Шесть инновационных технологий получения чистой питьевой воды. Инновационные технологии для водоснабжения и отопления. Простое решение непростой задачи Инновации в системах водопровода и канализации
Внедрение современных инновационных технологий является одним из приоритетных направлений Целевой программы "Чистая вода Москвы", нашедших отражение в деятельности МГУП "Мосводоканал". Кроме обеспечения соответствия современным требованиям к качеству питьевой воды, инновационные технологии предлагают экологичные и эффективные пути решения основной задачи предприятия - обеспечения жителей качественной питьевой водой и эффективной очисткой использованной воды.
Начало полномасштабного внедрения новых технологий было положено в 2002 г. когда был введен в эксплуатацию блок водоподготовки с применением озоносорбционной доочистки воды производительностью 240 тыс. куб. м в сутки. В 2009 году был введен в эксплуатацию еще один блок сооружений производительностью 160 тыс. куб. м в сутки, также предусматривающий применение технологии озоносорбции.
Развитием направления модернизации технологий в области очистки природных вод является ввод в эксплуатацию в 2006 году Юго-Западной водопроводной станции производительностью 250,0 тыс.куб.м/сут. В состав технологических сооружений впервые в истории московской системы водоснабжения включена стадия мембранной ультрафильтрации.
Целевой программой "Чистая вода Москвы" предусмотрен поэтапный перевод до 2020 года всех действующих водопроводных станций Москвы на применение технологий озоносорбции и мембранной фильтрации. Эти технологии являются наилучшими доступными технологиями водоподготовки так как позволяют получать чистую питьевую воду независимо от состояния водоисточников.
Важным направлением развития станций водоподготовки является повышение безопасности их эксплуатации. Учитывая опасность применения газообразного хлора, в Мосводоканале осуществляется перевод технологии водоподготовки с хлора на гипохлорит натрия. В 4-м квартале 2009 года состоялся ввод в эксплуатацию технологического комплекса обеззараживания гипохлоритом натрия на Западной станции водоподготовки. До 2011 года планируется перевод всех станций на эту технологию.
Наряду с этим в Мосводоканале постоянно совершенствуются процессы обеззараживания воды. В связи с ужесточением государственного норматива на содержание в питьевой воде хлороформа, на станциях водоподготовки проводится целенаправленная отработка режимов хлорирования. В результате данной работы концентрация хлороформа снизилась до величины менее 30 мкг/л при нормативе 60 мкг/л.
Качество воды, которая поступает к потребителю, зависит не только от технологий очистки, но и от состояния водопроводной сети. В настоящее время из 11 тыс.км самортизировано 6 тыс.км трубопроводов, или 52% от их протяжённости. Программой предусматривается сократить этот процент к 2020 году до 45,5. Это потребует ежегодного обновления трубопроводов на уровне не менее 2% от всей протяженности сетей (сейчас этот показатель оставляет 1,5%). Приоритетным является использование труб из высокопрочного чугуна, срок службы которых составляет 100-120 лет.
Знаете ли Вы, что каждый десятый житель планеты не получает обычную питьевую воду в достаточном количестве. Для решения этой самой насущной проблемы человечества лучшие инженеры по всему земному шару разработали широкий спектр больших и малых, устройств, производящих чистую воду. Ежегодно появляется множество инноваций, упрощающих и удешевляющих эти процессы, и оборудование становится компактней и дешевле. На сегодняшний день во всём мире от нехватки питьевой воды страдают не менее 663 миллионов человек, и решение этой задачи с каждым годом становится всё актуальней.
Для получения пресной воды используются разные технологии - от конденсации воды из разряжённого воздуха и опреснения солёной морской воды до водяных чипов с ультрафиолетовой очисткой, которые можно применять в домашних условиях. Конечно, не все из существующих технологий вышли за пределы лабораторий, но те из них, которые были внедрены, уже позволили получить миллиарды литров чистой воды.
Башня по сбору питьевой воды Warka Water
Разработчикам понадобилось несколько лет для создания башни Warka Water, и в прошлом году первая опытная установка, способная получать чистую воду прямо из воздуха, всё-таки заработала в эфиопской деревушке. Уникальный проект, заслуживший награду, основан на концепции сбора воды из тумана.
Конструкция представляет собой огромный цилиндр из сплетенных бамбуковых прутьев, внутри которого натягивается ячеистая сетка. Башню окаймляет навес, позволяющий местным жителям отдохнуть в теньке, пока конденсат переливается в емкость из-под основания башни. Создатели башни планируют начать массовое производство к 2019 году.
Крошечный УФ очиститель воды
Не все люди, страдающие от недостатка чистой воды, проживают в засушливых регионах. Иногда «кругом вода, но не испить ни капли, ни глотка» из-за загрязнения окружающей среды или других экологических проблем. Существующие системы очистки, как правило, дорогие и малопроизводительные. Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории SLAC недавно разработали УФ очиститель воды, размещаемый в крошечном прямоугольном корпусе, который сокращает процесс очищения воды с 48 часов до 20 минут. Несмотря на то, что до массового производства устройства ещё очень далеко, лабораторные испытания прототипа дают надежду, что создание этого чипа может стать первым шагом на пути к новому поколению методов очистки, помогающих превратить грязную воду в питьевую.
Плавучий опреснитель воды на солнечных батареях Pipe
Новый опреснительный проект, разработанный для Калифорнии и получивший название Pipe, произвёл фурор прошлым летом, предоставив 5,7 миллиардов литров чистой питьевой воды для пострадавшего от засухи штата. Получающая энергию от солнечных батарей платформа работает по принципу электромагнитного метода опреснения. Для превращения морской воды в питьевую используются фильтрация и термальные ванны, а получаемый побочный продукт затем выводится обратно в океан. Внешне Pipe скорее напоминает гигантскую сверкающую скульптуру, произведение искусства, а не промышленную установку. Она радует глаз и греет душу сознанием того, какая большая проблема решается с её помощью.
Крупнейшая в мире установка для сбора тумана
Самая большая установка для сбора тумана представляет собой гигантский сеточный забор, улавливающий густой туман в марокканской пустыне и превращающий его в чистую свежую водицу. Хитроумное устройство площадью около 600 квадратных метров очень выгодно использует природные условия засушливого региона Aït Baâmrane, где туман, больше напоминающий плотное одеяло, покрывает всё вокруг шесть месяцев в году. Установка в сутки производит 77 литров питьевой воды на каждый квадратный метр сетки. При помощи насосной системы на солнечных батареях и труб чистая питьевая вода нодаётся более 400 местным жителям, для которых ранее получение воды было невероятно сложной проблемой.
Водяной нано-чип
Основным препятствием для внедрения технологий водоочистки для бытовых нужд населения в засушливых районах всегда являлась их большая себестоимость. Исследователи, инженеры, конструкторы буквально сбились с ног, пытаясь решить эту проблему. Неожиданное и очень оригинальное решение было предложено учёными Техасского университета в Остине и немецкими учеными из Марбургского университета. Они изобрели «водяной чип», создающий слабое электрическое поле, которого, однако, достаточно для опреснения небольшого количества воды. Судя даже по результатам первых экспериментов, этот чип, работающий на обычных батарейках, может стать решением для потребителей. Для дальнейших испытаний и содействия развитию технологии этого очень перспективного и портативного способа был специально создан стартап Okeanos Technology.
Волновая электростанция Carnegie Perth Wave Energy
Проект Carnegie Perth Wave Energy решил убить сразу двух зайцев, объединив метод получения электричества от подводных течений с методом обратного осмоса для опреснения морской воды. Установка по типу плавающего буя работает у побережья Перта в Западной Австралии, где особенно важны именно экологически чистые методы производства электроэнергии. Три погружных 240-киловаттных буя закреплены на морском дне с помощью тяжёлых гидравлических насосов, проталкивающих воду через мощные турбины, в то время как вся система покачивается в глубинах океана. Встроенная опреснительная система использует часть производимой электроэнергии для создания чистой питьевой воды, а остальная часть электроэнергии подается обратно на берег непосредственно в сеть. Этот небольшой проект местного масштаба является частью более крупного плана использовать данную технологию опреснения в качестве неистощаемого и безопасного источника чистой питьевой воды для местных жителей.
От качества воды, которую ежедневно пьёт человек, зависит не только его пищеварение. Эта жидкость влияет на самочувствие, здоровье, иммунитет, внешний вид, качество сна и ещё массу факторов. Уже давно человечество не стремится к получению для своих нужд дистиллированной воды, которая когда-то считалась эталоном. Теперь требования стали более современными и зависят от целевого направления: для ежедневного употребления в пищу, для изготовления лекарств, для полива растений и т.д.
Очистка для любых целей начинается с ликвидации механических частиц, которые видны невооружённым взглядом. Такая мера не только улучшает конечный результат, но и уберегает тонкие фильтры. Важно понимать, что в любом методе существуют как сильные стороны, так и недостатки. Все современные инновации и прогрессивные технологии направлены на то, чтобы достичь оптимального качества очищающейся жидкости, обеспечив минимальное количество недостатков, присущих процессу.
Для пищевых целей
К качеству питьевой воды предъявляют самые высокие требования, поскольку оптимальные значения конечного продукта влияют и на вкусовые характеристики различных блюд и напитков, и на организм человека.
Нанофильтрация
Одна из самых современных технологий в первую очередь нашла применение в таких странах, как Франция, Голландия и США.
Нанофильтрация обладает следующими преимуществами:
- идеально удаляет цветность;
- избавляет от галогенных примесей органики;
- выводит ионы хлора безреагентным методом.
Главным плюсом считается высокоэффективная борьба с хлорсодержащими остатками, которые нередко присутствуют в воде, подаваемой по общему трубопроводу после обеззараживающей очистки.
Среди недостатков новой методики можно выделить необходимость в обеспечении многоступенчатой предварительной обработки, которая выведет из раствора все механические частицы и взвешенные вещества.
Для получения продукции экстра-качества перед нанофильтрами могут оборудовать установки обратного осмоса и коагуляционные системы.
Выполнение всех этих требований автоматически делает нанофильтрацию самым дорогим методом, что не позволяет использовать её в массовых масштабах. Такая технология используется для особых категорий: недоношенных детей, в постоперационных реабилитационных периодах, для приготовления искусственного питания грудных детей и т.д.
Фотокатализация
Ещё одна технология подготовки питьевой воды, которая изобретена недавно, но получила одобрение всех мировых специалистов в данной индустрии.
Главные её преимущества:
- отсутствие предварительной обработки химическими или другими методами;
- эффективное удаление взвешенных веществ;
- выведение органических примесей.
Первые подобные очистные приборы выпущены в Великобритании и Нидерландах. В тубе находится одна или несколько капиллярных мембран, которые пропускают очищаемые потоки. Чем больше таких мембран, тем выше производительность установки. Трубчатая система способствует тому, что в установке не возникает застойных зон, в которых могут образоваться донные залежи.
Низкая производительность (до 200 кубов в сутки) не даёт наладить серийное производство для высокомощных потребителей. К тому же, высокое потребление электроэнергии, за счёт которой обеспечивается достаточная скорость потока, обращает на себя внимание. Фотокатализаторы целесообразно применять в производствах, получающих электроэнергию от солнечных батарей или от ветра.
Рулонные аппараты
Очередная новинка водоочистки – рулонные аппараты. Тестирования в лабораториях для таких установок уже завершены, теперь они поступают в производство.
Их преимущества:
- эффективность в борьбе с высокой цветностью (до 150) и взвешенными веществами;
- возможность регулировки скорости потока и производительности;
- простота схемы;
- лёгкость монтажа.
Рулонные аппараты имеют небольшое гидравлическое сопротивление, а на отдельном участке оборудованы открытым каналом, который позволяет легко удалять образовавшийся осадок. Очистка проводится также при помощи повышения скорости потока, который выносит из рулонного аппарата отложения.
Минусом является то, что систему нужно оборудовать специальной механической доочисткой, чтобы содержащиеся твёрдые элементы не засоряли узкие места в трубе. Зато энергопотребление рулонных аппаратов довольно скромное – 0,5 КВт на 1 метр кубический очищенной воды.
Опреснители
Пресные водоёмы не всегда доступны для водоснабжения, что становится всё большей проблемой. Недостаток пресной воды заставляет учёных постоянно разрабатывать и совершенствовать новые методы опреснения.
В Массачусетсе разработана новая принципиальная схема опреснения, которая основана на разделении ионов и чистых молекул без использования любых мембран.
При шоковом электродиализе, предложенном учёными, поток проходит через пористую керамику, по обе стороны которой оборудованы мощные электроды. Между ними подаётся сильный разряд, образующий ударную волну, которая режет поток на 2 части. В одной из них сосредоточена пресная, а во второй – солёная вода. Перегородка, которая установлена дальше по мере продвижения, изолирует эти части друг от друга.
Система такой инновационной очистки не засоряется, не производит осадка, поэтому не нуждается в периодическом очищении. Кроме того, сильные разряды убивают бактерии и все биологические загрязнители, из-за этого дополнительное обеззараживание и стерилизация не проводится.
Материалы для производства установки имеют умеренную стоимость, что даёт надежду на скорый массовый запуск такой системы по берегам солёных водоёмов.
Наномембрана
Метод отделения соли при помощи пористого материала нанотолщины предложен в Иллинойском университете.
Материал, из которого изготовлена мембрана – дисульфид молибден. Его раскатывают до толщины в несколько нанометров, что позволяет значительно снизить затраты на электроэнергию, необходимую для перемещения потока сквозь керамический слой. Тонкая мембрана позволяет обходиться минимальным давлением внутри системы, что снижает частоту засорения. Химические свойства молибдена дисульфида заставляют воду проницать фильтр с высокой скоростью за счёт притяжения к молибдену и отталкивания от серы.
Такая быстрая и высокоэффективная технология взята на вооружение многими крупными фермерскими хозяйствами, которые легко и недорого смогут решить проблему с поливом обширных территорий в береговой зоне.
Промышленные и сточные воды
Очистка бытовых- или промстоков является необходимым условием для многих предприятий и частных домов. Для бытовых нужд эта мера позволяет избавиться от запаха, который распространяется по участку от выгребной ямы, и препятствует образованию донных осадков, ухудшающих просачивание жидкости в грунт. Стоки промышленных производств тем более должны подвергаться предварительной обработке и очистке до входа в общую систему канализации, чтобы не нанести ущерб городским очистным сооружениям.
УФ-облучение
Такая технология очистки позволяет обеззараживать стоки от потенциально опасных объектов, таких как специфические производства биологических веществ или инфекционные больницы. Облучение для обеззараживания не влияет на здоровье человека, но надёжно устраняет бактерии, вирусы, грибки и прочие микроорганизмы.
Недостатком методики является то, что ультрафиолет влияет на большинство микробов, но не на все без исключения. При высокой мутности ультрафиолет может поглощаться загрязнённым слоем, поэтому эффективность водоочистки снизится. Это требует применения добавочных механических или химических фильтров для повышения надёжности. К тому же, система не имеет высокой мощности, поэтому на крупных предприятиях она не применяется.
Медно-цинковая технология
Прогрессивная разработка промышленной водоподготовки основана на применении гранул, содержащих медь и цинк. Эти два металла имеют разные заряды, поэтому загрязнители притягиваются либо к одному, либо к другому полюсу, оставаясь на поверхности гранул.
Кроме очищения, медно-цинковая технология убирает ионы жёсткости, делая воду умягчённой.
Недостатком является то, что в технологическом процессе образуется много обратной жидкости с высокой концентрацией загрязняющих металлов, которые должны утилизироваться через дренаж. Это повышает общий расход воды по счётчику, что сказывается на затратах производства.
Кроме того, медно-цинковая мембрана не оказывает во время очистки влияния на микроорганизмы, поэтому грибок, поселившийся на ней, сначала снижает эффективность, а потом сводит её к минимуму. Это вынуждает часто менять сработанные мембраны.
Септики
Эта технология используется для частных домов и небольших производств уже давно, но в последнее время она претерпела ряд изменений и стала более дешёвой и эффективной.
Современные септики содержат в своём составе бактерии, которые не реагируют на хлор в стоках, что раньше представляло большую проблему. Туалеты, находящиеся на участке, не требуют никаких затрат электричества для содержания и обогрева, исключается и необходимость даже редкой откачки содержимого выгребных ям.
Современный септик включает в себя 2 части: гравитационный отстойник и биологический очиститель. После отстойника, в котором оседают все взвеси, стоки попадают в объём, насыщенный микроорганизмами, перерабатывающими большинство органических и неорганических загрязнителей.
Эффективность современных септиков равняется 98%. Ил, который образовывается в отстойниках, используется в качестве органического удобрения, повышающего фракционные характеристики плодородных почв.
Анаэробные и аэробные микроорганизмы, которые содержатся в новых септиках для очистки бытовых стоков, являются устойчивыми к агрессивным средам и не погибают от резкого изменения рН среды.
Особая водоподготовка
Для изготовления сверхчистых растворов в медицине и лабораторных исследованиях необходима вода, свободная от различных примесей. И хотя известно, что идеальной чистоты на практике добиться невозможно, учёные без устали совершенствуют очистные системы для получения воды экстра-класса.
Продукт выхода – бидистиллят – приближается к химической чистоте. В новых бидистилляторах соединены несколько ступеней фильтров: ультрафильтрация, двухкаскадный осмос и обмен ионов в фильтрах смешанного действия.
После прохождения всех этапов очистки раствор носит статус высокоомного, что означает уникальное значение удельного сопротивления (17-18 МОм/см). Именно такие характеристики необходимы для получения сверхточных результатов лабораторных и медицинских экспериментов и исследований.
Деминерализация и деионизация
Современные технологии сделали возможным получение воды с минимальным содержанием минералов и ионов, приближающимся к нулю. Новые приборы, обеспечивающие такой результат, при помощи электрических зарядов на пластинах в колонках дистиллятора выводят максимально возможное количество загрязнителей, понижая их концентрацию до возможного на нынешнее время минимума.
Кроме того, в системе содержится мембрана обратного осмоса и комплексная смола для ионного обмена.
С применением деминерализованной и деионизованной составляющей реактивы дают минимальную погрешность во время анализов и практически не оказывают действия на живые ткани во время экспериментов.
Таким образом, можно сделать вывод, что технологии очистки во всех сферах активно развиваются, исследователи не останавливаются на достигнутом, внедряя в эту область новые достижения химической, механической, биологической и других видов обработки. Прогресс и возникновение современных методов позволяет улучшать результаты, а комплексный подход в использовании предложенных методик позволяет надеяться на удешевление получения чистой воды в будущем.
Начало ХХI века для Московского водопровода ознаменовалось внедрением самых прогрессивных технологий, применяемых в мировом водном секторе. На станциях водоподготовки классическую двухступенную технологию отстаивания и фильтрования стали дополнять методами озонирования в сочетании с сорбцией на активированных углях.
Опыт промышленной эксплуатации озоносорбции - озонирования с последующей сорбционной очисткой на фильтрах с гранулированным активированным углем - показал значительное повышение эффективности очистки воды по органическим загрязнениям, снижение концентрации хлорорганических веществ, остаточного алюминия и запахов в питьевой воде.
Развитием направления модернизации технологий в области очистки природных вод стал ввод в эксплуатацию в декабре 2006 года технологических сооружений, в состав которых впервые в истории российских централизованных систем водоснабжения была включена стадия мембранной ультрафильтрации. Использование новейших технологий в системе централизованного водоснабжения позволяет поддерживать качество питьевой воды, соответствующее нормам не только России, но наиболее развитых стран мира даже в условиях аварийных залповых загрязнений источников водоснабжения.
В мировой практике питьевого водоснабжения мембранные технологии в последние годы начинают занимать лидирующее положение благодаря универсальной способности повышать эффективность очистки по многим группам загрязнений, включая показатели эпидемической безопасности воды. Интерес к мембранным технологиям связан также с обеспечением максимальной компактности и автоматизации при минимуме вводимых в воду химических реагентов и гарантии высокой надежности функционирования сооружений.
Наряду с внедрением новых методов очистки воды постоянно совершенствуются процессы обеззараживания воды. С целью повышения надежности и безопасности производства питьевой воды за счет исключения из обращения опасного вещества – жидкого хлора в 2012 году на всех станциях водоподготовки завершен перевод системы обеззараживания воды на новый реагент – гипохлорит натрия. В связи с ужесточением государственного норматива на содержание в питьевой воде хлороформа проведена целенаправленная работа по оптимизации режимов дезинфекции, в результате чего в московской водопроводной воде концентрация хлороформа снизилась до величин 4 – 22 мкг/л при нормативе 60 мкг/л, что соответствует уровню развитых стран мира.
В условиях плотной городской застройки и заторов на дорогах экономически целесообразно применение бестраншейных методов ремонта и восстановления. На сегодняшний день в Москве применяются самые современные методы, в их числе: нанесение цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода, протяжка сплошных полимерных рукавов, полиэтиленовых труб в существующий трубопровод, освоен метод ремонта трубопроводов большого диаметра "труба-в-трубе". Это позволяет вернуть в активную эксплуатацию потерявшие работоспособность коммуникации, увеличить их срок службы минимум на 50 лет, увеличить пропускную способность, а для водопроводных сетей, что особенно важно, сохранить высокое качество транспортируемой воды, снизить количество аварий, минимизировать непроизводительные потери воды.
«Водоканал Санкт-Петербурга» представил сегодня два новых проекта: новый блок подготовки питьевой воды на Южной водопроводной станции и инновационную систему управления водоснабжением города (квартал К-17) сообщает официальный портал Администрации Санкт-Петербурга .В церемонии приняли участие губернатор Петербурга Валентина Матвиенко, директор ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» Феликс Кармазинов и заместитель министра регионального развития Анатолий Попов. Валентна Матвиенко сообщила, что в 2006 году правительство Санкт-Петербурга приняло решение о модернизации Южной водопроводной станции - одной из самый крупных в городе. Она подает до 900 тыс. кубометров воды в сутки потребителям Невского, Московского, Фрунзенского, Кировского и Красносельского районов. Строительство нового блока началось в 2007 году. Разработчиками технологического решения стала израильская компания «Тахал». На строительство этого комплекса из городского бюджета было выделено 3 млрд. 100 млн. рублей. «Это самый современный блок в России, аналогов которому нет. Он включает целый комплекс очистных сооружений. Многослойная система очистки позволяет добиться самого высокого качества воды, соответствующей всем международным и российским нормативам», - сказала губернатор. Производительность нового блока – 350 тысяч кубометров воды в сутки, это практически 20% воды, которая ежесуточно подается в городе. Уникальность блока еще и в том, что он позволяет решить проблему промывной воды, с помощью которой осуществляется регулярная очистка фильтров. Раньше эта вода сбрасывалась прямо в Неву. В новом блоке она проходит очистку. И благодаря переходу на замкнутый цикл использования промывной воды значительно снижается негативное воздействие на окружающую среду. К настоящему времени все строительные работы завершены, блок запущен в пуско-наладку. Подача воды потребителям начнется в конце 2010 года. Представляя журналистам проект квартала К-17, Феликс Кармазинов отметил, что подобная идея не реализована нигде в мире, кроме Петербурга. Проект работает в Красносельском районе на базе Урицкой насосной станции с 2008 года. Здесь создана инновационная система управления водоснабжением, которая позволяет в режиме реального времени отслеживать прохождение воды до каждого потребителя. Реализация проекта позволила оптимизировать работу насосных станций, в удаленном режиме контролировать их состояние, исключить избыточные напоры. Важным итогом стали такие показатели, как сокращение среднемесячного энергопотребления более чем на 42%, уменьшение непроизводительных потерь воды на 39%, сокращение количества повреждений на сетях на 32%. Инновационная система гарантирует петербуржцам отсутствие неплановых аварийных отключений и возможность экономии оплаты за воду. Валентина Матвиенко сообщила, что до середины 2011 года к новой инновационной системе управления будет подключено 40% потребителей. До конца 2012 года в эту систему войдет весь город. «Сегодня Петербург ведет Россию вперед», - сказал заместитель министра регионального развития Анатолий Попов. Он подчеркнул, что ввод нового блока на Южной водопроводной станции – это позитивный шаг развития не только Петербурга, но и всей России. «На примере Петербурга мы видим, как курс руководства страны на модернизацию, энергосбережение и энергоэффективность реально дает положительные результаты. Когда вся остальная Россия только думает о реализации каких-либо проектов, Петербург претворяет это в жизнь», – сказал заместитель министра. Валентина Матвиенко поблагодарила трудовой коллектив ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», проектировщиков, всех, кто участвовал в строительстве нового блока и реализации инновационной системы управления водоснабжением Петербурга.
