Энергосберегающие технологии по воде

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2014

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Вода — это основа всей жизни. От того, насколько она чистая, напрямую зависит здоровье человека и состояние окружающей среды. Загрязнение воды приводит к росту числа инфекционных заболеваний. Очистка воды и стоков позволяет свести риск подобных заболеваний к минимуму.

Требования к качеству питьевой воды обязывают строить очистные сооружения, проводить специальную водоподготовку. Но и этих мер порой бывает недостаточно. В этом случае может возникнуть чрезвычайная ситуация, создающая угрозу не только природе, но и жизни человека.

Очистка сточных вод необходима для уменьшения количества вредных отходов жизнедеятельности и производств. Снижение уровня загрязнения сточных вод означает снижение загрязнения почвы и атмосферного воздуха. Очистка сточных вод должна выполняться с точным соблюдением всех правил и санитарных норм, которые обеспечивают безопасность человека и окружающей среды.

В настоящее время энергосбережение является одной из приоритетных задач, что связано с дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, а также с глобальными экологическими проблемами. Энергосбережение — это реализация производственных, научных, технических, организационных, экономических и правовых мер, имеющих целью достижение экономически обоснованного значения эффективности использования энергетических ресурсов.

Энергосбережение при очистке сточных вод – актуальная задача на современном этапе развития инженерных систем и сооружений. В настоящее время на большей части очистных станций работают комбинированные схемы. Это, прежде всего, связано с высокими требованиями, предъявляемыми к очистке сточных вод от нефтепродуктов, а также сложностью состава поступающих стоков. Создание новых аэрационных устройств, внедрение физических методов интенсификации контакта газовой и твердой фаз позволяет говорить о том, что флотационный способ, учитывая его простоту и экономичность, может стать основным в очистке нефтесодержащих сточных вод.

В настоящее время разработана технология очистки сточных вод очистными сооружениями с использованием системы аэраторов пневмогидравлического (или струйного) типа.

Технология основывается на применении пневмогидравлического аэратора, предназначенного для использования в процессах биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в качестве аэрирующего и перемешивающего устройства. Насыщение сточной жидкости кислородом воздуха происходит с помощью мелкопузырчатой аэрации: в аэраторе вода смешивается с воздухом, и с большой струей выходят пузыри.

Данный способ позволяет отказаться от перемешивающих устройств, использующих дополнительную электроэнергию, и применить механизм получения вращательного движения только за счет гидро-аэродинамики самой струи. Когда разнесенные сопла аэраторов выпускают струю воздуха, они одновременно начинают вращаться.

Одно из направлений, которое нуждается в улучшении — это повышение эффективности процесса аэрации при одновременном снижении энергозатрат. Кроме того, необходимо, чтобы надежность единожды смонтированной системы была высокой, для чего аэрирующие устройства не должны засоряться или легко очищаться. В результате исследований, данная установка предоставляет возможность отказаться от использования электродвигателей.

Технологии озонирования в последнее время находят большее применение. Как правило, в таких технологических процессах требуется применение больших количеств озона высокой концентрации. В ближайшем будущем следует ожидать, что количество технологических процессов с использованием озона высокой концентрации будет возрастать. Поэтому будет расширяться производство озонаторов, позволяющих получать озон требуемого качества, и совершенствоваться их конструкция. [1]

Совершенствование конструкции озонаторных установок связано, наряду со снижением себестоимости и с повышением КПД генераторов озона, т. к. озон является достаточно дорогим химическим реагентом. Для получения больших количеств озона с высокой концентрацией наиболее эффективно применение генераторов озона, использующих барьерный разряд и работающих на кислороде. При этом для достижения максимального выхода озона с единицы поверхности электродов необходимо:

обеспечить интенсивный отвод тепла от разрядного промежутка, исключающий разложение озона из — за перегрева;

поместить диэлектрический барьер, имеющий высокую электрическую прочность и теплопроводность, с обеих сторон разрядного промежутка;

снизить длину разрядного расстояния при условии сохранения постоянства этого расстояния во всей зоне разряда.

В ГНЦ ВЭИ им. В.И.Ленина разработан озонатор с высокими технико-экономическими характеристиками. Электроды генератора озона пластинчатой формы выполнены из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм и изготавливаются штамповкой, что позволяет обеспечивать достаточно высокую точность геометрических размеров при длине разрядного промежутка порядка 500 мкм. В качестве диэлектрического барьера применена стеклоэмаль специального состава. Толщина сформированного стеклоэмалевого покрытия составляет 0,5 мм. Уменьшение разрядного расстояния до 0,5 мм при достаточной равномерности зазора между электродами позволило повысить концентрацию озона и снизить удельные энергозатраты из-за более равномерного распределения плотности мощности разряда в промежутке и улучшения теплоотвода из зоны разряда. Высокая равномерность разрядного промежутка исключает местные перегревы, ведущие к снижению концентрации озона и повышенному износу диэлектрического барьера.

Снижение длины разрядного расстояния также дает возможность уменьшить рабочее напряжение, что повышает надежность работы оборудования в целом. Высокая точность установки электродов позволяет увеличить удельную мощность разряда не за счет роста амплитуды питающего напряжения, а за счет повышения частоты (до 8 кГц), что также способствует увеличению надежности работы изоляции. [2]

Анализ опыта эксплуатации озонаторных устройств в 32 системах оборотного водоснабжения в США показал, что кроме полного обеззараживания при озонировании уменьшаются коррозия и накипеобразование, вызывающее снижение теплопередачи и увеличение гидравлических сопротивлений. В течение первых двух недель после перехода к озонированию ранее накопившаяся накипь размягчилась, а в последующие 2 недели отделилась от стенок, была вынесена водой и выпала в осадок в бассейнах градирен. Осадок содержал главным образом кальций, магний и кремний.

При испытаниях установки для очистки воды на основе глубокого окисления загрязняющих примесей озоном, непродолжительного отстаивания и фильтрования через зернистые фильтрующие материалы наблюдались подобные явления. Старые трубы, использующиеся для транспортировки воды, покрытые солевыми отложениями, постепенно очистились. На металлических поверхностях труб, узлов была обнаружена тонкая, пленка, сходная по свойствам с той, которая образуется под действием ингибиторов коррозии. Наблюдения в течение 1-2 лет на разных объектах показали уменьшение равномерной и питтинговой коррозии.

В подавляющем большинстве технологических схем водоподготовки завершающим процессом является фильтрование, в ходе которого из воды извлекаются не только дисперсии, но и коллоиды. В этом состоит отличие метода фильтрования от всех методов предварительной очистки воды.

Сущность метода заключается в фильтровании обрабатываемой воды, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц. При этом процесс сопровождается значительными затратами энергии. Однако, допускать большие потери напора в технике водоочистки можно лишь при обработке небольших количеств воды. Это определяет место фильтровальных сооружений в технологической схеме, т. е. в большинстве случаев фильтрование является завершающим этапом обработки воды и производится после ее предварительного осветления в отстойниках, флотаторах или осветлителях.

Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтровальных сооружений, поэтому правильный выбор ее параметров имеет первостепенное значение для их нормальной работы. При выборе фильтрующего материала основополагающими являются его стоимость, возможность получения в районе строительства данного фильтровального комплекса и соблюдение определенных технических требований, к числу которых относятся: надлежащий фракционный состав загрузки; определенная степень однородности размеров ее зерен; механическая прочность; химическая стойкость материалов по отношению к фильтруемой воде.

Степень однородности размеров зерен фильтрующей загрузки и ее фракционный состав существенно влияют на работу фильтра. Использование более крупного фильтрующего материала, чем это предусмотрено, влечет за собой снижение качества фильтрата. Использование более мелкого фильтрующего материала вызывает уменьшение фильтроцикла, перерасход промывной воды и удорожание эксплуатационной стоимости очистки воды. Использование фильтрующих материалов с большой степенью неоднородности по величине зерен, превышающей допустимые пределы, ухудшает условия их промывки, так как вынос верхних мелких фракций начнется раньше, чем придет в движение основная масса зерен загрузки. Это вызывает необходимость снижения интенсивности промывки, чтобы прекратить вынос мелких фракций. При этом значительная часть фильтрующего слоя будет промыта недостаточно. Кроме ухудшения условий промывки загрузки, применение весьма неоднородного по крупности фильтрующего материала вызывает ухудшение условий фильтрования из — за образования поверхностной фильтрующей плёнки. [3]

Ресурсо- и энергосбережение — проблема многогранная и актуальная. Для России она более чем актуальна, т.к. энергоресурсы являются одним из основных источников жизнеобеспечения нашего государства.

Энергосбережение в России активно развивается, появляются новые технологии энергосбережения, разработаны и выявлены основные направления энергосбережения, ведется внедрение и установка нового энергосберегающего оборудования. Все это — новое в энергосбережении России, поэтому необходимо постоянное поддержание и стимулирование энергосбережения государством.

1. Кожинов В. Ф., Очистка питьевой и технической воды /В.Ф. Кожинов. — М.: ООО «БАСТЕТ», 2008. — 304 с.

2. Лукашевич О.Д. /Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №1. С.18-20.

3. Фрог Б.Н., Левченко А.П., Водоподготовка: Учебн. пособие для вузов. М. Издательство МГУ, 1996. — 680 с.

Источник

Живая вода: пять прогрессивных технологий очистки

По оценкам ООН, к 2050 году на Земле будут жить 9,8 млрд человек. Изменение климата, а также развитие сельского хозяйства и промышленности для удовлетворения потребностей постоянно растущего населения приведут к серьезному сокращению доступных водных ресурсов.

Согласно исследовательскому проекту WaterAid, 60% населения планеты уже сейчас живет в районах, где водоснабжение не может или скоро прекратит удовлетворять спрос. Водный кризис наиболее болезненно проявляется на Ближнем Востоке, в Центральной Азии и Северной Африке.

Россия в рамках прогнозного горизонта 2040 года находится в зоне низко-среднего риска.

Главные тренды рынка

Как развитые, так и развивающиеся страны сталкиваются с одной общей проблемой — ростом объемов промышленных и городских сточных вод. Это, в свою очередь, побуждает разработчиков из разных стран к поиску новых и все более совершенных технологий очистки воды.

Традиционные методы очистки включают использование адсорбентов, обратного осмоса, ионного обмена и электростатического осаждения. Их недостатки — высокая стоимость, плохая возможность повторного использования и низкая эффективность. Несмотря на прогресс, достигнутый в разработке новых технологий за последнее десятилетие, их использование ограничено в основном из-за свойств материалов и стоимости.

Согласно аналитическому агентству Mordor Intelligence, в 2020 году объем мирового рынка технологий очистки воды оценивался на уровне $50,5 млрд. До 2026-го рынок ежегодно будет расти примерно на 7% из-за быстро сокращающихся ресурсов пресной воды во всем мире. Спрос растет также со стороны разработчиков месторождений сланцевых углеводородов, производителей биотоплива и др.

Негативно повлияла на рынок пандемия COVID-19. Но она же привела к появлению новой технологии, которая позволяет обнаружить коронавирус в сточных водах. Метод позволяет измерить присутствие РНК-генетического материала SARS-CoV-2 (рибонуклеиновая кислота) в человеческих фекалиях в системе сбора сточных вод. Исследования в Нидерландах показали связь между объемом вирусного материала в сточных водах и количеством случаев заражения в данном районе и помогают отслеживать эпидемиологическую ситуацию и эволюцию вирусов. Эта методика была также протестирована в 2020 году в более чем 40 штатах Америки, причем в университете Аризоны помогла предотвратить вспышку коронавируса, где выявили двух человек с бессимптомным течением болезни.

Перечислим пять наиболее инновационных, по нашему мнению, технологий очистки воды.

1. Мембранное разделение

Это давний и популярный метод очистки воды от примесей и загрязнителей. Есть много технологий, которые работают как фильтр: пропускают воду через пленку с микроскопическими отверстиями. Вода проходит, а загрязняющие частицы застревают на мембране.

Методы современного мембранного разделения, такие как обратный осмос (удаляет частицы даже размером 0,001-0,0001 мкм — соли жесткости, сульфаты, нитраты, ионы натрия, красители и т.д.), могут очистить воду от 99,5% примесей. Но для этого размер пор должен быть менее микрона. Основной недостаток технологии — высокая стоимость обслуживания (мембраны часто забиваются).

2. Облучение

Как следует из названия, этот процесс основан на воздействии радиации на сточные воды, чтобы уничтожить органические загрязнители. Источники излучения — от гамма-лучей до ультрафиолетового света.

Облучение обычно используют для обеззараживания, но некоторые методы, например, ионизирующее облучение, в сочетании с добавлением озона или перекиси водорода улучшают эффективность разложения органических примесей, включая пестициды и фенолы.

Современные системы УФ-обработки предлагают применять светодиодные лампы. Сейчас такие лампы начинают активно внедрять в коммунальном секторе, а также используются NASA в космических разработках агентства.

Второй способ — это гидрооптические технологии. Они позволяют использовать несколько раз энергию фотонов, так как ультрафиолетовые лучи отражаются от стенок кварцевой камеры. Это повышает эффективность дозы УФ-облучения для уничтожения сложных вирусов, например, коронавируса или аденовируса.

Артур Душенко, главный инженер VODACO, Россия:

«Вирусы и бактерии, поступающие в водоемы со сточными водами, в дальнейшем могут попадать в системы коммунального водозабора на том же водоеме. Современные системы реагентной дезинфекции с использованием гипохлорита натрия или жидкого хлора не способны обезвредить все бактерии, так как многие из них, такие как Cryptosporidium или Giardia (криптоспоридии или лямблии. — РБК Тренды), устойчивы к воздействию хлора так же, как и сложные формы вирусов — аденовирус и коронавирус (как яркий пример — SARS-CoV-2).

Системы УФ-дезинфекции на базе технологии HOD UV обеспечивают дозу воздействия на данные микроорганизмы в 120 mJ/cm2 и выше — это необходимое условие для обезвреживания вируса, разрушения цепочки РНК и угнетения способности к восстановлению. В России стандарт воздействия ограничен на законодательном уровне — 30 mJ/cm2».

3. Очистка наночастицами

Люди давно используют такие вещества, как древесный уголь, для очистки воды путем адсорбции. При очистке наночастицами используется та же механика, но с частицами в наномасштабе. Различные типы наноматериалов — металлические наночастицы, наносорбенты, биоактивные наночастицы, нанофильтрационные (NF) мембраны, углеродные нанотрубки (УНТ), цеолиты и глина — оказались эффективными материалами для очистки сточных вод. Их использование устраняет пестициды и тяжелые металлы в воде. Углеродные нанотрубки также рассматривают как прорывную технологию для опреснения морской воды до стадии питьевой. Основной недостаток технологии — стоимость.

4. Биоаугментация

Органический способ очистки представляет собой добавление в воду смеси микроорганизмов, которая разрушает и удаляет загрязнения. Эти микроорганизмы включают ферменты и безопасные бактерии, которые естественным образом разлагают загрязняющие вещества, такие как масла или углеродные продукты. Но биоаугментация может влиять на экосистему микрофлоры и, как следствие, нарушать процесс очистки. Поэтому эту технологию пока нельзя использовать для получения питьевой воды.

5. Мембранная биоаугментация

Мембранные биореакторы (MBR) — гибридная технология, которая включает мембранное разделение и биоаугментацию. Сточные воды после биологической очистки при помощи активного ила подают в емкость, называемую биореактором. В этой емкости располагаются мембраны, которые разделяют сточные воды на два потока — активный ил, используемый повторно для биологической очистки, и чистую воду.

На рынке представлены два основных типа MBR — это системы с вакуумным (или гравитационным) потоком и системы под давлением. Вакуумные системы погружаются в воду и имеют мембраны, установленные либо внутри биореакторов, либо в последующем резервуаре. Второй тип MBR, где поток управляется давлением, представляет собой внутритрубные картриджные системы, расположенные вне биореактора.

Преимущество мембранной биоаугментации — небольшая площадь для биологической очистки. MBR-реакторы увеличивают мощность очистных сооружений без увеличения площади конструкций.

Ольга Рублевская, директор Департамента анализа и технологического развития систем водоснабжения и водоотведения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»:

«Нева — это основной источник водоснабжения в Санкт-Петербурге. Благодаря программе прекращения сброса сточных вод без очистки в Неву и Финский залив в 2021 году уровень очистки достиг 99,5%. К 2030 году весь объем стоков будет перерабатываться на очистных сооружениях. Сейчас наша технологическая схема очистных сооружений состоит из механической, химической и биологической очистки.

• Механическая очистка включает решетки, песколовки, отстойники, в том числе прессование и отмыв отбросов (дополнительное поступление органических веществ в стоки) и преферментацию сырого осадка на стадии отстаивания (увеличение летучих жирных кислот).
• Биологическая очистка основана на технологических схемах UCT (технология Кейптаунского университета) и JHB (технология Йоханнесбургского университета).
• Химическая обработка применяется для удаления фосфатов. Используемый реагент — сульфат алюминия.

Так как в Санкт-Петербурге нет дефицита воды, то в городе нет ни вторичного использования очищенной воды, ни планов по применению таких технологий».

Необходимость через отвращение

Повторное использование сточных вод для орошения и других непитьевых целей стало обычным явлением и существует уже не одно десятилетие. Так, например, в Израиле, почти 90% сточных вод страны используется повторно в сельском хозяйстве.

Для доочистки сточной воды до состояния питьевой необходима надежная технологическая схема, которая включает как минимум пять стадий. Повторно используют очищенные сточные воды питьевого качества Австралия, Сингапур, Намибия, Южная Африка, Кувейт, Бельгия, Великобритания и США (штаты Калифорния и Техас). В этих странах очищенной водой пополняют подземные или поверхностные водные источники (плотины).

Речная вода, используемая в различных городах для производства питьевой воды, содержит в себе большие объемы сточных вод. Переработанная вода безопасна для питья, но некоторые люди не могут преодолеть чувство отвращения. Периодически во всем мире проходят акции по преодолению психологических барьеров. Так, основатель Microsoft Билл Гейтс выпил стакан жидкости, которая была переработана из человеческих фекальных масс в питьевую воду по технологии Omniprocessor Фонда Билла и Мелинды Гейтс. А французская компания Veolia запустила в Чехии совместный проект с пивоварней Čížová, которая из переработанных стоков сварила пиво.

Источник