Наиболее очевидный путь использования энергии сточных вод – это утилизация содержащейся в них низкопотенциальной теплоты. Средняя температура сточных вод, поступающих на очистные сооружения, может колебаться от 10-12°С зимой до 20-24°С летом, что большую часть года выше среднесуточной температуры воздуха и выше температуры холодной воды, поступающей потребителю.
По данным профессора Калифорнийского университета Джорджа Чобаноглуса из 1 куб.м сточной воды можно получить почти 42 МДж тепловой энергии при снижении ее температуры на 10°С, а переработка содержащихся в стоках органических веществ дает от 3 до 6 МДж на 1 куб.м.
Самый простой способ использования тепла сточных вод – это устройство теплообменников для подогрева холодной воды в ИТП. Такие теплообменники подключаются к канализационным выпускам и повышают температуру холодной воды на 15-20 градусов перед водонагревателем.
Теплообменники изготавливаются из меди и представляют собой либо отрезок трубы диаметром 100 мм с навитой на нее тонкой трубкой, по которой течет нагреваемая вода, либо конструкцию «труба в трубе». Многие компании за рубежом продают эти устройства, устанавливаемые непосредственно на канализационный стояк, в основном, для частных домов, но встречаются и решения для многоэтажных зданий.
Сколько же тепла можно извлечь с помощью бытовой системы? Очевидно, что чем дольше используется душ, тем больше тепла можно извлечь. Семье из четырех человек, каждый из которых принимает душ по пять минут в день, при расходе на душ 7,5 л/мин потребуется 55 куб. м горячей воды в год. Для нагрева 1 кубометра поступающей водопроводной воды до 50-55°С (для обеспечения 40°С в душевой головке) требуется 35 кВт·ч энергии, то есть в общей сложности 1 925 кВт·ч. Если исходить из того, что теплообменник работает с КПД 50% и нагревает холодную воду на треть до требуемой температуры, то было бы сэкономлено 320 кВт·ч энергии в год, что уже неплохо. Испытания такого бытового теплообменника типа «труба в трубе», проведенные на кафедре ВиВ НИУ МГСУ, показали, что его эффективность по прямому подогреву холодной воды оказалась достаточно низкая и его использование, например, в ванной комнате, не приносит ощутимой экономии.
Примеры внедрения таких систем использования тепла сточных вод можно найти в г. Витебск и г. Гомель, где построены несколько экспериментальных энергоэффективных жилых домов. В зданиях предусмотрено разделение фекальных и водяных стоков, которые объединяются после утилизатора. Утилизатор включает в себя накопительную емкость для сточных вод (усреднитель расхода), циркуляционный насос, теплообменник, блок управления. В России несколько компаний предлагают как бытовые теплообменники, так и более сложные устройства для целого здания.
Для повышения степени извлечения тепла и ускорения этого процесса можно использовать тепловой насос. Утилизация теплоты происходит путем охлаждения сточной воды на 2-3°С, нагрева промежуточного теплоносителя (воды, этиленгликоля) на 5-8°С и подачи его на вход испарителя теплового насоса, в котором промежуточный теплоноситель охлаждается на те же 5-8°С, а сетевая вода нагревается в конденсаторе теплового насоса до 50-55°С. Тепловой насос обеспечивает коэффициент преобразования на уровне 4-4,5, т.е. на 1 кВт·ч энергии, затрачиваемой на привод компрессора теплонасоса, можно извлечь 3-3,5 кВт·ч утилизируемой теплоты. Практическое применение тепловых насосов для утилизации низкопотенциального тепла неочищенных сточных вод было осуществлено в 2000 году в г. Пермь на канализационно-насосной станции РНС-3 для нужд ее теплоснабжения.
Еще один пример реализации – РТС-3 в г. Зеленоград, где в 2004 году была запущена в эксплуатацию автоматизированная теплонасосная установка тепловой мощностью до 2 МВт, утилизирующая тепло неочищенных сточных вод расположенной поблизости канализационной насосной станции и предназначенная для подогрева воды перед котлами районной тепловой станции для последующей подачи в систему горячего водоснабжения прилегающего микрорайона.
За рубежом системы утилизации тепла получили гораздо большее распространение. Один только пример: у фирмы UHRIG, разработавшей конструкции теплообменников, встраиваемых в лоток канализационных труб и каналов, число реализованных проектов перевалило за сотню. Один из крупнейших реализован в г. Штутгарт, где на водоотводящем коллекторе диаметром 2400 мм с помощью 300-метрового теплообменника отбирается 2100 кВт·ч тепловой энергии.
Интересно, что теплообменные установки, устраиваемые на бытовой канализации зданий, служат не только для их отопления в зимний период, но и для эффективного отвода избыточного тепла от систем кондиционирования в теплые сезоны года.
В заключение следует заметить, что бесконтрольный отбор тепла у сточных вод может затруднить работу очистных сооружений, так как со снижением температуры замедляются все процессы, и химические, и биологические, а при некотором стечении обстоятельств может возникнуть угроза обмерзания канализационных трубопроводов.