Иновативен воден цикъл за селища

Разделното събиране и третиране на битовите отпадни води на отделни потоци помага в предотвратяване на наводнения и позволява по-ефективно отделяне на органичните субстрати за производство на биогаз, за посрещане търсенето на електро- и топлинна енергия в селищата по CO2 неутрален начин. Това е нова концепция за устойчиви санитарни системи и системи за третиране на битови отпадни води, която доказва ефективността си в редица проекти в Европа.

Действащата политика на ЕС в областта на водите е насочена към увеличаване степента на рециклиране и повторно използване на отпадъчните води и оползотворяване на биогенните елементи от тях чрез производство на възобновяема енергия (биогаз). Практиката в квартали на някои от най-развитите европейски градове показа, че тези процеси могат да бъдат по-ефективни при разделяне на битовите отпадни води на няколко потока по време на събирането им. Това води до намаляване на обемите на третираните потоци, по-слабо натоварване на системите, по-голяма сигурност, използване на най-добра технология разделно за всеки поток, като резултатите са намалени разходи и значителни екологични и икономически ползи, при отчитане на необходимото ниво на пречистване.

Енергия от разделно събирани битови отпадни води
На мястото на бивши военни комплекси в Хамбург днес се намира регенерираната градска зона на новия жилищен квартал Jenfelder Au, в който са създадени около 770 жилищни единици. Канализационната и енергийна концепция на проекта е предвидила разделно отводняване, започващо от сградите, и превръщане на „черната вода” (от тоалетните) в биогаз. Проведен е конкурс за развитие на градската среда в района. Част от сградите на старите казарми са посочени като исторически паметници и остават като архитектурен ансамбъл. През април 2011 г. влиза в сила планът, прилагащ концепцията за района. Дейността се разгръща върху около 35 хектара, на които са планирани новопостроени жилища за около 2000 жители и съпътстващи търговски съоръжения. Градското планиране предвижда ансамбли от сгради с различна архитектура, които се обединяват стъпаловидно и по този начин създават разнообразен градски пейзаж. В кварталния парк е новосъздадено хвостохранилище (езеро), което действа като басейни за задържане на дъждовна вода, формира сърцето на района и осигурява висока полезност. Новите сгради отговарят на наредбата за защита на климата на Хамбург HambKliSchVO.

Jenfelder Au е най-големият жилищен квартал в Европа, в който децентрализирано се генерира топлинна и електрическа енергия от местните битови отпадни води. Това е възможно благодарение на холистичния подход в канализационната и енергийната програма на градската среда. Най-важният компонент е отделното улавяне, събиране и обработка на различни видове отпадъчни води, известно като частична обработка на потока. С конвенционалните системи за отводняване, всички потоци битови отпадни води се събират заедно и се отвеждат за обработка в централизирана пречиствателна станция. В новия квартал различните потоци: „черни води" (от тоалетните, много замърсени), „сиви води" (от поддържане на лична хигиена, кухня и пране – по-слабо замърсени) и "дъждовни води" (валежни води, минимално замърсен) се източват отделно и да се третират на място, децентрализирано.

За разлика от другите потоци отпадъчни води, черните води имат висока концентрация на органична материя и следователно висок материален и енергиен потенциал. Ако черните води се събират и третират заедно с другите отпадъчни потоци, съдържанието им силно ще се разреди, обемите ще нараснат и процесите на пречистване и регенерация на вода, вещества и енергия ще са много по-енергоемки от разделното третиране. Сивата вода пък има предимството, че съдържайки малко органична материя, в сравнение с черната вода, ако се събира разделно, ще бъде пречистена много по-лесно – с по-прости и щадящи технологии, изискващи по-малко капиталовложения и енергия.

За да се максимизира енергийният потенциал на черната вода, се използват изцяло вакуумни тоалетни. Тези керамични вакуумни тоалетни не са като използваните в самолети или влакове и са по-тихи при работа. Не се различават от традиционните тоалетни по отношение на дизайна и употребата им. Работят с малки обеми вода, вариращи от 0,8 до 1,2л за еднократно почистване и така осигуряват висока концентрация на фракцията от биомаса в черната вода. Чрез вакуумна линия, тази концентрирана черна вода се влива в новото, построено за целта съоръжение за анаеробно третиране в края на квартала, заедно с други органични субстрати както отработения въздух от вакуумната технология. Преработката премахва миризмите, така че неприятни миризми в района не се очакват. От процеса се произвежда биогаз, който се превръща в електрическа и топлинна енергия, с използване на малки газови турбини и след това се предоставя на домакинствата в Jenfelder Au. Това дава възможност до 40% от нуждите за отопление и до 50% от потреблението на електроенергия да се генерират на място по начин, неоказващ влияние върху климата.

Останалите нужди от топлинна енергия се посрещат чрез локална централа на природен газ за когенерация на топло-и електроенергия. Инвеститорите на жилища и отделните собственици са длъжни да инсталират вакуумни тоалетни и вътрешни вакуумни канализационни тръби. Само така ползите за енергийна ефективност на концепцията може да се постигнат напълно. Има два отпадъчни води потока, свързани с две отделни обществени канализационни мрежи - черната вода от вакуумната канализация и сивата вода. Дъждовната вода вече не протича директно в канализацията, а се запазва във буферен резервоар - новосъздаденото Kühnbach езеро, преди да се заусти във водоприемника. В езерото дъждовната вода също може да се изпари и по този начин да подобри микроклимата. Техническата концепция е известна под името Hamburg Water Cycle (HWC). Тя може да се подпомага с помощта на геотермална и слънчева топлинна енергия. Разпространявани в локалната отоплителна мрежа, те дават възможност в целия квартал да се постигне CO2 неутрално топлоснабдяване.

Управление на дъждовните води
Организацията на отводняване на дъждовните води в проекта е такава, че позволява използване по два начина. В квартала Jenfelder Au се добавя нова функция на дъждовната вода в сферата на творческите възможности на градското ландшафтно планиране. Отвореният дизайн на дренажната система превръща дъждовната вода в творчески елемент. Концепцията за управление на дъждовни води тук разделя потока дъждовни води от канализационната мрежа и валежните води протичат в открити канали с водопади и атрактивни водоеми. Освен ползи за естетиката, микроклимата и активиране на естествения воден цикъл чрез изпарение, те носят и сигурност. Допълнителният им потенциал за съхраняване на води в случай на интензивни валежи ги определя като надеждна защита от наводнения.

Дъждовната вода се нуждае от пространство. В резултат на изменението на климата, моделите на валежите се очаква да се променят значително. Според оценки на учените, изменението на климата може да доведе до зачестяване на интензивните валежи. Освен това в градовете има голям процент запечатани повърхности, които нямат абсорбционните свойства на почвата. Последиците от това са претоварване и задръстване на канализацията. Това поставя селищата пред нови предизвикателства да се справят с дъждовните води. Допълнителното пространство за прилагане на децентрализираното управление на водите в този проект е иновативна концепция за защита от наводнения.

Холистичен подход в устойчивия воден цикъл
„Единство в многообразието” е мотото, избрано да представлява идеята за проекта. Проектът е уникален по своя размер и стойност като пример за стимулиране на бъдещи иновации в областта на градското развитие и планиране. Поради тези причини Jenfelder Au е пилотен проект на Националната политика за градско развитие на Федералното министерство на строителството и градското развитие (BMVBS) и Федералния институт по строителство, градоустройството и устройството на територията (BBSR).

Изпълнението на водния цикъл на Хамбург се финансира от програма LIFE+ на ЕС, заедно с държавни средства, предоставени от Федералното министерство на образованието и науката и Федералното министерство на икономиката и енергетиката. В различни тематични области те се подпомагат в планирането и изграждането на различни иновативни компоненти и постоянно оптимизират бъдещата работа. Проектът е насочен към оптимизиране на енергийната ефективност като се започне от домовете и изхвърлянето на отпадъчни води, през преработката им и топлоснабдяването. Резултатите показват, че прилагането на концепцията генерира енергия, вместо да я консумира, както е в случая с конвенционалното изхвърляне на отпадъчни води.

Остатъкът от производство на биогаз като елемент от цялостния подход
Друг аспект на проекта е изследване на хидротермалното карбонизиране (HTC) на ферментационните остатъци от биогазовата инсталация, т.е. превръщането на органичните вещества в био въглища. В термохимичната конверсия на биоостатъците химичните реакции създават твърди продукти, които имат по-голяма калоричност и съдържание на въглерод от началната биомаса. За разлика от въглищата, формирани милиони години в природата, тези продукти, подобни на лигнитни въглища вече се създават само за няколко часа. HTC технологията може да бъде интегрирана в иновативен цикъл и в съществуващи пречиствателни станции за отпадъчни води. Продуктите могат да бъдат използвани като висококачествени горива и като тор за подобряване на почвите. Подобряващият ефект на HTC въглищата върху почвата обаче се оспорва, тъй като изследвания показват съмнения за фитотоксични съединения. Остатъците от пиролиза са доста по-подходящи за това приложение. Поради това, все още е неясно дали остатъците от инсталацията за биогаз в Jenfelder Au могат да бъдат използвани за създаване на висококачествени продукти за подобряване на почвата и торене с помощта на HTC.

Канализацията като източник на топлина
Канализационните линии също се предвижда да бъдат разглеждани като източник на топлина. Това е така, защото дори енергийно оптимизирани сгради имат изтичане на топлинни потоци чрез канализацията. Много битови и промишлени отпадъчни води текат с високи температури в канализационната система, без топлината им да се използва по-нататък. Те имат голям топлинен потенциал. Немската Термопомпена асоциацията е изчислила, че от около 6 милиарда кубически метра производствени отпадъчни води, които се образуват всяка година, могат да се възстановят най-малко 20TWh топлинна енергия, което съответства на нуждите за отопление на 5% от всички сгради в Германия.

Квартал в Щутгарт със сгради с висока енергийна ефективност използва топлина от канализацията. Отпадъчна топлина от близкия голям канал за отпадъчна вода дава възможност за по-подходяща за квартала доставка на топлинна енергия. Това е така, защото традиционното централно отопление с доставки на високи температури и загуби по тръбите често се оказва неефективно и икономически неизгодно за доставка на топлинна енергия за такива сгради с почти нулево потребление на енергия. Затова Щутгарт прие план, според който основният източник на енергия за топлоснабдяване и охлаждане ще бъдат отпадъчните води, чиято енергия ще се използва чрез нискотемпературно локално парно с мрежа от топлообменници и каскадни термопомпи.