняток – зворотний осмос! Ці установки відокремлюють всі компоненти, які більші за молекули стічних вод.

Очищення стічних вод від органічних речовин хлоруванням

У ході відтворення технології дозу реагенту, що діє, збільшують до 25 мг і більше на один літр рідини. Це значно більше, ніж за нормальної процедурі знезараження. Відповідно, необхідна фінішна обробка видалення хлору.

Для підвищення ефективності очищення стічних вод від органічних речовин виконують у комбінації з добавками калію перманганату. Досить часто завершальному етапі застосовують абсорбцію.

Активоване вугілля з допомогою великої площі активної поверхні затримує продукти життєдіяльності мікроорганізмів, інші домішки. Фахівці оптимізують робочі цикли з подібним засипанням, враховуючи дійсний рівень водневого показника. Слід пам'ятати, що лужний характер середовища зменшує накопичувальну ємність сорбенту.

У типових умовах (промислові установки) до розрахунку беруть 15-20 мг наповнювача на літр. Передбачається, що час процедури становитиме 20-25 хвилин. Подібну тривалість у побутових проточних системах забезпечити неможливо. Тому збільшують робочий шар.

Летючі органічні сполуки видаляють за допомогою аерації. Звичайне відстоювання супроводжується надмірними витратами часу. Проблему вирішують із застосуванням розпилення струменя:

• сильним натиском на твердій поверхні;
• розподільчим пристроєм.

Компресорну техніку використовують для примусового насичення рідини повітрям. Активізують корисні процеси озонуванням. Останній спосіб має на увазі посилений контроль.У великій концентрації озон небезпечний здоров'ю. Цей газ – дуже сильний окислювач, тому контактуючі частини обладнання виробляють із корозійно-стійких матеріалів.

Очищення води від органічних забруднень електричними розрядами

За достатньої сили подібних впливів досить швидко руйнуються молекулярні сполуки. Підібравши відповідним чином параметри обробки, бактерії знищують разом з іншими мікроорганізмами. На практиці застосовують розряди:

• у товщі рідини;
• тліючі та коронні;
• надвисокочастотного діапазону.

Фахівці вважають перспективною методику обробки низькотемпературної плазми над поверхнею стічних вод. У подібному середовищі утворюється велика кількість протилежно заряджених іонів (радикалів). Неоднорідності електричного поля провокують прискорену появу нових частинок. Поверхня рідини у цьому варіанті виконує функції другого електрода. Незважаючи на значний енергетичний потенціал, температура в робочій зоні лише трохи перевищує «кімнатну». Корисні додаткові дії виконуються завдяки резонансним коливанням. При правильному налаштуванні обладнання плазма відрізняється стабільними характеристиками.

Ближче до поверхні накопичуються випаровування. У цій зоні формуються сприятливі умови для генерації випромінювання УФ частини спектра. Частина органічних забруднень поєднується в озон. Цей газ прискорює реакцію окиснення. Частина радикалів при розрядах переноситься у глибину води.

Для поліпшення споживчих параметрів очищення води від органічних речовин доповнюють розрядами обробкою перекисом водню. Підвищення тиску в робочій зоні спрощує утворення електричного пробою, економить споживання енергії.При правильному налаштуванні фенольні сполуки розкладаються на безпечні компоненти:

Як застосовують іонний обмін?

Приклад цієї технології можна вивчити особливості спеціалізованого устаткування. Цільове призначення – вилучення органічного заліза із напрямом забрудненої рідини в дренаж. Такі установки застосовують у побуті для подальшої обробки стічної води в установці зворотного осмосу. Аналогічні рішення використовують підготовчих етапах харчові, фармацевтичні підприємства. У комбінації з додатковими засобами – забезпечують захист приватних опалювальних систем та промислових котелень від накипу.

Для очищення води органічних сполук цієї категорії вибирають відповідний матеріал. Підійде гранульована іонообмінна смола, розрахована на поглинання порівняно великих молекулярних сполук. Її доповнюють гравійним засипанням, яке затримує механічні домішки.

Наповнювач пошарово розміщують у колоні, виготовленій з харчового полімеру. Стінки бака зміцнені армуванням зі скловолокна. Такі ємності зберігають цілісність та зовнішній вигляд після десятків років безперервної експлуатації.

При проходженні рідини через робочу область комбінована засипка затримує сульфати, фосфати та інші іони з негативним електричним зарядом. Після вичерпання накопичувальної ємності виконується промивання водою у напрямку. Для очищення стічних вод органічних речовин просочують розчином кухонної солі.

Техніку можна придбати у ручному варіанті виконання. Однак сучасні користувачі віддають перевагу зручній автоматиці.З її допомогою можна прибрати залізо з води зі свердловини, а також процеси регенерації виконуються за встановленим часовим графіком (кількістю обробленої рідини).

Обладнання вибирають з урахуванням дійсних потреб У таблиці наведено приклади технічними параметрами на основі серійних моделей:

Продуктивність, м куб.

Кількість кухонної солі на одну відновну процедуру, кг

Накопичувальна ємність завантаження, г