Очистка сточных вод от PFAS долго оставалась в тени: о «вечных химикатах» в питьевой воде говорят много, о них же в очищенных стоках — заметно меньше. Этому посвящён выпуск The Water Online Show отраслевого издания Water Online. Ведущие беседуют со старшим технологом по очистке сточных вод из американской инженерно-консультационной компании. Её зовут Мишель, у неё докторская степень Университета штата Аризона, и сейчас она руководит исследованием Water Research Foundation под номером 5388.
PFAS (пер- и полифторалкильные вещества) — большая группа синтетических соединений, которые почти не разрушаются в природе. Отсюда прозвище «вечные химикаты». Самые известные из них — PFOS и PFOA. Проект 5388 проверяет простой вопрос: может ли порошкообразный активированный уголь (ПАУ — мелкодисперсный сорбент, который дозируют прямо в поток, а не загружают в колонну) снижать содержание PFAS в очищенных сточных водах.
Ниже — содержание разговора по смысловым блокам: откуда взялась идея, почему стоки сложнее питьевой воды, что даёт порошковый уголь, как устроены испытания и что пока остаётся без ответа. В финале — краткая выжимка и оценка применимости.
Откуда взялась идея: опыт питьевой воды
Исследование началось на водопроводных станциях. Несколько водоканалов во Флориде и Колорадо уже применяли порошковый уголь для борьбы с привкусом и запахом воды, обычно сезонно. Им стало интересно, можно ли с помощью уже установленного дозирования заодно снижать PFAS. Порошковый уголь по природе близок к гранулированному (ГАУ), а ГАУ для этой задачи применяется давно.
По словам Мишель, на питьевой воде дозы ПАУ от 20 до 40 мг/л, в зависимости от марки угля, давали:
- для PFOS — снижение на 60–80%;
- для PFOA — на 40–60%.
Она назвала это многообещающим результатом для сезонного режима и для финальной доочистки. Концентрации PFAS на выходе водопроводных станций, где это проверяли, по её словам, сопоставимы с концентрациями в очищенных стоках. Отсюда и вопрос проекта: если метод работает на воде, сработает ли он на стоках.
Цифры 60–80% и 40–60% получены на питьевой воде, а не на сточной. Для стоков проект 5388 ещё только набирает данные.
Почему очистка сточных вод от PFAS сложнее, чем питьевой воды
Короткий ответ Мишель: стоки грязнее. В очищенной сточной воде больше общего органического углерода (TOC), взвешенных веществ, биогенных элементов (соединений азота и фосфора) и природной органики.
Эти компоненты мешают сорбции. Сорбционные центры угля или ионообменной смолы ограничены, а органика и часть биогенных соединений, как и PFAS, несут отрицательный заряд. Они занимают те же места, на которые должны сесть «вечные химикаты». Чем больше конкурентов, тем больше сорбента нужно на тот же результат.
Для колонных технологий есть и вторая проблема. Гранулированный уголь и ионный обмен работают в напорных колоннах, где со временем копятся взвесь и органика (по ХПК — химическому потреблению кислорода, косвенной мере органических загрязнений). Слой засоряется, PFAS не добираются до сорбционных центров, и эффективность падает.
Порошковый уголь устроен иначе. Частицы взвешены в потоке, контакт с водой идёт со всех сторон, сорбция протекает быстро. Уголь захватывает PFAS и вместе с ними выводится из системы с осадком.
Чем порошковый уголь привлекателен именно сейчас
Первая причина, которую называет Мишель, — очередь за оборудованием. В США для питьевой воды установлены жёсткие сроки по PFAS. Поэтому колонны ГАУ, ионообменные установки и обратный осмос в первую очередь достаются водопроводным станциям. Обратный осмос она отдельно назвала слишком дорогим вариантом, который никто не хочет обсуждать. Очистные сооружения канализации в этой очереди стоят последними.
Вторая причина — деньги. Команда проекта сделала оценку затрат на 10 лет для станции производительностью 10 млн галлонов в сутки (около 38 тыс. м³/сут):
| Технология | Сравнение с ПАУ по 10-летним затратам |
|---|---|
| Ионный обмен | ПАУ дешевле примерно на 10 млн долларов |
| Гранулированный уголь | ПАУ стоит около половины от ГАУ |
Мишель оговорилась, что уголь дорожает, как и материалы для ГАУ и ионного обмена. Один из ведущих добавил: «дешёвый» здесь значит «менее затратный на текущий момент», и соотношение цен может измениться.
Третья причина — гибкость. Порошок можно дозировать в разные точки схемы: перед биологической (вторичной) очисткой или на стадии доочистки. Дозу можно менять. Если поступление PFAS сезонно падает, дозирование выключают и не тратят реагент.
Четвёртая — удобство отделения. У порошкового угля большая удельная поверхность и короткое время контакта. Мелкие частицы задерживаются во вторичных отстойниках, на флокуляции и в фильтрах доочистки, которые на очистных сооружениях уже есть. Мишель считает, что на станции очистки стоков уловить такой порошок проще, чем во многих других процессах.
Как устроены испытания проекта 5388
Проект — технико-экономическое обоснование в лабораторном масштабе. Пилотной установки на реальном потоке пока нет, есть стендовые испытания на пробах. Пробы присылают четыре партнёрских предприятия водоотведения: одно в Канаде, три в США. Их мотивы разные: беспокойство жителей и ожидание будущих требований.
Схема испытаний:
- Пробное коагулирование в стаканах (jar test — стандартный лабораторный тест, где реагент дозируют в серию стаканов с пробой и сравнивают результат). Испытания проводят в исследовательском центре компании в Бойсе, штат Айдахо.
- Три марки порошкового угля в трёх дозах.
- Четыре точки ввода в схеме станции. Перед вторичными отстойниками, где ещё много органики и сильнее помехи, а значит, может понадобиться большая доза. После вторичных отстойников. В узле флокуляции на станциях с химическим удалением фосфора, а также после него.
Сначала для всех четырёх площадок проводится базовая серия, чтобы оценить, какие дозы нужны в разных точках. Затем партнёр с северо-запада США проходит углублённую программу. Он подбирает оптимальную дозу, точку ввода и марку угля и повторяет испытания в разные сезоны, чтобы оценить разброс затрат.
Отдельный блок касается побочного эффекта. Один из партнёров сбрасывает отработанный порошковый уголь с водопроводной станции на свои очистные сооружения канализации. Там заметили меньше легкоокисляемой органики (легкоразлагаемой части ХПК), а также снижение общего фосфора и ортофосфатов. Поэтому проект количественно отслеживает, как уголь влияет на биогенные элементы. Для станций с биологическим удалением азота и фосфора это важно, потому что легкодоступная органика служит пищей для нужных бактерий.
Об исследовательском центре Мишель сказала отдельно: это не аналитическая лаборатория, а площадка для опытов от стендового до полевого масштаба. В центре испытывают пробы трёх из четырёх площадок. Под задачи проекта там дорабатывали оборудование, чтобы корректно отбирать пробы с порошковым углём в стаканах. Итогом проекта должны стать рекомендации по проектированию дозирования ПАУ для этих четырёх станций и оценка затрат.
Что остаётся нерешённым
Мишель прямо говорит, что порошковый уголь может не стать долгосрочным решением. Особенно это касается крупных предприятий. Она видит его как быстрый промежуточный вариант: по её оценке, внедрение занимает около года.
Её аргумент в пользу «моста» связан с динамикой концентраций. По её словам, содержание PFOA и PFOS в сбросах очистных сооружений линейно снижается со времени запрета этих веществ около 2010 года. Если тренд сохранится, к 2030 году концентрации могут дойти до порога 4 части на триллион (4 нг/л). Это уровень американских предельных норм для питьевой воды. Тогда временное решение позволит не вкладываться в дорогие капитальные сооружения. Это прогноз гостьи, а не результат проекта.
Главный открытый вопрос — остатки. Отработанный уголь с PFAS попадает в осадок. Что делать с таким осадком, вывозить на полигон или сжигать, пока неясно. Проект намерен изучить и это.
Шире Мишель призывает к комплексному подходу. PFAS нужно убирать из осадков, из очищенной воды и из концентрированных внутренних потоков станции, например фильтрата и фугата после обезвоживания осадка. Если очищать эти потоки до возврата в голову сооружений, меньше PFAS дойдёт до выпуска. Для повторного использования воды отдельно встаёт задача очистки концентрата (рассола), где она упоминает фракционирование и другие методы разделения.
Коротко
- Проект WRF 5388 проверяет, снижает ли порошковый активированный уголь содержание PFAS в очищенных стоках. Пока это лабораторные испытания на пробах четырёх станций: три марки угля, три дозы, четыре точки ввода.
- Идея пришла с питьевой воды: дозы 20–40 мг/л снижали PFOS на 60–80%, PFOA на 40–60%. Для стоков таких цифр пока нет.
- Стоки сложнее воды. Органика, взвесь и биогенные элементы конкурируют с PFAS за сорбционные центры и засоряют колонны ГАУ и ионного обмена. Порошок дозируется в поток и выводится с осадком.
- По оценке проекта, на 10 лет ПАУ примерно вдвое дешевле ГАУ и заметно дешевле ионного обмена. Его можно вводить в разные точки схемы и включать по сезону.
- Уголь снижает легкоразлагаемую органику и фосфор, а судьба осадка с PFAS не решена. Гостья видит в ПАУ промежуточное, а не окончательное решение.
Что из этого следует
Материал интересен прежде всего логикой выбора, а не готовым ответом. Данных по стокам в выпуске нет: все проценты удаления относятся к питьевой воде, испытания на стоках идут в лабораторном масштабе. Переносить цифры 20–40 мг/л и 60–80% на очищенные стоки нельзя. Конкуренция с органикой, о которой говорит сама гостья, почти наверняка потребует других доз.
Схема испытаний, напротив, вполне переносима. Пробное дозирование нескольких марок угля в разных точках схемы и в разные сезоны позволяет предприятию до любых капитальных решений понять, какая доза нужна именно на его стоке. Стоит также держать в уме обратную сторону метода. Если станция удаляет азот и фосфор биологически, порошковый уголь заберёт часть органики, которой питаются бактерии, и это нужно учесть в балансе.
Самое слабое место метода — осадок. Порошковый уголь не уничтожает PFAS, он переносит их из воды в твёрдую фазу. Пока путь утилизации такого осадка не определён, проблема лишь откладывается. Важно и то, что экономический расчёт и прогноз до 2030 года сделаны для американских условий и норм. Для другой нормативной базы их надо пересчитывать, а не копировать.
Источник: Can Powdered Activated Carbon Help Solve PFAS In Wastewater?