Новые подходы к решению проблемы очистки сточных вод
Тема, что и говорить, не слишком аппетитная, однако весьма важная. Нет такой отрасли промышленности, в которой не использовалась бы вода и не стояла бы проблема её очистки. В одной только Германии промышленность расходует почти 10 миллиардов кубометров воды в год. Поэтому нет ничего удивительного в том, что поиск новых, более экономичных и экологичных технологий очистки воды ведут многие научно-исследовательские учреждения в разных странах мира. Эти же технологии призваны заодно и уменьшить объёмы потребляемой воды за счёт её повторного использования внутри предприятия. Но такая схема предъявляет особые требования к комплексам очистных сооружений. До недавнего времени очистные сооружения на промышленных предприятиях мало чем отличались от муниципальных систем того же назначения. В их основе лежит принцип биологической очистки: сточные воды пропускаются сквозь решётки, где бактерии расщепляют подлежащие удалению примеси и загрязнения. Затем в специальных бассейнах или резервуарах, именуемых отстойниками, происходит процесс осаждения, или седиментации бактерий и взвешенных примесей под действием силы тяжести. Этот ил скапливается на дне отстойников, а очищенные таким образом воды могут быть спущены в реку или какой-то иной природный водоём. В принципе подобные системы работают вполне эффективно, однако весь этот процесс очистки занимает слишком много времени, а в любом промышленном производстве время – деньги. Именно поэтому некоторые предприятия начали внедрять новую технологию очистки сточных вод, основанную на использовании мембранных биореакторов. В Германии таких предприятий сегодня уже около 80-ти, – говорит Петер Корнель (Peter Cornel), профессор Технического университета в Дармштадте, и поясняет:
То, что в очистных сооружениях традиционной конструкции достигается за счёт процесса седиментации, здесь реализуется посредством своего рода сита, то есть очень мелкопористой мембраны. Иными словами, мы процеживаем сточные воды через мембрану с отверстиями диаметром около 0,001 миллиметра. И она задерживает все те бактерии, которые используются для биологической очистки сточных вод.
Эту биомассу предприятия вынуждены, как правило, сжигать. Ведь в отличие от так называемых хозяйственно-фекальных, то есть бытовых сточных вод, в процессе очистки которых образуется ил, пригодный для использования в сельском хозяйстве в качестве удобрения, промышленные сточные воды зачастую содержат вредные примеси, попадание которых в окружающую среду крайне нежелательно. Зато вода, прошедшая через мембрану, в большинстве случаев может быть повторно использована для нужд производства. Профессор Корнель говорит:
Конечно, пить такую воду нельзя – так же, как нельзя пить стоки любой другой водоочистной установки. Однако мембранная система имеет то преимущество, что она воду отчасти дезинфицирует. Правда, мембрана задерживает только бактерии. Вирусов это не касается: они гораздо мельче и легко преодолевают мембрану, так что, повторяю, то, что мы имеем на выходе, – это не питьевая вода. Но для дальнейшего применения на том же промышленном предприятии более высокой степени очистки воды, как правило, и не требуется.
Конечно, в принципе возможно использование ещё более мелкопористых мембран, способных задерживать вирусы и даже молекулы тех веществ, которые не поддаются биологическому расщеплению. Однако о внедрении этой так называемой нанофильтрации в реальную практику промышленного производства пока говорить не приходится, да и вряд ли когда-нибудь придётся. Ведь чем мельче поры мембраны, тем более высокое давление необходимо для прокачивания сквозь неё сточных вод, что привело бы к существенному удорожанию всей системы. Те же самые экономические соображения заставляют инженеров использовать в большинстве случаев полимерные мембраны, хотя эксплуатационные показатели и прочностные характеристики керамических фильтров гораздо выше. Но они и дороже. Профессор Ганноверского университета Карл-Хайнц Розенвинкель (Karl-Heinz Rosenwinkel) подчёркивает:
Широкому распространению мембранной техники сегодня препятствует, прежде всего, её недостаточно высокая экономичность. Тут предстоит решить сразу несколько проблем. Во-первых, нужно радикально уменьшить энергопотребление. Во-вторых, необходимо сделать оборудование более простым в эксплуатации, более устойчивым к механическим нагрузкам и прочим негативным воздействиям, чтобы оно надёжно функционировало на любом предприятии и в любых производственных условиях.
Есть у мембранных биореакторов и ещё один недостаток, над преодолением которого упорно работают инженеры: фильтры постепенно засоряются, со временем на них образуется тонкая бактериальная плёнка, забивающая поры, так что пропускная способность мембраны падает. На практике эта проблема решается двумя методами. Во-первых, каждый час фильтры в течение одной-двух минут промывают потоком воды, пущенной во встречном направлении. Однако этого недостаточно, поэтому раз в несколько недель систему полностью отключают, мембраны извлекаются и промываются в кислотных или щелочных растворах. Понятно, что всё это не слишком технологично. По мнению Петера Корнеля, главная задача состоит в том, чтобы:
…оптимизировать технологию промывки мембран так, чтобы можно было ограничиться использованием «лёгких» химикатов, не наносящих значительного ущерба окружающей среде. Ведь применение «тяжёлых» химикатов само по себе требует больших дополнительных расходов на нейтрализацию и регенерацию отработавших реактивов. Экологичность реактивов является сегодня очень важным экономическим фактором.
Несмотря на наличие этих «детских болезней», новая технология всё шире внедряется в практику. Отрадно, что среди предприятий, оборудовавших свои очистные сооружения такими мембранными фильтрами, доминируют представители отраслей, потребляющих особенно много воды – пищевой, химической, фармацевтической и целлюлозно-бумажной.
Впрочем, при разработке нового оборудования для очистки сточных вод инженеры не ограничиваются модернизацией традиционных технологий. Имеются и принципиально новые подходы – например, идея заменить биологическую очистку ультразвуковой.
Вообще-то ультразвук нашёл пока более широкое применение в медицине и в машиностроении, чем в химии. В химии же повышения скорости реакций в жидкой среде традиционно принято добиваться увеличением давления, температуры, концентрации реагентов или же применением катализаторов. Между тем, использование ультразвука позволяет получить ряд эффектов, недостижимых другими методами. Сюда относится, прежде всего, так называемая ультразвуковая кавитационная обработка жидкой среды. Дело в том, что пропущенная сквозь сосуд с жидкостью мощная узконаправленная ультразвуковая волна может вызвать её практически мгновенное вскипание, то есть образование в жидкости множества чрезвычайно мелких пузырьков, диаметр которых измеряется тысячными долями миллиметра. Но жидкость переходит в возбуждённое состояние очень ненадолго, и именно на этом и основаны приёмы и технологии, используемые в ультразвуковой химии, – говорит Тимоти Мейсон (Timothy Mason), профессор университета в Ковентри:
Вы получаете пузырьки, которые сразу же схлопываются, высвобождая при этом гигантское количество энергии. Гигантское количество – это означает, что в очень малых объёмах температура может достигать от 6-ти до 7-ми тысяч градусов Цельсия. Такие температуры имеют место на поверхности Солнца.
Под стать этим температурам и давление, возникающее при схлопывании кавитационных пузырьков: оно может достигать 500-т бар, то есть в 500 раз превышать атмосферное давление. Таким образом, каждый коллабирующий пузырёк действует на окружающую его среду как миниатюрная бомба, – поясняет профессор Мейсон:
Представьте себе, что вся эта энергия выделяется в непосредственной близости от содержащейся в воде примеси, то есть рядом с молекулой какого-то вредного вещества. Никакие химические связи не способны выдержать такой удар. Значит, энергия схлопывающегося пузырька разрушит эту молекулу.
Заодно коллабирующий пузырёк разрывает и химические связи молекул воды, находящихся в его окружении. При этом образуются так называемые свободные радикалы – чрезвычайно активные в химическом отношении атомы кислорода и водорода с неспаренным электроном. Эти свободные радикалы «атакуют» и разрушают не только молекулы содержащихся в воде примесей, но и микроорганизмы. Уве Найс (Uwe Neis), профессор Технического университета в Гамбурге, специализирующийся на прикладных аспектах сонохимии, говорит:
Таким образом, бактерии и другие обитающие в воде микроорганизмы, включая патогенные, могут быть уничтожены без применения химических дезинфицирующих средств, которыми принято пользоваться сегодня. Это достигается с помощью ультразвука.
Если говорить об очистке сточных вод, то на практике установка выглядит так: на одном из участков канализационного трубопровода устанавливаются мощные ультразвуковые генераторы и излучатели, которые и производят кавитационную обработку воды. Ещё совсем недавно эта инновационная технология существовала только в виде прототипа, а сегодня профессор Найс не без гордости говорит:
В некоторых областях мы уже достигли стадии коммерческого применения наших разработок.
В частности, ультразвуковые установки уже имеются в качестве дополнения к промышленным очистным сооружениям традиционной конструкции. Эта же технология с недавних пор применяется и для дезинфекции заражённого грунта: он вынимается экскаватором, облучается ультразвуком и засыпается обратно в карьер. Правда, такие ультразвуковые системы страдают теми же недостатками, которые присущи мембранным биореакторам: они обходятся недёшево как в производстве, так и в эксплуатации, а кроме того, потребляют довольно много энергии. Поэтому разработчики во главе с профессором Найсом ищут пути создания разного рода комбинированных устройств, что позволило бы до некоторой степени снизить эксплуатационные расходы. В частности, одно из направлений исследований может заинтересовать тех посетителей плавательных бассейнов, которые страдают аллергией на хлорированную воду. Профессор Найс говорит:
В любом плавательном бассейне время от времени приходится чистить дно ванны. Для этих целей промышленность выпускает специальные устройства – я называю их «пылесосами». Так вот, совсем недавно к нам поступил запрос: не можем ли мы предложить технологию, сочетающую механическую очистку с ультразвуковой обработкой? Ведь это позволило бы не только чистить, но и дезинфицировать бассейн. Готового решения у нас пока нет, но мы активно работаем в этом направлении.
Хотя очистка промышленных сточных вод ставит перед специалистами больше проблем, чем очистка бытовых стоков, немало сложных вопросов приходится решать и инженерам, занятым эксплуатацией муниципальных канализационных сетей. Тем более, что общая протяжённость этих сетей составляет в Германии 400 тысяч километров. К тому же тот вроде бы весьма отрадный факт, что многие жители страны, проникшись заботами экологов, стали экономить воду, в результате чего её расход существенно сократился, привёл и к некоторым негативным последствиям: поскольку разного рода примесей и вредных веществ в сточных водах меньше не стало, а уменьшилось только количество самой воды, то попадающая в канализацию жижа стала менее текучей, зато более концентрированной и в химическом отношении более агрессивной. Эксплуатационники жалуются, что при осмотре канализационных колодцев их всё чаще встречает не хоть и затхлый, но более или менее нейтральный запах, а почти невыносимая вонь. Соответственно, и чистить канализацию приходится всё чаще. Самый простой способ – струя воды. Берт Босселер (Bert Bosseler), научный руководитель Института подземной инфраструктуры в Гельзенкирхене, говорит:
Спереди рукав имеет специальный наконечник, на нём расположены 8-12 форсунок, через которые под высоким давлением подаётся вода. Работать с этим устройством очень непросто. Большое значение имеет расстояние от ствола до стенки трубы. Ведь наша задача – убрать по возможности всю грязь, но при этом ни в коем случае не повредить трубу.
Этот риск наиболее высок в трубопроводах малого сечения, поэтому для них предложена альтернативная технология. Гораздо более щадящий метод, – говорит Босселер, – это очистка воздушно-водяной смесью:
Сквозь трубопровод посылается пузырь воздуха. На границе с водой он создаёт завихрения, которые отрывают грязь от внутренней стенки трубы, и она уносится потоком.
В сельской местности эксплуатационники нередко используют для очистки канализационных труб растворы, содержащие ферменты. Главная цель – поддержание внутренней поверхности трубопровода в чистом состоянии, потому что чем глаже поверхности, тем меньше грязи к ней пристаёт. Впрочем, это верно лишь до определённой степени. В идеале внутренние стенки трубопровода должны были бы обладать водоотталкивающими свойствами, а ведь этот так называемый эффект лотоса объясняется, как известно, наличием на поверхности листьев этого растения особой микроструктуры. Поэтому исследования ведутся и в этом направлении, – говорит Берт Босселер:
Уже имеются первые наработки, в основе которых – стремление пойти нетрадиционным путём и создать на внутренней поверхности трубы мельчайшие упорядоченные неровности, своего рода микроструктуру. Завихрения и ускорения, возникающие на этой структуре, не дают грязи осаждаться внутри трубы, препятствуют образованию наслоений.
Первые успешные шаги в этом направлении сделаны в Веймаре и Берлине. В частности, учёные берлинского Технического университета провели испытания технологии, позволяющей оборудовать уже находящиеся в эксплуатации канализационные трубы такой микроструктурой. Для этого сквозь старую трубу протаскивается полимерный рукав, выстилающий её изнутри и обладающий водоотталкивающими свойствами. К такой трубе грязь не пристаёт – почти не пристаёт.