Исследователи пытаются придумать более эффективные способы извлечения питьевой воды, компоста и даже энергии из сточных вод. Это не отвратительно. Это наука!
Сперва может показаться, что жители пентхаусов в Сан-Франциско живут в роскоши, но на самом деле они такие же люди, как и все мы – они принимают душ, моют руки, стирают. Обычно в США все сточные воды направляются в очистные сооружения, а затем в водоемы. Ежедневно таким образом перерабатывается почти 130 миллиардов литров сточных вод по всей Америке. Но с учетом того, что в настоящее время города столкнулись с целым рядом проблем – экстремальной жарой, нехваткой воды и быстрым ростом населения, ученые все активнее ищут способы более эффективного использования сточных вод.
В своем подвале компания Epic Cleantec перехватывает бытовые сточные воды зданий (грязную воду, не содержащую туалетных смывов или пищевых отходов) и пропускает ее через резервуары и лабиринт труб для тонкой фильтрации и дезинфекции с помощью хлора и ультрафиолетового излучения. Полученная таким образом жидкость подается обратно на верхние этажи, где она используется для смыва в унитазах и писсуарах, что позволяет хотя бы частично сократить общий объем сточных вод.
"В соответствии с нормативными документами мы можем использовать такую воду только для непитьевых целей", рассказывает Аарон Тартаковски, соучредитель и генеральный директор компании Epic Cleantec. "Однако если говорить о процессе с научной точки зрения, мы вполне можем получить воду питьевого качества". И действительно, компания даже смогла сварить пиво, используя переработанную воду из этого здания. "Мы превращаем сточные воды, которым, на мой взгляд, крайне необходим "ребрендинг", в чистую воду, в возобновляемую энергию и в почву", заявляет Тартаковски.
В теории, сточные воды, вытекающие из домов, способны произвести в 10 раз больше энергии, чем требуется очистным сооружениям для их переработки. А по словам Питера Греватта, генерального директора Фонда исследования воды – американской некоммерческой организации, работающей при поддержке коммунальных служб, "она также содержит много ценных питательных веществ и минералов". Помимо переработки сточных вод, Epic Cleantec экспериментирует с теплообменниками, которые могут получать энергию из стоков зданий и использовать ее для подогрева воды, поступающей наверх, что позволяет сократить расходы на коммунальные услуги. Компания также разрабатывает систему, которая будет перерабатывать бытовые и фекальные стоки жителей, в том числе отходы жизнедеятельности человека и пищевые отходы из кухонных раковин и посудомоечных машин, в удобрения для почв.
Через дорогу от жилого дома, в офисе компании Epic Cleantec, Тартаковски продемонстрировал горсть материала, который прошел обработку для удаления болезнетворных микроорганизмов. Такие способы повторного использования сточных вод все чаще применяются на муниципальном уровне: самые современные предприятия перерабатывают воду вместо того, чтобы сбрасывать ее в природу. Компании Epic Cleantec удалось уменьшить размеры установки по переработке воды до уровня системы, которая помещается в подвале многоэтажки, тем самым облегчая нагрузку на городскую систему очистки сточных вод и снижая уровень водозабора из муниципальных водопроводных сетей.
Вне зависимости от типа системы, в ближайшие десятилетия необходимо будет значительно нарастить объемы переработки воды. Сегодня 56% человечества проживает в городах, но к 2050 году эта цифра возрастет до 70%. Города поглощают огромное количество воды, особенно по мере роста благосостояния населения (а значит, и расточительности) и расширения масштабов промышленной деятельности в городских районах. В то же время изменение климата приводит к осушению многих мест, в которые стремятся люди, например юго-запада США. "Если проанализировать места, в которых проживает больше всего людей, то окажется, что многие из них испытывают наибольший дефицит водных ресурсов", отмечает Греватт. "Необходимо выяснить, что мы делаем для восстановления водных ресурсов, это невероятно важно".
В недавнем исследовании описывается удивительная динамика роста городов. По мере развития города объем выбросов парниковых газов растет сублинейно, то есть медленнее, чем увеличивается численность населения, что отчасти объясняется эффективностью, например, общественного транспорта. Объем твердых бытовых отходов, попадающих на свалку, увеличивается линейно, то есть вместе с ростом численности населения. А вот объем сточных вод увеличивается сверхлинейно, то есть быстрее, чем растет население.
Говоря иначе: чем больше становится город, тем расточительнее он расходует воду, даже если его энергопотребление становится более эффективным. "Нам было трудно понять, с чем это связано", рассказывает соавтор исследования, специалист по промышленной экологии из Нью-Йоркского университета Мингжен Лу. "Самое правильное объяснение, которое нам удалось найти, заключается в том, что такой рост может быть тесно связан с увеличением благосостояния, которое само по себе является сверхлинейным по отношению к размеру города. Мы потребляем воду на каждый доллар, генерируемый нами как человеческим обществом. С другой стороны, когда богатство растет, то вместе с ним растет и объем потребления воды".
С ростом объемов потребления воды в городах возникает угроза того, что сточные воды продолжат сбрасываться в окружающую среду. "Я уверен, что в будущем общество будет считать наиболее безумным то, что последние несколько сотен лет мы просто сбрасывали сточные воды в мировой океан, а не перекачивали их в сельскохозяйственные угодья", подмечает соавтор работы из Института Санта-Фе Крис Кемпес.
Технология извлечения пресной воды из сточных вод существует уже несколько десятилетий. В Сан-Диего, где переработка сточных вод ведется с 1981 года, два водоочистных предприятия ежедневно производят 79,5 миллион литров воды, а в ближайшие годы планируется ввод дополнительных мощностей. С технической точки зрения, эта вода не считается питьевой, поэтому ее используют в сельском хозяйстве и промышленности. Но в 2026 году Сан-Диего начнет подавать питьевую воду благодаря еще более совершенным методам очистки: сточные воды проходят обработку озоном, который убивает бактерии и вирусы, затем пропускаются через фильтры, а затем через сверхтонкие мембраны с настолько маленькими порами, что через них могут проникать только молекулы воды. В конечном счете планируется увеличить объемы переработки сточных вод до 113 миллионов литров в день, чтобы к 2035 году половина города получала питьевую воду именно таким способом.
Несмотря на высокую стоимость оборудования для переработки воды и большие энергозатраты на прогонку жидкости через такие тонкие мембраны, технология продолжает совершенствоваться, а затраты снижаются. " По настоящему удивительно то, что к нам приезжали гости из других ведомств и районов, которые богаты водными ресурсами", рассказывает Хуан Геррейро, глава департамента коммунального хозяйства Сан-Диего. "Казалось бы, они не захотят заниматься этими проектами. Тем не менее, они осознают, что повторное использование воды, которая уже находится в наших канализационных системах, является очень эффективным способом защиты окружающей среды". К примеру, повторное использование сточных вод может помочь снизить спрос на воду из рек, тем самым защищая виды рыб, обитающих в них.
Грязная работа
Более сложный этап переработки сточных вод связан с твердыми отходами жизнедеятельности человека, которые накапливаются на предприятиях в виде твердых органических отходов, или ила. В США 56 % полученного ила размещается на местности, 27 % попадает на свалки, а 16 % сжигается. Помимо углерода, содержащегося в потребляемой нами пище, в ил также попадают химические вещества, которые мы (и промышленные предприятия) спускаем в канализацию.
В 2022 году штат Мэн ввел запрет на использование ила в качестве удобрения из-за наличия в его составе перфторалкильных и полифторалкильных веществ (PFAS) – химикатов, способных спровоцировать раковые заболевания и гормональные проблемы. Кроме того, ил, как известно, содержит микропластик: во время стирки миллионы синтетических волокон отрываются от белья и попадают в сточные воды. Таким образом, ил, размещаемый на местности, превращается в основной источник микропластика, наносящего вред окружающей среде.
По словам Греватта, промышленные предприятия ищут способы изолировать эти загрязнения, чтобы не допустить их попадания в окружающую среду и безопасно использовать потенциал отработанного углерода и питательных веществ. "Это крайне сложно", говорит Греватт. "В процессе очистки сточных вод PFAS не образуются, а поступают из самых разных источников".
Альтернативой илу может стать биоуголь. Если нагреть органические вещества в специальной камере (этот процесс называется пиролизом), то они превращаются в концентрированный углерод. Многие стартапы проделывали это с сельскохозяйственными отходами, например, кукурузными стеблями, чтобы получить древесный уголь и масло, которые впоследствии захоранивали в земле. (По мере роста растения поглощают углерод, поэтому в данном случае речь фактически идет об извлечении углерода из атмосферы путем его возвращения в землю). Фермеры также используют биоуголь в качестве удобрения на своих полях, что позволяет повысить урожайность и увеличить содержание углерода в почве.
Исследователи изучают возможность использования аналогичной технологии для твердых частиц в сточных водах, по сути, превращая ил в твердый продукт. "Если провести пиролиз, то благодаря термохимическому процессу, происходящему при нагревании, убиваются бактерии, патогенные микроорганизмы и вирусы", прокомментировал инженер Фэнци Ю. Кроме того, ил является тяжелым веществом, которое необходимо перевозить с предприятия на ферму. "В нем много воды, а плотность низкая. А вот биоуголь легок – его можно поместить в мешки, что упрощает транспортировку". Таким образом, производителям будет проще отправлять его на отдаленные фермы, а также на близлежащие городские хозяйства, расположенные ближе к источникам сточных вод.
На предприятиях по переработке сточных вод топливо также можно создавать в специальных бескислородных камерах, в которых микробы поедают твердые отходы и выделяют метан в качестве побочного продукта. "Этот биогаз можно сжигать для получения тепла", подмечает Ю. В Итаке, штат Нью-Йорк, такой подход уже используется для энергоснабжения самого предприятия по очистке сточных вод, но также предпринимались попытки использовать биогаз для отопления близлежащих зданий, в том числе медицинского центра.
Прежде чем эти микробы начинают создавать биогаз, они также выделяют летучие жирные кислоты. Они могут использоваться для производства реактивного топлива, а может быть, даже в качестве топлива для муниципального автотранспорта, говорит инженер-эколог Сибил Шарвелл, занимающаяся изучением проблемы очистки сточных вод в Университете штата Колорадо. "Летучие жирные кислоты представляют большую ценность", говорит она.
Помимо использования твердых частиц отходов в качестве компоста, как это делает компания Epic Cleantec, Шарвелл отмечает, что городские фермерские хозяйства могут извлечь выгоду из использования переработанной сточной воды, которая прошла дезинфекцию для использования на нужды сельского хозяйства, но при этом в ней остались азот и фосфор. Это необходимые питательные вещества для растений, но из воды их удалить очень сложно. "Если можно оставить азот и фосфор в системе, то намного рациональнее использовать эти питательные вещества напрямую", говорит Шарвелл.
Таким образом, привычный путь воды от источника к городу и от города к морю начинает меняться. Будущее сточных вод – это круговорот, их переработка в питьевую воду, компост для городских хозяйств и энергию. "Переработка – это вездесущая вещь в природе", уверен Кемпес. "Если есть неиспользованный источник энергии или питательных веществ, то кто-нибудь найдет способ его использовать. Если из очищенных бытовых стоков можно создать удобрение, получить питьевую воду, попутно вырабатывая тепловую и электрическую энергию, то это как раз то, к чему биология шла миллиарды лет".
