Нова ера в пречистването на води

Водата е стратегически ресурс за Европа, не само поради климатичните промени и нарастващото потребление, но и заради необходимостта да се гарантира чиста и безопасна градска среда. Новите европейски изисквания за пречистване и повторна употреба на отпадъчни води очертават нова ера в управлението на водния цикъл, базирана на по-строги стандарти за филтрация и контрол на замърсителите и насърчаване на локални решения за рециклиране и възстановяване. Днешната водна инфраструктура е част от кръгова система, способна да възстановява ценни вещества и енергия.

Текст: списание Инфрабилд

Сред основните приоритети в Европа е преразглеждането на стандартите за управление на водите и пречистване на градските отпадъчни води с цел по-добра защита на общественото здраве и околната среда. До 2035 година градските отпадъчни води ще трябва да бъдат подлагани на вторично пречистване, т.е. премахване на биоразградими органични вещества, преди да бъдат изхвърлени в околната среда, във всички населени места с над 1000. До 2039г. следва да се въведе и третично пречистване, включващо отстраняването на азот и фосфор. То ще бъде приложено във всички пречиствателни станции за отпадъчни води, покриващи 150000 жители и нагоре, а до 2045г. и в тези, покриващи на 10000 жители. Допълнително третиране, премахващо широк спектър от микрозамърсители ще стане също задължително за всички ПСОВ с капацитет над 150000 жители.

Ще трябва също стриктно да се наблюдават и различни параметри като химически замърсители, включително така наречените „вечни химикали“, като пер- и полифлуороалкилни вещества, микропластмаси, вируси и патогени, както и признаци за антимикробна резистентност. Наред с всичко това държавите от ЕС ще бъдат задължени да насърчават и стимулират повторното използване на пречистени отпадъчни води от всички градски пречиствателни станции, когато е подходящо, особено в райони с недостиг на вода.

Регулацията, разбира се, задава тези срокове и параметри, но индустрията отдавна знае накъде върви – към постигане на кръговрат във водния цикъл. Традиционното пречистване се фокусира върху премахването на някои замърсители и изхвърлянето на водата, но сега новите технологии в сектора променят парадигмата и правят възможно извличането на ценни хранителни вещества, енергия и странични продукти от отпадъчните води и постигането на висока степен на чистота на обработената течност.

Рециклиране на мястото на замърсяване

Доколкото използваната вода може да се преработи до годност за вторично използване, това нейно „рециклиране“ става все по-належащо и все повече ще се случва не някъде далеч, в пречиствателна станция край града, а съвсем близо до мястото на потребление. Повторната употреба на водата вместо изливането й в канала е огромна неоползотворена възможност.

Редица технологични инициативи, проекти и стартъпи работят по създаването на системи за пречистване на водата на място. Най-често те се залавят с т. нар. „сива“ вода (слабо замърсена – от душове, мивки). Обичайно подобна система може да рециклира няколкостотин литра на месец от 10-12-етажна сграда. Чрез пречистването на сивата вода за непитейни цели като промиване на тоалетна, напояване и почистване, технологията драстично намалява потреблението на вода.

Въвеждането на подобни локални пречистватели в еднофамилна сграда е относително лесно. Не така е при големи жилищни и търговски сгради. Апаратурата за обработка и съхраняване на рециклираната вода заема известен обем – според някои източници, „колкото няколко паркоместа в подземния гараж“. Това означава, че в дългосрочен план тенденцията за рециклиране на сивата вода на мястото на потреблението ще изисква и промени в начина на проектиране на сградите.

Като част от тенденцията нерядко се говори не само за повторно използване на водата, но и за регенерирането на енергията от нея. Водата от душове, перални и миялни машини често се излива в канала топла, а тази топлина може да се улови и използва. Тя може да се приложи, например, за отопление на общите части на жилищна сграда.

Индустриалните приложения на водното рециклиране също напредват. Те включват преработка на технологични отпадъчни води за използване по предназначение или третиране на водата до подходящо качество за вторично приложение. Обичайните методи на употреба на рециклирана вода в промишлени съоръжения може да включват миене на подове, промиване на тоалетни, охладителни кули, отоплителни котли, миене на камиони, напояване на озеленени площи. Възможно е и споделяне с индустриални „съседи“, които биха ползвали вода с по-ниско качество в своите процеси. Това може да бъде, например, съседна циментова мелница или близка ферма.

За индустриални потребители предимствата на повторното използване на водата включват намаляване на транспортните разходи за отпадъчни води и минимизиране на нуждата от допълнителна прясна вода. В някои случаи горещите отпадъчни води могат да се използват повторно в отоплителната система на сградата.

В дългосрочен план индустриалните потребители трябва да се стремят към постигане на т. нар. ZLD. Става въпрос за пречистване до постигане на т. нар. нулев течен отпадък (zero liquid discharge - ZLD). Това е особено важно за компаниите от индустрии, които традиционно изхвърлят отпадни води със съдържание на опасни вещества. Съвременните регулации за опазване на околната среда и общественото здраве означават, че изхвърлянето на отпадъчни води с вредни вещества е рискова дейност с потенциални тежки последици, достигащи до забрана на дейността на предприятието. Затова стратегическият ход е постигането на ZLD. Въпреки свързаните с това разходи, подходът се счита за важна мярка за намаляване на риска.

Улавяне на дъждовната вода

Улавянето на дъждовната вода се разглежда като своеобразно „рециклиране“ на употребена вода. Тъй като изменението на климата увеличава честотата на обилните валежи в някои части на света, улавянето и повторното използване на дъждовната вода е желано. Все повече технологии се разработват за превръщането на дъжда в местен източник на прясна вода чрез кръговратна водна система. Ползите са няколко: осигуряване на чиста вода, намаляване на наводненията, справяне със сушата и топлинния стрес, насърчаване на биоразнообразието.

Събирането на дъждовна вода може да сбъдне друга съвременна концепция: постигането на нетно-позитивен воден баланс. По същия начин, по който някои потребители на електричество могат да бъдат и производители на ток (напр. чрез соларни панели на покрива) и да произвеждат повече, отколкото ползват, и при водата може да се говори за нетно-позитивен баланс. Това значи потребителите да произвеждат повече чиста, годна за ползване вода, отколкото използват.

Изборът на решение за пречистване на водата става ключов в преследването на тази цел. Филтрационните модули могат да се използват на ниво домакинство, жилищна сграда, индустриален обект – целта е да се сведе до минимум изхвърлянето на течности, а възможно най-голям обем да се преработва до постигане на възможно най-висока чистота.

Модерно третиране на отпадъчни води

В големите пречиствателни станции край града обаче работата няма скоро да спре. И там се въвеждат нови методи. Технологиите, които навлизат в пречистването на градски отпадъчни води, имат за цел по-прецизно пречистване с по-малко разход на енергия. Усъвършенстваното окисление е един от модерните методи. В този процес се използват химически реагенти или свободни радикали за разграждане на устойчиви органични съединения в отпадъчните води. Ултрафилтрацията означава, че водата преминава през мембрани под високо налягане, оставяйки замърсителите там и произвеждайки пречистена вода, която може да се използва повторно за различни приложения. Фотокаталитичното окисляване е нов метод, който се основава на използването на катализатор (титанов диоксид), който се активира от ултравиолетова (UV) светлина за разграждане на органичните замърсители и микроорганизми в отпадъчните води. UV светлината задейства катализатора, генерирайки свободни радикали, които окисляват и разграждат замърсителите.

Ултразвуковите реактори набират скорост в последно време. Те използват високочестотни ултразвукови вълни за пречистване на отпадъчните води. Тези вълни създават микромехурчета, които се движат бурно, генерирайки високи температури и налягания – така разграждат замърсители и микроорганизми и ефективно обеззаразяват водата. Последното е част от нарастващия брой системи за пречистване на вода чрез т. нар. наномехурчета или микромехурчета, които могат да разчитат не само на ултразвук, но и на други методи за създаване на малките балончета с въздух вътре във водата. Тъй като са изключително малки, те могат да пренасят газове, да се трият и повишават температурата на водата, да се свързват с определени вещества.

Справяне с вечните химикали

Голяма част от усилията за пречистване в скоро време ще се насочат към „вечните химикали“ PFAS и PFOA (пер- и полифлуороалкиловите вещества). Това са група химикали, използвани във флуорополимерни покрития и продукти, предназначени да издържат на топлина, масло и вода. Съдържат се в много продукти, включително дрехи, мебели, опаковки за храни, лепила и изолация. PFAS са особено вредни както за хората, така и за дивата природа, а тъй като не се разграждат в околната среда, те могат да се придвижват през почвата и да замърсят подземните водни източници.

Премахването на PFAS във водата е предизвикателство. Затова множество проекти търсят идеалния метод за справяне с този замърсител. Базираните на мембрани решения, като обратната осмоза (RO), са ефективни при справянето с това предизвикателство. Те концентрират PFAS от водни източници и впоследствие ги елиминират. Други методи на пречистване на водите от PFAS разчитат на технологията на наномехурчетата. Тъй като PFAS обичайно са хидрофобни, те се „залепват“ за въздушните мехурчета и заедно с тях изплуват на повърхността. А там могат да бъдат уловени и събрани.

Редица проекти търсят начин за химическо справяне с вечните химикали. Един от тях предлага иновативно третиране на вода чрез PFAS редуктивно дефлуориране - използва ултравиолетова светлина, за да предизвика реакция, която систематично разгражда PFAS молекулите, превръщайки ги във вода, флуорид и прости въглеродни съединения. Друга технология предлага разрушаване на PFAS, включваща анодна повърхност, която използва свободни електрони за разграждане на връзките въглерод-флуор, превръщайки PFAS в CO₂, флуороводородна киселина и флуорни йони.

Биотехнологии за обработка

Множество проекти и начинания търсят начин водата да се филтрира и преработва по биологични начини, близки до тези в природата. Някои от разработките са насочени към биоелектрохимична преработка за преработване на отпадъчната вода. Технологията използва реактори, като всеки реактор съдържа естествени микроби, които произвеждат директно електричество, премахвайки високите концентрации на органични замърсители. Третирането се случва на място, с нискоенергиен процес, има 90% по-малко емисии на парникови газове в сравнение с традиционните системи за аеробно третиране и системата може да работи заедно с анаеробни биореактори за увеличаване на генерирането на биогаз или с аеробно третиране за намаляване на търсенето на енергия.

Друг метод използва ензимни процеси за премахване на до 99% от замърсителите в отпадъчните води. Този процес дава висококачествена вода, подходяща за селскостопанско напояване, градско заустване при намалени разходи или за постигане на целите за управление на хранителните вещества. Водораслите също могат да се използват за пречистването на отпадъчните води. Този метод е обект на изпитания в множество проекти. Алгите могат да произвеждат кислород, който позволява на аеробните бактерии да разграждат органичните замърсители във водата. Водораслите след това поемат азота и фосфора от замърсените води. Най-накрая те могат да се филтрират и да се използват по различни начини, например за производство на торове за селското стопанство.

Все повече възобновяема енергия

Намаляването на въглеродния отпечатък, както и на оперативните разходи са два ключови фактора за всяка пречиствателна станция за отпадъчни води. Следователно една от основните цели на ПСОВ трябва да бъде подобряването на енергийната ефективност. Пречиствателните станции имат забележителни възможности да използват възобновяема енергия. Голям потенциал се крие в самата им дейност: утайките и отпадъчните вещества от пречистването на вода могат да захранват биореактори, произвежайки топлина или електричество за собствена употреба. Така вместо отпадък, ПСОВ на практика добива суровина за добив на енергия. Освен това от вече филтрираните отпадъчни води може и да се извлича топлинна енергия - чрез големи, промишлени термопомпи. Тази топлина може да се окаже достатъчна за отопление не само на собствените съоръжения, но и за цели градски квартали.

Монтажът на фотоволтаични панели или ветрогенератори също е възможен сценарий. Тъй като повечето ПСОВ са разположени в крайградски зони, те имат достатъчно пространство, където да разположат масиви от соларни панели. В зависимост от географското разположение, мястото може да се окаже благоприятно и за монтаж на ветрогенератор.

Цифрови близнаци и подобрена реалност

Цифровият близнак е виртуална реплика на физическия завод, която „живее“ в реално време. Захранва се с данни от действащите сензори и системи за мониторинг, които следят работата на ПСОВ. Тези данни се концентрират в единен софтуер, който обработва и симулира поведението на станцията, като постоянно актуализира цифровия модел. Дигиталният близнак позволява изпитването на нови технологии или подходи и провеждането на симулации на база действителните, фактически процеси, без обаче тестовете да се отразяват върху реалната работа на станцията. Това позволява съществуващите процеси да бъдат оптимизирани, да бъдат разкрити потенциални проблеми. При тестване и симулиране на промени или подобрения преди физическото им прилагане се разкрива реалната стойност на евентуалното нововъведение, като по този начин обектът намалява разходите и оперативните рискове.

Подобрената реалност също навлиза в света на управлението на водите, където тази технология има отлично приложение. Например, при ремонт на тръбопровод сервизните екипи могат да излъчат видео на живо до колеги в централата или до специалисти от фирма доставчик на оборудване, за да получат веднага напътствия за разрешаване на възникналата ситуация.Цифровите инструкции са друг AR ресурс за ремонтните екипи. Когато идентифицират проблем на терен, дисплеят на очилата може да показва стъпките, необходими за отстраняването му. Техниците могат да извършват поправката, без да откъсват очи от оборудването, без да търсят данни в наръчници или хартиена сервизна документация, защото тя излиза пред очите им по време на работа. Подобрена реалност може да се използва и за тестване и планиране. Инструментите за AR тестване и планиране помагат на професионалистите да визуализират предложения и да идентифицират потенциални проблеми.