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.
