Архитектура и строительство/ 7. Водоснабжение и канализация

Студент 5 курса Габдрахманов Д. Ш.

Научный руководитель д.т.н., проф. Голяк С. А.

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова, Россия

Современные способы совершенствования водопотребления

В ХХ в. население земного шара выросло в три раза. За этот же период потребление пресной воды увеличилось в семь раз, в том числе на коммунально-питьевые нужды - в 13 раз. При таком росте потребления стало резко не хватать водных ресурсов в целом ряде регионов мира. По данным Всемирной организации здравоохранения более двух миллиардов человек в мире страдают сегодня от нехватки питьевой воды. В ближайшие 20 лет, учитывая современные тенденции роста населения и мирового хозяйства, следует ожидать увеличения потребности в пресной воде не менее чем на 100 км³ в год.

Проблема дефицита пресной воды становится актуальной для многих регионов мира. Это явление знакомо человечеству с древнейших времен. Не раз он становился причиной кризисов и социальных катастроф. В традиционном обществе дефицит воды случался в локальных масштабах, и обусловленные им кризисы тоже оставались локальными. Но по мере развития человечества увеличивались масштабы и вододефицита, и кризисов. Именно водный кризис, обусловленный последствиями грандиозных работ по гидромелиорации (а именно – вторичным засолением почвы), стал причиной гибели цивилизации Древнего Двуречья. Аналогичные проявления неумелого водопользования привели к экономическому ослаблению Карфагена, последовавшему затем его поражению в войнах с Римом и фактическому исчезновению с карты Древнего Средиземноморья. В наши дни водный кризис приобретает глобальные масштабы.

Основное количество пресной воды потребляется сельским хозяйством, расход на которое почти в два с половиной раза превышают промышленное и коммунальное использование воды. В промышленности использование воды в три раза превосходит ее расход в коммунальном хозяйстве. Начиная с середины XX в. рост водопотребления в мире резко увеличился, практически в 4 раза. В основном связано это было с расширением площади орошаемых земель.

Рис. 1 Рост мирового водопотребления

Проблему дефицита пресной воды в мире пытаются устранить различными способами совершенствования водопотребления.

К числу мероприятий, реализация которых направлена на снижение водопотребления являются:

Ø Совершенствование учета водопотребления.

Ø Введение лимитирования потребления питьевой воды для промышленных предприятий.

Ø Замена ветхих водопроводных сетей на трубопроводы из современных материалов (полиэтилен и высокопрочный чугун ВЧШГ).

Ø Переход производств, связанных с потреблением воды, на оборотное водоснабжение, замена в производственном цикле питьевой воды на техническую.

Ø Совершенствование способов очистки воды и снижение количества сбрасываемых канализационных стоков и их учёт.

Ø Приведение в соответствие мощностей насосов, применение асинхронных частотных преобразователей.

Ø Создание и внедрение механизмов экономического стимулирования, заинтересованности в сокращении потребления воды.

Ø Внедрение маловодных и безводных технологий.

Рассмотрим более подробно современные разработки, позволяющие решить актуальную проблему, поднятую в данной статье.

Авто мойка без воды – принципиально новый способ мойки легковых автомобилей, изобретенный с целью сбережения воды. Сущность данной безводной технологии заключается в том, что специальное средство наносится на автомобиль с помощью распылителя.

Вещество-спрей равномерно ложится на детали кузова автомобиля, образуя массу, обволакивающую загрязнения, и одновременно создавая защитный барьер между грязью и лакокрасочным покрытием. Химическое средство заключает каждую частицу грязи и песка в своеобразную гелевую капсулу. Этот эффект чем-то похож на тот, что создается обезжиривателем.

Далее специалист стирает специальным полотенцем из микрофибры всю грязь с поверхности каждой детали кузова. После удаления всей грязи он чистым полотенцем из микрофибры начинает полировать кузов. В результате образуется защитный слой, который препятствует загрязнению поверхности кузова, благодаря чему автомобиль дольше остается чистым и блестящим. Комплексная мойка автомобиля позволяет сэкономить до 100 литров воды.

Перспективным направлением в настоящее время является получение пресной воды из атмосферного воздуха, поскольку ресурс ее в атмосфере постоянно обновляется, качество конденсата для большинства районов нашей планеты очень высокое: в нем на два-три порядка меньше токсичных металлов (по сравнению с требованиями санитарных служб), практически нет микроорганизмов, он хорошо аэрирован. Для получения воды из атмосферного воздуха методом адсорбции-десорбции предлагается установка, содержащая пористую среду (гранулы, ткань или другие пористые материалы), пропитанную раствором сорбента (хлористого кальция, хлористого лития или других сорбирующих растворов). Пористый материал с раствором образуют развитую поглощающую поверхность. Сверху поглощающая поверхность закрыта светопроницаемой крышкой, открывающейся наружу. Снизу поглощающую поверхность ограничивает теплоизолирующая крышка, которая также открывается наружу.

Рис. 2 Схема установки для получения воды из атмосферного воздуха

В ночное время, когда температура атмосферного воздуха уменьшается и относительная влажность увеличивается, поглощающую поверхность освобождают от крышек, отводя их в стороны.

За счет градиента парциального давления водяного пара между воздухом и поверхностью раствора начинается процесс поглощения водяного пара из воздуха раствором. Поглощение длится в течение ночного времени. После окончания процесса поглощения уменьшается концентрация раствора, т.е. увеличивается его водосодержание.

В дневные часы обе крышки возвращают в исходное положение и таким образом изолируют поглощающую поверхность с двух сторон от окружающего воздуха.

Под воздействием солнечной радиации поглощающий материал нагревается, увеличивается парциальное давление водяного пара, находящегося в растворе, по сравнению с давлением пара над внутренней поверхностью верхней крышки, и начинается процесс испарения поглощенной воды из сорбирующего вещества.

Выделившиеся водяные пары устремляются вверх и контактируют с внутренней поверхностью верхней крышки. За счет теплообмена между внешней поверхностью крышки и наружным воздухом пары воды охлаждаются, и начинается процесс конденсации. Таким образом, в дневные часы в установке происходят два процесса одновременно: регенерация сорбента и конденсация водяного пара.

Под действием гравитационного поля конденсат стекает вниз вдоль поверхности крышки в сборник для воды. Производительность такой установки составляет примерно 1,5 л/сут на 1 м² поверхности коллектора.

Успешно способствует решению ситуаций, связанных с дефицитом воды – вторичное использование дождевых вод.

Рис. 3 Вторичное использование дождевой воды

Наиболее популярная технология сегодня – так называемые двойные системы. Рядом с обычной водопроводной сетью питьевого назначения организуется вторая выделенная сеть доставки сточной воды, прошедшей очистку.

Очистка воды для технического использования предусматривает последовательное прохождение через осветление флокуляцией, фильтрование и дезинфекцию. В основном на такую очистку направляется бытовая сточная вода, чаще всего, чтобы не создавать излишне громоздкую сеть, так называемый «серый» слив, исключая фекальные воды с содержанием мочи и кала. Хранится дождевая вода в емкости, из материалов, не меняющих свои свойства с течением времени и совместимых с ее качеством. Это бетон, оцинкованная сталь, полиэтилен, стекловолокно.

Одновременно с общими двойными системами сегодня существуют эффективные технологии очистки воды, уже использовавшейся в отдельных агрегатах санузлов, для последующего вторичного применения. В этом случае сточная вода умывальников, ванны и душевой кабины фильтруется, из нее удаляется мыло и загрязнения, и она направляется в сливной бачок унитаза или на иные технические нужды, например, для мойки автомобиля или поливку сада. Такие системы подходят для индивидуальных домов, отдельных квартир, небольших гостиниц, клубов и пр. Результаты проведенных экспериментов показали, что по фактическому потреблению ресурсов такие системы дают экономию до 50 % в обычных жилых домах и до 40 % в гостиничном бизнесе и сфере торговли. Основные преимущества – полная автономность системы водоснабжения при абсолютной невозможности перекрестного загрязнения питьевой и технической воды, отсутствие химических реагентов и вредных субпродуктов, существенная энергетическая эффективность (для питания электронасоса используется источник постоянного тока напряжением 12 Вт), возможность использования солнечной энергии, полностью автоматический цикл очистки.

Рис. 4 Схема системы регенерации дождевой воды
1 – подземная накопительная цистерна; 2 – фильтр; 3 – подача дождевой воды; 4 – погружной насос; 5 – выход в слив и сток дождевой воды; 6 – трубопровод подачи подготовленной дождевой воды; 7 – блок управления насосом; 8 – блок регулировки уровня рабочего контура; 9 – подключение к сети питьевого водопровода на случай нехватки дождевой воды в накопительной цистерне; 10-13 – разборные точки дождевой воды.

В статье поднята тема водопотребления в условиях сложившегося дефицита пресной воды на земном шаре. Обозначены основные способы решения актуальной проблемы, а также рассмотрены более детально некоторые современные разработки ученых в рамках данной темы, а именно безводная технология мойки автомобилей, получение пресной воды из атмосферного воздуха и вторичное использование дождевой воды.

Важно, однако, понимать, что успех решения той или иной проблемы зависит прежде всего от культуры рационального водопотребления, которую необходимо развивать в себе и формировать в подрастающем поколении. Новые технологии и разработки не решат всех проблем, пока общество на подсознательном уровне не поймет всей остроты проблемы.

Так эффективным вижу проведение среди детей дошкольного возраста и учащихся школ урока «Чистой воды», включающего в себя показ фильма на тему «Водные богатства России», обсуждение с элементами дискуссии. Проведение подобных мероприятий позволит развить представление учащихся о значении воды и необходимости ее сбережения через актуализацию имеющихся и получение новых знаний об основных свойствах воды и ее роли в природе, жизни и деятельности человека.

Литература:

1. Данилов-Данильян В. И. Журнал: Век глобализации. Выпуск №1/2008.

2. Тимофеевский Л.С., Азино А.А., Цимбломест А.О. и др. Сравнительная оценка термодинамической эффективности теоретических циклов одноступенчатой абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины// Холодильная техника. 1985. №2.

3. Баум В.А., Какабаев А., Хандурдыев. Эффективность работы солнечной холодильной установки с открытым плоским регенератором раствора// Гелиотехника, 1972. №1.

4. Кольцев Н.В. Основы абсорбционной техники. Киев: Наукова думка, 1986.

5. Алексеев В.В., Чекарев К.В. Получение пресной воды из влажного воздуха. Аридные экосистемы. 1996. Т.2. № 2-3. С. HI-122.

6. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. 1978. Т.2. Л.: Гидрометиздат.