Незаметные, но всепроникающие: как насосы определяют облик нашей цивилизации

Многие компоненты окружающей нас цивилизации бросаются в глаза, и мы уделяем им большое внимание. Вспомним хотя бы эпическую борьбу за внедрение энергоэффективных лампочек. Ее адепты заявляли, что поскольку на освещение уходит 10% всей электроэнергии мира, то новые лампочки, потребляющие минимум вдвое меньше старых, сэкономят до триллиона киловатт-часов. Кстати, именно столько в год потребляет Россия.

Хотя борьба эта не закончилась и до сих пор, однако доля потребляемого лампами электричества за время этой борьбы не снизилась: более эффективные лампы используют, чтобы на 2,2 % в год увеличивать площадь уличного искусственного освещения. То есть вместо экономии энергии у новых лампочек получилось лишь лучше освещать улицы и дома – дело достойное, но энергетические проблемы человечества никак не смягчающее.

Десяток насосов вокруг каждого из нас

Но есть и другие важные факторы в окружающей нас действительности: вещи, тихо работающие себе в уголке и не слишком – в отличие от ярких фонарей и ламп — бросающиеся в глаза, но, тем не менее, очень важные. Насосы работают по всему миру: только в вашем доме как минимум один есть в холодильнике, другой – в кондиционере, не меньше одного — в стиральной машине, два — в посудомойке, и так далее.

Да что там, даже в вашей машине несколько насосов, без любого из которых вы далеко не уедете. То есть средняя семья сталкивается с примерно десятком насосов ежедневно, и это без учета огромных насосных систем, поставляющих воду в наши дома или же перекачивающих воду, которую эти самые дома сбросили в канализацию. А ведь без насосов вряд ли сможет работать и любое промышленное предприятие. Поэтому вроде бы простые и тихие механизмы, просто перекачивающие жидкости, тратят 10% всей электроэнергии планеты — вдвое больше, чем расходует наша страна за год.

Никто из нас обычно о таком не задумывается, и это объяснимо. Хорошая лампочка ярко светит, и мы легко ее замечаем, поэтому проблема затрат на освещение кажется близкой и понятной. Насос работает тем лучше, чем меньше лишнего шума он издает. Соответственно, мы о нем и не думаем – лишь удивляемся, откуда столько киловатт-часов в ежемесячной платежке. Некоторые из нас могут задуматься о покупке светодиодных ламп в надежде сократить этот счет, но никто не говорит себе «наверное, полдюжины насосов в моей бытовой технике имеют слишком малый КПД». Между тем, скорее всего, это именно так.

Разработчики из датской компании Grundfos уверяют, что 90% насосов в мире энергетически неэффективны. И даже те 10%, что сами по себе эффективны, могут применяться так, что все время останутся недогруженными, отчего их КПД просядет, а потребление энергии на единицу работы возрастет. Замена всех насосов мира на более качественные и их правильное использование могли бы снизить потребление электричества на планете на 4%. Это большая цифра, 0,8 триллиона киловатт-часов. Электромобиль за 20 тысяч километров пробега потребляет примерно 3 200 киловатт-часов, то есть, используя нормальные насосы рациональным образом, человечество смогло бы бы сэкономить столько же энергии, что потребляют четверть миллиарда электромобилей в год – столько мы вряд ли увидим на дорогах ранее 2030-х годов.

Главный враг насоса: простота хуже воровства

Основная проблема любого насоса в том, что на полную мощность он должен работать не больше пяти процентов своего рабочего времени — и неважно, идет ли речь о насосе в машине или в холодильнике. Насос, как правило, приводится в движение электромотором, однако тот часто имеет фиксированную скорость вращения (для простоты управления). Обычный насос может работать либо на полной мощности, либо не работать вовсе. В итоге часто насос работает с недогрузкой, давая большое число оборотов для перекачки умеренного количества жидкости. Это не только заставляет его перерасходовать энергию, но, зачастую, и ухудшает охлаждение: моторы многих насосов охлаждаются перекачиваемой ими же жидкостью, и при работе на полную мощность в условиях неполного охлаждения преждевременно изнашиваются. Конечно, такое решение технически просто реализовать: нет системы управления скоростью работы, минимум деталей, меньше стартовая цена насоса. Но это не тот случай, когда простота идет на пользу потребителю: типовой насос за год может израсходовать от сотен (в холодильнике) до многих тысяч киловатт-часов (станция очистки сточных вод), то есть «съесть» за жизнь лишнего электричества на сумму больше своей стоимости.

Grundfos попробовала решить проблему, встраивая в свои насосы контроллеры частоты тока. Регулируя ее в зависимости от требуемой нагрузки, они дают электромотору ровно то количество оборотов, что требуется при текущей нагрузке. В итоге он не знает ни повышенного расхода энергии, ни недостаточного охлаждения: на пониженной частоте переменного тока электромотор меньше греется, значит, не может перегреться даже несмотря на то, что через него проходит меньше жидкости. В итоге такой агрегат не просто тратит на 30-40% меньше энергии в год, но и останется работоспособными на годы дольше обычных изделий такого рода.

«Больные» стоки: когда дело не только в энергии

Однако не одной энергоэффективностью жив человек. Насосы мало шумят, но много делают: именно на них основана очистка сточных вод практически всех типов. И если с промышленными стоками все более или менее понятно, то вот стоки из больниц и госпиталей в последние годы стали куда опаснее, чем в прошлом столетии. Активное использование антибиотиков создало массу штаммов устойчивых к этим лекарствам бактерий – в том числе и тех, что могут переносить достаточно высокие температуры. Вдобавок многие лекарства последних десятилетий содержат большие дозы эстрогенов – женских половых гормонов. По мере снижения стоимости содержащих их лекарств, они применяются все шире, и стандартные методы очистки стоков на них просто не работают.

Итоги неутешительны: к 2017 году целый ряд работ показал, что существует корреляция между повышенным содержание эстрогенов в питьевой воде (куда они неизбежно просачиваются из недостаточно обработанных сточных вод) и раком груди у женщин. Более того, мужчины в таких местностях также чаще обычного болеют раком простаты.

И больничные эстрогены, и ксеноэстрогены (входят в состав пластиковых бутылок) также могут быть ответственны за серьезное снижение тестостерона в крови и количества сперматозоидов в миллилитре спермы у мужчин вида Homo sapiens – явление, которое все усиливается в развитых странах начиная с 1970-х годов. В той же Дании на сегодня более 20% мужчин не могут зачать детей естественным путем потому, что в их сперме просто слишком мало сперматозоидов.

Врачи прямо называют происходящее «эпидемией мужского бесплодия», и без радикального снижения загрязнения воды и еды с ней вряд ли удастся покончить. Конечно, в менее развитых странах, с более слабым уровнем эстрогенового и ксеноэстрогенового загрязнения этот процент пока ниже, но прогресс неостановим, и рано или поздно сходная картина может наблюдаться и в России, и в остальных стран мира. Вдобавок, такие плохо очищенные стоки нарушают циклы роста растений и животных в загрязненных местностях (как правило, это крупные города), но на фоне описанного выше это уже не так страшно.

Основная проблема в очистке больничных стоков состоит в том, что типичные средства здесь не очень хорошо работают. Очистка озоном (в России вместо нее все еще применяется хлор) малоэффективна для разрушении эстрогенов, хотя неплохо убивает многие бактерии. Ультрафиолетовое облучение стоков не может нормально убивать бактерии, если вода стока мутная – муть просто поглощает УФ-лучи, не давая им уничтожить все микроорганизмы. Мембранная очистка в теории может снизить мутность, но при этом она создает повышенное сопротивление движению воды. Это одновременно поднимает энергозатраты и значительно снижает производительность очистной системы, уменьшая количество воды, которое может пойти через нее за единицу времени.  

Датский опыт: сколько ступеней нужно очистной системе крупной больницы?

Чтобы опробовать новые схемы комплексной борьбы с больничными стоками, Grundfos совместно с группой компаний-партнеров, испытала в крупной датской больнице Херлев собственную систему очистки, Grundfos BioBooster. Она включает насосную станцию с адаптивным контролем мощности насосов и общей пропускной способностью не более 650 кубометров в сутки. По итогам внедрения оказалось, что система очищает 183 тысячи кубометров в год.

Первый этап очистки воды на станции начинается грубого механического экрана-фильтратора (screen) — по сути, просто прочной сетки, на которой задерживаются салфетки, тампоны и любые крупные предметы, оказавшиеся в больничных стоках. Отсюда их удаляет механический манипулятор, предметы высушиваются и идут на сжигание в небольшой печи (incineration на схеме). На втором этапе вода попадает в емкость, где сперва анаэробные, а затем (в другом отделе бака) и аэробные бактерии ведут первичное разложение органики стоков, питаясь этой органикой.

Только после пребывания там вода поступает на третий этап, мембранную станцию с диаметром пор в 0,2 микрометра — достаточным для того, чтобы удержать крупные молекулы, типа тех же эстрогенов, и даже многие бактерии. Все частицы водной взвеси, что не прошли мембранные фильтры, поступают в сушильную камеру, где из них выпариваются остатки воды. Затем высушенный материал попадет в ту же печь для сжигания.

После этого вода проходит четвертый этап очистки, поступает в емкости с гранулированным активированным углем (GAC filters). Частицы угля имеют множество пор, то есть очень большую площадь поверхности. На этой поверхности оставшиеся молекулы органических загрязнений связываются с атомами углерода. За счет этого угольные фильтры «осветляют» воду, задерживая примеси, дающие ей темный цвет. После «угольной» стадии стоки попадают на пятый этап очистки, в озонирующий реактор, емкостью в 2,7 кубических метров. Озон во много раз быстрее обычного кислорода окисляет любую органику. Поэтому большинство бактерий и вирусов в его присутствии быстро гибнут.

После мембранных фильтров стоки идут либо в бак с озоном (левая нижняя часть схемы), а оттуда в емкости с гранулированным активированным углем (GAC filters), либо наоборот, сперва в угольные фильтры и лишь потом в озоновые (в зависомости от нужд конкретного клиента). После этого воду обрабатывают ультрафиолетом (UV на схеме), убивающим бактерии, и сбрасывают в общественную канализацию (public sewer),

После этого вода, уже осветленная и в основном чистая, проходит через шестой этап очистки. Это трубы малого сечения, где на воду действует ультрафиолет высокой интенсивности. Он добивает те бактерии и вирусы, что не погибли в озонаторе. Может показаться, что уничтожать микробы “по второму кругу”, после озона, излишне. Но на самом деле часть спор болезнетворных бактерий может пережить даже озон, и лишь ультрафиолетовый “контрольный выстрел” позволяет снизить число таких жизнеспобных спор почти до нуля.

На выходе вода получается свободной от микробов и содержащей не более 0,1% той органики (фекальные массы и прочего), что было в ней на входе. Эстрогенов и иных гормонов в стоках за все время работы обнаружить не удалось. Даже по цвету и прозрачности итоговая вода мало отличима от обычной речной.

Чтобы проверить, как вода до и после подобной очистки влияет на живые организмы, в нее подсаживали аквариумных рыбок данио-рерио и дафний. В неочищенных больничных стоках все рыбки и дафнии умерли в течении 96 часов, не оставив никакого потомства. В очищенной воде за то же самое время ни одна рыбка или дафния не умерла, более того — дафнии давали потомство ровно также, как в чистой пресной воде, куда подселяли их контрольную группу.

Конечно, это не означает, что такие больничные стоки были бы вполне безопасны для живых организмов при длительном пребывании в них – дольше 96 часов. Но все же крупных больниц, вроде Херлев не очень много, и стоки из них ограничены сотнями кубометров в сутки. После обработки воды от них сбрасывают в крупные водоемы, где они разбавляются в очень большой пропорции и остаются сравнительно безопасными для людей. По крайней мере, насколько мы можем установить на нынешнем уровне научных знаний.

Разработчики Grindfos отдельно отмечают, что способность их насосных станций с высокой точностью контролировать рабочие обороты в такой системе крайне важна для их функционирования. Стоки больничных вод имеют свое собственное расписание, активируются в определенные часы, и их нельзя «размазать» по суточному графику ровно. Это значит, что без «умной регулировки» затраты энергии были бы на десятки процентов выше. Другая проблема – то, что система очистки не должна оставаться неработоспособной сколько-нибудь длительное время.

Без точного управления частотой тока и числом оборотов насосов, те выходили бы из строя заметно чаще, заставляя менять их, что неизбежно требовало бы приостановки работы станций. Увы, крупная больница не может приостановить свою активную деятельность на несколько часов, только чтобы отладить систему очистки сточных вод – поэтому высокий ресурс за счет гибкого модулирования мощности насосных станций здесь очень к месту.

Обработка такого рода несколько дороже стандартной, десятилетиями использовавшейся для крупных больниц: обработать каждый из 183 тысяч кубометров стоков больницы Херлев в рамках новой системы очистки стоило 1,45 евро. Правда, для Дании это немного: сбросить кубометр сточных вод в общественную канализационную систему здесь стоит 3,45 евро. А с учетом других больничных трат, эту цифру трудно назвать высокой и для других стран мира. Особенно — с учетом огромной «невидимой» цены, которую общество платит за эстрогеновое и ксеноэстрогеновое загрязнение сегодня.