Помимо требующих неотложного решения задач водоснабжения, обозначенных во вступлении к статье, не менее остро стоит проблема промышленных и коммунальных стоков. И касается она как развитых, так и развивающихся государств. В этом контексте разработчики по всему миру активно ищут новые, более эффективные технологии очистки воды, чтобы избежать неприятных последствий. А они очень даже могут быть.
Например, в 2000 году в городе Уокертон (провинция Онтарио, Канада) из-за недостаточной обработки была допущена контаминация бактерией E. coli (кишечной палочки) в питьевой воде. Это привело к заболеваниям более 2000 человек и смерти семи заболевших, что подчёркивает особую важность правильной водоочистки для предотвращения распространения инфекций.
В городе Ченнаи (штата Тамилнад, Индия) с проблемами водоснабжения и загрязнениями впервые столкнулись в том же 2000 году. Однако благодаря внедрению технологий водоочистки, включая восстановление иссохших водоёмов и переработку сточных вод, город смог успешно решить проблему дефицита питьевой воды и предотвратить надвигающиеся серьёзные проблемы.
Что имеем?
Традиционные технологии обработки воды — адсорбция, обратный осмос, ионный обмен и электростатическое осаждение являются эффективными процессами очистки воды, но при этом обладают недостатками, включая высокие затраты, ограниченную допустимость повторного применения, а иногда и недостаточную эффективность. Несмотря на значительные успехи в разработке более «продвинутых» технологий за последние десятилетия, широкое внедрение часто ограничивается характеристиками материалов и экономическими факторами.
Глобальный рынок технологий водоочистки оценивался в $ 50,5 млрд в 2020 году, сообщает аналитическое агентство Mordor Intelligence. Прогнозируется, что он получит ежегодный прирост на 7% ежегодно в связи со стремительно уменьшающимися запасами пресной воды по всему миру. Такой рост спроса объясняется и потребностью в разработке месторождений сланцевых углеводородов, производстве биотоплива и других отраслях, потребляющих значительное количество воды. В свою очередь, «нашествие» COVID-19 простимулировало разработку технологии, дающую возможность обнаруживать наличие коронавируса в бытовых стоках, даже несмотря на общее отрицательное воздействие пандемии на мировой рынок.
Исследования, проведённые в Нидерландах, показали взаимозависимость между количеством вирусов в сточных водах и уровнем инфекции в регионе, что интенсифицировало активный мониторинг эпидемиологической обстановки и эволюции вирусов. Данный метод успешно был опробован в 2020 году во многих американских штатах и помог избежать вспышки COVID-19 в Университете Аризоны, где благодаря ему были выявлены двое бессимптомных носителей болезни.
Однако коронавирусная и прочие «модные» темы — не повод забывать о том, что опасность недооценки рисков, связанных с водоочисткой, многогранна. Например, в городе Минас-Жерайс в Бразилии в 2015 году обрушилась дамба, ограничивающая водоём с отходами добычи железной руды. Загрязнённая вода с содержанием огромного количества тяжёлых металлов и химических веществ покрыла окрестные реки и районы, нанеся огромный вред окружающей среде и здоровью людей. Эта катастрофа явно показывает, как игнорирование необходимости адекватной водоочистки может привести к разрушительным последствиям для природы и общества.
Примером того, как водоочистка может решить проблемы загрязнения в населённых пунктах, может служить история города Куала-Лумпур в Малайзии. В 1990-х годах этот населённый пункт сталкивался с серьёзными проблемами загрязнения водоёмов из-за недостаточной очистки сточных вод и наплевательского управления отходами. Всё это привело к ухудшению качества питьевой воды и угрозе здоровью населения. Однако впоследствии были внедрены современные методы водоочистки, включая обратный осмос и химические методы, что способствовало значительному улучшению качества воды и уменьшению загрязнения.
Теперь давайте рассмотрим наиболее инновационные и в разной степени доступные технологии очистки воды, являющиеся эффективными способами борьбы с загрязнениями и примесями.
Мембранное разделение: обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация, электродеионизация
Этот давно известный и широко используемый метод основан на использовании специальных полупроницаемых мембран, которые позволяют пропускать определённые частицы и молекулы, блокируя другие. Технология решает задачу очистки питьевой воды: мембранные фильтры могут использоваться для удаления микроорганизмов, бактерий, вирусов и частиц из питьевой воды, обеспечивая высокое качество воды для населения.
Также годится такой подход к очистке и при необходимости удаления солей: метод обратного осмоса с мембранами может применяться для опреснения морской воды или обессоливания пресной, что позволяет получать пресную воду для питья и сельского хозяйства, а также воду с высокими потребительскими свойствами для технических целей.
Примеры применения
В округе Ориндж (штат Калифорния, США) используется технология обратного осмоса для очистки сточных вод. В результате этого процесса удалось успешно очистить стоки, получая высококачественную воду, которая впоследствии используется для орошения сельскохозяйственных угодий. Сократилась нагрузка на природные водные источники и было обеспечено устойчивое водоснабжение.
В городе Аделаиде (Австралия) система обратного осмоса также используется для очистки сточных вод в целом, а также для повторного использования. Была получена возможность извлекать чистую воду из загрязнённых источников и использовать её для полива парков и сельскохозяйственных угодий, что снизило нагрузку на весьма ограниченные водные ресурсы.
Следует отметить, что современные методы мембранного разделения, такие как обратный осмос, могут удалить до 99,5% примесей, включая мельчайшие частицы размером до 0,001 мкм. Однако есть и минусы: стоимость обслуживания этих систем высока из-за необходимости частой замены забившихся мембран, а также в ряде случаев существуют сложности с утилизацией образующихся сточных вод.
Облучение
Данный метод использует радиацию для уничтожения органических загрязнителей сточных вод — бактерий, вирусов и других микроорганизмов. Виды применяемого ионизирующего излучения варьируются от гамма-лучей до ультрафиолетового света. Также с помощью облучения можно добиться разложения химических загрязнителей: гамма-лучи и другие источники облучения могут применяться для разложения органических химических веществ, таких как пестициды или фенолы.
Системы УФ-дезинфекции
Эти системы, работающие на основе технологии HOD UV, обеспечивают необходимую дозу облучения 120 мДж/см² и более, способную разрушить РНК большинства вирусов, таких как аденовирус и коронавирус. Для обеспечения потребителей чистой питьевой водой системы УФ-дезинфекции эффективно уничтожают патогенные микроорганизмы, обеспечивая высокий уровень безопасности в потреблении питьевой воды. В период эпидемий системы УФ-дезинфекции можно применять для дезинфекции сточных вод и отслеживания присутствия вирусов, что содействует более эффективному контролю распространения инфекции.
Примеры использования
В городе Лондоне система УФ-дезинфекции была внедрена для очистки сточных вод в Темзе, что позволило снизить содержание бактерий и вирусов в воде, улучшив её качество и повысив безопасность для природы и людей. Это решение стало важной частью усилий по восстановлению экосистемы реки.
В Сингапуре системы УФ-дезинфекции применяются для очистки сточных вод перед их сливом в море. Ультрафиолетовые лучи уничтожают бактерии и вирусы, оберегая окружающую среду. Применение современных технологий УФ-дезинфекции стало важной частью стратегии Сингапура по обеспечению устойчивого водоснабжения.
В городе Сиэтле (штат Вашингтон, США) ультрафиолетовая дезинфекция используется для обеззараживания питьевой воды. Она позволяет нейтрализовать бактерии, вирусы и другие микроорганизмы без использования химических добавок. Система была внедрена в начале 2000-х годов и успешно обеспечивает безопасное потребление воды местными жителями.
А вот в Окленде (Новая Зеландия) для обеззараживания питьевой воды используется комбинация ультрафиолетовой дезинфекции и перекиси водорода. Совместное применение методов позволяет особенно эффективно справляться с органическими загрязнениями.
Гидрооптические технологии
С помощью этого метода достигается возможность многократного использования энергии фотонов, которые отражаются от стенок кварцевой камеры. Такой подход приводит к увеличению эффективности дозы УФ-облучения, что особенно полезно для повышения эффективности борьбы с вирусами сложной структуры, включая коронавирус. Гидрооптические технологии способствуют оптимальному проведению очистки, в которой используются фотокаталитические материалы. В итоге под воздействием света мы получаем разложение органических загрязнителей на менее вредные соединения.
Также данный метод позволяет поддерживать экосистемы водоёмов: гидрооптические системы могут поддерживать качество воды в водоёмах, обеспечивая достаточное для фотосинтеза и поддержания жизни в воде проникновение солнечного света.
В качестве примера использования гидрооптической технологии можно привести опыт специалистов из Берлина. Там этот метод используется для восстановления качества воды в озере Тегель. Система позволяет снизить содержание водорослей и других загрязнений, повышая прозрачность воды и улучшая экосистему водоёма. Это решение помогло сохранить рекреационную ценность озера и улучшить состояние окружающей среды.
В городе Сиэтле (США) технология гидрооптической очистки применяется для улучшения качества воды в озере Унион. Система использует ультрафиолетовое облучение и специальные сенсоры для контроля популяций водорослей и бактерий, поддерживая биологическое равновесие.
Очистка наночастицами
В контексте исторического применения разных веществ в процессе адсорбции для очистки воды было издавна известно об их способности извлекать загрязнения из воды. В рамках технологии очистки наночастицами используется принципиально тот же подход, однако «в ход» идут частицы мельчайшего размера — в наномасштабе. Разнообразные типы наноматериалов, включая металлические наночастицы, наносорбенты, биоактивные наночастицы, нанофильтрационные мембраны (NF), углеродные нанотрубки (УНТ), цеолиты и глина успешно применяются для очистки сточных вод. Специалисты подтвердили эффективность удаления пестицидов и тяжёлых металлов из воды. Особо стоит выделить углеродные нанотрубки, которые рассматриваются как перспективная технология для опреснения морской воды до уровня, пригодного для питья. Рассмотрим задачи, которые можно решить с помощью данной технологии.
Удаление тяжёлых металлов
Наноматериалы, такие как наносорбенты, демонстрируют высокую адсорбционную способность к тяжёлым металлам, таким как свинец, медь и кадмий. Применение этих наночастиц в фильтрационных системах позволяет эффективно очищать воду от этих опасных загрязнителей. В частности, в Южной Корее было проведено исследование, в котором наночастицы железа использовались для удаления тяжёлых металлов, таких как свинец и медь, из сточных вод. Этот метод позволяет снизить концентрацию тяжёлых металлов до безопасных уровней.
В Китае была разработана технология использования наночастиц для удаления загрязнений из питьевой воды. Например, в провинции Шаньдун построили специальные установки с использованием наноматериалов, которые позволили удалять тяжёлые металлы и другие загрязнения из воды, сделав её безопасной для питья.
А вот пример очистки сточных вод из США: в некоторых городах, таких как Лос-Анджелес, используют нанотехнологии для очистки сточных вод от фармацевтических остатков и микроорганических загрязнений. Это позволяет улучшить качество воды, выбрасываемой в окружающие водные источники.
Устранение пестицидов
Металлические наночастицы (железа или никеля) могут использоваться для катализа процессов окисления, которые разлагают пестициды и другие органические загрязнители в воде.
Опреснение морской воды
Углеродные нанотрубки демонстрируют потенциалы для опреснения морской воды. Они способны удерживать ионные компоненты, что позволяет удалить лишние соли и примеси, делая морскую воду пригодной для питья.
К недостаткам нанотехнологии относятся высокие финансовые затраты, сложности с регенерацией наноматериалов, а также проблемы с недопущением попадания наночастиц в питьевую воду.
Биоаугментация: биологическая очистка воды, которую можно отнести к категории сточной
Посмотрим, чем специфичен этот метод и какие проблемы может решать так называемая «биоаугментация»:
1. Разложение органических загрязнителей. В биоаугментации используются специально выбранные микроорганизмы, способные эффективно разлагать органические вещества в сточных водах. Этот метод применяется для удаления масел, жиров, углеводородов и других органических загрязнителей.
2. Обработка химически сложных соединений. Бактерии и микроорганизмы могут быть специально адаптированы для обработки сложных органических соединений, таких как пестициды, которые трудно разлагаются естественными путями.
3. Ускорение очистки. Биоаугментация может применяться для ускорения процессов биологической очистки за счёт уменьшения биологической кислородной потребности микроорганизмов в сточных водах и тем самым снизить негативное воздействие стоков на окружающую среду.
Примеры использования
В Европе были разработаны и успешно внедрены проекты биоаугментации для более эффективной очистки сточных вод. Например, в Нидерландах была создана биоаугментационная система, которая использует специальные микроорганизмы для разложения органических загрязнителей в сточных водах. В Канаде были проведены исследования по применению биоаугментации для борьбы с загрязнением воды после нефтяных утечек. Микроорганизмы, способные разлагать нефть, были добавлены в загрязнённые воды, что помогло ускорить процесс очистки.
Мембранная биологическая очистка
Теперь поговорим о том, какие задачи позволяет решать метод мембранной биологической очистки (технология мембранных биореакторов, МБР) и какие он имеет преимущества. Начнём с того, что МБР объединяет биологический процесс очистки сточных вод с мембранным разделением. Это позволяет получить очищенную воду высокого качества, освобождённую от органических и других загрязнителей. Кроме того, мембранные биореакторы занимают меньшие площади по сравнению с аппаратурой традиционных методов очистки. Это особенно актуально для населённых пунктов с ограниченным пространством для развёртывания водоочистных систем.
Ну и здесь стоит добавить пару слов об увеличении эффективности: комбинирование биологической очистки с мембранным разделением позволяет получить высокоэффективный зрелый активный ил, что повышает эффективность очистных сооружений, конечно, при условии грамотного ведения процесса на всех стадиях очистки воды.
Примеры использования
В некоторых китайских городах уже более двух лет назад были внедрены системы мембранной биологической очистки для более эффективной очистки сточных вод от органических загрязнителей. В Соединённых Штатах, например, системы мембранной биоаугментации были применены для борьбы с загрязнением водоёмов в результате сельскохозяйственной деятельности. Эти системы позволяют более эффективно удалять азотные соединения и другие загрязнители из сточных вод, прежде чем они попадут в водные источники.
