Как обеспечить надежную воду в условиях потепления: эти города тестируют системы очистки и переработки сточных вод

В большой городской системе водоснабжения многое может пойти не так.Насосы выходят из строя.Клапаны ломаются.Трубы текут.Даже если система работает правильно, вода может оставаться в трубах в течение длительного времени.Нехватка воды также является растущая проблема в потеплении мира, как сообщества на юго-западе США.и во многих развивающихся странах обнаруживаются.

Вот почему города начали экспериментировать с мелкомасштабными альтернативами, включая переработку сточных вод и стратегии локализованной очистки воды, известные как децентрализованные или распределенные системы.

я изучать крупные и мелкие водные системы, уделяя особое внимание инновационным конструкциям систем, которые позволяют локально использовать источники воды, которые в противном случае могли бы быть потрачены впустую.По мере совершенствования технологий города открывают для себя нечто, что сельские общины давно знают:Малая очистка воды, правильно спроектированный, может быть дешевле и проще в обслуживании, чем централизованная система, и может улучшить водную безопасность и даже окружающая среда.

Очистка воды – уроки природы

Почти вся вода имеет ценность, ее можно очистить и использовать.

Природа делает отличная работа по очистке воды естественным путем когда он течет сквозь землю.Почва физически фильтрует воду, а химические и биологические процессы помогают со временем удалять загрязнения.

Эти процессы можно имитировать водоочистными сооружениями и фильтрами, которые становятся все более эффективными.

Традиционно города полагались на централизованные системы водоснабжения которые очищают пресную воду из реки или водоносного горизонта на центральном объекте, а затем распределяют ее по большой сети труб.Но по мере старения эта инфраструктура становится все более уязвимой к сбоям.А изменение климата, нехватка воды и рост населения увеличивают нагрузку на систему.

Итак, некоторые города экспериментируют с так называемыми распределенными системами.Это небольшие установки по очистке, рекультивации и переработке воды, которые предназначены для сбора, очистки и повторного использования воды в непосредственной близости как к источнику, так и к потребителю. Некоторые из них являются отдельными операциями.Другие подключены к более крупной системе в гибридной модели.

Например, децентрализованная система может очищать сточные воды в городской зоне и перерабатывать их для повторного использования на этой территории теми же пользователями, что и Эль-Пасо, Техас, делает.Или это могло бы собирать ливневые и сточные воды из домов и перенаправить его специально на орошение или на подпитку грунтовых вод, как Остин, Техас, и Сан-Франциско делать.

Виндхук, Намибия, город с населением около 430 000 человек, окруженный засушливым ландшафтом, с 1968 года очищает сточные воды до уровня питья и возвращает их в дома для всех видов использования, включая приготовление пищи и питье.Ливневые стоки, промышленные воды, сточные воды и даже сельскохозяйственные стоки. могут быть обработаны и переработаны с использованием современных технологий стать пригодным для питья.Совет по контролю за водными ресурсами штата Калифорния утвержденные правила в декабре 2023 года, чтобы в конечном итоге позволить тамошним системам водоснабжения преобразовывать сточные воды в питьевую воду, после аналогичного шага в Колорадо.

Все эти подходы, независимо от того, подключены ли они к основной системе или представляют собой отдельные закрытые системы, могут снизить общую потребность сообщества в пресной воде из рек или водоносных горизонтов.

Технологии делают больше воды более пригодной для повторного использования

Мелкомасштабная очистка может варьироваться от усовершенствованных фильтров внутри отдельных домов до очистки в резервуарах, обслуживающих группы домов или коммерческих, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Часто очищенная вода поступает в непитьевые применения, такие как смыв в туалете или для пополнения грунтовых вод.Но достижения в области технологий делают эти децентрализованные системы водоснабжения более осуществимыми и расширяют их использование.

Мембранные и электрохимические процессы продемонстрировали большой потенциал для извлечения пресной воды, питательных веществ, которые можно использовать для удобрений, и энергии из сточных вод.Эти процессы включают обратный осмос, при котором вода проталкивается через полупроницаемую мембрану для удаления примесей, и электродиализ, при котором используется электрическое поле.

Микробные топливные элементы идут еще дальше и используют микробы, присутствующие в сточных водах, для производства электроэнергии и одновременного облегчения очистки сточных вод.Другой метод рекуперации энергии предполагает улавливание биогаза, в первую очередь метана, образующегося в результате разложения органических веществ в сточных водах в отсутствие кислорода.

В отличие от традиционных технологий очистки, которые работают в больших масштабах, в этих новых процессах очистки используются модульные конструкции, которые можно легко увеличивать или уменьшать.

Их также можно использовать для создания гибридных систем путем дополнения крупных централизованных систем очищенной водой, особенно в засушливых регионах, где запасы воды ограничены.

Как гибридная система может помочь Хьюстону

Чтобы проверить, как гибридная система может помочь избежать нехватки воды из-за сбоев в работе системы, мы с коллегами создали модель Хьюстона, город с 7000 милями трубопроводов и 2,2 миллиона жителей.Мы смоделировали влияние, которое различные типы отключений воды могут оказать на это крупное централизованное водоснабжение, и то, как распределенные источники могут помочь уменьшить это воздействие.

В целом мы обнаружили, что установка гибридных систем лучше справляется с подачей воды и предотвращает низкий расход воды по городу, чем только централизованная система, особенно в районах, где низкое давление воды является обычным явлением.

Поток очищенной воды под давлением также может ограничить распространение загрязнения из таких источников, как террористическая атака в непосредственной близости от источника очищенной воды.

Это, конечно, не означает, что новые источники воды безопасны.Дополнительные источники, подключаемые к крупной системе водоснабжения, также могут стать источником новых потенциальных источников загрязнения, поэтому конструкция системы важна.

Несколько факторы определяют, насколько эффективным может быть распределение воды.Плотность населения и застройки, местный спрос на воду, характеристики почвы, климатические условия, инфраструктура и состояние существующей водной инфраструктуры — все это играет свою роль.Исследования показывают, что регионы с высокие потребности в энергии для распределения воды, значительные местные потребности в воде и возможность повторного использования сточных вод выиграете больше всего.

Примечательно, Сан-Франциско стал пионером в крайняя децентрализация, причем инициативы распространяются на уровень отдельных зданий.В некоторых зданиях резервуары для воды, фильтры и очистные сооружения в подвалах делают воду многоразовый для таких действий, как смыв в туалетах.

Что стоит на пути?

Несмотря на преимущества, повторное использование воды составляет менее 1% от общего потребления воды в США.сегодня.

Общественное мнение относительно оборотной воды являются одной из задач, включая устойчивый скептицизм относительно безопасности, надежности и надлежащего использования оборотной воды.

Сточные воды, переработанные должным образом, считаются безопасными для питья и может даже содержать меньший токсичный риск чем источники воды, которую мы уже пьем.Однако вода, не очищенная до надлежащего уровня может представлять значительный риск для здоровья человека.А надежная бизнес-модель также необходимо создать децентрализованные системы экономически эффективным в сочетании с поддерживающей структурой управления.

Как федеральные фонды влить, чтобы оживить водную инфраструктуру Америки, США.сообщества имеют прекрасную возможность укрепить свои крупные водные системы с помощью децентрализованного подхода.В глобальном масштабе, поскольку изменение климата приводит к ураганам и делает водоснабжение менее надежным во многих регионах, небольшие децентрализованные системы могут обеспечить водную безопасность и увеличить доступ к воде в районах, которые сегодня недостаточно обслуживаются.

Эта статья, первоначально опубликованная в декабре.15 декабря 2023 г. был обновлен в соответствии с новыми правилами Калифорнии.